Titel

Elektrodenanordnung für eine mikrofluidische Vorrichtung, insbesondere für eine mikrofluidische Flusszelle, und Verfahren

Stand der Technik

In der Mikrofluidik werden Flusszellen eingesetzt, um über Dielektrophorese biologische Zellen oder DNA beispielsweise nach Größe zu trennen.

Beispielsweise ist aus Salmanzadeh et al., "Isolation of rare cancer cells from blood cells using dielectrophoresis," 2012 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, San Diego, CA, 2012, pp. 590-593, doi: 10.1109/EMBC.2012.6346000 eine Art der Dielektrophorese bekannt, wobei mit Elektrolyt gefüllte, von der Flusszelle durch eine dünne

Polymerschicht getrennte und an anderer Stelle mit nadelartigen Elektroden kontaktierte Kanäle zur Erzeugung des elektrischen Feldes genutzt werden. Die lokale Verformung der Feldstärke des Feldes findet dabei durch isolierende Pfosten in der Flusszelle statt.

Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung

Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung eine Elektrodenanordnung für eine mikrofluidische Vorrichtung, insbesondere für eine mikrofluidische Flusszelle. Die Elektrodenanordnung umfasst eine Fluidikschicht, eine Substratschicht und eine zwischen der Fluidikschicht und der Substratschicht angeordnete Membran. Mit anderen Worten umfasst die Elektrodenanordnung einen Schichtaufbau, wobei eine erste Schicht, als Fluidikschicht bezeichnet, von einer zweiten Schicht, als Substratschicht bezeichnet, durch eine Membran zumindest teilweise getrennt ist.

Die Substratschicht weist eine mit einer ersten Elektrode verbundene erste Kanalstruktur und eine mit einer zweiten Elektrode verbundene zweite

Kanalstruktur auf, wobei die erste Kanalstruktur und die zweite Kanalstruktur fluidisch und elektrisch voneinander getrennt sind. Unter einer Kanalstruktur sind insbesondere ein Kanal oder mehrere miteinander verbundene Kanäle zu verstehen, wobei der Kanal beziehungsweise die Kanäle in Form von

Ausnehmungen oder Hohlräumen in der Substratschicht ausgebildet sein können. Unter einer fluidischen Trennung der Kanalstrukturen ist insbesondere zu verstehen, dass sich kein Fluid von der ersten Kanalstruktur in die zweite Kanalstruktur bewegen oder erstrecken kann, insbesondere aufgrund einer Barriere, beispielsweise umfassend Material der Substratschicht. Unter einer elektrischen Trennung der Kanalstrukturen ist insbesondere zu verstehen, dass die erste Kanalstruktur und die zweite Kanalstruktur voneinander elektrisch isoliert sind, insbesondere durch ein elektrisch nichtleitendes Material der Substratsicht.

Die erste Kanalstruktur ist zumindest teilweise von einem ersten

Membranbereich begrenzt und die zweite Kanalstruktur ist zumindest teilweise von einem zweiten Membranbereich begrenzt. Der erste Membranbereich und der zweite Membranbereich begrenzen ferner einen an die Membran

angrenzenden Hohlraum der Fluidikschicht, so dass sich abhängig von einem in der ersten Kanalstruktur oder in der zweiten Kanalstruktur durch einen von einem flüssigen Elektrolyten erzeugten Druck der erste Membranbereich

beziehungsweise der zweite Membranbereich zur Ausbildung einer ersten Elektrolytelektrode beziehungsweise einer zweiten Elektrolytelektrode in den Hohlraum ausdehnt.

Die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung hat den Vorteil, dass Elektroden dynamisch in der Fluidikschicht ausgebildet werden können. Insbesondere ist von Vorteil, dass die Ausbildung der Elektroden dabei auf einfache Weise über die Steuerung des Drucks in den Kanalstrukturen gesteuert werden kann. Durch die Steuerung der Größe und Geometrie der Elektroden über den Druck ist vorteilhafterweise auch die Form und der Betrag des gebildeten elektrisches Feld steuerbar. Ferner ist von Vorteil, dass auf metallische und fix verbaute

Elektroden verzichtet werden kann und die Elektroden stattdessen durch mit Elektrolyt gefüllte Teile der Membran realisiert werden. Insbesondere kann eine Mikrostrukturierung von Elektroden vorteilhafterweise entfallen. Dies erleichtert auch eine Herstellung des Schichtaufbaus der Elektrodenanordnung im

Spritzgussverfahren. Außerdem kann die Anzahl der Elektroden auf einfache Weise über eine Abänderung oder Ausdehnung der Kanalstrukturen erhöht werden, indem insbesondere die Anzahl der an die Membran angrenzenden Kanäle, welche gegenüber dem Hohlraum liegen, erhöht wird. Somit kann auch der Durchsatz der Flusszelle erweitert werden, ohne auf höhere elektrische Spannungen zurückgreifen zu müssen.

