Mikrofluidisches System und zugehöriges Ansteuerverfahren

Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches System und ein zugehöriges Ansteuerverfahren gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche.

Derartige mikrofluidische Systeme sind beispielsweise aus Müller, T. et al . : "A 3D-micro electrode for handling and ca- ging single cells and particles", Biosensors and Bioelectro- nics 14, 247-256, 1999 bekannt und weisen einen flachen Trä- gerstromkanal zur Aufnahme eines Trägerstroms mit darin suspendierten Partikeln (z.B. biologischen Zellen) auf, wobei sich in dem Trägerstromkanal eine dielektrophoretische Elektrodenanordnung befindet, um die suspendierten Partikel zu manipulieren. Beispielsweise können die suspendierten Partikel in dem Trägerstrom durch eine trichterförmige Elektrodenanordnung (engl, "funnel") zentriert oder durch einen sogenannten Haken (engl, "hook") fixiert werden.

Nachteilig an den bekannten mikrofluidischen Haltesystemen, beispielsweise den vorstehend erwähnten dielektrophoretischen Haken, ist jedoch die Tatsache, dass die Partikel von den dielektrophoretischen Elektrodenanordnungen in dem Trägerstromkanal nach oben oder unten in Richtung der Kanalwand gedrückt werden können, was insbesondere bei biologischen ZeI- len störend ist.

Aus Schnelle, T. et al . : "Trapping of Viruses in High Fre- quency Electric Field Cages", Naturwissenschaften 83, 172-176 (1996) , Springer-Verlag ist die Verwendung dielektrophoreti-

scher Feldkäfige (engl, "cages") bekannt, um suspendierte Partikel in einem Feldminimum innerhalb des Feldkäfigs zu fixieren. Diese Feldkäfige weisen acht kubisch angeordnete Käfigelektroden auf und zentrieren die suspendierten Partikel in allen Raumrichtungen, was hier erforderlich ist, um eine Anhaftung der Partikel an den Kanalwänden zu verhindern. Dafür ist eine individuelle elektrische Versorgung der Käfigelektroden notwendig, was technisch sehr aufwendig ist und beispielsweise die Parallelisierbarkeit erschwert.

Weitere Ausführungsbeispiele derartiger Feldkäfige sind aus Fuhr, G. et al.: "Positioning and Manipulation of cells and Microparticles Using Miniaturized Electric Field Traps and Travelling Waves", Sensors and Materials, Vol. 7, No. 2 (1995) 131-146 bekannt.

Die nachveröffentlichte Patentanmeldung DE 10 2004 017 482 Al offenbart ebenfalls mikrofluidische Systeme mit dielektropho- retischen Elementen, wie beispielsweise den bereits eingangs erwähnten Feldkäfigen (engl, "cages") , Trichtern (engl, "fun- nels") sowie Partikelweichen (engl, "switches"). Die Feldkäfige zentrieren die suspendierten Partikel jedoch ebenfalls in allen Raumrichtungen, was hiererforderlich ist, um eine Anhaftung der suspendierten Partikel an den Kanalwänden de Trägerstromskanals zu verhindern.

Aus ÜS2002/0182627 Al sind sogenannte Biochips bekannt, in denen suspendierte Partikel mittels Elektrophorese manipuliert werden. Darüber hinaus offenbart diese Patentanmeldung auch planare dielektrophoretische Feldkäfige, die jeweils einen suspendierten Partikel in einer Bohrung einer Platte positionieren. Diese Art der Fixierung führt jedoch gezielt zu einem Berührungskontakt zwischen dem fixierten Partikel und

der Kanalbegrenzung, was insbesondere bei biologischen Zellen störend ist.

Weiterhin offenbaren DE 199 52 322 C2, DE 103 11 716 Al und US 5,454,472 Verfahren und Vorrichtungen zur Trennung suspendierter Partikel mittels dielektrophoretischer Elemente. Aus diesen Patentanmeldungen sind jedoch keine Maßnahmen bekannt, um das Anhaften suspendierter Partikel an den Kanalwänden zu verhindern.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebenen bekannten mikrofluidischen Haltesysteme entsprechend zu verbessern bzw. zu vereinfachen, wobei verhindert werden soll, dass die suspendierten Partikel von der Elektrodenanordnung in Richtung Kanalwand gedrückt werden.

Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes mikrofluidisches System und ein zugehöriges Ansteuerverfahren gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.

Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, stromaufwärts vor den Manipulationselektroden (z.B. einem sogenannten "hook") Zentrierelektroden anzuordnen, welche die in dem Trägerstrom suspendierten Partikel in der Zentralebene des Trägerstromkanals fokussieren und dadurch verhindern, dass die suspendierten Partikel in Richtung Kanalwand gedrückt werden.

Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff der Zentrie- rung bzw. Fokussierung bedeutet vorzugsweise, dass die suspendierten Partikel rechtwinklig zur Strömungsrichtung zentriert bzw. fokussiert werden.

Das erfindungsgemäße mikrofluidische System weist eine Elektrodenanordnung mit mindestens zwei Manipulationselektroden und mindestens zwei stromaufwärts vor den Manipulationselektroden angeordneten Zentrierelektroden auf.

Bei den beiden Manipulationselektroden kann es sich beispielsweise um sogenannte Haken (engl, "hook") handeln, die an sich bereits aus der eingangs erwähnten Veröffentlichung von Müller, T. et al . : "A 3D-micro electrode for handling and caging single cells and particles", Biosensors and Bioe- lectronics 14, 247-256, 1999 bekannt sind, so dass der Inhalt dieser Veröffentlichung der vorliegenden Beschreibung hinsichtlich der Gestaltung der Manipulationselektroden in vollem Umfang zuzurechnen ist.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Manipulationselektroden nicht notwendigerweise einstückig bzw. durchgehend sein müssen. Es besteht vielmehr auch die Möglichkeit, dass die einzelnen Manipulationselektroden aus mehreren Teilelektroden bestehen, wobei die einzelnen Teilelektroden der Manipulationselektroden getrennt ansteuerbar sein können. Beispielsweise können die einzelnen Manipulationselektroden auch durch Passivierungsschichten unterbrochen sein.

Wichtig ist jedoch, dass die Manipulationselektroden entgegen der Strömungsrichtung gekrümmt sind, wie es beispielsweise bei den bekannten sogenannten Haken der Fall ist. Anstelle von hakenförmigen Manipulationselektroden besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Manipulationselektroden bogenförmig (z.B. halbkreisförmig) oder ringförmig geschlossen sind. Sie können aber auch die Form eines Rechtecks oder eines Teils eines Rechtecks, eines Sechsecks oder allgemein eine Polygons haben. Die Form ist also ebenso wie bei den Zentrierelektroden nahezu beliebig. Beispielsweise können die Manipulations-

elektroden kreisringförmig sein, was die Anordnung mehrerer Partikel auf geschlossenen Bahnen ermöglicht.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass die Zentrierelektro- den mindestens teilweise von den stromabwärts dahinter angeordneten Manipulationselektroden umschlossen sind. Bei einer hakenförmigen Manipulationselektrode lässt sich dies dadurch erreichen, dass die zugehörige Zentrierelektrode vorzugsweise zwischen den beiden Schenkeln der hakenförmigen Manipulati- onselektrode angeordnet ist. Bei einer ringförmigen Manipulationselektrode kann die zugehörige Zentrierelektrode innerhalb der Manipulationselektrode angeordnet sein.

Darüber hinaus sieht die Erfindung vor, dass die Zentrier- elektroden quer zur Strömungsrichtung eine geringere räumliche Ausdehnung aufweisen als die Manipulationselektroden, was bei den eingangs erwähnten Feldkäfigen mit acht kubisch angeordneten Käfigelektroden nicht der Fall ist.

Die Zentrierelektroden sind vorzugsweise dreieckig, rechteckig, hexagonal, rund, kreisförmig oder elliptischen geformt, wobei die Zentrierelektroden quer zur Strömungsrichtung vorzugsweise kleiner als die Manipulationselektroden sind.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass die beiden Zentrierelektroden bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung elektrisch getrennt voneinander ansteuerbar sind, damit die Zentrierelektroden elektrisch gegenphasig angesteuert werden kön- nen.

Das Gleiche gilt vorzugsweise auch für die beiden Manipulationselektroden, die zur Ermöglichung einer gegenphasigen An-

Steuerung vorzugsweise ebenfalls elektrisch getrennt voneinander ansteuerbar sind.

