Es ist bekannt, in Mikrosystemen mit Elektroden-Kanal- Anordnungen flüssigkeitssupendierte Teilchen auf der Grundlage negativer oder positiver Dielektrophorese zu manipulieren, wobei unter der Wirkung hochfrequenter elektrischer Felder Polari- sationskräfte erzeugt werden, die eine Abstoßung von den Elek- troden und in Zusammenwirkung mit Strömungskräften in der Sus- pensionsflüssigkeit eine Manipulation der Teilchen im Mikrosy- stem erlauben. Eine Übersichtsdarstellung zu den bekannten Mikrosystemen wird z. B. von G. Fuhr et al. in"Naturwissen- schaften", Band 81,1994, Seite 528 ff., gegeben.

Herkömmliche Mikrosysteme besitzen Nachteile in Bezug auf die Stabilität und Lebensdauer der Elektroden und die Beschränkung auf bestimmte Potentialformen entsprechend der jeweiligen Elek- trodengeometrie.

So besitzen die Mikroelektroden herkömmlicher Mikrosysteme in der Regel die Form gerader Bänder, die zur Erzielung bestimmter Feldbarrieren im Kanal eines Mikrosystems in bestimmter Weise in Bezug auf den Kanal ausgerichtet sind. Aufgrund mechanischer Beanspruchung oder durch Materialermüdung oder auch durch Her- stellungsfehler kann es zu Unterbrechungen in den geraden Elek trodenbändern und damit zum Funktionsausfall des gesamten Mikro- systems kommen. Ein herkömmliches System ist ferner entsprechend der gegebenen Elektrodenstrukturierung auf eine bestimmte Funk- tion beschränkt. Variable Wirkungen zur Teilchenablenkung in einem gegebenen Mikrosystem sind nicht möglich.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Elektrodenanord- nungen für Mikrosysteme mit dielektrophoretischer Partikel- ablenkung zu schaffen, mit denen die Nachteile herkömmlicher Mikrosysteme überwunden werden. Die Aufgabe der Erfindung ist es ferner, Anwendungen derartiger Elektrodenanordnungen anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Elektrodenanordnung mit den Merk- malen gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausfüh- rungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, bei einer Elektroden- anordnung in einem Mikrosystem mit dieelektrophoretischer Parti- kelablenkung, die aus mindestens einer Elektrode besteht, eine Unterteilung der Elektrode in Elektrodensegmente vorzusehen. Die Elektrodensegmente sind dazu eingerichtet, gemeinsam oder sepa- rat mit Potentialen beaufschlagt zu werden und gemeinsam zusam- menwirkend eine Feldbarriere entsprechend der Funktion der je- weiligen Elektrode im Mikrosystem zu bilden. Die Elektrodenseg- mente sind gegenüber einer Flüssigkeit im Mikrosystem freilie- gende Elektrodenflächen, die je nach Gestaltungsform miteinander elektrisch verbunden, wobei dann die Bereiche der elektrischen Verbindungen gegenüber der Flüssigkeit im Mikrosystem nicht freiliegen, d. h. abgedeckt sind, oder elektrisch voneinander isoliert sind. Der Übergang von herkömmlichen, flächigen oder bandförmigen Elektroden zur erfindungsgemäßen Elektrodensegmen- tierung löst die obengenannte Aufgabe in vorteilhafer Weise in mehrfacher Hinsicht. Einerseits sind die Elektrodensegmente weniger störanfällig, wie dies im einzelnen unten erläutert wird. Andererseits erlauben sie auch bei separater Ansteuerbar- keit eine in herkömmlichen Mikrosystemen nicht gegebene Multi- funktionalität der Mikroelektroden und damit der Mikrosysteme an sich.

Gemäß einer ersten Ausführungsform werden die Elektrodensegmente dadurch gebildet, daß Elektroden mit an sich flächiger oder bandförmiger Ausdehnung eine Isolationsschicht tragen, die in vorbestimmten Teilen Ausnehmungen besitzt. Die Ausnehmungen wei- sen die Gestalt und Position der gewünschten Elektrodensegmente auf. Durch die Ausnehmungen tritt die Flüssigkeit im Mikrosystem in Kontakt mit der Elektrode, die wegen der isolierenden oder dielektrischen Abdeckung lediglich durch die Ausnehmungen bzw.

Elektrodensegmente wirksam und im übrigen unwirksam ist. Diese Gestaltung ist vorteilhaft für die Lebensdauer der Elektroden, da selbst eine Durchtrennung des gesamten Elektrodenteils, das zur Flüssigkeit hin offenliegt, nicht zum Ausfall der Elektrode führt.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind die Elek- trodensegmente einzeln, unabhängig voneinander ansteuerbar. Die gemeinsam eine Elektrodenfunktion übernehmenden Elektrodenseg- mente sind im Mikrosystem z. B. an einer Kanalwand in einem Be- reich angeordnet, dessen Form einer herkömmlichen Elektrode ent- spricht, die zur Erfüllung dieser Funktion vorgesehen wäre. Die Elektrodensegmente sind separat mit Potentialen beaufschlagbar, die anwendungsabhängig in Bezug auf die Phasenlage und Amplitu- den variieren.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind Elektro- densegmente, die voneinander elektrisch isoliert und einzeln ansteuerbar sind, als Elektrodenarray angeordnet. Ein Elektro- denarray besteht aus einer Vielzahl punkt-oder flächenförmiger Elektrodensegmente, die beispielsweise matrixartig in Reihen und Spalten oder anwendungsabhängig in anderen geomerischen Konfigu- rationen angeordnet sind und von denen bei Betrieb des Mikrosy- stems eine vorbestimmte Anzahl von Elektrodensegmenten zur Er- zeugung einer bestimmten Elektrodenfunktion mit elektrischen Potentialen beaufschlagt sind, während die übrigen Elektroden- segmente des Elektrodenarrays nicht angesteuert werden. Dies ist eine besonders vorteilhafte Gestaltung einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung, da je nach Anwendung die Elektrodensegmente verschieden angesteuert und somit die Elektrodenfunktion frei gewählt werden kann. Diese Funktionswahl kann, wie unten erläu- tert wird, irreversibel oder reversibel erfolgen.

Weitere wichtige Gesichtspunkte der Erfindung sind die geometri- sche Konfiguration von Elektrodensegmenten, mit denen Gradienten und somit verschieden starke Kräfte erzeugt werden können und/oder die an das Strömungsprofil in der Suspensionsflüssig- keit angepaßt sind. Letztere Gestaltung besitzt den Vorteil, daß die Elektroden kürzer ausgebildet werden können und mit geringe- ren Kräften behaftet sind, jedoch die gleiche Effektivität wie herkömmliche Mikroelektroden besitzen.

Bevorzugte Anwendungen der Erfindung liegen in der Technik flui- discher Mikrosysteme zur Separation, Manipulation, Beladung, Fusion, Permeation, Pärchenbildung und Aggregatformation von mikroskopisch kleinen, suspendierten Partikeln (synthetische Teilchen und/oder biologische Teilchen, wie z. B. biologische Zellen, Zellbestandteile oder Makromoleküle).

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Teilchenbewegung in einem Mikrosystem mit herkömmlichen oder erfindungsgemäßen Elektrodenformen unter der Wirkung von Zentri- fugal-und/oder Gravitationskräfen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den im folgenden beschriebenen Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht einer Kanal- struktur mit Mikroelektroden zur Erzeugung von Kraftbarrieren in einem Mikrokanal, Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Erfindung mit band- artigen Elektrodensegmenten, Fig. 3 weitere Ausführungsformen der Erfindung mit punkt- oder streifenförmigen Elektrodensegmenten, Fig. 4 weitere Ausführungsformen der Erfindung mit band- förmig angeordneten Elektrodensegmenten zur Erzeu- gung von Feldgradienten, Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf einen Mikrokanal mit bandförmigen Elektrodensegmenten zur Bildung eines Partikeltrichters, Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf einen weiteren Partikeltrichter aus Elektrodensegmenten, Fig. 7 eine schematische Draufsicht auf einen weiteren gegenüber Fig. 6 abgewandelten Partikeltrichter, Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Elektrodenarray, Fig. 9 eine Illustration eines Ansteuerbeispiels für ein Elektrodenarray gemäß Fig. 7, Fig. 10 eine Illustration eines weiteren Ansteuerbeispiels eines Elektrodenarrays gemäß Fig. 7, Fig. 11 weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Elektro- densegmente mit Schleifen und Mehrfacheinspeisungen, Fig. 12 eine weitere Ausführungsform einer programmierbaren Elektrodenanordnung, und Fign. 13 bis 15 weitere Ausführungsformen der Erfindung am Bei- spiel eines Mikrosystems mit Zentrifugal-und/oder Gravitationsantrieb der Teilchenbewegung.

