Es ist bekannt, suspendierte Partikel in fluidischen Mikro- systemen z. B. für bestimmte Messungen, Sortierungen, Analy- sen, Reaktionsabläufe oder dergleichen unter der Wirkung ins- besondere von elektrischen und/oder magnetischen Feldern zu manipulieren. Die Partikel umfassen allgemein Mikroobjekte mit typischen Dimensionen im Sub-mm-Bereich, wie z. B. biolo- gische Zellen, synthetische Partikel oder in Systemen mit ge- trennten flüssigen Phasen flüssige Tröpfchen. Das Mikrosystem umfasst mindestens einen Hauptkanal, durch den die Partikel mit einer Trägerflüssigkeit bewegt werden und in dem z. B. zur Erzeugung von elektrischen Feldern Elektroden angeordnet sind. Bei Beaufschlagung der Elektroden mit hochfrequenten elektrischen Feldern können die Partikel unter der Wirkung negativer Dielektrophorese beispielsweise vereinzelt, fokus- siert, sortiert, einzeln ortsfest positioniert oder in Grup- pen geparkt werden (siehe T. Müller et al. in"Biosensors & Bioelectronics", Band 14,1990, Seite 247-256, und in"Bio- world", Band 2/2, 2000, Seite 12-13.

Eine spezielle Aufgabe bei der Manipulation von Partikeln in Mikrosystemen besteht darin, dass die suspendierten Partikel neben der Trägerflüssigkeit zusätzlich einer Behandlungsflüs- sigkeit (im Folgenden : Reaktionsflüssigkeit) ausgesetzt wer- den. Die Behandlung mit der Reaktionsflüssigkeit kann bei- spielsweise der Auslösung von spezifischen chemischen Reakti- onen oder Waschzwecken dienen.

Von G. Gradl et al. wird in der Publikation"New Mikrodevices for Single Cell Analysis, Cell Sorting and Cloning-on-a-Chip : The CytoconTM Instrument" (A. v. d. Berg et al. (Herausgeber) : Micro Total Analysis Systems"2000, Seite 443-446, Kluwer A- cademic Publishers) ) ein fluidisches Mikrosystem beschrieben, bei dem zur Flüssigkeitsbehandlung von Partikeln ein Hauptka- nal von einem Querkanal senkrecht gekreuzt wird, durch den die Reaktionsflüssigkeit geleitet wird. In Figur 11 ist die Kreuzung des Hauptkanals 30'mit dem Querkanal 31'schema- tisch illustriert. Am Kreuzungspunkt ist als Halteeinrichtung 50'eine Anordnung von acht Mikroelektroden 51' (Oktopol- Elektrodenanordnung) zur Erzeugung eines dielektrischen Feld- käfigs vorgesehen. Zur Flüssigkeitsbehandlung werden Partikel, 10', 11'mit der Trägerflüssigkeit im Hauptkanal 30'bis zur Halteeinrichtung 50'transportiert und einzeln im Feldkäfig gehalten, der durch die Halteeinrichtung 50'erzeugt wird.

Durch den Querkanal 31'wird die Reaktionsflüssigkeit durch die Halteeinrichtung 50'gespült. Die in der Publikation von G. Gradl et'al. beschriebene Technik kann bei bestimmten An- wendungen in Bezug auf die folgenden Probleme nachteilig sein.

Im dielektrischen Feldkäfig der Oktopol-Elektrodenanordnung werden relativ geringe dielektrische Haltekräfte ausgebildet (z. B. < 100 pN), was in Abhängigkeit von der Art des behan- delten Partikels (z. B. biologische Zelle, synthetisches Teil-

chen) eine sehr gleichmäßige Strömung mit nicht allzu hohen Strömungsgeschwindigkeiten (< 300 um/s) erfordert. Der Quer- kanal 31'muss mit zusätzlichen Pumpen und insbesondere pul- sationsfreien und totvolumenfreien Ventilen ausgestattet sein. Dadurch wird die Möglichkeit zur Parallelisierung (gleichzeitige Behandlung einer Vielzahl von Partikeln) und die Betriebszüverlässigkeit beschränkt. Ein weiteres Problem kann darin bestehen, dass ggf. vor dem gewünschten Beginn ei- ner Flüssigkeitsbehandlung bereits ein Teil der noch ruhenden Reaktionsflüssigkeit aus dem Querkanal 31'in die Halteein- richtung 50'diffundiert. Die Wirkung der quer zur Träger- flüssigkeit diffundierenden Reaktionsflüssigkeit kann zwar durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Träger- flüssigkeit vermindert werden. Allerdings ist aus den obenge- nannten Gründen die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit nur beschränkt möglich. Kinetische Untersuchungen, bei denen die Zeitabhängigkeit der Reaktion des Partikels 11'auf die Reak- tionsflüssigkeit erfasst werden soll, sind daher mit dem her- kömmlichen System nur beschränkt möglich.

Aus der Publikation von T. Müller et al. (siehe oben) ist be- kannt, im Kanal 30'des fluidischen Mikrosystems mit soge- nannten Parkelektroden gekrümmte Feldbarrieren quer zur Ka- nalrichtung zu erzeugen, mit denen suspendierte Partikel vom weiteren Transport mit der Trägerflüssigkeit zurückgehalten werden können. Parkelektroden 52', die beispielhaft in Figur 12 gezeigt sind, besitzen eine dreieck-oder trapezförmige Form, so dass sich in Strömungsrichtung Potentialtöpfe bil- den, in denen sich die Partikel 12'sammeln. Die herkömmli- chen Parkelektroden besitzen den Nachteil, dass sie nicht für eine ortsfeste Positionierung einzelner Partikel geeignet sind, da sie kein definiertes Potentialminimum bilden. Viel- mehr bilden dive Partikel 12'in den Potentialtöpfen unregel- mäßige Aggregate 13', so dass lokal definierte Messungen oder

Bearbeitungsschritte ausgeschlossen sind. Spezifische Behand- lungen können erst nach einer Freigabe von der Parkelektrode und erneuter Vereinzelung unter der Wirkung von Dielektropho- rese erfolgen. Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zur Behandlung suspendierter Par- tikel mit mindestens einer Reaktionsflüssigkeit in einem Ka- nal eines fluidischen Mikrosystems bereitzustellen, mit denen die Nachteile der herkömmlichen Flüssigkeitsbehandlung über- wunden werden. Erfindungsgemäße Verfahren sollen sich insbe- sondere durch ein sicheres und zuverlässiges Positionieren einzelner Partikel in einer Halteeinrichtung auszeichnen und kinetische Untersuchungen mit einem definierten Beginn der Behandlung mit der Reaktionsflüssigkeit ermöglichen. Erfin- dungsgemäße Vorrichtungen sollen insbesondere eine verein- fachte Elektrodenstruktur besitzen und eine homogenere Be- handlung von Partikeln ermöglichen. Generell soll die Anwen- dung der Flüssigkeitsbehandlung in Bezug auf höhere Geschwin- digkeiten der Trägerflüssigkeit erweitert werden. Die erfin- dungsgemäß behandelten Partikel sollen am Ort der Behandlung (in der Halteeinrichtung) optischen Messverfahren zugänglich sein.

Diese Aufgaben werden durch Verfahren und Vorrichtungen mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1, 19,36 und 39 ge- löst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Er- findung ergeben sich. aus den abhängigen Ansprüchen.

Verfahrensbezogen basiert die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, die Behandlung von mindestens einem sus- pendierten Partikel mit mindestens einer Reaktionsflüssigkeit mit einem räumlichen Abstand vom Ort der Zuführung der Reak- tionsflüssigkeit in eine Trägerflüssigkeit, in der der Parti- kel suspendiert ist, durchzuführen. Die Reaktionsflüssigkeit strömt von einem Seitenkanal in den Hauptkanal mit der Trä-

gerflüssigkeit und trifft erst stromabwärts nach der Ankopp- lung des Seitenkanals auf den mindestens einen Partikel.

Durch diese Maßnahme wird die Zuführung der Reaktionsflüssig-- keit strömungstechnisch vereinfacht. An die Gleichförmigkeit der Zuführung der Reaktionsflüssigkeit werden geringere An- forderungen gestellt. Die genannten Probleme durch eine uner- wünschte Diffusion der Reaktionsflüssigkeit werden vermieden.

