MÜLLER, Torsten (Hartriegelstrasse 39, Berlin, 12439, DE)
SCHNELLE, Thomas (Rheinsteinstrasse 14, Berlin, 10318, DE)
MÜLLER, Torsten (Hartriegelstrasse 39, Berlin, 12439, DE)
ANSPRüCHE
1. Feldkäfig (1; 13) zur räumlichen Fixierung von suspen- dierten Partikeln (10; 20) durch ein elektrisches Fangfeld, mit a) mindestens sechs Käfigelektroden (2-9; 14-19) zur Erzeugung des Fangfeldes, wobei die Käfigelektroden (2-9; 14-19) mindestens zwei verschiedene Phasenlagen aufwei- sen, b) mindestens einer Elektrodenebene, in der mehrere der Käfigelektroden (2-9; 14-19) angeordnet sind, wobei die Elektrodenebene im Wesentlichen rechtwinklig zu einer äußeren Schwerkraft (g) ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass c) in der Elektrodenebene zwei unmittelbar benachbarte Käfigelektroden (2-9; 14-19) die gleiche Phasenlage aufweisen.
2. Feldkäfig (1; 13) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die suspendierten Partikel (10; 20) in dem Feldkäfig (1; 13) in einer bestimmten Fokushöhe (H F ) fixiert sind, wobei die Fokushöhe (H F ) unabhängig von der Größe der fixierten Partikel (10; 20) ist.
3. Feldkäfig (1; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Elektrodenebene mindestens zwei Käfigelektroden (2-9; 14-19) angeordnet sind.
4. Feldkäfig (1; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprü ¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine weitere äußere Kraft (F FLOW ) auf die Partikel (10; 20) wirkt, die im wesentlichen senkrecht zu der Schwerkraft (g) ausgerichtet ist.
5. Feldkäfig (1; 13) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche äußere Kraft (F FL0W ) durch eine hydrodynamische Strömung erzeugt wird.
6. Feldkäfig (1; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet: durch a) eine Symmetrieebene (11), in der mehrere der Käfigelektroden (2-9) angeordnet sind und bezüglich derer die Käfigelektroden (2-9) der einzelnen Phasenlagen je- weils symmetrisch angeordnet sind, sowie b) eine Neigung der Symmetrieebene gegenüber der Schwerkraft (g) .
7. Feldkäfig (1; 13) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich- net, dass die Symmetrieebene (11) gegenüber der Schwerkraft (g) mit einem Neigungswinkel zwischen 10° und 80°, insbesondere zwischen 30° und 60°, insbesondere 45°, geneigt ist.
8. Feldkäfig (1; 13) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, da- durch gekennzeichnet, dass die Symmetrieebene (11) im Wesentlichen parallel zu der zusätzlichen äußeren Kraft (F FL0W ) ausgerichtet ist.
9. Feldkäfig (1; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Feldkäfig (1; 13) acht Käfigelektroden (2-9) aufweist, die jeweils an den Ecken eines Hexaeders, insbesondere eines Kubus, angeordnet sind, oder b) dass der Feldkäfig (1; 13) sechs Käfigelektroden (14- 19) aufweist, die jeweils an den Ecken eines Pentaeders angeordnet sind.
10. Feldkäfig (1; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Käfigelektroden (2-9; 14-19) die gleiche Spannungsamplitude aufweisen.
11. Feldkäfig (1; 13) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vier der Käfigelektroden (2-9) in der Symmetrieebene (11) liegen, während die anderen vier Käfigelektroden (2-9) außerhalb der Symmetrieebene liegen.
12. Feldkäfig (1; 13) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, a) dass die in der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) eine gemeinsame Phasenlage aufweisen, b) dass die außerhalb der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) eine gemeinsame Phasenlage aufweisen, und c) dass die in der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) einerseits und die außerhalb der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) ande- rerseits gegenphasig sind.
13. Feldkäfig (1; 13) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, a) dass die in der Symmetrieebene (11) liegenden Käfig- elektroden (2-9) eine gemeinsame Phasenlage aufweisen, b) dass die außerhalb der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) auf Masse liegen.
14. Feldkäfig (1; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfigelektroden (2-9;
14-19) in den verschiedenen Elektrodenebenen entweder a) die gleiche Spannungsamplitude oder b) eine andere Spannungsamplitude aufweisen.
15. Feldkäfig (1; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungslinien zwischen den Käfigelektroden (2-9; 14-19) mit derselben Phasenlage jeweils um einen vorgegebenen Winkel, vorzugsweise 90°, gegenüber der Schwerkraft (g) geneigt sind.