Darüber hinaus sind auch die Manipulationselektroden einer- seits und die Zentrierelektroden andererseits elektrisch getrennt ansteuerbar, da die Manipulationselektroden und die diesen jeweils zugeordneten Zentrierelektroden zur Erreichung einer Zentrierwirkung elektrisch gegenphasig angesteuert werden sollten.

Ferner ist zu erwähnen, dass die beiden Manipulationselektroden und/oder die beiden Zentrierelektroden vorzugsweise jeweils im Wesentlichen planar (d.h. eben) sind, wobei die beiden Manipulationselektroden einerseits und die beiden Zen- trierelektroden vorzugsweise jeweils paarweise im Wesentlichen koplanar angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die einzelnen Elektroden in zwei zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind, wobei sich in jeder Ebene jeweils eine Manipulationselektrode und eine zugehörige Zentrierelektrode befin- det . Im Vergleich zum Feldkäfig ist die vorgeschlagene Anordnung robuster gegenüber Versatz, was die Herstellung der Systeme vereinfacht.

Die Zentrierelektroden und die Manipulationselektroden sind hierbei in Strömungsrichtung in einem Abstand zueinander angeordnet, der vorzugsweise im Bereich von 1/8 bis zum zweifachen des Abstandes der Elektrodenebenen liegt. Für die Handhabung tierischer Suspensionszellen, beispielsweise Blutzellen liegt dies vorzugsweise im Bereich von 5 μm bis 80 μm, wobei sich ein Abstand von ungefähr 40 μm als besonders vorteilhaft erwiesen hat.

In einer vorteilhaften Variante der Erfindung weist die E- lektrodenanordnung mehrere Manipulationselektrodenpaare und

diesen zugeordnete Zentrierelektrodenpaare auf. Die einzelnen Manipulationselektrodenpaare können hierbei bezüglich der Strömungsrichtung nebeneinander oder hintereinander in dem Trägerstromkanal angeordnet sein. Diese Array-Anordnung er- laubt im Vergleich zu herkömmlichen dielektrophoretischen Käfigen eine einfachere und bessere Langzeitkultivierung von biologischen Zellen in Mikrofluidik-Chips . Beispielsweise können mehrere sogenannte Haken (engl, "hook") in Strömungsrichtung nebeneinander angeordnet sein, um suspendierte Par- tikel zu fixieren.

Die einzelnen Manipulationselektrodenpaare können hierbei e- lektrisch miteinander verbunden sein, was eine gemeinsame e- lektrische Ansteuerung ermöglicht, wobei die einzelnen Mani- pulationselektroden eines Manipulationselektrodenpaares in herkömmlicher Weise gegenphasig angesteuert werden.

Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass die einzelnen Manipulationselektrodenpaare zumindest teilweise voneinander elektrisch getrennt sind und zumindest teilweiseelektrisch getrennt angesteuert werden, was eine einfache selektive Erfassung der suspendierten Partikel ermöglicht.

Weiterhin besteht im Rahmen der Erfindung das Ziel, die ther- mische Belastung der suspendierten Partikel zu minimieren, was insbesondere bei biologischen Zellen wichtig ist. Die thermische Belastung der suspendierten Partikel hängt jedoch von der Elektrodenbreite und dem Elektrodenabstand ab, wobei diese Parameter auch die Kraft beeinflussen, welche die E- lektrodenanordnung auf die suspendierten Partikel ausübt.

Vorzugsweise liegt die laterale Elektrodenbreite im Bereich von 10% bis 50% des Elektrodenabstands zwischen den Ebenen, da das Verhältnis von der erwünschten Kraft zu der uner-

wünschten Erwärmung der suspendierten Partikel in diesem Bereich besonders gut ist.

Ferner ist zu erwähnen, dass der Trägerstromkanal des erfin- dungsgemäßen mikrofluidischen Systems vorzugsweise einen Strömungsquerschnitt aufweist, der im Bereich von 0,006 mm ² bis 0,6 mm ² liegt, was bei mikrofluidischen Systemen üblich ist. Die Höhe des Trägerstromkanals kann hierbei beispielsweise im Bereich von 1 μm bis 400 μm liegen, während die Breite des Trägerstromkanals beispielsweise im Bereich von 5 μm bis 1,5 mm liegen kann.