Fig. 1 zeigt in schematischer Form beispielhaft die Ausführung von Mikroelektroden zur Erzeugung von Kraftbarrieren in Mikroka- nälen. Das fluidische Mikrosystem 20 ist ausschnittsweise in überhöht perspektivischer Seitenansicht einer Kanalstruktur dar- gestellt. Der Kanal 21 wird beispielsweise durch zwei mit Ab- stand auf einem Substrat 22 angeordnete Spacer 23 gebildet, die ein Deckteil 24 tragen. Derartige Strukturen werden beispiels- weise mit den an sich bekannten Prozessierungstechniken der Halbleitertechnologie hergestellt. Das Substrat 22 bildet die Bodenfläche 21a des Kanals 21. Dementsprechend wird die Deckflä- che 21b (aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gesondert hervorge- hoben) durch das Deckteil 24 gebildet. Die Elektrodenanordnung 10 besteht aus Mikroelektroden 11,12, die auf der Bodenfläche 21a bzw. auf der Deckfläche 21b angebracht sind. Jede der Mikro- elektroden 11,12 besteht aus mehreren Elektrodensegmenten, die unten näher beschrieben werden.

In Fig. 1 bilden die Elektrodensegmente eine Elektrodenstruktur, die im einzelnen unten unter Bezug auf die Fign. 5-7 erläutert wird. Die anderen, im folgenden beschriebenen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Elektrodenanordnungen können entsprechend auf den Boden-und/oder Deckflächen des Kanals 21 angebracht sein.

Der Mikrokanal 21 wird von einer Suspensionsflüssigkeit durch- strömt (im Bild von rechts nach links), in der Partikel 30 sus- pendiert sind. Die in Fig. 1 dargestellte Elektrodenanordnung 10 besitzt beispielsweise die Aufgabe, die Partikel 30 von ver- schiedenen Bewegungsbahnen innerhalb des Kanals auf eine mittle- re Bewegungsbahn gemäß Pfeil A zu führen. Hierzu werden die Mikroelektroden 11,12 derart mit elektrischen Potentialen be- aufschlagt, daß sich im Kanal elektrische Feldbarrieren ausbil- den, die die von rechts anströmenden Teilchen hin zur Kanalmitte (Pfeilrichtungen B) zwingen.

Die typischen Abmessungen der Mikroelektroden 11,12 liegen bei einer Breite von 0,1 bis zu einigen zehn Mikrometern (typischer- weise 5... 10 um), einer Dicke von 100 nm bis zu einigen Mikro- metern (typischerweise 200 nm) und einer Länge von bis zu mehre- ren hundert Mikrometern. Die Länge der Elektrodensegmente ist anwendungsabhängig in Abhängigkeit von ihrer Zahl und ihrem je- weiligen Abstand entsprechend kürzer. Das Innere des Kanals 21 wird durch die auf der Ober-und Unterseite der Teile 23,24 prozessierten Elektroden auf Grund der geringfügigen Dicke der Elektroden nicht eingeschränkt. Das Teil 23 ist ein Spacer, des- sen Strukturierung die seitlichen Kanalwände bildet.

Die Mikroelektroden 11,12 werden mittels hochfrequenter elek- trischer Signale (typischerweise mit einer Frequenz im MHz- Bereich und einer Amplitude im Voltbereich) angesteuert. Die jeweils gegenüberliegenden Elektroden lla, llb bilden ein An- steuerpaar, wenngleich auch die in einer Ebene liegenden Elek- troden in ihrer Ansteuerung (Phase, Frequenz, Amplitude) zusam- menwirken. Das durch den Kanal 21, d. h. senkrecht zur Strömungs- richtung erzeugte elektrische Hochfrequenzfeld wirkt auf suspen- dierte Teilchen 30 (die auch lebende Zellen oder Viren sein kön- nen) polarisierend. Bei den genannten Frequenzen und geeigneter Leitfähigkeit der die Teilchen umgebenden Suspensionsflüssigkeit werden die Teilchen von den Elektroden abgestoßen. Damit läßt sich der hydrodynamisch offene Kanal 21 über die elektrischen Felder an-und abschaltbar strukturieren, kompartimentieren bzw. lassen sich die Bewegungsbahnen der Teilchen im passiven Strö- mungsfeld beeinflussen. Desweiteren ist es möglich, die Teilchen trotz permanenter Strömung zu retardieren bzw. auch ortsstabil ohne Berührung einer Oberfläche zu positionieren. Die Art und Ausführung der dazu gebildeten Elektrodenanordnungen ist auch Gegenstand der Erfindung.

Im folgenden werden Gestaltungsformen erfindungsgemäßer Elektro- denanordnungen beschrieben, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen in den Figuren jeweils nur eine planare Elektrodenanordnung (oder Teile einer solchen), z. B. auf der Bodenfläche des Kanals, dargestellt ist.

Für die Erzeugung von elektromagnetischen Begrenzungen in Kanal- systemen von Mikrostrukturen sind schmale, bandartige Elektroden verschiedener Geometrie günstig, da die Verluste proportional zur wirksamen Elektrodenfläche zunehmen. Derart schmale Elektro- den sind jedoch gegenüber Produktionsfehlern und lokalen Unter- brechungen sehr empfindlich. So führt ein Haarriß bereits zum Ausfall des gesamten restlichen Teils einer Bandelektrode. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform werden schmale Bandelektroden ohne die genannten Nachteile realisiert.

Die Elektrodenanordnung 10 besteht aus vier separat ansteuerba- ren Einzelelektroden lla-lld. Jede Einzelelektrode wird durch eine rechteckige metallische Beschichtung 13 z. B. auf der Boden- fläche des Kanals mit einer zugehörigen Steuerleitung 14 gebil- det. Die Schichtdicke liegt im Bereich von 50 nm bis zu einigen Mikrometern und beträgt vorzugsweise rd. 200 nm. Die Metall- schicht 13 trägt eine strukturierte Isolationsschicht 15 (schraffiert dargestellt). Die Isolationsschicht 15 ist derart strukturiert, daß entlang bestimmter Ausnehmungen die Metall- schicht 13 freiliegt (schwarz dargestellt). Die freiliegenden Bereiche bilden die Elektrodensegmente, an denen die Suspen- sionsflüssigkeit im Kanal direkt mit der Elektrode in Kontakt kommt. Falls im Bereich eines Elektrodensegments etwa ein Haar- riß oder ein anderweitiger Fehler auftritt, so wird über die übrige Metallschicht sichergestellt, daß alle Teile des Elektro- densegments dennoch mit den gewünschten elektrischen Potentialen beaufschlagt werden.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind die nebeneinander an- geordneten Einzelelektroden lla-lld so strukturiert, daß zwei Reihen von Elektrodensegmenten gebildet werden. Die Elektroden- segmente jeweils einer Reihe, die gerade oder gekrümmt sein kann, wirken zur Bildung vorbestimmter Feldbarrieren analog zur Funktion einer herkömmlichen Mikroelektrode zusammen. Je nach Ansteuerung der Einzelelektroden können dabei beispielsweise die folgenden Funktionen erzielt werden.

Werden die Einzelelektroden zur Ausbildung einer in Kanalrich- tung trichterförmigen Feldbarriere (Partikeltrichter) ange- steuert, so werden sämtliche Partikel 30a, 30b hin zur Kanalmit- te geführt, wie dies oben erläutert wurde. Alternativ ist es aber auch möglich, eine oder mehrere der Einzelelektroden zeit- weilig abzuschalten, so daß einzelne Partikel 30a hin zur Kanal- mitte geführt werden (Pfeil A), während andere Partikel 30b mit Abstand von der Kanalmitte weiter strömen. Beim dargestellten Beispiel wurde die Einzelelektrode llc unmittelbar vor Erreichen durch den Partikel 30b kurzzeitig abgeschaltet, so daß in diesem Bereich die Feldbarriere im Kanal wegfiel. Dadurch kann der Par- tikel 30b entsprechend Pfeil B weiter bewegt werden. Für die Erzielung der Bahn des Partikels 30a sind sämtliche Einzelelek- troden dauernd eingeschaltet.