16. Feldkäfig (1; 13) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet: dadurch, dass a) dass eine Symmetrieebene vorhanden ist, bezüglich derer die Käfigelektroden (2-9; 14-19) der einzelnen Phasenlagen jeweils antisymmetrisch angeordnet sind, und b) dass die Symmetrieebene parallel zu der Schwerkraft verläuft.
17. Feldkäfig (1; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfigelektroden (2-9; 14-19) in mindestens einer der Elektrodenebenen jeweils an den Ecken eines geschlossenen Polygonzugs angeordnet sind.
18. Mikrofluidisches System (12) mit einem Feldkäfig (1; 13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
19. Partikelsortierer mit einem mikrofluidischen System nach Anspruch 18.
20. Betriebsverfahren für einen Feldkäfig (1; 13) mit mehreren Käfigelektroden (2-9; 14-19) , insbesondere für einen Feldkäfig (1; 13) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, mit dem folgenden Schritt: Ansteuerung der einzelnen Käfigelektroden (2-9; 14-19) mit Wechselstromsignalen mit mindestens zwei verschiedenen Phasenlagen, so dass suspendierte Partikel (10; 20) in dem Feldkäfig (1; 13) durch ein Fangfeld räumlich fixiert werden, wobei in einer rechtwinklig zu einer äußeren Schwerkraft (G) ausgerichteten Elektrodenebene mehrere der Käfigelektroden (2-9; 14-19) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet:, dass mindestens zwei unmittelbar benachbarte Käfigelektroden (2-9; 14-19) in der Elektrodenebene gleichphasig angesteuert werden.
21. Betriebsverfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet:, dass die suspendierten Partikel (10; 20) in dem Feldkäfig (1; 13) in einer bestimmter Fokushöhe (H F ) fixiert werden, wobei die Fokushöhe (H F ) unabhängig von der Größe der suspendierten Partikeln (10; 20) ist.
22. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass a) dass die Käfigelektroden (2-9) der einzelnen Phasenlagen jeweils bezüglich einer Symmetrieebene (11) symmet ¬ risch angeordnet sind, b) dass in der Symmetrieebene (11) mehrere der Käfigelekt- roden (2-9; 14-19) angeordnet sind, und c) dass die Symmetrieebene (11) gegenüber der Schwerkraft
(g) geneigt ist.
23. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieebene (11) gegenüber der Schwerkraft (g) mit einem Neigungswinkel zwischen 10° und 80°, insbesondere zwischen 30° und 60°, insbesondere 45°, geneigt ist.
24. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine äußere Kraft (F FLO w) auf die Partikel (10; 20) wirkt, die im wesentlichen senkrecht zu der äußeren Schwerkraft (g) ausgerichtet ist.
25. Betriebsverfahren Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet:, dass die zusätzliche äußere Kraft (F FLO w) durch eine hydrodynamische Strömung erzeugt wird.
26. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldkäfig (1) acht Käfigelektroden (2-9) aufweist, die an den Ecken eines Hexaeders, insbesondere eines Kubus, angeordnet sind.
27. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass alle Käfigelektroden (2-9; 14- 19) mit der gleichen Spannungsamplitude angesteuert werden.
28. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass vier der Käfigelektroden (2-9) in der Symmetrieebene (11) liegen, während die anderen vier Käfigelektroden (2-9) außerhalb der Symmetrieebene liegen.
29. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, a) dass die in der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) eine gemeinsame Phasenlage aufweisen, b) dass die außerhalb der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) eine gemeinsame Phasenlage auf- weisen, und c) dass die in der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) einerseits und die außerhalb der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) andererseits gegenphasig sind.
30. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, a) dass die in der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) eine gemeinsame Phasenlage aufweisen, b) dass die außerhalb der Symmetrieebene (11) liegenden Käfigelektroden (2-9) auf Masse liegen.
31. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 30, dadurch gekennzeichnet:, dass die Käfigelektroden (2-9; 14-19) in den verschiedenen Elektrodenebenen entweder a) mit der gleichen Spannungsamplitude oder b) mit unterschiedlichen Spannungsamplituden angesteuert werden.
32. Betriebsverfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet a) dass die Käfigelektroden (2-9; 14-19) der oberen Elektrodenebene und die Käfigelektroden (2-9; 14-19) der un- teren Elektrodenebene mit unterschiedlichen Spannungsamplituden entsprechend einem bestimmten Amplitudenverhältnis angesteuert werden, und b) dass das Amplitudenverhältnis entsprechend der gewünschten Fokushöhe (H F ) eingestellt wird.
33. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungslinien zwischen den Käfigelektroden (2-9; 14-19) mit derselben Phasenlage jeweils um einen vorgegebenen Winkel, insbesondere 90°, gegen- über der Schwerkraft (g) geneigt sind.
34. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungslinien zwischen den Käfigelektroden (2-9; 14-19) mit derselben Phasenlage je- weils im Wesentlichen parallel zu der Schwerkraft (g) ausgerichtet sind.
35. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 34, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Einstellung eines Fixiermodus zur Fixierung der suspendierten Partikel (10; 20) in dem Feldkäfig (1; 13) und b) Einstellung eines Rotationsmodus des Feldkäfigs (1; 13) vor und/oder nach dem Fixiermodus, wobei in dem Rotationsmodus die suspendierten Partikel (10; 20) in dem Feldkäfig (1; 13) gedreht werden.
36. Betriebsverfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfigelektroden (2-9; 14-19) in dem Rotationsmodus jeweils paarweise mit vier verschiedenen Phasenlagen angesteuert werden.
37. Betriebsverfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Phasenlagen in dem Rotationsmodus 0°, 90°, 180° und 270° sind.
38. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass abwechselnd der Fixiermodus und der Rotationsmodus eingestellt wird.
39. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 38, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: Untersuchung des in dem Feldkäfig (1; 13) fixierten Partikels (10; 20) im Fixiermodus des Feldkäfigs (1; 13) .
40. Betriebsverfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersuchung der Partikel (10; 20) in dem Feldkäfig (1; 13) durch eines der folgenden Untersuchungsverfahren erfolgt: a) Lichtmikroskopie, b) Impedanzspektroskopie oder c) Ultraschallmikroskopie.
41. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 39 bis 40, gekennzeichnet durch folgenden Schritt:
Selektion bestimmter Partikel (10; 20) in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Untersuchung.
42. Betriebsverfahren nach Anspruch 41, gekennzeichnet: durch folgenden Schritt:
Sortierung der selektierten Partikel (10; 20) in einen von mehreren Trägerstromausgangsleitungen eines mikrofluidischen Systems .
43. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 42, dadurch gekennzeichnet:, dass die suspendierten Partikel (10; 20) in dem Feldkäfig (1; 13) rotationsfrei fixiert werden.
44. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 43, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Käfigelektroden (2-9; 14-19) der einzelnen Phasenlagen jeweils bezüglich genau einer Symmetrieebene antisymmetrisch angeordnet sind, und b) dass die Symmetrieebene parallel zu der Schwerkraft verläuft .
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BESCHREIBUNG
Feldkäfig und zugehöriges Betriebsverfahren
Die Erfindung betrifft einen Feldkäfig zur räumlichen Fixierung von suspendierten Partikeln durch ein elektrisches Fangfeld sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren.
Aus Müller, T. et al.: "A 3-D microelectrode System for hand- ling and caging Single cells and particles", Biosensors & Bioelectronics, 1999, Volume 14, No. 3, S. 247-256 sind mikrofluidische Systeme bekannt, die einen Trägerstromkanal aufweisen, in dem ein Trägerstrom mit darin suspendierten
Partikeln (z.B. biologischen Zellen) fließt, wobei die suspendierten Partikel in dem mikrofluidischen System untersucht und manipuliert werden können. Hierzu sind in dem Trägerstromkanal sogenannte Feldkäfige (englisch: "Cage") angeord- net, die ein dielektrophoretisches Fangfeld erzeugen, das die suspendierten Partikel in dem Feldkäfig räumlich fixiert, was eine Manipulation und Untersuchung der suspendierten Partikel im fixierten Zustand ermöglicht.
Die Figuren 1 und 2 zeigen verschiedene Betriebsarten eines derartigen herkömmlichen Feldkäfigs 1 mit acht Käfigelektroden 2-9, die kubisch angeordnet sind und unabhängig voneinander elektrisch angesteuert werden können, um mittels Die- lektrophorese ein Fangfeld zu erzeugen, das einen suspendier- ten Partikel 10 in einer bestimmten Fokushöhe H F oberhalb der unteren Kanalwand des Trägerstromkanals fixiert.
Figur 1 zeigt hierbei eine herkömmliche Ansteuerung der einzelnen Käfigelektronen 2-9, die auch als ROT-Modus bezeichnet
wird, da der suspendierte Partikel 10 in dem Feldkäfig 1 nicht nur fixiert, sondern auch gedreht wird. Hierzu werden die Käfigelektroden 2-5 in der oberen Elektrodenebene und die Käfigelektroden 6-9 in der unteren Elektrodenebene so ange- steuert, dass in Umlaufrichtung benachbarte Käfigelektroden 6-9 jeweils einen Phasenunterschied von 90° aufweisen, wie aus den Phasenangaben in Figur 1 ersichtlich ist.