Beschränkungen in Bezug auf die Gestaltung der Halteeinrich- tung, die bei der herkömmlichen Anordnung am Kreuzungspunkt gegeben waren, werden vermieden. Die Halteeinrichtung kann für eine effektive Fixierung von Partikeln mit erhöhter Hal- tekraft eingerichtet werden.

Die Erfindung ermöglicht es insbesondere, die Halteeinrich- tung so zu gestalten, dass der mindestens eine Partikel ein- zeln gehaltert oder eine Vielzahl von Partikeln nebeneinander als gerade oder gekrümmte Reihe entlang einer Potentiallinie positioniert werden, die sich quer zur Strömungsrichtung über den Hauptkanal erstreckt. Wenn der mindestens eine Partikel an einem lokalen, im Wesentlichen punktförmigen Potentialmi- nimum oder entlang der Potentiallinie gehaltert wird kann vorteilhafterweise die Bildung von undefinierten Aggregaten oder Klumpen wie bei den herkömmlichen Parkelektroden vermie- den wird. Allgemein bedeutet die Halterung an einem Potenti- alminimum oder entlang einer Potentiallinie, dass der Ort der maximalen Haltekräfte auf einen Punkt oder eine Linie fokus- siert ist. Vorzugsweise werden berührungslose Haltekräfte durch hochfrequente elektrische Felder (negativ oder positive Dielektrophorese), elektrophoretische Feldwirkungen, magneti- sche Felder, optisch vermittelte Kraftwirkungen oder Schall- felder gebildet, wobei in diesen Fällen von besonderem Vor- teil ist, dass entsprechende Vorrichtungen, wie z. B. Elekt- rodenanordnungen zur Bildung von Feldkäfigen oder optische Laser-Pinzetten, in der Mikrosystemtechnik an sich verfügbar

sind. Die Haltekräfte können insbesondere bei der Verwendung von negativer oder positiver Dielektrophorese in Bezug auf die Elektroden entsprechend abstoßende oder anziehende Kräfte oder bei der Verwendung optischer Halteeinrichtungen (nach dem Prinzip von Laserpinzetten) optische Kräfte sein, die im jeweiligen Fokus maximal sind.

Für die Anwendung der Erfindung bei der Behandlung von biolo-- gischen Partikeln, wie z. B. biologischen Zellen, Zellaggre- gaten oder Zellbestandteilen kann es von Vorteil sein, wenn die Halteeinrichtung für eine berührungslose Fixierung der Partikel in einem schaltbaren Kraftfeld eingerichtet ist. Die berührungslose Halterung bedeutet, dass die Partikel in der Halteeinrichtung keinen mechanischen Kontakt mit Elektroden, Wänden oder anderen Komponenten des Kanals besitzen. Im Falle biologischer Materialien werden dadurch unerwünschte Adsorp- tionsreaktionen oder andere Änderungen der Partikel vermie- den. Die Schaltbarkeit der Halteeinrichtung besitzt allgemein den Vorteil, dass nach der Behandlung des mindestens einen Partikels mit der Reaktionsflüssigkeit der mindestens eine Partikel ohne Weiteres freigegeben und im Kanal weiterbewegt werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Partikel stromabwärts von der Mündung des Seitenkanals in den Hauptkanal außerhalb der Mitte des Hauptkanals auf dessen Seite gehaltert ist, die von der Kanalwand begrenzt wird, in der die Mündung des Sei- tenkanals gebildet ist (Halterung in der mündungsseitigen Hälfte des Hauptkanals). In diesem Fall tritt die Reaktions- flüssigkeit vorteilhafterweise im Wesentlichen ohne eine Durchmischung mit der Trägerflüssigkeit durch die Halteein- richtung.

Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung kann die Halteeinrichtung in der Mitte des Hauptkanals vorgesehen' sein, was insbesondere von Vorteil ist, wenn mehrere Reakti- onsflüssigkeiten über mehrere Seitenkanäle von verschiedenen Seiten in den Hauptkanal zugeführt werden.

Der mindestens eine Partikel wird in der Halteeinrichtung vorzugsweise unter der Wirkung von dielektrophoretischen, op- tischen oder mit Ultraschall erzeugten Haltekräften gehal- tert. Vorteilhafterweise sind die hierzu erforderlichen Quel- len, wie z. B. Elektrodenanordnungen zur Erzeugung von Feld- barrieren, optische Laserpinzetten oder Schallquellen aus der herkömmlichen fluidischen Mikrosystemtechnik an sich verfüg- bar. Vorteilhafterweise kann die Gestaltung der Halteeinrich- tung vereinfacht werden, wenn der Partikel unter der kombi- nierten Wirkung dielektrophoretischer Haltekräfte und mecha- nischer Strömungskräfte gehaltert wird. In diesem Fall muss lediglich eine gerade oder gekrümmte Feldbarriere erzeugt werden, die sich über den Hauptkanal erstreckt.

Die kombinierte Wirkung der Haltekräfte mit den mechanischen Strömungskräften ist insbesondere von Bedeutung, wenn die Haltekräfte einen einseitig offenen Potentialtopf bilden, wie dies bspw. bei einer abgewinkelten Elektrode der Fall ist, und die Partikel ohne die über die Strömung vermittelte Vor- triebskraft nicht sicher im Potentialtopf gehalten werden könnten.

Wenn sich die Feldbarriere in Längsrichtung des Hauptkanals bis zum lokalen Potentialminimum verengt, können sich Vortei- le für die Halterung einzelner Partikel ergeben. Es kann ins- besondere eine sogenannte Hexoden-Elektrodenanordnung vorge- sehen sein, die im Vergleich zu den herkömmlich im Kreuzungs- punkt von Kanälen verwendeten Feldkäfigen einfacher handhab-

bar ist, da für eine stabile Halterung des zu behandelten Partikels weniger Elektroden erforderlich sind als bei der Oktopol-Elektrodenanordnung. Wenn sich die Feldbarriere line- ar quer zur Längsrichtung des Hauptkanals erstreckt, können vorteilhafterweise viele Partikel gleichzeitig als gerade Li- nie gehaltert werden. Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung wird die Flüssigkeitsbehandlung des mindestens ei- nen Partikels in der Halteeinrichtung mit einer Messung von Partikeleigenschaften kombiniert. Die Messung umfasst bei- spielsweise eine elektrische Messung (z. B. Impedanzmessung, Rotationsmessung), eine optische Messung (z. B. Fluoreszenz- messung) und/oder eine optische Abbildung mit einem Mikro- skop.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass parallel zur Flüssigkeitsbehandlung des min- destens einen Partikels mindestens ein Referenzpartikel in einer Referenz-Halteeinrichtung gehaltert wird, in der der Referenzpartikel ausschließlich der Trägerflüssigkeit (ohne die Reaktionsflüssigkeit) oder einer anderen Reaktionsflüs- sigkeit als der untersuchte Partikel ausgesetzt wird. Dies ermöglicht den Vergleich der Reaktion eines untersuchten Par- tikels mit dem Referenzpartikel. Zum Vergleich beider Objekte wird vorzugsweise mindestens eine Vergleichsmessung am Refe- renzpartikel durchgeführt und mit der Messung am untersuchten Partikel verglichen.

Wenn die Reaktionsflüssigkeit als segmentierte Flüssigkeits- säule eingespült wird, in der sich Segmente der Reaktions- flüssigkeit und Segmente einer Barrierenflüssigkeit abwech- seln, können sich Vorteile für kinetische Untersuchungen er- geben. Mit der Barrierenflüssigkeit kann vorteilhafterweise eine vorzeitige Diffusion aus der Reaktionsflüssigkeit in den Hauptkanal unterbunden oder die Zuführung der Reaktionsflüs-

sigkeit entsprechend einem bestimmten Zeitplan umgesetzt wer- den.

Besondere Vorteile der Erfindung können sich ergeben, wenn der Abstand der Positionierung des mindestens einen Partikels von der Mündung des Seitenkanals zur Einführung der Reakti- onsflüssigkeit im Bereich von 50 um bis 4 mm, insbesondere von 50 um bis 2 mm gewählt ist. In diesem Abstandsbereich können einerseits die genannten Diffusionsprobleme und ande- rerseits eine vorzeitige Vermischung der Reaktions-und Trä- gerflüssigkeiten vermieden werden. Je nach Anwendungsfall können auch größere Abstände, z. B. 6 mm oder mehr, vorgese- hen sein.

