Titel

Mikrofluidische Flusszelle und Verfahren mit veränderlichen Isolatoren

Stand der Technik

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

Beispielsweise wird in Regtmeier et al., Analytical Chemistry 2007 79 (10), 3925- 3932 DOI: 10.1021/ac062431r eine mikrofluidische DNA-Separierung mittels einer periodischen Struktur von Polymerisolatoren beschrieben. Durch die Struktur der Polymerisolatoren wird ein angelegtes elektrisches Wechselfeld inhomogen um die Isolatoren gebogen. An den dadurch entstehenden gekrümmten Feldlinien ist die Feldstärke lokal erhöht. Die daraus resultierende dielektrophoretische Kraft bewirkt Potentialunterschiede, die die

elektrophoretische Migration der DNA- Fragmente je nach längenabhängiger Polarisierbarkeit verzögern, was zu einer Separierung führt der DNA- Fragmente führt.

Aus Barbulovic-Nad et al., Lab Chip, 2006, 6, 274-279, DOI: 10.1039/B513183A ist dielektrophoretische Trennung von biologischen Zellen unterschiedlicher Größe bekannt, wobei ein durch einen Kanal eingebrachter Öltropfen als Isolator genutzt wird. Durch Druckänderung kann die Menge des Öltropfens verändert werden sowie der Abstand desselben zur Flusszellenwand, was das elektrische Feld staucht beziehungsweise streckt. Gezeigt wird eine Trennung.

US2011076204 beschreibt ein mikrofluidisches Ventil, bei dem durch Anlegen von Druck auf einen Kanal unterhalb einer elastischen Schicht sich diese verformt und einen oberhalb der Schicht gelegenen Kanal blockiert. Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung

Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung eine mikrofluidische Flusszelle. Die Flusszelle weist Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in einem Innenraum der Flusszelle auf. Der Innenraum wird zumindest teilweise von einer elastischen Schicht begrenzt, wobei sich an einer dem Innenraum abgewandten Seite der Schicht eine Ausnehmung zur Druckausübung auf die Schicht befindet, so dass sich abhängig von der Druckausübung ein Teil der Schicht für eine lokale Änderung des elektrischen Feldes in den Innenraum ausdehnt.

Unter einer elastischen Schicht kann dabei insbesondere eine elektrisch nichtleitende dehnbare Schicht oder eine elektrisch nichtleitende elastische Membran verstanden werden, insbesondere eine in der Mikrofluidik übliche elastische Schicht oder elastische Membran.

Die erfindungsgemäße Flusszelle hat den Vorteil, dass über die Druckausübung die Wirkung der Membran als elektrischer Isolator zur lokalen Änderung des elektrischen Feldes gezielt gesteuert werden kann. Mit anderen Worten wirkt die Membran vorteilhafterweise als ein in der Größe veränderlicher Isolator im Innenraum der Flusszelle, durch welchen lokale, veränderbare Inhomogenitäten im elektrischen Feld erzeugt werden können. Dabei ist von besonderem Vorteil, dass wohldefinierte geringfügige Änderungen im elektrischen Feld über entsprechende geringfügige Änderungen in der Druckausübung bewirkt werden können, so dass auch bereits separierte Partikel in weitere Subpopulationen aufgeteilt werden können. Ferner ist von Vorteil, dass diese veränderliche Wirkung im elektrischen Feld ohne Einbringung weiterer Stoffe wie

beispielsweise Öl in den Innenraum bewirkt werden kann und somit die Gefahr einer Kontamination des Innenraums geringgehalten werden kann.

Die Druckausübung auf die Schicht kann insbesondere über ein Fluid, also eine Flüssigkeit oder ein Gas, oder über ein mechanisches Bauteil in der

Ausnehmung erfolgen, beispielsweise über einen Stößel. Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Ausnehmung ein Fluid zur Druckausübung auf die Schicht, vorzugsweise ein annähernd inkompressibles Fluid, insbesondere ein Öl. Dies hat den Vorteil, dass die Druckausübung auf einfache und wohldefinierte Weise erfolgen kann, beispielsweise über eine Pumpe, wobei die Pumpe Teil der Flusszelle ist oder an die Flusszelle angekoppelt wird.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Schicht mehrere elastische Bereiche auf, welche sich abhängig von der Druckausübung auf die Bereiche für eine lokale Änderung des elektrischen Feldes in den Innenraum ausdehnen. Dies hat den Vorteil, dass mehrerer veränderliche Isolatoren für den Innenraum der Flusszelle vorgesehen werden können.