Figur 2 zeigt dagegen eine herkömmliche Betriebsart des FeId- käfigs, die auch als ACC-Modus bezeichnet wird und lediglich zu einer räumlichen Fixierung des Partikels 10 in dem Feldkäfig 2 führt, ohne dass eine Rotation des fixierten Partikels 10 erfolgt. Hierzu werden die Käfigelektroden 2-5 in der oberen Elektrodenebene und die Käfigelektroden 6-9 in der unte- ren Elektrodenebene jeweils in Umlaufrichtung mit einem Phasenunterschied von 180° zwischen den benachbarten Käfigelektroden 2-5 bzw. 6-9 angesteuert, wie aus den Phasenangaben in Figur 2 ersichtlich ist.
Nachteilig an dem bekannten ACC-Modus ist die Tatsache, dass die Fokushöhe H F des Partikels 10 in dem Feldkäfig 1 von der Partikelgröße abhängig ist, so dass unterschiedlich große Partikel 10 in dem Feldkäfig 1 an verschiedenen Positionen innerhalb des Feldkäfigs 1 fixiert werden. Dies ist insbeson- dere dann störend, wenn zur Untersuchung der fixierten Partikel 10 optische Untersuchungsverfahren eingesetzt werden sollen, die einen bestimmten Brennpunkt haben.
Ein weiterer Nachteil des bekannten ACC-Modus besteht darin, dass nur solche Partikel zuverlässig in dem Feldkäfig 1 fixiert werden, die hinreichend groß sind.
Darüber hinaus besteht bei dem ACC-Modus die Gefahr, dass Partikel außerhalb des Feldkäfigs 1 nahe den bzw. zwischen
übereinanderliegenden Käfigelektroden 2-9 fixiert werden (siehe mittlere Abbildungen in Figur 4). Zum Einen ist dies problematisch, da die Partikel dort in der Regel nicht durch herkömmliche Untersuchungsverfahren erkannt werden. Zum Ande- ren werden die außerhalb des Feldkäfigs 1 fixierten Partikel bei einer Abschaltung des Feldkäfigs 1 zusammen mit den in dem Feldkäfig 1 fixierten Partikeln 10 freigegeben, was zu einer Kontamination führen kann, falls die Partikel nach einer Untersuchung in dem Feldkäfig in verschiedene Kanäle bzw. Strömungspfade sortiert werden sollen.
Der eingangs beschriebene ROT-Modus weist diese Nachteile zwar nicht auf, jedoch führt der ROT-Modus zwangsläufig zu einer Drehung der suspendierten Partikel und ist deshalb nur für extrem schnelle Untersuchungsverfahren geeignet, bei denen das Untersuchungsergebnis durch die Partikeldrehung nicht beeinträchtigt wird.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die bekann- ten Feldkäfige entsprechend zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Feldkäfig und ein zugehöriges Betriebsverfahren gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Die Erfindung geht von einem Feldkäfig aus, der mindestens sechs Käfigelektroden aufweist, um ein Fangfeld zur räumlichen Fixierung von suspendierten Partikeln zu erzeugen, wobei die Käfigelektroden mindestens zwei verschiedene Phasenlagen aufweisen.
Weiterhin weist der erfindungsgemäße Feldkäfig mindestens eine Elektrodenebene auf, in der mehrere der Käfigelektroden
angeordnet sind, wobei die Elektrodenebene im Wesentlichen rechtwinklig zu einer äußeren Schwerkraft ausgerichtet ist.
Die Erfindung sieht vor, dass in der Elektrodenebene zwei un- mittelbar benachbarte Käfigelektroden die gleiche Phasenlage aufweisen. Dieses Merkmal beruht auf der von den Erfindern erstmals gewonnenen technischen Erkenntnis, dass auf diese Weise die Fokushöhe in dem Feldkäfig im Wesentlichen unabhängig von der Partikelgröße ist. Dies hat den Vorteil, dass die Partikel mit gleichen spezifischen physikalischen Eigenschaften (Dichte, Leitfähigkeit, Polarisierbarkeit ) in dem erfindungsgemäßen Feldkäfig unabhängig von ihrer Partikelgröße an einem bestimmten Punkt fixiert werden, der auch als Fokuspunkt bezeichnet wird. Bei einer Untersuchung der fixierten Partikel durch mikroskopische oder sonstige Untersuchungsverfahren kann der Brennpunkt der Untersuchungsverfahren deshalb genau auf den Fokuspunkt des Feldkäfigs eingestellt werden, ohne dass in Abhängigkeit von der Partikelgröße eine Verstellung erforderlich ist.