Insbesondere bildet die Membran zumindest teilweise eine die Kanäle der Kanalstrukturen zumindest teilweise begrenzende Wand. Dies hat den Vorteil, dass eine Änderung des Drucks in den Kanalstrukturen unmittelbar auf die Membran für eine Ausdehnung der Membran in den Hohlraum wirken kann.

Bevorzugt umfassen die erste Kanalstruktur und/oder die zweite Kanalstruktur zwei oder mehrere parallele Kanäle für die Ausbildung parallel angeordneter Elektrolytelektroden. Dadurch kann vorteilhafterweise ein regelmäßiges elektrisches Feld im Hohlraum erzeugt werden. Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind zumindest einige der Kanäle der ersten Kanalstruktur mit zumindest einigen der Kanäle der zweiten Kanalstruktur verzahnt angeordnet. Durch eine solche zumindest teilweise Verzahnung der ersten Kanalstruktur mit der zweiten Kanalstruktur können vorteilhafterweise in einer Reihe angeordnete Elektroden mit sich abwechselnder Polarität realisiert werden. Ferner erleichtert diese Weiterbildung eine Parallelisierung von Dielektrophoreseeinheiten in der Flusszelle.

In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Hohlraum Strukturen zur lokalen Änderung eines durch die Elektrolytelektroden erzeugten elektrischen Feldes auf. Insbesondere handelt es sich bei den Strukturen um elektrisch nichtleitende Strukturen, also Isolatoren. Dadurch kann in Kombination mit den Elektrolytelektroden eine lokale Verformung der Feldstärke des elektrischen Feldes im Hohlraum bewirkt werden.

Vorzugsweise sind die Strukturen in Form von Vorsprüngen ausgebildet, insbesondere als Pfosten. Durch eine Wahl der Form und Größe, insbesondere der Dicke, der Vorsprünge kann die Änderung der Feldstärke wohldefiniert eingestellt werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Strukturen an einer den Hohlraum begrenzenden Wand angeordnet, wobei die Wand gegenüber der den Hohlraum begrenzenden Membran angeordnet ist. Damit kann vorteilhafterweise zum einen der im Hohlraum verfügbare Raum optimal ausgenutzt werden und zum anderen eine Behinderung der Ausdehnung der Membran in den Hohlraum durch die Strukturen verringert oder ganz verhindert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung ein oder mehrere weitere Kanalstrukturen zur Ausbildung weiterer Elektrolytelektroden aufweisen, wobei die Kanalstrukturen voneinander fluidisch und elektrisch getrennt sind. Die Erfindung ist somit vorteilhafterweise ohne weiteres entsprechend den Anforderungen an die Flusszelle skalierbar. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Flusszelle umfassend eine

erfindungsgemäße Elektrodenanordnung.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsmäßen Elektrodenanordnung, wobei durch den flüssigen Elektrolyten ein Druck auf den ersten Membranbereich beziehungsweise auf den zweiten Membranbereich zur Ausbildung der ersten Elektrolytelektrode beziehungsweise der zweiten Elektrolytelektrode in dem Hohlraum über eine Ausdehnung der Membran in den Hohlraum ausgeübt wird.

Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die oben ausgeführten korrespondierenden Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung der Elemente verzichtet wird.

Es zeigen

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Elektrodenanordnung als Teil eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Flusszelle,

Figur 2 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des

erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung

Figuren la und lb zeigen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung 100, beispielsweise als Teil einer mikrofluidischen Flusszelle 1000. Wie insbesondere in der Explosionsdarstellung der Figur la gezeigt, umfasst die Elektrodenanordnung 100 drei Schichten, nämlich eine Fluidikschicht 110, welche durch eine verformbare Membran 120 von einer Substratschicht 130 getrennt ist. Beispielsweise können die Schichten 110, 120, 130 durch einen Laserschweißprozess miteinander fluidisch dicht verbunden werden. Die Fluidikschicht 110 und die Substratschicht 130 können jeweils ein stabiles Polymer wie beispielsweise Polycarbonat aufweisen, beispielsweise mit einer Schichtdicke von jeweils 500 bis 2000 Mikrometer. Die Membran 120 kann beispielsweise ein verformbares, verbindbares Polymer wie thermoplastisches Polyurethan umfassen, beispielsweise mit einer Dicke zwischen 50 und 400 Mikrometer, so dass die Verformbarkeit der Membran 120 gewährleistet ist.