Die Isolationsschichten bestehen bei sämtlichen Ausführungsfor- men vorzugsweise aus biokompatiblen Materialien, z. B. Oxiden Si02, SiNO3, und dergleichen), Polymeren, Tantanverbindungen oder dergleichen. Es können auch aufgesputterte Materialien, die elektrisch isolierend sind, verwendet werden. Die Dicke der Iso- lationsschicht liegt im Bereich oberhalb 100 nm und kann bis zu einigen Mikrometer betragen.

Fig. 3 zeigt beispielhaft weitere Ausführungen a, b, c, d punkt- förmiger und streifenförmiger Elektrodensegmente sowie segmen- tierter Elektroden analog zu der in Fig. 2 erläuterten Elektro- denausführung. Die schraffierten Flächen stellen jeweils die mit einer Isolationsschicht bedeckten Metallschichten der Einzel- elektroden dar, während die schwarz gefüllten Streifen bzw.

Punkte die Elektrodensegmente zeigen. Die Elektrodensegmente sind im Kanal anwendungsabhängig angeordnet. Die Überströmung der Elektroden erfolgt jeweils in der Bildebene von oben nach unten (oder umgekehrt). Der Vorteil der separierten Elektroden- ausführung besteht darin, daß durch die externe Ansteuerung der wirksame Verlauf der Bandelektroden hinsichtlich der Teilchenbe- wegung in weiten Bereich frei variiert werden kann.

Für das Sortieren von Teilchen oder Zellen (z. B. nach dielektri- schen Eigenschaften oder der Größe) ist es erforderlich, die Feldstärke über die Länge eines Elektrodenbandes zu variieren.

Zwei mögliche Ausführungen sind in den Fign. 4a, 4b dargestellt.

In der Ausführung a wird durch die Abstände der Ausnehmungen bzw. Elektrodensegmente 41 in der Isolationsschicht 45 ein Feld- gradient erzeugt. Gemäß Ausführung b läßt sich dies über das Aufbringen verschieden breiter Isolierflächen 45 auf eine Bande- lektrode erreichen.

Die Elektrodenanordnungen 10 gemäß den Fign. 4a, 4b sind im Mi- krosystem so angeordnet, daß der Feldgradient eine bestimmte Ausrichtung in Bezug auf die Strömungsrichtung im Kanal besitzt.

Wird beispielsweise ein Feldgradient schräg zur Kanallängsrich- tung ausgebildet, so bedeutet dies, daß die anströmenden Parti- kel auf eine Feldbarriere mit in Kanalquerrichtung veränderli- cher Amplitude treffen. Kleine Teilchen, bei denen auch bei ho- hen Amplituden nur geringe Polarisationskräfte auftreten, können die Feldbarriere bei hohen Amplituden überwinden, wohingegen größere Teilchen durch die Feldbarriere in Kanalquerrichtung so weit abgelenkt werden, bis die Polarisationskräfte genügend ge- ring sind und die Feldbarriere durchlaufen werden kann. Eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung, deren Elektrodensegmente Feldgradienten bilden, ist somit zur Partikelsortierung in Ab- hängigkeit von der Ausbildung von Polarisationskräften im jewei- ligen Partikel und somit in der Regel in Abhängigkeit von dessen Größe einsetzbar.

Das Prinzip dieser Partikelsortierung ist in Fig. 4c illustriert. Kleine Partikel 30a können die Feldbarriere der Elektrodenanordnung 10 gemäß Fig. 4a bei großen Feldstärken durchdringen, während größere Partikel 30b, 30c erst bei gerin- geren Feldstärken in Kanalrichtung weitergeführt werden. Die hierzu erforderlichen Amplituden werden anwendungsabhängig je nach den auftretenden Strömungs-und Polarisationskräften ge- wählt. Dies kann unter Verwendung der an sich bekannten Steuer- prinzipien aus der Mikrosystemtechnik, insbesondere aus der Manipulierung von Partikeln auf der Basis negativer Dielektro- phorese erfolgen. Die Elektrode 42 dient der Zuführung der Par- tikel zum Beginn des Feldgradienten.

Die in Fig. 2 dargestellte Abdecktechnik zur Herstellung bandar- tiger Elektroden kann auch zu ihrer Optimierung gemäß Fig. 5 genutzt werden. Fig. 5 zeigt eine Abwandlung einer Elektrodenan- ordnung 10 zur Bildung einer trichterförmigen Feldbarriere. Die Elektrodenanordnung 10 besteht aus zwei Einzelelektroden lla, llb, die jeweils die Form gekrümmter Elektrodenbänder besitzen.

Jede der Einzelelektroden lla, llb ist von einer Isolations- schicht 55 mit Ausnehmungen 56 abgedeckt. Die Ausnehmungen 56 lassen vorbestimmte Abschnitte der Einzelelektroden lla bzw. llb frei, die die Elektrodensegmente 51 bilden. Die Teile 52 der Einzelelektroden lla bzw. llb sind wegen der abdeckenden Iso- lationsschicht elektrisch nicht wirksam.

Die Elektrodenbänder der Einzelelektroden sind winkelig derart ausgeführt, daß sich immer ein Elektrodenabschnitt, der hin zur Kanalmitte führt und den Elektrodensegmenten 51 entspricht, von einem Elektrodenabschnitt begrenzt wird, der von der Kanalmitte weg weist und den abgedeckten Rückführungen 52 entspricht. Diese Anordnung ermöglicht ein nahtloses Zusammenwirken der Elekroden- segmente, die zwar geometrisch voneinander getrennt sind, sich in Strömungsrichtung (s. Pfeil A) jedoch überlappende Feld- barrieren bilden.

Am Beispiel des Partikeltrichters gemäß Fig. 6 soll noch eine weitere Elektrodenanordnung erläutert werden. In Medien hoher Luftfeuchtigkeit, wie sie z. B. für die Kultur tierischer und humaner Zellen verwendet werden (oder auch im Meerwasser), kön- nen die Verluste auf einer Bandleitung (bandförmige Elektrode) so groß sein, daß an deren Ende deutlich geringere oder gar keine Feldeffekte bezüglich der Partikelabdeckung mehr auftre- ten. Unter derartigen Umständen ist es zweckmäßig, die Elektro- den lla, llb jeweils in Elektrodensegmente 61a bis d zu teilen und verschiedene Einspeisungen an den Steuerleitungen 64a bis d vorzunehmen. Die Winkel zum Kanalverlauf (Pfeil A) sind dem Strömungsprofil im Kanal angepaßt. Zuführende Teile 62 der Elek- trodenanordnung 10 sind zweckmäßigerweise zu isolieren.

Alternativ zu der Darstellung gemäß Fig. 5 können die Einzel- elektroden jeweils auch durch flächige Metallschichten nach dem in Fig. 2 erläuterten Prinzip gebildet werden. Die Elektroden können auch durch eine gemeinsame Metallschicht 13, die eine gemeinsame Isolationsschicht 15 mit Ausnehmungen entsprechend den gewünschten Elektrodensegmenten 71 trägt, gebildet werden (s. Fig. 7).

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Fign. 8 bis 10 erläutert, bei der die Elek- trodenanordnung 10 aus einer großen Anzahl von punktförmigen, matrixartig angeordneten Elektrodensegmenten 81 besteht, die sämtlich einzeln ansteuerbar sind.

Fig. 8 zeigt beispielhaft die Anordnung von Elektrodensegmenten 81 auf der Boden-und/oder Deckfläche des Kanals. Die Elektro- denanordnung erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Kanal- breite zwischen den Spacern 83, die die seitlichen Kanalwände bilden. Ein oder mehrere Partikel 30 strömen beispielsweise in Pfeilrichtung (Pfeil A) über die Elektrodenanordnung 10. Mit den Elektrodensegmenten 81 lassen sich beliebige Wirkungen zur Par- tikelablenkung, insbesondere wie sie in Fig. 1 bis 7 dargestellt wurden, in programmierbarer Weise über die einzeln ansteuerbaren punktförmigen oder quadratischen bzw. rechteckigen Elektroden- segmente in arrayartiger Anordnung erreichen, wenn die Abstände zwischen den Elektrodensegmenten 81 kleiner als die zu manipu- lierenden Partikel 30 sind. Vorzugsweise ist eine gleichartige Elektrodenanordnung auf der Oberseite des Kanals angebracht, so daß sich elektrische Hochfrequenzfelder von der Oberseite des Kanals zur Unterseite des Kanals ausbilden können. Beispiele für eine mögliche Ansteuerung sind in Fig. 9 und 10 dargestellt.