Die im Rahmen der Erfindung verwendete Definition von unmittelbar benachbarten Käfigelektroden bedeutet, dass diese Käfigelektroden in einem geschlossenen Polygonzug in einer gemeinsamen Elektrodenebene entlang dem Polygonzug unmittelbar aufeinander folgen.
Vorzugsweise sind bei dem erfindungsgemäßen Feldkäfig in jeder Elektrodenebene mindestens zwei Elektroden angeordnet. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Feldkäfig zwei pa- rallele Elektrodenebenen aufweisen, in denen jeweils vier Käfigelektroden angeordnet sind. In einem anderen Beispiel eines erfindungsgemäßen Feldkäfigs sind dagegen in der einen Elektrodenebene vier Käfigelektroden und in der anderen E- lektrodenebene zwei Käfigelektroden angeordnet. Die Erfindung
ist jedoch hinsichtlich der Verteilung der einzelnen Käfigelektroden auf die verschiedenen Elektrodenebenen nicht auf diese beiden Beispiele beschränkt, sondern auch in anderer Weise realisierbar.
Neben der Schwerkraft wirkt auf die Partikel in einem Mikro- system in der Regel auch eine weitere zusätzliche äußere Kraft, die im Wesentlichen senkrecht zu der Schwerkraft ausgerichtet ist und beispielsweise durch eine hydrodynamische Strömung erzeugt wird. Die zusätzliche äußere Kraft ist dann parallel zu der Strömungsrichtung in dem Trägerstromkanal des mikrofluidischen Systems ausgerichtet. In dem erfindungsgemäßen Feldkäfig wirken dann auf die suspendierten Partikel mindestens drei verschiedene Kräfte, nämlich die Schwerkraft, die hydrodynamische Strömungskraft sowie die Fixierungskraft des Feldkäfigs, die in der Regel mittels Dielektrophorese erzeugt wird.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der erfin- dungsgemäße Feldkäfig eine Symmetrieebene auf, in der mehrere der Käfigelektroden angeordnet sind und bezüglich derer die Käfigelektroden der einzelnen Phasenlagen jeweils symmetrisch angeordnet sind, wobei die Symmetrieebene gegenüber der Schwerkraft geneigt ist. Beispielsweise können die in der Symmetrieebene liegenden Käfigelektroden einerseits und die außerhalb der Symmetrieebene angeordneten Käfigelektroden andererseits gegenphasig angesteuert werden.
Die einzelnen Käfigelektroden sind hierbei bezüglich der Sym- metrieebene in dem Sinne symmetrisch angeordnet, dass die einzelnen Käfigelektroden durch eine Spiegelung an der Symmetrieebene jeweils auf eine gleichphasige Käfigelektrode abgebildet werden.
Hierbei weist die Symmetrieebene gegenüber der Schwerkraft vorzugsweise einen Neigungswinkel zwischen 10° und 80° auf, wobei beliebige Werte und Teilbereiche innerhalb dieses Intervalls möglich sind. Beispielsweise kann der Neigungswinkel zwischen 30° und 60° oder zwischen 40° und 50° liegen, wobei ein Neigungswinkel von 45° besonders vorteilhaft ist.
Versuche der Erfinder haben ergeben, dass das vorstehend erwähnte Symmetrieprinzip den Vorteil bietet, dass die Fokushö- he im Wesentlichen unabhängig von der Partikelgröße ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Symmetrieebene im Wesentlichen parallel zu der zusätzlichen äußeren Kraft ausgerichtet und verläuft deshalb vorzugs- weise parallel zu der hydrodynamischen Kraft bzw. zur Längsachse des Trägerstromkanals.
Vorzugsweise weist der Feldkäfig genau acht Käfigelektroden auf, die jeweils an den Ecken eines Hexaeders, insbesondere eines Kubus, angeordnet sind.
In einer anderen Variante der Erfindung weist der Feldkäfig dagegen sechs Käfigelektroden auf, die jeweils an den Ecken eines Pentaeders angeordnet sind.
Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der räumlichen Anordnung der Käfigelektroden nicht auf Hexaeder oder Pentaeder beschränkt, sondern grundsätzlich auch mit anderen Anordnungen realisierbar.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass alle Käfigelektroden des erfindungsgemäßen Feldkäfigs die gleiche Spannungsamplitude aufweisen können.
Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass die Käfigelektroden unterschiedliche Spannungsamplituden aufweisen. Beispielsweise kann das Verhältnis der Spannungsamplituden der Käfigelektroden in der oberen Elektrodenebene einer- seits und der Käfigelektroden in der unteren Elektrodenebene andererseits variiert werden, um die Fokushöhe einzustellen.
Bei der vorstehend erwähnten Variante mit acht Käfigelektroden können vier der Käfigelektroden in der Symmetrieebene liegen, während die anderen vier Käfigelektroden außerhalb der Symmetrieebene liegen können.
Die in der Symmetrieebene liegenden Käfigelektroden weisen dann vorzugsweise eine gemeinsame Phasenlage (z.B. 180°) auf, wie auch die außerhalb der Symmetrieebene liegenden Käfigelektroden vorzugsweise eine gemeinsame Phasenlage (z.B. 0°) aufweisen. Hierbei sind die in der Symmetrieebene liegenden Käfigelektroden einerseits und die außerhalb der Symmetrie- ebene liegenden Käfigelektroden andererseits vorzugsweise ge- genphasig, d.h. sie weisen einen Phasenunterschied von 180° auf.
Hierbei besteht auch die Möglichkeit, dass die in der Symmetrieebene liegenden Käfigelektroden eine gemeinsame Phasenlage aufweisen, während die außerhalb der Symmetrieebene liegenden Käfigelektroden auf Masse liegen und deshalb zwangsläufig e- benfalls eine gemeinsame Phasenlage aufweisen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Verbindungslinien zwi- sehen den Käfigelektroden mit derselben Phasenlage jeweils um einen vorgegebenen Winkel, vorzugsweise 90°, gegenüber der Schwerkraft geneigt sind.
Darüber hinaus ist in einer Variante der Erfindung eine Symmetrieebene vorhanden, bezüglich derer die Käfigelektroden der einzelnen Phasenlagen jeweils antisymmetrisch angeordnet sind. Dies bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die einzel- nen Käfigelektroden bei einer Spiegelung an der Symmetrieebene jeweils auf eine gegenphasige Käfigelektrode abgebildet werden. Beispielsweise wird dann eine Käfigelektrode mit einer Phasenlage von 0° bei einer Spiegelung an der Symmetrieebene auf eine andere Käfigelektrode mit einer Phasenlage von 180° abgebildet. Die Symmetrieebene verläuft hierbei vorzugsweise parallel zu der Schwerkraft.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Käfigelektroden in mindestens einer der Elektrodenebenen jeweils an den Ecken eines geschlossenen Polygonzugs angeordnet sind, was jedoch bei einer kubischen Anordnung zwangsläufig der Fall ist.
Die Erfindung umfasst nicht nur den vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Feldkäfig, sondern auch ein mikrofluidi- sches System mit einem derartigen Feldkäfig zur Fixierung von suspendierten Partikeln in einem Trägerstromkanal des mikrofluidischen Systems.
Ferner umfasst die Erfindung auch ein Gerät, insbesondere ei- nen Partikelsortierer, mit einem derartigen mikrofluidischen System. Das erfindungsgemäße Gerät weist eine Steuereinheit auf, welche die einzelnen Käfigelektroden des erfindungsgemäßen Feldkäfigs mit den vorstehend beschriebenen Phasenlagen ansteuert .
Schließlich umfasst die Erfindung auch ein entsprechendes Betriebsverfahren zur Ansteuerung der einzelnen Käfigelektroden des erfindungsgemäßen Feldkäfigs, wie sich bereits aus der vorstehenden Beschreibung ergibt.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Betriebsverfahren kann der Feldkäfig auch abwechselnd in dem neuartigen ACCY-Modus und in dem bekannten ROT-Modus betrieben werden. In dem ACCY- Modus kann der fixierte Partikel dann ohne eine Partikelrotation untersucht werden. Zur Untersuchung des Partikels aus einer anderen Perspektive kann dann ein ROT-Modus eingeschaltet werden, um den fixierten Partikel in dem Feldkäfig zu drehen.