Gemäß einer bevorzugten Anwendung der Erfindung ist nach dem Umspülen des mindestens einen in der Halteeinrichtung gehal- terten Partikels mit der Reaktionsflüssigkeit eine Freigabe des Partikels von der Halteeinrichtung und ein nachfolgender Transport des Partikels mit der Flüssigkeit durch den Haupt- kanal oder in einen Auslasskanal vorgesehen. Vorteilhafter- weise können somit verschieden behandelte Partikel bspw. in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Behandlungsprotokoll zu verschiedenen Anwendungen weitertransportiert oder sortiert werden. Die Freigabe und weitere Bewegung des Partikels kann, wenn im gehalterten Zustand die oben genannte Messung durch- geführt wurde, vorteilhafterweise in Abhängigkeit vom Messer- gebnis erfolgen. Wenn der mindestens eine Partikel auf die Behandlung mit der Reaktionsflüssigkeit in einer vorbestimm- ten Weise reagiert hat, in dem z. B. ein spezifischer Fluo- reszenzfarbstoff an einer biologischen Zelle angekoppelt hat, kann in Abhängigkeit vom Ergebnis der Messung, z. B. bei De- tektion des Fluoreszenzfarbstoffs, eine Selektion der spezi- fisch reagierenden Zelle und deren weiterer Transport durch den Haupt-oder Auslasskanal erfolgen. Partikel, die nicht

das gewünschte Ergebnis liefern, können entsprechend insbe- sondere über den Auslasskanal ausgesondert und aus dem Flui- dikprozess abgetrennt werden.

Die Kombination aus der erfindungsgemäßen Behandlung der zeitweilig gehalterten Partikel mit der Reaktionsflüssigkeit mit einer anschließenden Ablenkung in einen bestimmten Ziel- kanal aus einer Gruppe von mehreren sich anschließenden Kanä- len repräsentiert somit vorteilhafterweise ein Sortierverfah-- ren insbesondere für biologische Partikel, das eine besonders hohe Sicherheit und Selektivität besitzt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Ablenkung in einen der genannten, der Halteeinrichtung stromabwärts nachgeordneten Kanäle unter der Wirkung hochfre- quenter elektrischer Felder. Es ist eine Ablenkung durch ne- gative oder positive Dielektrophorese vorgesehen, die vor- teilhafterweise schnell ein-oder abschaltbar ist.

Gemäß weiteren vorteilhaften Modifikationen der Erfindung ist die Schaffung von dielektrophoretischen Feldbarrieren zur Ab- schirmung des mindestens einen Seitenkanals vom Hauptkanal und/oder zur Abschirmung der Halteeinrichtung insbesondere während der Behandlung eines fixierten Partikels mit der Re- aktionsflüssigkeit vorgesehen. Diese Abschirmmaßnahmen besit- zen den Vorteil, dass die Selektivität der Flüssigkeitsbe- handlung und insbesondere der Sortierung erheblich verbessert werden kann, da der unerwünschte Einfluss von Partikeln bspw. in dem mindestens einen Seitenkanal und/oder in der Halteein- richtung vermieden wird.

Die erfindungsgemäße Sortierfunktion besitzt im Vergleich zu herkömmlichen Zellsortierern den Vorteil einer erhöhten Sor- tiersicherheit, da im Verlauf der Partikelbehandlung, Messung

und nachfolgenden Sortierung im Mikrosystem bestimmte Feld- barrieren selektiv angesteuert werden können, um unerwünschte Fehlsortierungen auszuschließen.

Vorrichtungsbezogen basiert die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, dass in einem fluidischen Mikrosystem mit einem Hauptkanal für die Trägerflüssigkeit mit mindestens ei- nem suspendierten Partikel, mindestens einem Seitenkanal für mindestens eine Reaktionsflüssigkeit, der in den Hauptkanal mündet und einer Halteeinrichtung für die mindestens zeitwei- lige Fixierung des Partikels die Halteeinrichtung stromab- wärts nach der Mündung des Seitenkanals in den Hauptkanal an- zuordnen. Durch die Einführung eines Abstandes zwischen der Mündung des Seitenkanals und der Halteeinrichtung, mit der der mindestens eine Partikel ohne Berührung mit Kanalwänden insbesondere einzeln an einem lokalen Potentialminimum oder als Reihe an einer Potentiallinie fixiert werden kann, wird vorteilhafterweise eine größere Variabilität bei der Gestal- tung der Halteeinrichtung für eine Fixierung der Partikel mit einer erhöhten Haltekraft ermöglicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Halteeinrichtung eine Elektrodenanordnung, mit der ein wenigstens in Strömungsrichtung der Trägerflüssigkeit ge- schlossener Potentialtopf erzeugt wird. Im punktförmigen Po- tentialminimum des Potentialtopfs können einzelne Partikel unter Zusammenwirkung von mechanischen Strömungskräften und dielektrophoretischen Kräften besonders wirksam fixiert wer- den. Der Potentialtopf kann an sich mit der herkömmlichen Ok- topol-Elektrodenanordnung erzeugt werden. Bevorzugt wird je- doch eine abgewandelte Elektrodenanordung, bei der auf der stromabwärts gelegenen Seite der Halteeinrichtung mittig eine Elektrode angeordnet ist. Vorteilhafterweise kann damit die

Haltekraft entgegen der Strömungsrichtung der Trägerflüssig- keit oder der Reaktionsflüssigkeit wirksam erhöht werden.

Es ist vorzugsweise eine sogenannte Hexoden-Elektrodenan- ordnung vorgesehen, die je drei Elektroden auf einer Boden- und einer Deckfläche des Hauptkanals umfasst. Zwei der Elekt- roden ragen zur lateralen Abgrenzung des Potentialtopfs von zwei Seiten in den Hauptkanal, so dass zwischen den jeweili- gen freien Enden ein Abstand gebildet wird. Die dritte Elekt- rode ist stromabwärts von den beiden seitlichen Elektroden in der Mitte des zwischen den seitlichen Elektroden gebildeten Abstandes angeordnet. Mit der Hexoden-Elektrodenanordnung, die einen unabhängigen Gegenstand der Erfindung darstellt, kann die Strömungsgeschwindigkeit der Träger-und Reaktions- flüssigkeiten im Vergleich zu herkömmlichen fluidischen Mik- rosystemen erheblich erhöht werden.

Die Haltekraft der Hexoden-Elektrodenanordnung kann vorteil- hafterweise weiter erhöht werden, wenn am freien Ende der Mittelelektrode eine feldformende Struktur gebildet ist. Wei- tere Vorteile für die Formung des Potentialtopfs können sich ergeben, wenn zusätzlich stromaufwärts von der Hexoden- Elektrodenanordnung eine feldformende Zusatzelektrode ange- ordnet ist.

Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung um- fasst die Halteeinrichtung mindestens ein Paar Elektroden in Form gerader Elektrodenstreifen, die an den Boden-und Deck- flächen des Hauptkanals angeordnet sind. Durch Beaufschlagung der geraden, streifenförmigen Elektroden mit hochfrequenten Wechselspannungen kann vorteilhafterweise eine dielektrische Feldbarriere erzeugt werden, die sich senkrecht zur Strö- mungsrichtung quer über den Hauptkanal erstreckt. Durch die Zusammenwirkung dielektrophoretischer Kräfte und mechanischer

Strömungskräfte werden die Partikel überraschenderweise auf- gereiht positioniert. Die gehalterten Partikel sind quer zur Strömungsrichtung nebeneinander in einer geraden Reihe ange- ordnet. Dies ermöglicht Einzelmessungen, selbst wenn mit der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsbehandlung eine Vielzahl von Partikeln gleichzeitig behandelt werden.