Fig. 9 zeigt beispielhaft die Ansteuerung eines Elektroden- arrays, wie es in Fig. 8 erläutert wurde. Die hellen Elektroden- segmente sind nicht angesteuert. Die schwarz gezeichneten Elek- trodensegmente 91,91a-h werden mit einer Wechselspannung (z. B. zwischen 1 und 500 MHz) angesteuert. An den entsprechenden Positionen werden auch die in der oberen Ebene des Kanals (hier nicht dargestellt) liegenden Elektrodensegmente angesteuert. Als Beispiel wird die Ansteuerung der Elektrodensegmente im folgen- den in Tabellenform aufgelistet. Dabei beschreiben die ungestri- chenen Bezugszeichen Gruppen von Elektrodensegmenten der unteren Ebene, während Zahlen mit einem (') sich auf die obere Kanalebe- ne beziehen : Elektroden Phasenlage Elektrode Phasenlage 91 0° 91f 270° 91'180° 91f 90° 91a 0° 91g 0° 91 a'180° 91 g'180° 91b 0° 91h 0° 91 b'180° 91 h'180° 91c 0° 91c'180° 91d90° 91 d'270° 91e'180° 91 e'0° Die Funktionsweise des Systems läßt sich wie folgt darstellen : Die Partikel 30 werden entsprechend dem Pfeil in den Kanal ein- geströmt. Wenn die Elektrodenreihen 91,91a, 91b angesteuert sind, entsteht eine Feldbarriere, die die Partikel in den Zen- tralbereich der Strömung fokussiert. Über die Elektrodenreihen 91a, 91b werden die Partikel zueinander auf Abstand gebracht.

Die Elektrodengruppen 91c-91f bilden einen Quadrupol, der seine Entsprechung 91c'-91f'auf der Oberseite des Kanals besitzt.

Diese 8er-Gruppe von Elektroden fungiert entsprechend ihrer An- steuerung als Feldkäfig und dient dem exakten Positionieren der Teilchen. Werden diese Elektrodengruppe oder zumindest die Elek- trodensegmente 91d, 91f abgeschaltet, können die danach ausge- strömten Teilchen durch wahlweises Anschalten der Elektrodenrei- hen 91g oder 91h auf die rechte oder linke Seite des Kanals ge- lenkt werden. Es handelt sich bei diesem System somit um ein Partikel/Zell-Bewegungs-und Sortiermodul.

In Fig. 10 wird beispielhaft gezeigt, wie durch eine zu Fig. 9 verschiedene Ansteuerung der Elektrodensegmente eine neuartige Funktion des Systems erreicht werden kann. Eingeströmt wird diesmal eine Teilchengemisch 30a. 30b, 30c, bestehend aus ver- schieden großen und dielektrophoretisch unterschiedlich beein- flußbaren Teilchen (30a-dielektrophoretisch schwach zu beein- flussende Teilchen, 30b-Teilchen, größer als die Abstände zwi- schen den Elektroden und dielektrophoretisch gut ablenkbar, 30c-Teilchen, deutlich kleiner, als die Elektrodenpixelabstän- de gewählt wurden). Die Elektrodengruppen 101a, b fokussieren ausschließlich die großen Teilchen 30b auf eine Fangelektrode 102, wo sie festgehalten werden, während die Teilchen 30a und 30c nahezu unbeeinflußt den Kanal durchlaufen werden (Pfeil A).

Wenn die Fangelektrode ab-und die Elektrodenpixelreihen 103 angeschaltet werden, bewegen sich die zurückgehaltenen Teilchen 30b nun entlang der eingezeichneten Bahnen und können separat abgefangen werden (Pfeil B). Die Kanalwände 104 können den Hauptkanal in mehrere Kanäle aufspalten.

Eine weitere Anwendung derartiger Arrays ist die universelle Anlage, d. h. potentielle Verwendbarkeit aller Elektrodensegmente oder-pixel, die jedoch in einem irreversiblen Prozeß bei der ersten Nutzung festgelegt bzw. aktiviert werden. Dies könnte z. B. durch Abschlagen einer Isolationsschicht, die Öffnung über einen elektrischen Impuls (Dauer rd. us-bis s-Bereich, Spannung rd. 10 V bis einige 100 V), auf optischem Weg oder nach einem ähnlichen Prinzip erfolgen. Die dann freigelegte Struktur kann nur noch erweitert, nicht aber reduziert werden. Zumindest ist letzteres nur durch selektives Aufbringen neuer Isolationen mög- lich. Entsprechendes wäre über eine Oxidation denkbar. Ein be- vorzugtes Mittel, im Kanal gegenüberliegende Elektrodenpixel von einer Isolationsschicht zu befreien, ist der dielektrische Durchschlag über Ansteuerung beider Elektroden mit kurzen elek- trischen Impulsen.

Eine reversible Variante derartiger Aktivierungen von Punkt- elektroden kann über photoelektrische Effekte erreicht werden.

Geeignete Halbleiter erlauben es, durch Belichtung in ihrer Leitfähigkeit deutlich verändert zu werden. Auf diesem Wege kann durch Belichtung über eine Maske auf einer oder beiden Seiten des Kanals das gewünschte Elektrodenmuster aktiviert werden.

Ein weiteres wichtiges Kriterium zur Optimierung von Band- elektroden kann deren Umempfindlichkeit gegenüber einer Unter- brechung sein. Um trotzdem die Funktion aufrechtzuerhalten, sind Schleifen und Mehrfachspeisungen sinnvoll. Um die Verluste ge- ring zu halten, können diese Teile der Elektroden mit einer Iso- lierschicht gegenüber der darüber befindlichen Suspension elek- trisch getrennt werden. Einige beispielhafte Ausführungen sind in den Fig. lla) bis d) zusammengestellt. 114 ist eine Ringelek- trode mit sehr kleinem Loop und einer Isolationsschicht 115. Bei der Gestaltung b) handelt es sich um einen weiträumigeren Loop 116 mit ebenfalls teilweiser Isolation. Bei c) ist eine Mikro- elektrodenmehrfacheinspeisung llla bis lllc dargestellt. Die Einspeisungen können entweder permanent oder wahlweise nach Aus- fall einer Zuführung angesteuert werden.

Bei der Gestaltung d) ist eine mehrfach gefaltete Bandelektrode llld mit teilweiser Isolation 115 gezeigt. Wenn nicht gerade der vordere Teil (nahe der Einspeisung) ausfällt, wird die Funktion immer noch von einem der anderen Teile übernommen. Die darge- stellten Elektrodentypen lassen sich in ihren Ausführungen auch sinngemäß kombinieren.

In Fig. 12 ist beispielhaft eine über elektrische Impulse pro- grammierbare Elektrodenanordnung dargestellt. Die zehn rechtek- kigen Elektroden 121 stehen untereinander über die Verbindungs- stege 122 in elektrischem Kontakt. Diese Verbindungsstege können über einen Stromimpuls zwischen je zwei benachbarten Elektroden zerstört werden. Dies ermöglicht es, die Verschaltung zwischen den Elektroden per Stromimpuls festzulegen.

Entsprechend einer Ausfuhrungsform der Erfindung werden auch ein Verfahren zur Manipulation von Partikeln in fluidischen Mi- krosystemen, insbesondere zur Bewegung von Partikeln in Mikro- systemen entlang vorbestimmter, zumindest abschnittsweise gera- der Bahnen, und Vorrichtungen zur Implementierung eines derar- tigen Verfahrens, insbesondere ein fluidisches Mikrosystem, bei dem synthetische oder biologische Partikel in einer Suspensi- onsflüssigkeit manipuliert werden, und Anwendungen eines derar- tigen Mikrosystems beschrieben.