Generell kann der Querschnitt des Trägerstromkanals unterschiedlich sein, so kann er beispielsweise rechteckig oder trapezförmig sein.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die beiden koplanar angeordneten Manipulationselektroden der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung in Strömungsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. In gleicher Weise können auch die beiden

Zentrierelektroden der Elektrodenanordnung in Strömungsrichtung zueinander versetzt sein. Der Versatz in Strömungsrichtung kann hierbei im Verhältnis zu dem Abstand zwischen den Manipulationselektroden und den Zentrierelektroden im Bereich von 5% bis 95%, 10% bis 90%, 20% bis 80% oder 30% bis 70% liegen. Die Möglichkeit des Versatzes der Elektroden hat den Vorteil, dass dadurch an den Herstellungsprozess nicht so hohe Anforderungen gestellt werden müssen, wie beispielsweise bei den bereits bekannten Feldkäfigen, bei denen eine genaue Ausrichtung der Elektroden für die Funktionalität grundlegend ist.

Die Erfindung umfasst jedoch nicht nur das erfindungsgemäße mikrofluidische System, sondern auch ein biologisches Gerät

(z.B. einen Zellsortierer) mit einem derartigen mikrofluidischen System.

Weiterhin umfasst die Erfindung ein zugehöriges Ansteuerver- fahren für ein derartiges mikrofluidisches System. Dabei werden die Manipulationselektroden einerseits und die diesen zugeordneten Zentrierelektroden andererseits vorzugsweise e- lektrisch gegenphasig angesteuert, um die gewünschte Zentrierwirkung zu erreichen.

Alternativ kann die Anordnung auch nur einphasig betrieben werden. Die Ansteuerung erfolgt wie vorstehend beschrieben wurde, wobei die zweite Phase durch Masse oder freies Potential ersetzt wird. Dies stellt eine wesentliche Vereinfachung im Vergleich zum bekannten Feldkäfig (2- bzw. 4-

Phasenansteuerung) dar. Dabei vereinfacht sich nicht nur der Chip und die Steuerelektronik, sondern es verringern sich auch die Anforderungen an das Interface (Kapazitäten, Induktivitäten) , da Phasenverschiebungen und Laufzeitverzögerungen weniger wichtig werden.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Zentrierelektroden abgeschaltet werden, wenn ein Partikel von den zugehörigen Manipulationselektroden fixiert worden ist. Die gefange- nen Partikel verbleiben trotz der Abschaltung der Zentrierelektroden dann im hydrodynamischen Fluss dennoch in der Zentralebene vor den stromabwärts liegenden Manipulationselektroden. Dadurch wird die thermische sowie elektrische Belastung der gefangenen Partikel herabgesetzt was besonders für biologische Zellen von Bedeutung ist.

Die Abschaltung der Zentrierelektroden kann wahlweise erfolgen, indem die Zentrierelektroden auf Masse oder potentialfrei geschaltet werden, wobei die Zentrierelektroden bei ei-

ner potentialfreien Schaltung ein schwimmendes elektrisches Potential aufweisen.

Weiterhin besteht hierbei die Möglichkeit, dass die Zentrier- elektroden vor ihrer Abschaltung kurzzeitig mit einer erhöhten elektrischen Spannung angesteuert werden.

Ferner kann die Strömungsgeschwindigkeit in dem Trägerstromkanal kurz vor der Abschaltung der Zentrierelektroden kurz- zeitig erhöht werden.

In einer vorteilhaften Variante der Erfindung dienen die Zentrierelektroden nicht nur zur Zentrierung der suspendierten Partikel in dem Trägerstromkanal, sondern auch zur Unter- suchung der suspendierten Partikel. Beispielsweise können die Zentrierelektroden zunächst die Zentrierung der suspendierten Partikel bewirken, bis die suspendierten Partikel von den nachgeordneten Manipulationselektroden gefangen werden. Während dieser Zentrierphase werden die Manipulationselektroden und die Zentrierelektroden elektrisch gegenphasig angesteuert, wie vorstehend erläutert wurde. Nach dem Einfangen der suspendierten Partikel durch die Manipulationselektroden können die Zentrierelektroden dann als Messelektroden eingesetzt werden. Hierzu werden die Zentrierelektroden von der elektri- sehen Ansteuerung getrennt und mit einem entsprechenden Messgerät verbunden. Beispielsweise können die Zentrierelektroden als Impedanzmesselektroden verwendet werden und eine impe- danzspektroskopische Untersuchung der gefangenen Partikel durchführen. Vorteilhaft daran ist das gute Signal-Rausch- Verhältnis, da die Zentrier- bzw. Messelektroden eine geringe Größe aufweisen und die zu untersuchenden Partikel nahe an den Zentrier- bzw. Messelektroden fixiert sind.