Die Elektroden jeweils eines Paares von Elektrodenstreifen können einander gegenüberliegend angeordnet sein. Vorteil- hafterweise kann damit die Feldwirkung verbessert werden. Al- ternativ können die Elektroden eines Paares in Strömungsrich- tung versetzt angeordnet sein. In diesem Fall können sich Vorteile in Bezug auf die Anordnung von zwei Partikelreihen einerseits nahe der Bodenfläche und andererseits nahe der Deckfläche des Hauptkanals ergeben.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Mikrosystem mit mindestens einer Messeinrichtung zur Vermes- sung des mindestens einen Partikels in der Halteeinrichtung ausgestattet. Vorteilhafterweise kann mit einer z. B. opti- schen oder elektrischen Messung im Echtzeitbetrieb die Reak- tion des Partikels auf die Reaktionsflüssigkeit detektiert und ausgewertet werden. Für Vergleichsuntersuchungen kann es vorteilhaft sein, wenn das Mikrosystem des Weiteren mit einer Referenz-Halteeinrichtung für mindestens ein Referenzpartikel und einer Referenz-Messeinrichtung ausgestattet ist.

Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform kann die Halteein- richtung für eine Partikelfixierung im Fokus eines akusti- schen Feldes eingerichtet sein. In diesem Fall umfasst die Halteeinrichtung mindestens eine Schallquelle zur Ultra- schallerzeugung.

Wenn das erfindungsgemäße Mikrosystem stromabwärts nach der Halteeinrichtung mindestens einen Auslasskanal aufweist, der von dem Hauptkanal abzweigt, können sich Vorteile für weite- re, neue Anwendungen des Mikrosystems ergeben. Der mindestens eine Auslasskanal ermöglicht die Selektion von unbehandelten Partikeln, verschieden behandelten Partikeln oder von Parti- keln, die auf die Behandlung mit der Reaktionsflüssigkeit nicht reagieren, in Abhängigkeit von den jeweiligen Partikel- eigenschaften und/oder einem vorgegebenen Verfahrensproto- koll. Vorteilhafterweise wird mit dem mindestens einen Aus- lasskanal insbesondere die oben genannte Sortierfunktion des erfindungsgemäßen Mikrosystems verbessert.

Gemäß weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung ist das Mikrosystem mit wenigstens einer Elektrode zur Erzeu- gung einer dielektrophoretischen Feldbarriere vor dem Abzweig eines Auslasskanals (Sortierelektrode), an dem mindestens ei- nen Seitenkanal (Barriereelektrode) und/oder zwischen der Mündung des Seitenkanals und der Halteeinrichtung (Abschirm- elektrode) vorgesehen, wobei diese Elektroden einzeln oder in Kombination die Selektivität und Funktionalität des Mikrosys- tems verbessern.

Die Hexoden-Elektrodenanordnung zur Halterung mindestens ei- nes suspendierten Partikels in einem Kanal eines fluidischen Mikrosystems stellt einen unabhängigen Gegenstand der Erfin- dung dar. Die Hexoden-Elektrodenanordnung umfasst mindestens drei Elektroden mit einer Zentralelektrode und zwei Seiten- elektroden, die zur Erzeugung eines gegen die Strömungsrich- tung im Kanal geöffneten Potentialtopfes mit einem Potential- minimum zusammenwirken. Die Zentralelektrode ist dazu einge- richtet, bei Beaufschlagung mit einer hochfrequenten Wechsel- spannung eine dielektrische Feldbarriere quer zu einer Strö- mungsrichtung im Kanal zu bilden, während die Seitenelektro-

den relativ zur Strömungsrichtung vor der Zentralelektrode angeordnet sind und dielektrische Feldbarriere im Wesentli- chen parallel zur Strömungsrichtung bilden.

Wenn die Zentralelektrode an ihrem freien Ende eine Verbrei- terung, zum Beispiel in Form von abstehenden Elektrodenseg- menten oder einer Y-oder T-förmigen Auffächerung aufweist, können sich Vorteile für die Zuverlässigkeit der Partikelhal-- terung gegen die Strömungskräfte ergeben. Wenn die Hexoden- Elektrodenanordnung mit einer Gegenelektrode auf Massepoten- tial ausgestattet ist, die relativ zur Strömungsrichtung mit- tig vor den Seitenelektroden angeordnet ist, kann vorteil- hafterweise ein geschlossener Feldkäfig gebildet werden. Ins-- besondere bei einer Ansteuerung der Elektroden mit einer 60°- Phasenverschiebung kann der durch die Hexoden-Elektroden- anordnung gebildete Käfig dielektrisch symmetrisch geschlos- sen werden.

Die Elektrodenanordnung mit mindestens einem Paar gerader Elektrodenstreifen, die an den Boden-und Deckflächen des Ka- nals angeordnet sind und sich quer zur Längsrichtung des Ka- nals erstrecken, stellt einen weiteren unabhängigen Gegens- tand der Erfindung dar. Diese Elektrodenanordnung ermöglicht vorteilhafterweise die Halterung gerader Partikelreihen, in- nerhalb derer die einzelnen Partikel noch identifizierbar und insbesondere messbar sind.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen be- schrieben. Es zeigen : Figuren 1 bis 5 : verschiedene Ausführungsformen erfindungsge- mäßer Mikrosysteme (Ausschnitte), die zur

Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sind, Figur 6 : verschiedene Ausführungsformen erfindungsge- mäßer Hexoden-Elektrodenanordnungen, Figur 7 : Illustrationen von Potentialverläufen, die mit erfindungsgemäßen Hexoden- Elektrodenanordnungen erzeugt werden, Figuren 8,9 : verschiedene Ausführungsformen erfindungsge- mäßer Halteeinrichtungen mit Streifenelekt- roden, Figur 10 : eine weitere Ausführungsform eines erfin- dungsgemäßen Mikrosystems, das zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Partikelsortierung eingerichtet ist, und Figuren 11,12 : Illustrationen herkömmlicher Mikrosysteme.

Die Erfindung wird mit einem fluidischen Mikrosystem reali- siert, dessen Aufbau, Betriebsweise und Zusatzeinrichtungen an sich bekannt sind und daher hier nicht gesondert beschrie- ben werden. In der folgenden Erläuterung wird lediglich auf einen Ausschnitt eines Mikrosystems mit einem Hauptkanal, mindestens einer Mündung eines Seitenkanals und mindestens einer stromabwärts von der Mündung angeordneten Halteeinrich- tung Bezug genommen. In einem erfindungsgemäßen Mikrosystem können mehrere derartige Kombinationen angeordnet sein. Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezug auf die Positionierung von Partikeln in der Halteeinrichtung mit die- lektrischen Kräften erläutert. Die Umsetzung der Erfindung ist nicht auf diese Art der Halterung beschränkt. Halteein-

richtungen, die auf anderen Feldwirkungen beruhen, wie z. B.

Laser-Pinzetten oder Ultraschall-Halterungen mit mindestens einem Fokus können analog verwendet werden.

Figur 1 zeigt einen Ausschnitt eines Mikrosystems 100, das einen Hauptkanal 30 und einen Seitenkanal 31 enthält, der an der Mündung 32 in den Hauptkanal 30 übergeht. Bei diesem Aus- führungsbeispiel ist eine T-förmige Kanalankopplung vorgese- hen. Durch den Hauptkanal 30 strömt in Richtung des Pfeils A eine Trägerflüssigkeit 40, in der Partikel 10 suspendiert sind. Die Partikel 10 können beispielsweise ein Partikelge- misch aus verschiedenen Partikelarten 11, 12 umfassen. Durch den Seitenkanal 31 strömt in Richtung des Pfeils B eine Reak- tionsflüssigkeit 20, mit der mindestens ein Partikel 13 be- handelt werden soll.

Stromabwärts, also relativ zur Strömungsrichtung nach der Mündung 32 ist die Halteeinrichtung 50 vorgesehen, mit der der mindestens eine Partikel zur Behandlung mit der Reakti- onsflüssigkeit mindestens zeitweilig festgehalten werden soll. Beim dargestellten Beispiel umfasst die Halteeinrich- tung 50 acht Elektroden in Oktopol-Elektrodenanordnung (aus Übersichtlichkeitsgründen sind nur vier Elektroden 51 an der Boden-oder Deckfläche des Hauptkanals 30 gezeigt). Die E- lektroden der Halteeinrichtung 50 werden in an sich bekannter Weise so angesteuert, dass ein allseitig geschlossener Feld- käfig 55 mit einem Potentialminimum zum Beispiel in der Mitte der Halteeinrichtung. 50 gebildet wird. Das Bezugszeichen 80 bezieht sich auf eine Messeinrichtung zur Erfassung einer Ei- genschaft des'Partikels in der Halteeinrichtung 50.