Fluidische Mikrosysteme mit flüssigkeitsdurchströmten Struktu- ren (z. B. Kanälen), in denen Mikroelektroden zur Beeinflussung von Partikeln (z. B. biologische Zellen) in den durchströmten Kanälen durch hochfrequente Felder auf der Basis negativer oder positiver Dielekrophorese angebracht sind, werden beispielswei- se in der Publikation von G. Fuhr et al. in"Naturwissenschaf- ten" (Bd. 81,1994, S. 528 ff.) beschrieben.

Gewöhnlich werden fluidische Mikrosysteme von einer Flüssig- keit zum Vortrieb der Partikel durchströmt. Die auf beiden Ka- nallängsseiten (oben, unten) aufgebrachten Mikroelektroden füh- ren zu einer Kompartimentierung des Kanals mittels hochfrequen- ter elektrischer Felder, mit denen die suspendierten Partikel in der gewünschten Weise, z. B. über Verzweigungen in Nachbarka- nable oder andere Strukturelemente, abgelenkt werden können.

Schwierigkeiten bereiten vor allem die Einspülungen der Parti- kel jeweils an einem Kanalende und die Einstellung der in der Regel geringen Strömungsgeschwindigkeiten (einige ul/h), die mit steigender Miniaturisierung immer gravierende Einschränkun- gen mit sich bringen.

Ein genereller Nachteil herkömmlicher fluidischer Mikrosysteme besteht darin, daß zur gerichteten und einstellbaren Partikel- bewegung eine Lösungsströmung erforderlich ist, deren Steuerung (z. B. der Strömungsgeschwindigkeit) Probleme bereitet.

Aus der Publikation von M. J. Madou et al. in"SPIE", Band 3259,1998, S. 80 ff., ist ein Zentrifugal-Durchflußsystem be- kannt, bei dem Flüssigkeitsströmungen in einem Mikrosystem nicht mit herkömmlichen Pumpen und Ventile, sondern unter der Wirkung von Zentrifugalkräften eingestellt werden. Hierzu be- findet sich das Mikrosystem in einem scheibenförmigen Träger in Gestalt einer CD-ROM-Scheibe. Analog zum Betrieb von CD- Speichermedien ist der Träger dazu vorgesehen, mit hoher Ge- schwindigkeit (im Bereich von 100 bis 10000 Umdrehungen pro Mi- nute) gedreht zu werden. Die Flüssigkeiten im Mikrosystem bewe- gen sich unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte radial nach außen. Simultan zu dieser Flüssigkeitsbewegung erfolgen im Mi- krosystem bestimmte biochemische Reaktionen. Es ist auch vorge- sehen, die Flüssigkeitsbewegung zum Teilchentransport, wie in einer herkömmlich gepumpten Flüssigkeitsströmung zu verwenden.

Die Zentrifugaltechnik nach M. J. Madou et al. besitzt die fol- genden Nachteile. Sowohl die Erzielung einer genügenden Flüs- sigkeitsbewegung als auch eine möglichst behinderungsfreie Mit- nahme von Partikeln mit der Flüssigkeit im scheibenförmigen, ebenen Rotor erfordern zwangsläufig die genannten hohen Dreh- zahlen des Trägers. Dadurch ergibt sich eine Einschränkung des herkömmlichen Zentrifugaldurchflußsystems auf bestimmte Grund- funktionen des herkömmlichen Zentrifugierens oder der Erzielung biochemischer Reaktionen. Die obengenannte Mikroelektrodentech- nik zur Erzeugung hochfrequenter elektrischer Felder in den Mi- krostrukturen ist nicht anwendbar. Ein weiterer Nachteil be- zieht sich auf die mit der herkömmlichen Zentrifugaltechnik realisierten Partikelsortierungen und-zählungen. Diese sind nur möglich, indem Mikrokanäle mit einer Größe hergestellt wer- den, die der Größe der zu bearbeitenden Teilchen entspricht.

Damit ist ein gegebenes Mikrosystem immer auf eine bestimmte Teilchengröße beschränkt. Außerdem kommt es bei der Handhabung von biologischen Partikeln (Zellen, Zellbestandteile) schnell zu Wechselwirkungen zwischen den Partikeln und der Kanalwand, die zu Kanalverstopfungen führen.

Es sind ferner Zentrifugensysteme allgemein bekannt, bei denen das Probenmaterial in der Zentrifuge nicht nur den Zentrifugal- kräften, sondern auch zusätzlich z. B. magnetischen oder elek- trischen Kräften ausgesetzt werden, um je nach dem Verhältnis der Zentrifugal-und der Zusatzkräfte spezifische Trenneffekte zu erzielen. Diese Zentrifugensysteme sind jedoch nicht zur Ma- nipulierung biologischer Objekte verwendbar. Biologische Objek- te (z. B. Zellen) werden nämlich in relativ stark leitfähigen Lösungen oder Suspensionen (Leitfähigkeiten im Bereich rd. 0.5 bis 3 Siemens/m) gehandhabt. Bei derartigen Leitfähigkeiten würde es in den herkömmlichen Zentrifugensystemen mit relativ großen Elektrodenflächen zu unerwünschten Aufheizungserschei- nungen kommen. Die herkömmlichen Zentrifugensysteme sind daher auf Leitfähigkeiten von rd. 0.1 Siemens/m beschränkt.

Der hier beschriebene Aspekt der Erfindung ist darauf gerich- tet, ein verbessertes Verfahren zur Manipulation von Partikeln in fluidischen Mikrosystemen anzugeben, mit dem die Nachteile herkömmlicher Mikrosysteme überwunden werden und das einen er- weiterten Anwendungsbereich besitzt. Die Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein verbessertes fluidisches Mikrosystem mit ei- ner gerichteten Partikelbewegung anzugeben, die vereinfacht und mit hoher Genauigkeit einstellbar ist. Die Aufgabe der Erfin- dung ist es auch, Anwendungen eines derart verbesserten Mikro- systems anzugeben.

Ein erster wichtiger Gesichtspunkt besteht darin, abweichend vom herkömmlichen Zentrifugaldurchflußsystem mit bewegten Flüs- sigkeiten zu einer Verfahrensweise überzugehen, bei der in ei- nem fluidischen Mikrosystem unter der Wirkung von Zentrifugal- kräften ausschließlich die zu manipulierenden Partikel bewegt werden, wobei im wesentlichen keine Flüssigkeitsströmungen oder -bewegungen im Mikrosystem auftreten. Hierzu werden eine Reihe von Maßnahmen realisiert, die insbesondere die Verwendung eines zumindest einseitig geschlossenen fluidischen Mikrosystems, die Anbringung eines solchen Mikrosystems an einer Schwingrotor- Zentrifugeneinrichtung und den Betrieb dieser Zentrifugenein- richtung mit einer vorbestimmten Drehzahl umfassen, bei der sich die Partikel im Mikrosystem in gewünschter Weise bewegen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht Zentrifugierungsvor- gänge mit geringen Drehzahlen. Wegen der Verwendung eines Schwingrotorsystems, bei dem sich ein Rotor als Träger für das Mikrosystem von einer vertikalen Ausrichtung (bei Stillstand oder niedrigen Drehzahlen) zu einer horizontalen Ausrichtung (bei hohen Drehzahlen) aufrichtet, beeinflussen bei abnehmenden Drehzahlen zunehmend auch die Gravitationskraft die Bewegung der Partikel im Mikrosystem. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird auch eine Partikelbewegung in mindestens einseitig geschlossenen Mikrosystemen beschrieben, die sich im Stillstand mit vertikaler Ausrichtung des Mikro- systems befinden. Die Partikelbewegung erfolgt als Sedi- mentation unter Wirkung der Gravitationskraft.

Erfindungsgemäß werden insbesondere derartige Mikrosysteme, die mit Mikroelektrodeneinrichtungen zur dielektrophoretischen Be- einflussung der Partikelbewegung ausgestattet sind, mit dem Prinzip des Zentrifugierens kombiniert. Die suspendierten Par- tikel bewegen sich aufgrund der Zentrifugalkräfte durch die Mi- krokanäle oder andere Mikrostrukturen in einem Mikrosystem, in denen sie (ohne austreten zu können) unter Wirkung elektrischer Polarisationskräfte z. B. aufgetrennt, in eine vorher festgeleg- te Position gebracht, fusioniert, sortiert oder permeiert wer- den.