In einer Variante der Erfindung weist die Elektrodenanordnung sowohl an der oberen Kanalwand des Trägerstromkanals als auch an der unteren Kanalwand des Trägerstromkanals ringförmige Manipulationselektroden auf. Vorzugsweise werden die Manipu- lationselektroden an der oberen Kanalwand einerseits und an der unteren Kanalwand andererseits elektrisch gegenphasig angesteuert. Es .besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass die Manipulationselektroden an der unteren Kanalwand auf Masse liegen und lediglich die Manipulationselektroden an der oberen Kanalwand elektrisch angesteuert werden. Ferner besteht auch die Möglichkeit, dass die Manipulationselektroden an der oberen Kanalwand auf Masse liegen und nur die Manipulationselektroden an der unteren Kanalwand elektrisch angesteuert werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Manipulationselektroden an der oberen Kanalwand einerseits und an der unteren Kanalwand andererseits mit einem Phasenunterschied von 90° elektrisch angesteuert werden, um beispielsweise Rotationsfelder zu erzeugen.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen mit ringförmigen Manipulationselektroden befinden sich die Zentrierelektroden vorzugsweise in der Mitte der ringförmigen Manipulationselektroden. Die Zentrierelektroden können hierbei elektrisch auf Masse liegen. Alternativ besteht die Möglich- keit, dass nur die Zentrierelektroden an der oberen Kanalwand oder nur die Zentrierelektroden an der unteren Kanalwand auf Masse liegen, während die jeweils anderen Zentrierelektroden elektrisch angesteuert werden. In einer Variante der Erfindung erfolgt die elektrische Ansteuerung der Zentrierelektro- den an der oberen Kanalwand einerseits und an der unteren Kanalwand andererseits elektrisch gegenphasig.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die ringförmigen Manipulationselektroden unterbrochen sind und jeweils aus meh-

reren kreissegmentförmigen Elektrodensegmenten bestehen, die jedoch elektrisch miteinander verbunden sind. Die Unterbrechungen zwischen den einzelnen Elektrodensegmenten ermöglichen hierbei vorteilhaft das Eintreten von Partikeln in die Elektrodenanordnung bzw. das Austreten von Partikeln aus der Elektrodenanordnung .

Weiterhin besteht hierbei die Möglichkeit, dass die einzelnen Elektrodensegmente nach außen ragende Schenkel aufweisen, wo- bei die nach außen ragenden Schenkel benachbarter Elektrodensegmente eine trichterförmige Elektrodenanordnung (engl, "funnel") bilden, wie sie eingangs bei der Beschreibung des Standes der Technik erläutert wurden. Diese trichterförmigen Elektrodenanordnungen erleichtern das Einführen von Partikeln in die Elekrodenanordnung.

Ferner besteht die Möglichkeit, dass stromabwärts hinter den Elektrodenanordnungen Partikelweichen geordnet sind, wie sie aus der eingangs erwähnten Veröffentlichung von Müller, T. et al . : "A 3D-micro electrode for handling and caging single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics 14, 247- 256, 1999 bekannt sind. Die aus den Feldkäfigen austretenden Partikel können dann von den dahinter befindlichen Partikelweichen wahlweise in eine weitere Elektrodenanordnung beför- dert oder seitlich abgelenkt werden.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Elektrodenanordnungen vorgesehen, die jeweils mindestens eine Zentrierelekt- rode und mindestens eine Manipulationselektrode aufweisen. Die einzelnen Elektrodenanordnungen können hierbei entsprechend den vorstehend beschriebenen Varianten aufgebaut sein. Für jede Zeile der Elektrodenanordnungen sind hierbei vorzugsweise zwei Zeilen-Steuerleitungen vorgesehen, wobei die