Stromaufwärts, also relativ zur Strömungsrichtung vor der Mündung 32 ist eine Aufreiheinrichtung 60 mit einem die- lektrophoretisch wirkenden Aufreihelement 61 und einem nach-

geordneten dielektrophoretischen Deflektorelement 63 vorgese- hen. Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die Aufreihein- richtung 60 in Strömungsrichtung vor der Mündung 32 angeord- net ist. Für eine sichere Beladung der Halteeinrichtung 50 mit den Partikeln 10 oder ausgewählten Partikeln ist die Auf- reiheinrichtung jedoch von Vorteil.

Der Hauptkanal 30 hat beispielsweise Dimensionen von 400 um 40 um (Breite/Höhe). Die Partikel umfassen beispielsweise biologische Zellen, Zellbestandteile, biologische Makromole- küle oder synthetische Partikel. Die Trägerflüssigkeit 40 ist beispielsweise eine physiologische Salzlösung. Die Reaktions- flüssigkeit 20 umfasst beispielsweise eine physiologische Salzlösung. Alternativ umfasst die Reaktionsflüssigkeit bei- spielsweise eine Waschlösung oder eine Lösung anderer Stoff- zusammensetzungen, insbesondere wässrige Lösungen, wie z. B. mit Agenzien, die eine Reaktion in biologischen Zellen auslö- sen, Substanzen, die auf ihr Potential zur Hemmung oder Ver- stärkung eines zellulären Signals überprüft werden sollen (z. B. Membranpotential, Öffnen oder Schließen von Ionenkanä- len, Rezeptoraktivierung), Liganden, die an einen Plasma- membran-Rezeptor binden können, fluorigene Substanzen, die in Zellen eine fluoreszierende Substanz bilden und/oder Substan- zen, die auf die Beeinflussung der Vitalität einer Zelle oder Auslösung der Apoptose untersucht werden sollen.

Typische Durchflussmengen der Träger-und Reaktionsflüssig- keiten betragen beispielsweise 0.3 bis 3 nl/s. Der Abstand der Halteeinrichtung 50 von der Mündung 32, insbesondere der Abstand des Potentialminimums der Halteeinrichtung 50 von der Mündung wird vorzugsweise im Bereich von 50 um bis 2 mm ge- wählt. Allgemein ist der Abstand vorzugsweise mindestens gleich der Breite des Hauptkanals 30.

Zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Partikel 10 mit der Trägerflüssigkeit 40 in Strömungsrichtung (A) entsprechend der Längsrichtung des Hauptkanals 30 bewegt.

An der Aufreiheinrichtung 60 erfolgt unter der Wirkung der trichterförmigen Feldbarriere des Aufreihelements 61 eine Aufreihung der Partikel 10, wie es an sich aus der fluidi- schen Mikrosystemtechnik bekannt ist. Die Partikel treffen anschließend auf das Deflektorelement 63, wobei die eine Par- tikelart 11 (offene Kreise) vom Deflektorelement seitlich ab- gelenkt wird, während die andere Partikelart 12 (gefüllte Kreise) ohne Ablenkung weiterbewegt wird. Die abgelenkten Partikel werden an der Halteeinrichtung 50 vorbeigeführt, während die gewünschten, nichtabgelenkten Partikel von der Halteeinrichtung 50 aufgefangen werden können (z. B. Partikel 13).

Wenn die Positionierung des Partikels 13 in der Halteeinrich- tung 50 z. B. mit optischen Mitteln oder durch eine elektri- sche Impedanzmessung erfasst worden ist, wird durch den Sei- tenkanal 31 die Reaktionsflüssigkeit 20 zugeführt. Die Zufüh- rung der Reaktionsflüssigkeit 20 erfolgt durch Betätigung ei- ner Pumpeinrichtung (nicht dargestellt). Durch die anströmen- de Trägerflüssigkeit 40 wird die Reaktionsflüssigkeit 20 in den Hauptkanal 30 umgelenkt. Mit einer Strömungsrichtung pa- rallel zur Strömungsrichtung A der Trägerflüssigkeit, also in Längsrichtung des Hauptkanals 30 strömt die Reaktionsflüssig- keit durch die Halteeinrichtung 50. Da der Abstand der Halte- einrichtung 50 von der Mündung 32 und die Durchflussrate der Träger-und Reaktionsflüssigkeiten bekannt sind, kann der Be- ginn der Flüssigkeitsbehandlung des Partikels 13 relativ zur Betätigung der Pumpeinrichtung genau festgestellt werden. Die Reaktion des Partikels 13 auf die Reaktionsflüssigkeit 20 kann beispielsweise durch eine Fluoreszenzmessung mit einem auf die Halteeinrichtung 50 gerichteten Mikroskop beobachtet

werden. Mit der Fluoreszenzmessung am gehalterten Partikel 13 wird zum Beispiel die Beladungskinetik des Fluoreszenzfarb- stoffs in den Partikel 13 erfasst.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem Partikel 10 aus zwei Teilkanälen 33,34 in den Hauptkanal 30 zusammen- fließen, in den an der Mündung 32 der Seitenkanal 31 mit der Reaktionsflüssigkeit 20 mündet. Die Aufreiheinrichtung 60 um- fasst in diesem Fall zwei Aufreihelemente 61,62 und zwei De- flektorelemente 63,64. Die Reaktionsflüssigkeit 20 bildet einen Beladungsstrom parallel zur Strömungsrichtung der Trä- gerflüssigkeit 40. Da die Strömungen im Mikrosystem wirbel- frei und laminar gebildet sind, ist der Beladungsstrom der Reaktionsflüssigkeit 20 vorteilhafterweise von der Träger- flüssigkeit 40 abgegrenzt. Die Grenze ist beispielhaft mit einer gepunkteten Linie eingezeichnet.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist vorgesehen, dass verschiedene Partikelarten 11,12 durch die Teilkanäle 33,34 in den Hauptkanal 30 strömen, wobei durch geeignete Ansteuerung der Aufreiheinrichtung 60 jeweils ein Partikel 13,14 von jeder Partikelart im Feldkäfig der Halteeinrich- tung 50 gefangen wird. Sobald die gemeinsame Positionierung beider Partikel im Feldkäfig detektiert wird, kann eine Reak- tion zwischen den Partikeln und die Abhängigkeit der Reaktion von der zugeführten Reaktionsflüssigkeit beobachtet werden.

Es können auch Reaktionen zwischen gleichartigen Partikeln beobachtet werden.

Das in Figur 3 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung il- lustriert das Prinzip einer erfindungsgemäßen Vergleichsmes- sung. Im Hauptkanal 30 sind als Aufreiheinrichtung 60 zwei Aufreihelemente 61,62 vorgesehen. Die in der Trägerflüssig- keit 40 suspendiert anströmenden Partikel 10 werden mit den

Aufreihelementen 61,62 auf zwei getrennte Strömungsbahnen fokussiert, die jeweils auf die Halteeinrichtung 50 und eine Referenz-Halteeinrichtung 70 gerichtet sind. Zwischen den Aufreihelementen 61,62 und den Halteeinrichtungen 50,70 sind zwei Deflektorelemente 63,64 angeordnet, mit denen nach Beladung der Halteeinrichtungen 50,70 weitere anströmende Partikel auf einen mittleren Strömungspfad gelenkt und zwi- schen den Halteeinrichtungen 50,70 hindurchgeführt werden können. Das Bezugszeichen 90 bezieht sich auf eine Referenz- Messeinrichtung zur Erfassung einer Eigenschaft des Referenz- Partikels in der Referenz-Halteeinrichtung 70.

Wenn beide Halteeinrichtungen 50,70 jeweils mit einem Parti- kel 13, 15 beladen sind, wird die Reaktionsflüssigkeit 20 durch den Seitenkanal 31 zugeführt. Durch die Abgrenzung zwi- schen dem Beladungsstrom der Reaktionsflüssigkeit 20 und der Trägerflüssigkeit 40 (gepunktete Linie 41) wird lediglich der Partikel 13 in der Halteeinrichtung 50 von der Reaktionsflüs- sigkeit umspült, während der als Referenzpartikel verwendete Partikel 15 in der Referenz-Halteeinrichtung 70 ausschließ- lich in der Trägerflüssigkeit 40 suspendiert bleibt.