Weiterhin können im Rahmen des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens verschiedene Untersuchungsverfahren eingesetzt werden, wie beispielsweise Lichtmikroskopie, Impedanzspektroskopie oder auch Ultraschallmikroskopie, um nur einige zu nen- nen.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Perspektivansicht eines herkömmlichen
Feldkäfigs in dem sogenannten ROT-Modus,
Figur 2 den Feldkäfig aus Figur 1 in dem sogenannten
ACC-Modus,
Figur 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Feldkäfigs,
Figur 4 Feldverteilungen in den Feldkäfigen gemäß den Figuren 1-3,
Figur 5 ein Kraftdiagramm, das die Kraftbeiträge in den verschiedenen Betriebsarten verdeutlicht,
Figur 6 ein Diagramm, das den Fokuspunkt als Funktion des Spannungsverhältnisses zwischen der oberen Elektrodenebene und der unteren E- lektrodenebene zeigt,
Figur 7 eine stark vereinfachte Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems mit einem erfindungsgemäßen Feldkäfig,
Figur ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Feldkäfigs mit einer anderen Ausrichtung zur Strömungskraft,
Figur 9 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Feldkäfigs mit sechs Käfigelektroden,
Figuren 10A-10D die Feldverteilung in dem Feldkäfig gemäß
Figur 9,
Figuren 11A-11C die Feldverteilung in dem Feldkäfig gemäß
Figur 9 mit vergrößerten Mittelelektroden,
Figuren 12A-12C die Feldverteilung in dem Feldkäfig gemäß
Figur 9 bei einer Rotationsansteuerung des Feldkäfigs.
Der erfindungsgemäße Feldkäfig gemäß Figur 3 stimmt teilweise mit dem vorstehend beschriebenen und in den Figuren 1 und 2 dargestellten herkömmlichen Feldkäfigen überein, so dass zur
Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Ein wesentlicher Unterschied des erfindungsgemäßen Feldkäfigs gemäß Figur 3 besteht in der unterschiedlichen Phasenlage der einzelnen Käfigelektroden 2-9. So werden die beiden Käfigelektroden 2, 3 in der oberen Elektrodenebene einerseits und die beiden Käfigelektroden 8, 9 in der unteren Elektrodenebe- ne gleichphasig mit einer Phasenlage von 0° angesteuert. Die beiden Käfigelektroden 4, 5 in der oberen Elektrodenebene einerseits und die beiden Käfigelektroden 6, 7 in der unteren Elektrodenebene werden dagegen mit einer gemeinsamen Phasenlage von 180° angesteuert. Die Käfigelektroden 2-9 sind also bezüglich einer Symmetrieebene 11 symmetrisch in dem Sinne angeordnet, dass die Käfigelektroden 2-9 durch eine Spiegelung an der Symmetrieebene 11 jeweils auf gleichphasige Käfigelektroden 2-9 abgebildet werden.
Die Symmetrieebene 11 ist hierbei parallel zu einer Strömungskraft F FLOW ausgerichtet, die auf die suspendierten Partikel 10 wirkt und durch die Strömung in einem Trägerstromkanal eines mikrofluidischen Systems erzeugt wird.
Darüber hinaus ist die Symmetrieebene 11 gegenüber einer äußeren Schwerkraft g um einen Neigungswinkel von 45° geneigt.
Figur 4 zeigt links die Feldverteilung E 2 in dem Feldkäfig 1 gemäß Figur 1 in dem herkömmlichen ROT-Modus und in der Mitte die Feldverteilung in dem Feldkäfig 1 gemäß Figur 2 in dem bekannten ACC-Modus. Auf der rechten Seite zeigt Figur 4 dagegen die Feldverteilung in dem erfindungsgemäßen Feldkäfig 1 gemäß Figur 3 in dem neuen, sogenannten ACCY-Modus. Die Bilder in der oberen Reihe zeigen hierbei die Feldverteilung in
einer Zentralebene parallel zur X-Y-Ebene. Die Bilder in der unteren Reihe zeigen dagegen die Feldverteilung in einer Zentralebene parallel zur Y-Z-Ebene.