Die Fluidikschicht 110 umfasst einen Hohlraum 180, welcher insbesondere für die Kernfunktionalität der Flusszelle 1000 vorgesehen ist, also insbesondere zur Trennung von biologischen Zellen wie oben beschrieben. Die Substratschicht 130 umfasst eine erste Kanalstruktur 150 mit ersten Kanälen 155 und eine davon fluidisch und elektrisch getrennte zweite Kanalstruktur 160 mit zweiten Kanälen 165, die mit jeweils einer Elektrode 131, 132 kontaktiert werden und somit über eine Spannungsquelle gegenpolig geschaltet werden können. Die Kontaktierung der Kanäle 155, 165 mit den Elektroden erfolgt dabei insbesondere über die Verwendung eines flüssigen Elektrolyten 190 in den Kanälen 155, 165. Wie in Figur la gezeigt, können insbesondere parallel angeordnete Kanäle 155 der ersten Kanalstruktur 150 mit Kanälen 165 der zweiten Kanalstruktur 160 verzahnt sein, was in einer Reihe angeordneter Elektroden 140 resultiert, wie im

Folgenden erläutert. Auf der Membran 120 sind in Figur la Membranbereiche 170 gezeigt, welche Kanäle 155, 165 der ersten und der zweiten Kanalstruktur 150, 160 begrenzen. Wie auch in der Schnittdarstellung in Figur 2b gezeigt, ermöglicht es die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung 100, dass die in der Substratschicht 130 mit Elektrolyt 190 gefüllten Kanäle 155, 165 derart unter Druck gesetzt werden, dass sich diese Membranbereich 170 in den Hohlraum 180 der Fluidikschicht 110 hinein wölben und somit im Hohlraum 180

gegenpolige Elektroden 140 bilden. Die Membranbereiche 170 stellen somit die Begrenzung von mit Elektrolyt gefüllten Elektrolytelektroden 140 dar. In Figur la wird beispielhaft ein erster Membranbereich 171 und ein zweiter

Membranbereich 172 gezeigt, welche zugleich die erste Elektrolytelektrode 141 beziehungsweise die zweite Elektrolytelektrode 142 bilden. Als Elektrolyt 190 kann eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit verwendet werden, beispielsweise ein Puffer wie phosphatgepufferte Salzlösung, beispielsweise mit einer Leitfähigkeit zwischen 10 und 20 Millisiemens pro Zentimeter.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung 100 umfasst im Hohlraums 180 isolierende Strukturen 181, insbesondere Vorsprünge 181 wie Pfosten oder Säulen, welche zur Verformung des durch die Elektrolytelektroden 140 erzeugten elektrischen Feldes dienen, welches wiederum die resultierende dielektrophoretische Kraft auf Partikel in der

Flusszelle 1000 beeinflusst. Wie in Figur la und lb dargestellt, können diese Strukturen 181 vorteilhafterweise auf einer der Membran 120

gegenüberliegenden Seite oder Wand 182 des Hohlraums 180 angeordnet sein, in diesem Beispiel auf der inneren Oberseite 182 des Hohlraums 180.

Eine Spannungsquelle mit 12 Volt Gleichspannung, 200 bis 500 Volt

Wechselspannung bei einer Frequenz zwischen 50 und 200 Kilohertz kann beispielsweise verwendet werden, vorzugsweise mit durchstimmbarer Frequenz. Beispielsweise ergibt sich somit eine mittlere Stärke des elektrischen Feldes in der Flusszelle 1000 von 10000 bis 500000 Volt (V) pro Meter (m), wobei die isolierende Strukturen 181 beispielsweise eine Feldestärkegradienten zwischen 10 ^L 10 und 10 ^L 16 V ^A 2 / m ^A 3 hervorrufen können, abhängig insbesondere von Geometrien, Anordnungen, Material oder Ausformungen der Strukturen 181.

Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm zu einem Ausführungsbeispiel des

erfindungsgemäßen Verfahrens 600, wobei das Verfahren 600 beispielsweise mit dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen

Elektrodenanordnung 100 durchgeführt werden kann. In einem ersten Schritt 601 wird die Elektrodenanordnung 100 bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 602 werden die Elektrolytelektroden 140 dynamisch ausgebildet, indem durch den flüssigen Elektrolyt 190 ein Druck auf den ersten Membranbereich 171 beziehungsweise auf den zweiten Membranbereich 172 zur Ausbildung der ersten Elektrolytelektrode 141 beziehungsweise der zweiten Elektrolytelektrode 142 in dem Hohlraum 180 über eine Ausdehnung der Membran 120 in den Hohlraum 180 ausgeübt wird. Anschließend kann in einem dritten Schritt 603 die Flusszelle 1000 bestimmungsgemäß betrieben werden, beispielsweise zur Trennung von biologischen Zellen unterschiedlicher Größe wie oben beschrieben, wobei die Elektrolytelektroden 140 je nach Bedarf über die Druckeinstellung in ihrer Größe und somit Stärke angepasst werden können.