eine Zeilen-Steuerleitung mit den Zentrierelektroden der E- lektrodenanordnungen der jeweiligen Zeile verbunden ist, während die andere Zeilen-Steuerleitung mit den Manipulationselektroden der Elektrodenanordnungen der jeweiligen Zeile verbunden ist. Darüber hinaus sind für jede Spalte jeweils zwei Spalten-Steuerleitungen vorgesehen, wobei die eine Spalten-Steuerleitung mit den Zentrierelektroden sämtlicher E- lektrodenanordnungen der jeweiligen Spalte verbunden ist, während die andere Spalten-Steuerleitung mit den Manipulati- onselektroden sämtlicher Elektrodenanordnungen der jeweiligen Spalte verbunden ist. Jede Zentrier- und Manipulationselektrode ist also jeweils mit einer Zeilen-Steuerleitung und einer Spalten-Steuerleitung verbunden. Auf diese Weise lassen sich bestimmte Elektrodenanordnungen gezielt abschalten, in- dem die beiden zugehörigen Zeilen- bzw. Spalten-Steuerleitungen auf Masse bzw. freies Potential geschaltet werden. Die anderen Elektrodenanordnungen bleiben dann jedoch angeschaltet.

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 vereinfachte perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems,

Figuren 2A-2D verschiedene Ansichten eines herkömmlichen mikrofluidischen Systems, Figuren 3A-3D entsprechende Ansichten zu den Figuren 2A-2D bei dem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System,

Figuren 4A, 4B verschiedene Ansichten einer Elektrodenanord- nung eines anderen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems,

Figuren 5A, 5B ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemäßen Elektrodenanordnung,

Figuren 6A-6C weitere Varianten von möglichen Elektrodenan- ordnungen in einem ^" erfindungsgemäßen mikroflu- idischen System,

Figuren 7A, 7B weitere Ausführungsbeispiele von Elektrodenan- Ordnungen, die in einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System eingesetzt werden können,

Figur 8 ein Diagramm, das die durch die Elektrodenanordnung erzeugte Erwärmung und die auf die suspendierten Partikel ausgeübte Kraft in Abhängigkeit von Elektrodenbreite und Elektrodenabstand zeigt,

Figuren 9A-9E weitere Varianten von Elektrodenanordnungen in einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen Sys- tem,

Figur 10 verschiedene Ansichten einer Elektrodenanordnung in einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen System,

Figur 11 verschiedene Ansichten weiterer Elektrodenan- Ordnungen,

Figur 12 verschiedene Ansichten weiterer Elektrodenanordnungen, bei denen die Zentrierelektroden einerseits und die Manipulationselektroden andererseits mit unterschiedlichen Frequenzen angesteuert werden,

Fig. 13A, 13B eine Variante zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 5A und 5B,

Fig. 14A, 14B eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels mit kreisförmigen Zentrierelektroden und kreisringförmigen Manipulationselektroden, Fig. 15A, 15B noch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit kreisförmigen Zentrierelektroden kreisringförmigen Manipulationselektroden, wobei die Ansteuerung der Zentrierelektroden in anderer Weise erfolgt, Fig. 16A, 16B ein alternatives Ausführungsbeispiel mit kreissegmentförmigen Manipulationselektroden und kreisförmigen Zentrierelektroden,

Fig. 17A, 17B ein weiteres Ausführungsbeispiel mit kreisringförmigen Manipulationselektroden und kreisförmigen Zentrierelektroden,

Figur 18 eine vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen matrixförmigen Elektrodenanordnung mit einer Vielzahl von kreis- bzw kreisringförmigen Elektrodenstrukturen, Fig. 19A-19C weitere Varianten von erfindungsgemäßen Elektrodenstrukturen,

Fig. 20 eine erfindungsgemäße Elektrodenstruktur mit mehreren Elektrodenanordnungen, die jeweils Zentrier- und Manipulationselektroden aufwei- sen.

Die perspektivische Ansicht in Figur 1 zeigt einen Trägerstromkanal 1 eines mikrofluidischen Systems, wie es beispielsweise in einem Zellsortierer zur Sortierung biologi- scher Zellen eingesetzt werden kann. Der Zellsortierer selbst kann hierbei in herkömmlicher Weise ausgebildet sein, so dass im Folgenden auf eine detaillierte Beschreibung des Zellsortierers verzichtet werden kann.