Ein wichtiger Vorteil besteht darin, daß erstmalig bei komplex strukturierten Mikrosystemen mit dielektrophoretischer Teil- chenbeeinflussung auf den Einsatz von schwer steuerbaren und störanfälligen Pumpen oder Ventilen verzichtet werden kann, oh- ne daß eine Einschränkung der Funktionalität des Mikrosystems auftritt. Es bestehen keine Beschränkungen in Bezug auf die Ka- nalquerdimensionen. Es besteht die Möglichkeit, das Mikrosystem simultan mit der zugehörigen Steuerelektronik in Rotation zu versetzen. Wechselwirkungen von Partikeln (insbesondere biolo- gischen Partikeln) mit Wandbereichen des Mikrosystems können ohne weiteres vermieden oder aber auch bei entsprechender Strukturierung zur Untersuchung von Bindungsvorgängen in vorbe- stimmter Weise erzielt werden.

Ein wichtiger Vorteil besteht darin, daß alle Partikel glei- chermaßen der Zentrifugalkraft ausgesetzt werden und sich ent- sprechend einer Bezugsrichtung entlang vorbestimmer Kanäle be- wegen und die Trennung z. B. in verschiedene Teilkanäle oder Reservoire ausschließlich über Ablenkkräfte erzielt wird, die unabhängig von der Zentrifugalkraft partikelspezifisch wirken.

Die Ablenkkräfte besitzen eine von der Bezugsrichtung abwei- chende Richtung, wobei der Winkelunterschied vorzugsweise klei- ner als 90° ist. Über die Zentrifugalkraft wird lediglich die Partikelgeschwindigkeit eingestellt. Nach der Trennung können die Zusatzkräfte abgeschaltet werden, ohne das sich die Parti- kel wieder vermengen. Es ist ein unerwartetes und wichtiges Merkmal, daß durch den Einsatz einer Schwingrotorzentrifuge der Kontakt von Partikeln mit Probenkammerwandungen vermieden wer- den kann, was besonders bei biologischen Objekten von Bedeutung ist.

Die Figuren 13 bis 15 zeigen eine schematische Perspektivan- sicht eines erfindungsgemäßen Aufbaus eines Zentrifuge mit ei- nem Mikrosystem, eine schematische Draufsicht auf ein erfin- dungsgemäßes Mikrosystem, das zur Teilchentrennung eingerichtet ist, und eine schematische Draufsicht auf ein programmierbares Beladungsmikrosystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Die hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf die Kombination eines Mikrosystems, das mit einer Mi- kroelektrodeneinrichtung zur Ausübung negativer oder positiver Dielektrophorese ausgestattet ist (dielektrophoretisches Mikro- system), mit einer Schwingrotorzentrifugeneinrichtung. Sowohl das dielektrophoretische Mikrosystem (abgesehen von der minde- stens einseitigen Verschließbarkeit von Kanalstrukturen) als auch die Schwingrotorzentrifugeneinrichtung sind jeweils an sich bekannt, so daß auf deren technische Einzelheiten hier nicht weiter eingegangen wird. Es wird betont, daß der Begriff der Schwingrotorzentrifugeneinrichtung hier auch im weitesten Sinne dahingehend zu verstehen ist, daß jede Zentrifugenein- richtung mit mindestens einem drehzahlabhängig aufrichtbaren Rotor eingeschlossen ist, der selbst das Mikrosystem und die zugehörige Steuerung bildet, in den das Mikrosystem und die zu- gehörige Steuerung integriert oder auf den das Mikrosystem und die zugehörige Steuerung aufgesetzt sind.

Die erfindungsgemäß manipulierten Partikel können synthetische Teilchen oder biologische Objekte umfassen. Die synthetischen Teilchen sind beispielsweise membranumhüllte Gebilde, wie Liposomen oder Vesikeln, oder sogenannte Beads oder auch Makromoleküle. Die biologischen Objekte umfassen beispielsweise biologische Zellen oder Bestandteile von diesen (z. B. Zellorga- nellen), Bakterien oder Viren. Die Partikel können auch Aggre- gate oder Zusammenballungen derartiger Teilchen und/oder Objek- te sein. Die Erfindung wird vorzugsweise mit zellphysiologisch oder medizinisch relevanten Fluiden mit Leitfähigkeiten unter- halb 5 Siemens/m implementiert.

Fig. 13 ist eine schematische Ubersichtsdarstellung einer er- findungsgemäßen Vorrichtung zur Illustration der Anbringung ei- nes dielektrophoretischen Systems an einer Zentrifugeneinrich- tung.

An einem üblichen oder anwendungsabhängig modifizierten Rotor einer Zentrifuge mit der Drehachse 11 befinden sich vier Auf- nahmen 12, in die jeweils paßgerecht und für die applizierten Drehzahlen entsprechend ein Mikrosystem 15 und eine Steuer- elektronik 13 zur Ansteuerung des Mikrosystems mit hochfrequen- ten Wechselsignalen verschiedener Phasenlage und Amplitude ein- gesetzt sind. Die Steuerelektronik ist über Kabel 14, Stecker oder anderweitig mit dem Mikrosystem 15 verbunden. Die Energieversorgung der Steuereinrichtung erfolgt vorzugsweise über eine elektrische Verbindung, (umlaufender Kontakt) mit dem festen Laborsystem. Das Mikrosystem hat ein Eingangsdepot 16, das anwendungsabhängig verschieden groß ausgelegt sein kann und vor der Zentrifugation mit einer Teilchen-oder Zellsuspension gefüllt wird. Vom Eingangsdepot 16 aus verläuft eine Kanal- struktur, deren Einzelheiten weiter unten erläutert werden, bis zu Auffangzonen 17a, 17b, die ein zumindest während des Zentri- fugierens geschlossenes Ende des Mikrosystems 15 bilden. Dies bedeutet, daß das Ende des Mikrosystems entweder dauerhaft ab- geschlossen oder bei Stillstand der Vorrichtung durch entspre- chende Verbindungselemente geöffnet und an vorbestimmte Zusatz- systeme zur Probenübertragung angeschlossen werden kann. Das Mikrosystem 15 ist so auf der Aufnahme 12 angeordnet, daß bei Betrieb der Zentrifugeneinrichtung (Drehung des Rotors um die Drehachse 11 mit der Drehfrequenz w) die auf das Mikrosystem 15 und in diesem befindliche Partikel wirkenden Zentrifugalkräfte in der Bezugsrichtung vom Eingangsdepot 18 hin zu den Auffang- zonen 17a, 17b gerichtet sind. Die Aufnahmen 12 sind ver- schwenkbar am Rotor (nicht dargestellt) angebracht. Beim Still- stand der Zentrifuge sind die Aufnahme 12 im wesentlichen ver- tikal oder mit einem geringen Winkel gegenüber der Drehachse ausgerichtet. Beim Zentrifugenbetrieb richten sich die Aufnah- men 12 drehzahlabhängig in einen größeren Winkel bis hin in die horizontale Ausrichtung senkrecht zur Drehachse 11 auf. Unter der Wirkung der Gravitationskraft (bei Stillstand der Zentrifu- ge) bwz. der Zentrifugalkräfte durchlaufen die Teilchen das elektronisch gesteuerte Mikrokanalsystem und sammeln sich in den Auffangzonen (z. B. am geschlossenen Ende des von der Roto- rachse wegweisenden Teils des Mikrosystems).

Bei diesem Durchlauf werden die Partikel nach vorbestimmten Programmen (s. unten) behandelt. Da die Teilchen in Abhängig- keit von ihrer Dichte verschiedene Bewegungen ausführen und Endpositionen einnehmen, wird in der vorliegenden Erfindung der Vorteil der Zentrifugaltrennung und-bewegung mit den Möglich- keiten der programmierbaren Dielektrophorese kombiniert. In der Regel wird negative Dielektrophorese, in Ausnahmefällen auch positive Dielektrophorese der Teilchen genutzt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Steuerung der Teilchenbewegung über die Rotationsgeschwindigkeit (m) des Rotors 11. Da hierbei ebenfalls programmierbare Variationen durchlaufen werden kön- nen, ist ein zweiter Komplex von festlegbaren Parametern bei der Partikelmanipulation gegeben.