Bevorzugt sind die mehreren elastischen Bereiche durch eine lokale

Verformbarkeit der elastischen Schicht festgelegt. Insbesondere können die elastischen Bereiche eine größere Elastizität als ein Rest der elastischen Schicht aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass die Position und Anzahl der veränderlichen Isolatoren durch eine bereichsweise Einstellung der Elastizität vorgegeben werden können. Die lokale Verformbarkeit beziehungsweise die größere

Elastizität der elastischen Bereiche kann dabei insbesondere durch die

Zusammensetzung und/oder Dicke der Schicht in den elastischen Bereichen realisiert werden. Dies hat den Vorteil, dass sich bei Druckausübung auf die Schicht die elastischen Bereiche in einem größeren Ausmaß als andere Bereiche der Schicht in den Innenraum ausdehnen.

Alternativ oder zusätzlich kann die Flusszelle vorzugsweise mehrere an die elastische Schicht angrenzende Ausnehmungen zur Druckausübung auf die elastische Schicht aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass über die Lage und Anordnung der Ausnehmungen elastische Bereiche der Schicht für eine

Ausdehnung in den Innenraum festgelegt werden.

Alternativ oder zusätzlich ist zwischen der Ausnehmung und der elastischen Schicht ein Material, insbesondere eine Maske, mit einem oder mehreren durchgängigen Löchern zur Festlegung der elastischen Bereiche angeordnet. Dies hat ebenfalls den Vorteil, dass über die Lage und Anordnung der Löcher die Ausnehmungen elastische Bereiche der Schicht für eine Ausdehnung in den Innenraum festgelegt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die elastischen Bereiche in Reihen angeordnet. Dadurch kann vorteilhafterweise eine

regelmäßige Beeinflussung des elektrischen Feldes verursacht werden.

Insbesondere sind dabei die Bereiche einer ersten Reihe größer als die Bereiche einer zweiten Reihe. Dies hat den Vorteil, dass Regionen mit unterschiedlichen elektrischen Feldstärken erzeugbar sind. In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung umfasst die Flusszelle weitere Reihen mit Bereichen unterschiedlicher Größe.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bildet die elastische Schicht eine Wand des Innenraums, wobei sich der für die

Ausdehnung in den Innenraum ausgebildete Teil der elastischen Schicht näher an einer ersten Seitenwand als an einer gegenüber der ersten Seitenwand befindlichen zweiten Seitenwand befindet. Bei dem für die Ausdehnung in den Innenraum ausgebildete Teil kann sich dabei insbesondere um ein oder mehrere der oben beschriebenen elastischen Bereiche handeln. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, dass der Teil beziehungsweise die elastischen Bereiche nicht zentral an der Wand angeordnet sind und somit unterschiedlich große Abstände zwischen dem Teil beziehungsweise den elastischen Bereichen und den

Seitenwänden mit daraus resultierenden unterschiedlichen lokalen Feldstärken bestehen. Dies ist insbesondere bei einer räumlichen Trennung von

unterschiedlich stark polarisierbaren Teilchen oder Partikeln von Vorteil.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Flusszelle als

Schichtaufbau ausgebildet, wobei eine erste Schicht, welche die Ausnehmung aufweist, durch die elastische Schicht von einer zweiten Schicht getrennt ist, wobei die zweite Schicht den Innenraum der Flusszelle umfasst. Solch ein Schichtaufbau hat den Vorteil eines einfachen und kostengünstigen

Herstellprozesses.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in dem Innenraum der erfindungsgemäßen Flusszelle, wobei durch die Druckausübung auf die Schicht der Teil der Schicht für eine lokale Änderung des elektrischen Feldes in den Innenraum gedehnt wird.

Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auch 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

Figuren 1 bis 3 Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Flusszelle und

Figur 4 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des

erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Flusszelle 100 als Schichtaufbau in einer seitlichen Darstellung. Eine erste Schicht 110, welche eine Ausnehmung 150 aufweist, ist durch eine elastische Schicht 130 von einer zweiten Schicht 120 getrennt, wobei die zweite Schicht 120 den Innenraum 140 der Flusszelle 100 umfasst. Die Ausnehmung 150 befindet sich somit gegenüber dem Innenraum 140 und grenzt an eine dem Innenraum abgewandten Seite 131 der Schicht 130 an. Der Innenraum 140 kann dabei insbesondere als Kanal 140 ausgebildet sein, durch welchen die durch die Flusszelle zu untersuchende oder zu bearbeitende Flüssigkeit 10 fließt. Auch die Ausnehmung 150 kann wie dargestellt als Kanal 150 in der ersten Schicht 130 ausgebildet und mit einer elektrisch nichtleitenden Flüssigkeit 12 oder Gas 12 gefüllt sein, welches durch eine mit der Ausnehmung 150 verbundene oder gekoppelte Pumpe 190 unter Druck gesetzt werden kann, beispielsweise ein Öl 12. Durch den angelegten Druck verformt sich die Schicht 130 und dehnt sich teilweise in den Innenraum 140 aus, wo der sich ausdehnende Teil 135 der Schicht 130 als Isolator in einem in dem Innenraum durch Elektroden 210, 220 der Flusszelle 100 über eine Spannungsquelle 250 erzeugten elektrischen Feld wirkt. Durch Variieren des Drucks kann die Größe des als Isolator wirkenden ausgedehnten Teils 135 und somit die lokale Änderung des elektrischen Felds angepasst werden.

Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm zu einem Ausführungsbeispiel des

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

Flusszelle 100 durchgeführt werden kann. In einem ersten Schritt 601 wird die Flusszelle 100 bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 602 wird durch die

Druckausübung auf die Schicht der Teil der Schicht für eine lokale Änderung des elektrischen Feldes in den Innenraum gedehnt.

Der sich ausdehnende Teil 135 der elastischen Schicht 130 kann als besonders elastischer Bereich 135 ausgebildet sein. Insbesondere kann der elastische Bereich 135 eine größere Elastizität und somit eine höhere lokale Verformbarkeit als ein Rest der elastischen Schicht 130 aufweisen. Dies kann insbesondere durch eine andere Materialzusammensetzung des Bereichs 135 und/oder durch eine andere, insbesondere geringere, Dicke des elastischen Bereichs 135 gegenüber dem Rest der Schicht 130 realisiert sein. Alternativ oder zusätzlich kann, wie in Figur 1 angezeigt, der elastische Bereiche durch eine Maske 160 mit einem durchgängigen Loch 161 realisiert sein. Durch das Loch kann der Druck in der Ausnehmung 150 direkt auf den sich ausdehnenden Teil 135 der elastischen Schicht 130 wirken. Die Flusszelle 100 kann auch mehrere elastische Bereiche 135 aufweisen, beispielsweise festgelegt durch mehrere durchgängige Löcher in der Maske 160. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Schicht 110 auch mehrere Ausnehmungen 150 für die Festlegung der mehreren elastischen Bereiche 135 aufweisen. Die Flusszelle 100 kann dabei ein oder mehrere elastische Schichten 130 aufweisen, die die mehreren Ausnehmungen 150 überdecken. Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der

erfindungsgemäßen Flusszelle 100, welche auf der Ausführungsform nach Figur 1 basieren kann. Diese Ausführungsform umfasst mehrere elastische Bereiche 135, 136, 137, welche in drei verschiedenen Regionen 171, 172, 173 der elastischen Schicht 130 jeweils periodisch in Reihen angeordnet sind. Wie in Figur 2 gezeigt, können die elastischen Bereiche 135, 136, 137 dabei in unterschiedlichen Größen ausgebildet sein, so dass aufgrund von daraus resultierenden unterschiedlich großen Isolatoren lokal unterschiedlichen

Feldstärken erzeugbar sind. Dabei kann die unterschiedliche Größe der

Isolatoren 135, 136, 137 durch unterschiedlich große Löcher 161 in der Maske 160 und/oder durch unterschiedliche Materialzusammensetzungen der elastischen Bereiche herbeigeführt werden. Wenn mehrere Ausnehmungen 150 für die verschiedenen Regionen 171, 172, 173 vorgesehen sind, können über separate Pumpen 191, 192, 193 unterschiedliche Drücke in den Ausnehmungen für unterschiedlich große Ausdehnungen der Bereiche 135, 136, 137 realisiert werden.

Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der

erfindungsgemäßen Flusszelle 100, welche ebenfalls auf der Ausführungsform nach Figur 1 basieren kann. In dieser Ausführungsform befindet sich der sich in den Innenraum 140 ausdehnende Teil 135 der elastischen Schicht 130 nicht mittig bezüglich des Innenraums 140 angeordnet ist. Insbesondere befindet sich der ausdehnende Teil 135 näher an einer ersten Seitenwand 181 des

Innenraums 140 als an einer gegenüber der ersten Seitenwand 181 befindlichen zweiten Seitenwand 182. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Abstände a und b zwischen dem Teil 135 und den Seitenwänden. Je kleiner der Abstand zwischen Isolator 135 und Seitenwand, desto höher die lokale Feldstärke, so dass sich die dezentrale Anordnung des Teils 135 besonders für die Trennung unterschiedlich stark polarisierbarer Teilchen oder Partikel eignet. Beispielhaft ist ein Partikel 11 in Figur 3 dargestellt, welches abhängig von der Polarisierung eine von zwei Bahnen 12, 13 um den Isolator 135 nehmen muss.

Die erste und/oder die zweite Schicht 110, 120, 130 der Flusszelle umfassen vorzugsweise isolierendes Material, beispielsweise Glas und/oder Polymer, beispielsweise Polydimethylsiloxan (PDMS). Vorzugsweise ist der Innenraum 150 der Flusszelle 100 mit einem Material, beispielsweise SIL3400, beschichtet, um unerwünschten elektroosmotischen Fluss zu verringern. Die Breite und Höhe des Innenraums können beispielsweise zwischen 100 und 1000 Mikrometer betragen. Die elastische Schicht 130 kann ein elektrisch isolierendes, verformbares Material umfassen, insbesondere ein Polymer mit einer

Schichtdicke zwischen 20 und 100 Mikrometer. Der sich ausdehnende Teil 135 der Schicht 130 beziehungsweise die elastischen Bereiche der Schicht 130 sind derart ausgestaltet, dass sich sie bei Druckausübung beispielsweise zwischen 50 und 500, bevorzugt zwischen 100 und 500 Mikrometer in den Innenraum 150 erstrecken. Dazu können die elastischen Bereiche beispielsweise Abmessungen in der Größenordnung von 50 bis 500 Mikrometer aufweisen, beispielsweise als Durchmesser eines kreisförmig begrenzten Bereichs. Die Elektroden 210, 220 können bei der Herstellung in die Flusszelle 100 mikrostrukturiert werden oder extern durch Kontaktierungslöcher angebracht werden, beispielsweise als

Platinelektroden. Als Spannungsquelle für die Elektroden 210, 220 kann beispielsweise ein Gleichspannungsquelle mit 12 Volt überlagert von einer Wechselspannungsquelle mit 200 bis 500 Volt bei einer Frequenz zwischen 50 und 200 Kilohertz verwendet werden. Beispielsweise ergibt sich somit eine mittlere Stärke des elektrischen Feldes in der Flusszelle 100 von 10000 bis

500000 Volt (V) pro Meter (m), wobei durch einen sich ausdehnenden Teil 135 der Schicht 130 abhängig von der Größe und Ausdehnung beispielsweise ein Feldestärkegradient zwischen 10 ^L 10 und 10 ^L 16 V ^A 2 / m ^A 3 hervorgerufen werden kann. Die mit der Flusszelle 100 zu bearbeitende Probe kann beispielsweise mit einem Puffermedium eingebracht werden, insbesondere als typisches

Zellmedium wie beispielsweise Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM). Alternativ kann eine unbehandelte oder verdünnte Blutprobe verwendet werden.