Die Vergleichsmessung umfasst beispielsweise eine optische oder elektrische Messung an jedem der Partikel 13, 15 und ei- ne Korrelation beider Messwerte, z. B. durch eine Differenz- bildung. Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht vor- teilhafterweise einen direkten Vergleich der Messergebnisse vom Partikel 13 mit den Messergebnissen vom unbeeinflussten Partikel 15.

Figur 3 illustriert ein wichtiges Merkmal der Erfindung, das unabhängig von der Bereitstellung der Referenz-Halteein- richtung 70, also auch beispielsweise bei dem Ausführungsbei- spiel gemäß Figur 1 realisiert sein kann. Allgemein ist die

Halteeinrichtung 50 so gebildet, dass die mindestens zeitwei- lige Positionierung des zu behandelnden Partikels stromab- wärts von der Mündung 32 in der Seite des Hauptkanals 30 er- folgt, in die der Seitenkanal mündet. Das Potentialminimum der Halteeinrichtung 50, z. B. des dielektrischen Feldkäfigs, ist außerhalb der Mitte des Hauptkanals 30 hin zur Seitenwand 35 verschoben angeordnet, in der auch die Mündung 32 des Sei- tenkanals 31 gebildet ist. Die Verschiebung der Halteeinrich- tung oder wenigstens des Potentialminimums hin zum Kanalrand besitzt den Vorteil, dass selbst bei schwankenden Durchfluss- mengen der Reaktions-und Trägerflüssigkeiten der Partikel in der Halteeinrichtung 50 von der Reaktionsflüssigkeit umspült wird. Vorteilhafterweise wird der Beladungsstrom der Reakti- onsflüssigkeit 30 homogen und kontinuierlich gebildet. Dies ermöglicht eine erhöhte Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der am behandelten Partikel erhaltenen Messergebnisse. Ein weiterer Vorteil der zur Seitenwand 35 in verschobener Posi- tionierung des Partikel besteht darin, dass vom Seitenkanal 31 eine relativ schwache Strömung der Reaktionsflüssigkeit gebildet werden kann. Wenn die Halteeinrichtung 50 den Parti- kel in der Kanalmitte positioniert, muss die Reaktionsflüs- sigkeit gegebenenfalls mit einer erhöhten Durchflussmenge eingeführt werden.

Erfindungsgemäß können mehrere Seitenkanäle 31,36 in den Hauptkanal 30 münden, wie beispielhaft in den Figuren 4 und 5 illustriert ist. Die Seitenkanäle 31,36 können eine Kreuzung bilden, an der über einander gegenüberliegende Mündungen 32, 37 gleichzeitig oder aufeinanderfolgend eine oder mehrere Re- aktionsflüssigkeiten in den Hauptkanal gespült werden. Alter- nativ kann vorgesehen sein, dass die Seitenkanäle relativ zur Strömungsrichtung A im Hauptkanal 30 versetzt angeordnet sind. Die Mündungen 32,37 können in diesem Fall auf der gleichen Seite des Hauptkanals 30 gebildet sein. Allgemein

kann der Winkel zwischen einem Seitenkanal und dem Hauptkanal je nach den konkreten Anforderungen und baulichen Bedingungen im Mikrosystem gewählt werden.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 zeigt einen Hauptkanal 30 mit einer Aufreiheinrichtung 60 (siehe Figur 1) und einer stromabwärts von den Mündungen 32,37 angeordneten Halteein- richtung 50. In diesem Fall ist das Potentialminimum der Hal- teeinrichtung 50 vorzugsweise in der Mitte des Hauptkanals 30 angeordnet, damit ein gleichförmiger Einfluss der Reaktions- flüssigkeiten aus den Seitenkanälen 31,36 sichergestellt wird.

Figur 4 illustriert die Zufuhr der Reaktionsflüssigkeit 20 als segmentierte Flüssigkeitssäule, bei der sich Aktivsegmen- te 21 der Reaktionsflüssigkeit 20 mit Passivsegmenten 22 ei- ner Barrierenflüssigkeit abwechseln.

Die Aktivsegmente 21 enthalten die mindestens eine gewünschte Reaktionsflüssigkeit, z. B. auf der Basis einer wässrigen Lö- sung. Sie sind voneinander durch die Passivsegmente 22 ge- trennt. Die Barrierenflüssigkeit in den Passivsegmenten 22 umfasst beispielsweise Öl, das sich als Difussionsbarriere über den gesamten Querschnitt des Seitenkanals 31 erstreckt.

Die Zuführung der Reaktionsflüssigkeit in Form einer segmen- tierten Flüssigkeitssäule besitzt den Vorteil, dass die Bela- dung des Partikels in der Halteeinrichtung 50 entsprechend einem bestimmten Zeitschema mit einer oder mehreren verschie- denen Reaktionsflüssigkeiten erfolgen kann. Wenn mehrere Re- aktionsflüssigkeiten in der Flüssigkeitssäule angeordnet sind, kann die Behandlung des mindestens einen Partikels in der Halteeinrichtung nach einem bestimmten Verfahrensproto- koll mit verschiedenen Substanzen erfolgen. Des Weiteren wird, solange sich ein Passivsegment 22 an der Mündung 32 be-

findet, eine unbeabsichtigte Diffusion einer Reaktionsflüs- sigkeit in die Trägerflüssigkeit 41 vermieden. Mit den Diffu- sionsbarrieren wird vorteilhafterweise der Zeitpunkt defi- niert festgelegt, zu dem die jeweilige Reaktionsflüssigkeit des auf ein bestimmtes Passivsegment 22 folgenden Aktivseg- ments 21 den Partikel 13 erreicht.

Figur 5 illustriert schematisch die gleichzeitige Beladung des Partikels 13 in der Halteeinrichtung 50 mit zwei ver- schiedenen Reagenzien. Vorteilhafterweise können die Durch- flussmengen entsprechend den Strömungsrichtungen B in den Seitenkanälen 31,36 so eingestellt werden, dass sich die verschiedenen Reaktionsflüssigkeiten erst am Ort des Parti- kels 13 treffen und erst dort beispielsweise chemisch mitein- ander reagieren können. Der Zusammenfluss kann auch weiter stromabwärts vorgesehen sein. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die verschiedenen Reaktionsflüssigkeiten bereits stromaufwärts, also in Bezug auf die Strömungsrichtung A der Trägerflüssigkeit vor der Halteeinrichtung 50 miteinander vermengt werden und entsprechend beispielsweise miteinander chemisch reagieren.

Die Figuren 6 und 7 illustrieren den Aufbau und die Funktion einer zur Umsetzung der Erfindung bevorzugt verwendeten Hal- teeinrichtung 52. Die Halteeinrichtung 52 umfasst sechs E- lektroden, von denen drei Elektroden jeweils auf den Boden- und Deckflächen des Hauptkanals angeordnet sind. Aus Über- sichtlichkeitsgründen sind in Figur 6 jeweils nur drei Elekt- roden 53,54 und 55 z. B. der Bodenfläche ohne die zugehöri- gen Verbindungen mit einer Spannungsquelle gezeigt (Elektro- dentripel). Da die Halteeinrichtung 52 die drei Elektroden paarweise, also sechs Elektroden umfasst, wird sie auch als Hexoden-Elektrodenanordnung bezeichnet.

Die Hexoden-Elektrodenanordnung, die einen unabhängigen Ge- genstand der Erfindung darstellt, zeichnet sich dadurch aus, dass die Elektroden von jedem Elektrodentripel eine Zentral- elektrode 53 und zwei Seitenelektroden 54,55 umfassen, deren freie Enden mit Abstand voneinander angeordnet sind und die bei Beaufschlagung mit einer hochfrequenten Wechselspannung einen geschlossenen oder gegebenenfalls entgegen der Strö- imungsrichtung A offenen Feldkäfig (Potentialtopf) bilden. Die Elektroden besitzen beispielsweise jeweils eine Streifenform.

Die Breite der Elektrodenstreifen beträgt vorzugsweise 2 um bis 30 um. Allgemein können die Elektroden verschiedene For- men besitzen, z. B. stab-oder streifenförmig sein und eine entgegengesetzt zur Strömungseinrichtung weisende y-förmige Auffächerung aufweisen.