Die Zentrifugeneinrichtung ist mit einer (nicht dargestellten) Drehzahlsteuerung versehen, die für eine reproduzierbare und genaue Drehzahleinstellung insbesondere in niedrigen Drehzahl- bereichen eingerichtet ist. Die Drehzahl wird anwendungsabhän- gig je nach der gewünschten Geschwindigkeit der zu manipulie- renden Teilchen und in Abhängigkeit vom konkreten Zentrifugen- aufbau gewählt. Die interessierenden Partikelgeschwindigkeiten liegen für biologische Partikel (z. B. Zellen) unterhalb von rd.

500 um/s (vorzugsweise im Bereich von 50 bis 100 um/s) und für synthetische Partikel (z. B. Latex-Beads) bei höheren Geschwin- digkeiten (z. B. einige mm/s). Die Drehzahl der Zentrifugenein- richtung wird entsprechend den Zusammenhängen von Drehzahl und Zentrifugalkraft in Abhängigkeit von der Größe bzw. Massendich- te der Partikel gewählt. Die folgenden Angaben beziehen sich auf einen Abstand des Mikrosystems von der Rotorachse im Be- reich von 1 bis 10 cm. Für Partikeldurchmesser im Bereich von 50 bis 600 nm (z. B. Viren) können die Drehzahlen beispielsweise im Bereich von 1 bis 1000 U/min liegen. Bei Partikeln mit einem Durchmesser von rd. 5 um werden Drehzahlen bis zu 100 U/min be- vorzugt, wobei jedoch auch höhere Drehzahlen einstellbar sind.

Bei besonders kleinen Partikeln, z. B. Makromoleküle sind auch noch höhere Drehzahlen realisierbar. Für biologische Zellen er- geben sich bei einem Abstand des Mikrosystems von rd. 5 bis 10 cm von der Drehachse 11 Drehzahlen im Bereich von wenigen Um- drehungen pro Minute bis zu einigen 100 (z. B. 600) Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise unterhalb 100 U/min. Die erzielbaren Zentrifugalkräfte liegen im Bereich von pN bis nN. Die Zentri- fugeneinrichtung ist jedoch auch für größere Drehzahlen ausge- legt, die insbesondere für kleine Partikel oder für Reinigungs- oder Spülzwecke eingestellt werden können. Diese erhöhten Dreh- zahlen können bis zum Bereich der Drehzahlen herkömmlicher La- borzentrifugen reichen.

Die Drehzahl der Zentrifuge wird auch in Abhängigkeit von den dielektrophoretischen Kräften ausgewählt, die auf die Partikel im Mikrosystem wirken. Die dielektrophoretischen Kräfte sind als Polarisationskräfte von der Teilchenart und-große abhän- gig. Die Drehzahl wird vorzugsweise so ausgewählt, daß die Zen- trifugalkräfte auf die Partikel kleiner oder gleich den dielek- trophoretischen Kräften sind. Falls diese nicht bekannt sind, kann die Drehzahl auch in Bezug auf das folgende Kriterium aus- gewählt werden. Die Teilchen müssen sich so langsam durch die Kanalstruktur bewegen, daß beim Vorbeitritt an den Mikroelek- trodeneinrichtungen genügend Zeit zur dielektrophoretischen Ab- lenkung bleibt. Die Wirksamkeit oder Unwirksamkeit der dielek- trophoretischen Ablenkung in Abhängigkeit von der Drehzahl kann mit geeigneten Sensoren optisch oder elektrisch erfaßt werden.

Fig. 14 zeigt in schematischer Weise ein Mikrosystem zur Auf- trennung eines Partikelgemisches, bestehend aus größeren Teil- chen 21 (z. B. Zellen) und kleinen Teilchen 22, die in einer Suspension vorliegen. Die Zentrifugalkräfte wirken in Pfeil- richtung 23 (Bezugsrichtung). Die typischen Abmessungen der Ka- nalstruktur 24 sind die folgenden : Breite : einige 10 um bis zu einigen mm (typischerweise : 200-400 um) Lange : einige mm bis zu einigen cm (typischerweise : 20-50 mm) Höhe : einige um bis zu einigen 100 um (typischerweise : 50 um) Auf der Oberseite 25 und Unterseite 26 des Kanals 24 sind Mi- kroelektroden 27a, 27b gegenüberliegend angeordnet, die bei An- steuerung mit einer Wechselspannung (in der Regel einer Fre- quenz im MHz-Bereich und einer Amplitude von einigen Volt) quer zum Kanal Feldbarrieren erzeugen, die über negative (bedingt auch positive) Dielektrophorese die Teilchen ablenken (im hier gezeigten Fall die großen Teilchen).

Die Kanalstruktur 24 reicht vom Eingangsdepot 28 zu den ge- schlossenen Kanalenden 29a, 29b, in die sich der in einem mitt- leren Abschnitt gerade Kanal verzweigt. Ein erstes Paar der Mi- kroelektroden 27a, 27b ist unmittelbar am kanalseitigen Ende des Eingangsdepots 28 zur Ausbildung einer Feldbarriere ange- ordnet, die schräg in den Kanal hineinragt und die Aufgabe be- sitzt, die großen Teilchen 21 in den in Draufsicht rechten Teil des Kanals 24 zu drangen. Ein zweites Paar der Mikroelektroden 27a, 27b ist unmittelbar vor der Verzweigung zu den Kanalenden 29a, 29b angeordnet und bildet eine Feldbarriere, die schräg über die Kanalbreite bis in die zum Kanalende 29b führende Ab- zweigung reicht und dazu vorgesehen ist, die großen Teilchen 21 zu diesem Kanalende hin zu führen.

Ein erfindungsgemäßes Manipulationsverfahren, das bei diesem Beispiel auf eine Trennung der Teilchen gerichtet ist, umfaßt die folgenden Schritte.

Vor der Zentrifugation wird das Mikrosystem mit einer geeigne- ten Flüssigkeit gefüllt. Dabei ist das Mikrosystem bereits in eine Aufnahme 12 der Zentrifuge (s. Fig. 13) eingebaut. Der Einbau kann aber auch nach der Befüllung des Mikrosystems er- folgen. Kurz vor Beginn der Zentrifugation werden die Elektro- den 27a, 27b angesteuert und im Eingangsdepot 28 wird z. B. mit einer Pipettiereinrichtung die Suspension der zu trennenden Teilchen zugegeben. Die Zentrifugeneinrichtung ist zunächst noch im Ruhezustand, d. h. das Mikrosystem ist vertikal oder zur Vertikalen leicht geneigt ausgerichtet. Die Gravitationskraft, die auf die Teilchen wirkt, führt zu einem masseabhängig ver- schieden schnellen Absinken in die Kanalstruktur (Sedimentati- on). Die weitere Bewegung der Teilchen hin zu den Kanalenden erfolgt je nach der gewünschten Teilchengeschwindigkeit aus- schließlich unter der Wirkung der Gravitationskraft oder unter der gemeinsamen Wirkung der Gravitationskraft und der Zentrifu- galkräfte. Die Zentrifugation kann somit als Sedimentation un- ter der Wirkung einer künstlich erhöhten Fallbeschleunigung aufgefaßt werden. Die sich bewegenden Teilchen werden durch das elektrische Feld des ersten Paares der Mikroelektroden größen- abhängig getrennt.

Die Darstellung in Fig. 14 zeigt die Verhältnisse während der Sedimentation bzw. Zentrifugation. Durch die exakt einstellba- ren Zentrifugalkräfte über die Rotationsgeschwindigkeit bewegen sich die Teilchen in den unteren Teil des Mikrosystems. Ent- sprechend der üblichen Zentrifugationsprinzipien sedimentieren die Teilchen mit der größten Dichte zuerst. Da die Teilchen 21 durch die elektrische Feldbarriere im Kanal nach rechts ver- schoben werden, während die Teilchen 22 davon unbeeinflußt bleiben, so ergibt sich in den Kanalenden 29a, 29b eine Tren- nung beider Teilchenarten. Die Teilchen in jedem der Kanalenden ordnen sich zusätzlich wie bei der üblichen Zentrifugation ent- sprechend ihrer Dichte an. Das dargestellte Mikrosystem kann als Grundform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung betrachtet werden, wobei diese Grundform anwendungsabhängig vergrößert, erweitert oder mit weiteren Mikrostrukturen kombiniert werden kann. Der Vorteil besteht darin, daß keine Lösungsströmung ent- steht und dennoch die Partikelbewegung gerichtet und einstell- bar ist. Derartige Systeme können auch entgegengesetzte Bewe- gungen erzeugen, wenn die Teilchen einen Auftrieb besitzen.