Figur 5 zeigt ein Kraftdiagramm für einen in einem wässrigen Medium mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,3 Sm "1 suspendierten biologischen Partikel 10 (Zelle) mit einer Größe von 12μm, der in einem Feldkäfig mit 40 μm Elektrodenabstand gemäß Figur 4 bei einer Ansteuerung mit einer Span- nungsamplitude von IV und einer Ansteuerungsfrequenz von 0,7MHz gefangen wird, wobei an der senkrechten Achse die Kraft F aufgetragen ist, die auf die suspendierten Partikel 10 in dem Feldkäfig 1 wirkt. Auf der waagerechten Achse ist dagegen hierbei die Höhe entlang der Z-Achse aufgetragen. Hierbei sind in dem Kraftdiagramm die Werte für den ACC-Modus gemäß Figur 2 und für den ACCY-Modus gemäß Figur 3 bzw. den ROT-Modus gemäß Figur 1 gegenüber gestellt. Aus dem Kraftdiagramm ist ersichtlich, dass die fokussierende Kraft im Fokuspunkt selbst für 12 μm große Partikel relativ schwach ist. Da in dieser Ansteuerung der Gradient von E 2 in der Zentralachse verschwindet, werden nur dielektrophoretische Kräfte wirksam, die proportional zur fünften Potenz des Partikelradius sind. Da andererseits die Sedimentationskraft volumenabhängig ist, hängt die Fokushöhe stark von der Partikelgröße ab. Bei dem neuartigen ACCY-Modus und bei dem herkömmlichen ROT-Modus weist die Fokussierungskraft dagegen im Fokuspunkt einen relativ starken Gradienten auf und die dielektrische Kraft ist proportional zum Partikelvolumen, was zu einer Stabilisierung und Fixierung weitgehend unabhängig von der Partikelgröße führt.
Figur 6 zeigt ein weiteres Diagramm, in dem der Versatz δZ des Fokuspunktes in Z-Richtung des Feldkäfigs 1 als Funktion des Spannungsverhältnisses zwischen der Spannungsamplitude
der Käfigelektroden 2-5 in der oberen Elektrodenebene einerseits und der Käfigelektroden 6-9 in der unteren Elektrodenebene andererseits dargestellt ist (wobei der Einfluss der Gravitation vernachlässigt wurde) .
Figur 7 zeigt ein stark vereinfachtes Beispiel eines mikro- fluidischen Systems 12 mit einem Trägerstromkanal mit einem rechteckigen Querschnitt, in dem ein Trägerstrom mit darin suspendierten Partikeln 10 strömt, wobei in dem Trägerstrom- kanal ein erfindungsgemäßer Feldkäfig 1 angeordnet ist.
Figur 8 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Feldkäfigs 1, das weitgehend mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 übereinstimmt, so dass zur Ver- meidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht in der räumlichen Ausrichtung des Feldkäfigs 1 gegenüber der äußeren Strömungskraft F FLOW - So ist die Symmetrieebene 11 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 parallel zu der äußeren Strömungskraft F FLOW ausgerichtet, während die Symmetrieebene 11 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 gegenüber der äußeren Strömungskraft F FLOW um einen Winkel von 45° geneigt ist. Dies führt vorteilhafterweise dazu, dass der Partikel in dem Feldkäfig 1 besser gegen die Strömung fixiert werden kann.
Figur 9 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Feldkäfigs 13 mit sechs Käfigelektroden 14- 19, die in Form eines Pentaeders angeordnet sind. Die Käfigelektroden 16-19 sind hierbei in einer unteren Elektrodenebene jeweils an den Ecken eines Quadrats angeordnet, während die Käfigelektroden 14, 15 in einer oberen Elektrodenebene angeordnet sind. Auch dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht
eine Fixierung von suspendierten Partikeln 20 in einer bestimmten Fokushöhe H F oberhalb der unteren Elektrodenebene, wobei die Fokushöhe H f weitgehend unabhängig von der Partikelgröße ist.
Die Figuren 10A-10C zeigen den Feldverlauf in dem Feldkäfig gemäß Figur 9 in verschiedenen Schnittebenen, wie aus den Zeichnungen unmittelbar ersichtlich ist.
Die Figuren 11A-11C zeigen den Feldverlauf in einem abgewandelten Ausführungsbeispiel des Feldkäfigs gemäß Figur 9, bei dem die oberen Käfigelektroden 14, 15 gegenüber den unteren Käfigelektroden 16-19 vergrößert sind. Dies führt dazu, dass der Partikel in der Kanalmitte fixiert werden kann.
Schließlich zeigen die Figuren 12A-12C den Feldverlauf in dem Feldkäfig 13 gemäß Figur 9 bei einer Rotationsansteuerung. Dabei wird die Käfigelektrode 18 mit 0°, die Käfigelektrode 19 mit 180°, die Käfigelektrode 16 mit 300° und die Käfig- elektrode 17 mit 120° angesteuert. Die Käfigelektrode 14 in der oberen Elektrodenebene wird dagegen mit 60° angesteuert, während die Käfigelektrode 15 in der oberen Elektrodenebene mit 240° angesteuert wird.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.
Bezugs zeichenliste :
I Feldkäfig
2-9 Käfigelektroden 10 Partikel
II Symmetrieebene
12 Mikrofluidisches System
13 Feldkäfig 14-19 Käfigelektroden 20 Partikel
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