Die Zentralelektrode 53 ist relativ zur Strömungsrichtung mittig nach Seitenelektroden 54,55 angeordnet, die seitlich in den Hauptkanal ragen. Ein einströmender Partikel wird in der Halteeinrichtung 52 durch die Zusammenwirkung der mecha- nischen Strömungskräfte der Träger-und/oder Reaktionsflüs- sigkeit und der dielektrischen Kräfte im Potentialminimum der Hexoden-Elektrodenanordnung positioniert.

Besondere Vorteile der Hexoden-Elektrodenanordnungen 52 be- stehen darin, dass durch die Zentralelektrode 53 eine beson- ders wirksame Feldbarriere entgegen der Strömungsrichtung A (in Käfigauslaufrichtung) erzeugt wird. Die Haltekraft ist im Vergleich zu den Oktopol-Elektrodenanordnungen (siehe z. B.

Figur 1) erhöht. Es wird ein schnelles und sicheres Beladen der Halteeinrichtung 52 mit Mikroobjekten ermöglicht. Dies ist besonders für kinetische Messungen an Zellen oder Zellbe- standteilen (Zellorganellen) vorteilhaft, da nur wenige Mole- küle zur Auslösung von Signalkaskaden ausreichen und bei zu langsamer Beladung Diffusionsprozesse dominieren könnten. Ein

weiterer Vorteile der Hexoden-Elektrodenanordnungen besteht in der variablen Ansteuerung der Elektroden.

Die Teilbilder A, B und C von Figur 6 zeigen verschiedene Va- rianten von Hexoden-Elektrodenanordnungen. Die verschiedenen Ausführungsbeispiele unterscheiden sich in Bezug auf die Ab- stände der freien Elektrodenenden a, b und c und die Winkel zwischen den geraden Elektrodenstreifen a, ß und y. Gemäß Teilbild A ist vorgesehen, dass a, y > 90° und ß g 180° betragen. Es kann insbesondere a = 120° vorgesehen sein. Die Abstände a, b und c sind beispielsweise gleich der Höhe des Hauptkanals gewählt (z. B. 40 um). Bei 60°- Phasenansteuerung ist der durch die elektronische Struktur gemäß Fig. 6 gebildete Feldkäfig immer geschlossen. Teilbild B von Figur 6 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit a (= y) = 90°. Bei dieser Variante ist der Feldkäfig entgegen der Strömungsrichtung offen.

Das Teilbild C illustriert weitere Varianten, die gemeinsam oder einzeln zur Optimierung der Hexoden-Elektrodenanordnung vorgesehen sein können. So ist die Zentralelektrode 53 an ih- rem freien Ende durch abstehende Elektrodensegmente verbrei- tert. Des Weiteren ist zusätzlich eine sogenannte"floatende" oder sich auf Masse befindliche Gegenelektrode (Elektroden- paar) 56 vorgesehen. Durch diese Gestaltung kann einerseits die Halteeffektivität der Hexoden-Elektrodenanordnung verbes- sert und andererseits der Feldkäfig entgegengesetzt zur Strö- mungsrichtung A geschlossen werden. Dadurch bleiben Partikel in der Halteeinrichtung 52, selbst wenn zeitweilig die Strö- mungsbewegung der Trägerflüssigkeit abgeschaltet wird.

Die folgende Tabelle illustriert verschiedene Schemata zur Ansteuerung der Hexoden-Elektrodenanordnung. 1. Elektroden-2. Elektroden- ebene ebene Elektrode 54 55 53 54 55 53 3 Phasen-0 (2/3) s (4/3) # (4/3) # 0 (2/3) s Ansteuerung 4 Phasen-0 7E/2-Tt/2 # #-#/2 ##/2 Ansteuerung 6 Phasen-0 (2/3) # (4/3) s n (5/3) n 7c/3 Ansteuerung

Figur 7 illustriert die Potentialverteilung in den Hexoden- Elektrodenanordnung mit 6-Phasenansteuerung (siehe Tabelle), wobei jeweils die mittlere quadratische elektrische Feldstär- ke (Potential der dielektrischen Feldstärke) als Kontur in ausgewählten Ebenen über verschiedene Hexoden-Elektroden- anordnungen gezeigt sind. Im Einzelnen zeigen die Teilbilder : A) Potential in zentraler horizontaler Ebene (xy, parallel zur Bodenfläche) zwischen den Elektroden (schwarz), für einen Käfig des Typs aus Fig. 6A mit (t =120°), B) Potential in zentraler vertikaler Ebene (yz) zwischen den Elektroden für einen Käfig des Typs aus Fig. 6A mit (a=ß=120°, 9Skalierung in vertikaler und horizontaler Richtung ist nicht identisch), C) Potential in zentraler horizontaler Ebene für einen Käfig des Typs aus Fig. 6B (a=90°, ß=180°) mit symmetrischem Aufbau (Elektrodenspitzen liegen auf Kreis), D) Potential in zentraler horizontaler Ebene für einen Käfig des Typs aus Fig. 6C (a=90°, ß=180°) mit symmetrischem Aufbau und floatenden Zusatzelektroden (grau), E) Potential in zentraler horizontaler Ebene für einen Käfig des Typs aus Fig. 6B (a=y=90°, =180°) mit symmetrischem Aufbau, und F) Potential in zentraler horizontaler Ebene für einen Käfig des Typs aus Fig. 6B (a=90° ß=180°) mit asymmetrischem Aufbau und verstärktem Ausgangselektrodenpaar.

Die Potentialverteilungen illustrieren die Bildung des loka- len Potentialminimums mit einem starken Feldgradienten insbe- sondere in Strömungsrichtung an der Zentralelektrode 54.

Gemäß einem weiteren unabhängigen Gesichtspunkt der Erfindung kann die Halteeinrichtung 57 durch mindestens ein Paar gera- der Elektrodenstreifen 58 gebildet werden, die sich quer über die Breite des Hauptkanals 30 erstrecken und jeweils an den Boden-und Deckflächen angeordnet sind. Diese Gestaltung ist schematisch in den Figuren 8 und 9 illustriert. Ein Paar ge- rader Elektrodenstreifen bildet eine lineare, quer verlaufen- de Feldbarriere, die vorteilhafterweise eine zuverlässige Halterung auch bei einer erhöhter Ladeströmung der Reaktions- flüssigkeit sicherstellt. Vorteilhafterweise ordnen sich an dieser Feldbarriere Partikel 10 reihenweise nebeneinander an.

Die Aggregatbildung, die an herkömmlichen Parkelektroden auf- tritt (siehe Figur 11), wird in diesem Fall vermieden. Die Halteeinrichtung 57 besitzt ferner den Vorteil, dass die op- tische Zugänglichkeit und die individuelle Beobachtbarkeit der Partikel erhalten bleibt. Die Breite der Elektrodenstrei- fen und der Abstand sind vorzugsweise im Bereich von 2 um bis 50 um gewählt.

Figur 9 zeigt eine Schnittdarstellung des Hauptkanals 30 in Strömungsrichtung A mit überhöht eingezeichneten Elektroden- streifen. An den Elektroden 58 ist jeweils eine Polarität entsprechend einer aktuellen Feldrichtung angegeben. Die Elektroden 58 können entsprechend dem oberen Teilbild von Fi- gur 9 einander gegenüberliegend oder entsprechend dem unteren Teilbild von Figur 9 relativ zueinander versetzt an den obe- ren und unteren Kanalseiten angeordnet sein. Der Versatz der Elektroden 58 zueinander führt zu einem Versatz der aufge- reihten Partikel auf der unteren und oberen Kanalseite. Bei mikroskopischer Abbildung erscheinen infolge des versetzten

optischen Fokus die am Boden befindlichen Partikel optisch dunkel und die Objekte auf der oberen Kanalebene heller.

Die erfindungsgemäße Sortierfunktion eines fluidischen Mikro- systems 100 ist schematisch in Figur 10 illustriert. Das Mik- rosystem 100 umfasst zusätzlich zu dem in Figur 1 gezeigten, oben beschriebenen Aufbau einen Auslasskanal 38, der stromab- wärts von der Halteeinrichtung 50 vom Hauptkanal 30 abzweigt.