Ausgehend von der dargestellten Grundform kann ein erfindungs- gemäßes Mikrosystem beliebig erweitert werden, wie es an sich von den dielektrophoretischen Mikrosystemen bekannt ist. Dem- nach kann die Kanalstruktur insbesondere mehrere, über Verzwei- gungen miteinander verbundene Einzelkanäle aufweisen. Die Kana- le können gerade oder gekrümmt sein. Gekrümmte Kanalformen (z. B. Bögen, Mander, Biegungen, Winkel usw.) können insbeson- dere zur Untersuchung von Bindungsunterschieden von Partikeln mit den Kanalwänden verwendet werden.

Gemäß einer weiteren Modifikation kann das Mikrosystem an der Aufnahme 12 (s. Fig. 13) drehbar angebracht sein. Während eines ersten Zentrifugationsvorganges erfolgt in einer ersten Mikro- systemorientierung z. B. eine Teilchentrennung gemäß Fig. 2. An- schließend wird die Orientierung des Mikrosystems um 180° ver- ändert, so daß die Gravitations-und/oder Zentrifugalkräfte entgegengesetzt der Pfeilrichtung 23 wirken. Die Kanalenden 29a, 29b übernehmen dann die Funktion von Eingangsdepots, von denen bei Vorhandensein geeigneter Kanalstrukturen (zusätzliche seitliche Abzweigungen) eine weitere Verteilung der getrennten Teilchen in Untergruppen oder eine bestimmte Behandlung (Bela- den mit Stoffen, Elektroporation u. dgl.) erfolgen kann. Es sind auch in Abhängigkeit von der Kanalstruktur andere Orien- tierungsänderungen als die genannte 180°-Umkehr möglich. Es be- steht ferner die Möglichkeit, die Aufnahme 12 so zu gestalten, daß das Mikrosystem während der Zentrifugation gedreht wird.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, nämlich ein programmierbares Beladungsmikrosystem für Zellen oder Teilchen ist in Fig. 15 gezeigt. Hier ist der Zentrifugationskanal in drei Teile 31a, 31b, 31c unterteilt. In den Zwischenwänden be- finden sich Öffnungen 32, durch die wieder Elektroden 33 auf der Ober-und Unterseite des Kanals hindurchreichen. Die Off- nungen sind der Teilchengröße angepaßt (typischerweise 5-bis 20-fach größer als der Durchmesser). Zu Beginn werden in jeden der Kanalteile 31a bis 31c verschiedene Lösungen eingefüllt, die der chemischen Veränderung oder Beladung der Partikel dienen. Danach werden in einen Kanalteil (hier z. B. 31c) die Teilchen eingefügt. Durch die Zentrifugation gelangen die Teil- chen (z. B. zuerst die schwarzen, dann die hellen) an die Elek- troden 33 und können so automatisch über die elektrischen Feld- barrieren durch die Öffnungen 32 in die Nachbarlösungen über- führt werden.

Auch hier kommt es zu einer Sortierung in den drei Kanalenden 31d, 31e, 31f und gleichzeitig zu einer Anordnung der Teilchen entsprechend der Masseunterschiede.

Weitere Eigenschaften der Mikrosysteme bestehen darin, daß sie Öffnungen (Zuflüsse, Durchflüsse, Abflüsse) besitzen kön- nen, die sich verschließen lassen, so daß die Teilchen nach der Zentrifugation oder davor leicht entnommen oder eingefügt wer- den können. Ferner können all die Mikroelektrodenelemente (Hal- teelektroden für Teilchen, Mikrofeldkäfige etc.) eingebaut wer- den, die für die dielektrophoretische Beeinflussung von Teil- chen an sich bekannt sind und bei herkömmlichen Mikrosystemen, die mit strömenden Flüssigkeiten arbeiten, eingesetzt werden.

Aufgrund des Zusammenwirkens der Gravitations-bzw. Zentrifu- galkräfte mit den dielekrophoretischen Kräften ist das erfin- dungsgemäße Verfahren eine elektrisch gesteuerte oder aktive Zentrifugation. Zusätzlich können Kombinationen mit der Einwir- kung optischer Kräfte (Laser-Tweezer), magnetischer Kräfte (Einwirkung auf magnetische Partikel) oder mechanischer Kräfte in Form von Ultraschallkräften vorgesehen sein.

Anwendungsgebiete der Erfindung sind insbesondere : Zelltrennung/-fraktionierung, Zellsortierung, Zellbeladung (mo- lekular, Nanoteilchen, Beads), Zellentladung (molekular), Zell- permeation (sog. Elektroporation), Zellfusion (sog. Elektrofu- sion), Zellpärchenbildung, und Zellaggregatbildung.

Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Lösungs-oder Suspen- sionsflüssigkeiten beschränkt. Es ist vorteilhaft, wenn die Viskosität der im Mikrosystem enthaltenen Flüssigkeit bekannt ist. Bei bekannter Viskosität läßt sich die Drehzahl zur Ein- stellung einer bestimmten Partikelgeschwindigkeit auf der Grundlage von Tabellenwerten oder durch einen Programmalgorith- mus ermitteln. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die tat- sächliche Geschwindigkeit der Partikel im Mikrosystem während der Zentrifugation zu erfassen (z. B. mit einem optischen Sen- sor) und die Drehzahl zur Einstellung einer bestimmten Parti- kelgeschwindigkeit zu regeln. Es kann vorgesehen sein, daß in verschiedenen Teilbereichen des Kanalstrukturen, z. B. in paral- lel verlaufenen Kanälen, die nur über eine Öffnung miteinander verbunden sind, Flüssigkeiten mit verschiedenen Viskositäten enthalten sind. In diesem Fall werden jedoch Viskositäten be- vorzugt, bei denen sichergestellt ist, daß die Diffusion der Flüssigkeiten durch die Öffnung über den Zentri- fugationszeitraum verhältnismäßig klein oder vernachlässigbar klein ist.

Falls die Massendichte der Partikel kleiner als die Flüssigkeit im Mikrosystem ist, kann die Erfindung entsprechend abgewandelt implementiert werden, indem Partikel gegebenenfalls auf der der Drehachse abgewandten Seite des Mikrosystems eingebracht werden und unter Wirkung des Auftriebs oder unter kombinierter Wirkung des Auftriebs und der Zentrifugalkräfte zum anderen Ende des Mikrosystems wandern.

Das Mikrosystem wird anwendungsabhängig in Bezug auf die Kanalstruktur und die Ausrichtung der Elektrodeneinrichtungen angepaßt. Die Kanalquerdimensionen sind in der Regel wesentlich größer als die Durchmesser der einzelnen Partikel. Dadurch wird vorteilhafterweise ein Verstopfen der Kanäle vermieden. Sind lediglich Partikel mit besonders geringen Dimensionen zu mani- pulieren (z. B. Bakterien oder Viren oder Zellorganellen), so können die Kanaldimensionen entsprechend verringert werden, z. B. auf Beträge unterhalb 10 um.

Die Erfindung wird mit einem Mikrosystem implementiert, das mindestens einseitig geschlossen ist. Das geschlossene Ende kann ein geschlossenes Kanalende, eine geschlossene Sammelzone oder auch ein geschlossener Hohlraum im Mikrosystem sein. Bei der erfindungsgemäßen Partikelmanipulation erfolgt im wesentli- chen keine Flüssigkeitsbewegung hin zu dem geschlossenen Ende.

Dies bedeutet, insbesondere bei Realisierung von Sammelzonen oder Hohlräumen am geschlossenen Ende, daß diese wie das gesam- te Mikrosystem zu Beginn der Partikelmanipulation mit der Lö- sung oder Suspension für die Teilchen gefüllt ist.

Falls es beim Manipulieren der Partikel zu Zusammenballungen oder vorübergehenden Verstopfungen der Kanalstrukturen kommt, so ist erfindungsgemaß vorgesehen, die Drehzahl der Zentrifuge kurzzeitig zu erhöhen, um so die zusammenhaftenden Partikel ab- zulösen und weiter zu bewegen.