Der Trägerstromkanal 1 hat hierbei einen rechteckigen Querschnitt mit einer Höhe von 40 μm und einer Breite von 150 μm und führt einen Trägerstrom mit darin suspendierten Partikeln, wobei zur Vereinfachung nur eine biologische Zelle 2 schematisch dargestellt ist.

Der Trägerstrom mit den darin suspendierten biologischen Zellen 2 strömt in dem Trägerstromkanal 1 in x-Richtung, wie durch die Pfeile veranschaulicht wird.

In dem Trägerstromkanal 1 ist eine Elektrodenanordnung 3 angeordnet, die aus zwei hakenförmigen Manipulationselektroden 4, 5 und zwei kreisförmigen Zentrierelektroden 6, 7 besteht.

Die beiden Manipulationselektroden 4, 5 sind in herkömmlicher Weise ausgebildet und werden entsprechend angesteuert, was aus der bereits eingangs erwähnten Veröffentlichung von Müller, T. et al . : "A 3D-micro electrode for handling and caging single cells and particles", Biosensors and Bioelectronics 14, 247-256, 1999 bekannt ist, so dass zur Vermeidung von

Wiederholungen auf diese Veröffentlichung verwiesen wird, deren Inhalt der vorliegenden Beschreibung im vollem Umfang zuzurechnen ist. Es ist an dieser Stelle lediglich kurz zu erwähnen, dass die beiden Manipulationselektroden 4, 5 jeweils planar ausgebildet und koplanar zueinander ausgerichtet sind, wobei die Manipulationselektrode 4 an der oberen Kanalwand des Trägerstromkanals 1 angeordnet ist, während die andere Manipulationselektrode 5 an der unteren Kanalwand des Trägerstromkanals 1 angeordnet ist.

Die beiden Zentrierelektroden 6, 7 sind ebenfalls planar ausgebildet und koplanar zueinander ausgerichtet, wobei die Zentrierelektrode 6 an der oberen Kanalwand des Trägerstromkanals 1 angeordnet ist, während die Zentrierelektrode 7 an

der unteren Kanalwand des Trägerstromkanals 1 angeordnet ist. Die Zentrierelektrode 6 liegt also mit der Manipulationselektrode 4 in einer Ebene, während die Zentrierelektrode 7 mit der Manipulationselektrode 5 in einer Ebene liegt.

Zwischen der Zentrierelektrode 6 bzw. 7 und der zugehörigen Manipulationselektrode 4 bzw. 5 liegt hierbei in Strömungsrichtung ein Abstand von ungefähr 40-50 μm, was eine gute Zentrierwirkung der Zentrierelektroden 6, 7 ermöglicht.

Im Betrieb werden die Manipulationselektroden 4, 5 elektrisch gegenphasig zueinander angesteuert, wie auch die Zentrierelektroden 6, 7 elektrisch gegenphasig zueinander angesteuert werden. Darüber hinaus wird auch die Zentrierelektrode 6 ge- genphasig zu der zugehörigen Manipulationselektr,ode 4 angesteuert, wie auch die Zentrierelektrode 7 gegenphasig zu der zugehörigen Manipulationselektrode 5 angesteuert wird. Auf diese Weise werden die suspendierten biologischen Zellen 2 in dem Trägerstromkanal 1 in der Zentralebene fokussiert, wo- durch ein Berührungskontakt der biologischen Zellen 2 mit den Kanalwänden des Trägerstromkanals 1 verhindert wird.

Die Zentrierelektroden 6, 7 und die Manipulationselektroden 4, 5 müssen jedoch nicht exakt gegenphasig (d.h. mit einer Phasenverschiebung von 180°) angesteuert werden. Vielmehr sind im Rahmen der Erfindung auch andere Phasenverschiebungen möglich. Diese Phasenverschiebung kann zwischen den Elektroden an der oberen Kanalwand und den an der unteren Kanalwand beliebig sein, wobei diese Verschiebung im allgemeinen zwi- sehen 90° und 270° liegt. Für Elektroden in einer Ebene, beispielsweise Manipulations- und Zentrierelektrode an der oberen Kanalwand, liegt die Verschiebung im allgemeinen im Bereich von 135°-225° (180°+ 45°).

Darüber hinaus können die Zentrierelektroden 6, 7 und die Manipulationselektroden 4, 5 auch mit unterschiedlichen Frequenzen und Spannungen angesteuert werden, wie später noch detailliert beschrieben wird.