Des Weiteren sind zusätzliche Elektroden zur Aufreihung und Manipulation der Partikel im Mikrosystem 100 vorgesehen, die einzeln oder in Kombination in den jeweiligen Kanalabschnit- ten angeordnet sind und neben den oben genannten Elektroden 61 bis 64 des Weiteren die Abschirmelektrode 65, die Sortier- elektroden 66a, 66b und 66c, die Barriereelektrode 67 und weitere Halteelektroden 68 umfassen. Die Elektroden sind je nach ihrer Funktion als gerade Elektrodenstreifen oder als abgewinkelte Elektroden aus einzelnen, geraden Elektrodenseg- menten gezeigt. Bei abgewandelten Ausführungsformen der Er- findung können stattdessen gekrümmte Elektroden oder Elektro- densegmente vorgesehen sein, um bestimmte geometrische Bar- riereformen zu erzielen.

Eine Sortierung von Partikeln mit dem Mikrosystem gemäß Figur 10 umfasst bspw. die folgenden Schritte. Beim Einströmen der Partikel 10, z. B. der suspendierten biologischen Zellen durch den Hauptkanal 30 könnten die Zellen unbeabsichtigt in den Seitenkanal 31 oder in den weiteren Verlauf des Hauptka- nals 30 nach dem Abzweig des Auslasskanals 38 gelangen. Um dies zu verhindern und stattdessen definierte Startbedingun- gen im Mikrosystem zu schaffen, werden die Barriereelektrode 67 und die stromabwärts gelegene Sortierelektrode 66b mit hochfrequenten elektrischen Spannungen beaufschlagt, so dass sich für die Partikel undurchlässige Feldbarrieren bilden.

Wenn der durch den Hauptkanal 30, der beim dargestellten Aus- führungsbeispiel den Sortierkanal mit den gesuchten Zellen bildet, der Trägerstrom mit einem Volumenstrom V1 eingeschal- tet und gleichzeitig am Auslasskanal 38 mit einer Auslasspum- pe (nicht dargestellt) ein Volumenstrom V2 gestartet wird, erfolgt der Flüssigkeitsstrom zunächst vom Aufreihelement 61 über das einzuschaltende Deflektorelement 63 in den Auslass- kanal 38. Dabei wird vorzugsweise V1 > V2, besonders bevor- zugt V1-2 V2 eingestellt.

Ein Partikel 13 wird vom Deflektorelement 63 durch kurzzeiti- ges Abschalten der hochfrequenten elektrischen Spannung durchgelassen und in der Halteeinrichtung 50 aufgefangen. In diesem Zustand wird die Halteelektrode 68 angesteuert, um nachströmende Partikel aufzuhalten. Zeitlich korreliert wird die Abschirmelektrode 65 eingeschaltet, so dass ggf. im Hauptkanal vorhandene Partikel zum Auslasskanal 38 geleitet werden. Die Abschirmfunktion der Abschirmelektrode 65 wird vorteilhafterweise durch die Strömungskräfte unterstützt, die beim Einleiten der Reaktionsflüssigkeit durch den Seitenkanal 31 mit einem Volumenstrom V3 in den Hauptkanal 30 auf eventu- ell vor der Abschirmelektrode 65 befindliche Partikel ausge- übt werden. Möglichst gleichzeitig mit dem Einschalten des Volumenstroms V3 erfolgt eine Anpassung der Volumenströme V1 und V2 derart, dass V2 (neu)-Vl (neu) + V3 beträgt. Damit wird erreicht, dass die gesamte Flüssigkeit im Wesentlichen über den Kanal 38 abgeleitet wird, so dass möglichst keine Reakti- onsflüssigkeit in den Sortierkanal 30 gelangt.

Die Abschirmelektrode 65 wird vorzugsweise stromaufwärts un- mittelbar vor der Halteeinrichtung 50 angeordnet, um die ggf. vor der Halteeinrichtung 50 vorhandenen Partikel möglichst effektiv abzuführen. Außerdem wird durch die Funktion der Ab- schirmelektrode verhindert, dass weitere Partikel (Zellen)

außerhalb der Halteeinrichtung 50 der Reaktionsflüssigkeit aus dem Seitenkanal 31 ausgesetzt werden.

Während die Reaktionsflüssigkeit in den Hauptkanal geleitet wird, erfolgt nach den oben beschriebenen Prinzipien die Be- handlung der fixierten Zelle. Während der Behandlung ist die Sortierelektrode 66b noch eingeschaltet, um alle eventuell stromabwärts von der Halteeinrichtung 50 vorhandenen Zellen in den Auslasskanal 38 abzulenken.

Nach oder während der Flüssigkeitsbehandlung erfolgt mit der Messeinrichtung 80 eine Evaluierung der behandelten Zelle 13.

Anschließend erfolgt ein Abschalten der stromabwärts angeord- neten Käfigelektroden der Halteeinrichtung 50, so dass die Zelle 13 aus der Halteeinrichtung 50 freigegeben wird. Die weitere Bewegung erfolgt unter der Wirkung des Trägerstroms im Hauptkanal 30. Diese wird, falls die Zelle negativ getes- tet wurde, durch eine über den Seitenkanal 31 nachströmende Flüssigkeit unterstützt. Im Fall einer positiv getesteten Zelle ist es das Ziel, den Volumenstrom V3 abzustellen (V3 = 0) und die Zelle 13 nur durch den Trägerstrom in den Kanal 30 zu bewegen. Hierbei wird allerdings der Volumenstrom V1 so angepasst, dass er größer als der Volumenstrom V2 und sogar größer als der Volumenstrom V1 vor Einleiten der Reaktions- flüssigkeit durch Kanal 31 ist, damit eine positiv getestete Zelle möglichst schnell im Kanal 30 bewegt wird. Während der Freigabe der vermessenen Zelle sind die stromaufwärts ange- ordneten Elektroden, insbesondere das Deflektorelement 63 und die Abschirmelektrode 65 eingeschaltet, so dass keine uner- wünschten Partikel auf die Strömungsbahn des gemessenen Par- tikels gelangen können.

In Abhängigkeit vom Ergebnis der Evaluierung wird eine der Sortierelektroden 66a oder 66b eingeschaltet. Wenn das Evalu-

ierungsergebnis negativ war, also bspw. ein gesuchter Fluo- reszenzmarker-auf einer Zelle nicht gefunden wurde, wird die erste Sortierelektrode 66a eingeschaltet, so dass die Zelle in den Auslasskanal 38 ("Waste-Kanal") abgeführt wird. An- dernfalls wird nur die Hilfselektrode 66c eingeschaltet und die positiv gemessene Zelle von den Sortierelektroden 66a und 66b durchgelassen.

Die hier beispielhaft genannte Funktion des Hauptkanals 30 als Sortierkanal für die positiv getesteten Zellen und des Auslasskanals 38 als Ausgang für negativ getestete Zellen kann umgekehrt werden.

Die Kombination aus den Sortierelektroden 66a und 66c besitzt den besonderen Vorteil, dass alle am Deflektorelement 63 ab- gelenkten Partikel automatisch in den Auslasskanal 38 abge- leitet werden, während von den in der Halteeinrichtung 50 ge- messenen Partikeln nur die negativ getesteten Partikel in den Auslasskanal 38 umgelenkt werden. Hierzu ist die Sortier- elektrode 66c stromabwärts der Sortierelektrode 66a nachge- ordnet außermittig auf der Seiten des Hauptkanals angeordnet, auf der der Auslasskanal 38 abzweigt, wobei eine Überlappung mit der Sortierelektrode 66a vorgesehen ist.

Der Aufbau gemäß Figur 10 kann vorteilhafterweise dahingehend abgewandelt werden, dass der Seitenkanal 31 auf der in Figur 10 linken Seite des Hauptkanals und auch die Komponenten 61 und 50 nach links versetzt angeordnet sind. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass die Reakti- onsflüssigkeit aus dem Kanal 31 direkt in den Kanal 38 ab- fließen kann und so eine Kontamination des Hauptkanals 30 mit Reaktionsflüssigkeit vermieden wird. Bei dieser Ausführungs- form können auch noch die übrigen Elektroden angepasst oder spiegelbildlich angeordnet sein.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeu- tung sein.