Die Figuren 3A-3D zeigen verschiedene Ansichten der Elektrodenanordnung 3 bei dem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System, wobei die Figuren 3B-3C die jeweilige elektrische Feldverteilung zeigen. Die Figuren 3A und 3B enthalten eine Aufsichtsdarstellung der Elektrodenanordnung 3 in z-Richtung, während die Figuren 3C und 3D Schnittbilder in der y-z-Ebene bzw. der x-z-Ebene wiedergeben.

Die Figuren 2A-2D zeigen zum Vergleich entsprechende Ansich- ten bei einer herkömmlichen Elektrodenanordnung ohne die Zentrierelektroden 6, 7. Daraus ist ersichtlich, dass die biologischen Zellen 2 bei der herkömmlichen Elektrodenanordnung in Richtung Kanalwand gedrückt werden, wie insbesondere aus den Figuren 2C und 2D ersichtlich ist. Im Gegensatz dazu werden die biologischen Zellen 2 bei der erfindungsgemäßen

Elektrodenanordnung 3 mittig fokussiert, wie insbesondere aus den Figuren 3C und 3D ersichtlich ist.

Die Figuren 4A und 4B zeigen ein alternatives Ausführungsbei- spiel einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung mit halbkreisförmigen Manipulationselektroden 8, wobei die Darstellungen auf der linken Seite eine entsprechende herkömmliche Elektrodenanordnung ohne Zentrierelektroden zeigen, während die Darstellung auf der rechten Seite die Feldverteilung bei einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung mit einer Zentrierelektrode 9 zeigen. Auch aus diesen Darstellungen ist ersichtlich, dass die Zentrierelektrode 9 eine Zentrierung der biologischen Zellen 2 in der Zentralebene des Trägerstromka-

nals 1 und zusätzlich eine Fixierung gegen die Strömung in x- Richtung bewirkt.

Die Figuren 5A und 5B zeigen schließlich ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung, bei dem eine kreisringförmige Manipulationselektrode (mit Berandung 10, 11) und eine ebenfalls konzentrische, mittig angeordnete Zentrierelektrode 12 vorgesehen ist. Die Manipulationselektrode (10, 11) und die Zentrierelektrode 12 sind hierbei in einer gemeinsamen Ebene an der oberen Kanalwand bzw. an der unteren Kanalwand des Trägerstromkanals 1 angeordnet und somit koplanar ausgerichtet. Die biologischen Zellen 2 können bei diesem Ausführungsbeispiel auf geschlossenen Bahnen angeordnet werden, wie insbesondere aus der Dar- Stellung in Figur 5A ersichtlich ist.

Die Figuren GA-6C zeigen weitere alternative Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Elektrodenanordnungen 13, 13' bzw. 13", die jeweils eine Manipulationselektrode 14, 14', bzw. 14" und eine Zentrierelektrode 15, 15', 15" aufweisen.

In dem Trägerstromkanal 1 ist jeweils an der oberen Kanalwand und an der unteren Kanalwand eine solche Elektrodenanordnung 13, 13' bzw. 13" angeordnet.

Die Figuren 7A und 7B zeigen weitere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Elektrodenanordnungen 16 bzw. 17, bei denen mehrere hakenförmige Manipulationselektroden 18-21 in dem Trägerstromkanal 1 in Strömungsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Stromaufwärts vor den einzelnen Manipulations- elektroden 18-21 ist hierbei jeweils eine Zentrierelektrode 22-25 angeordnet, um die biologischen Zellen 2 in der Zentralebene des Trägerstromkanals 1 zu zentrieren.

Der Unterschied zwischen den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 7A und 7B besteht in der elektrischen Versorgung der Manipulationselektroden 18-21 und der Zentrierelektroden 22- 25.

So werden die Manipulationselektroden 18-21 der Elektrodenanordnung 16 gemäß Figur 7A elektrisch gemeinsam angesteuert und sind deshalb elektrisch miteinander verbunden. Im Gegensatz dazu werden die Manipulationselektroden 18-21 bei der Elektrodenanordnung 17 gemäß Figur 7B elektrisch getrennt voneinander angesteuert, so dass die Manipulationselektroden 18-21 auch elektrisch nicht miteinander verbunden sind.

Bei der Elektrodenanordnung 16 gemäß Figur 7A werden dagegen die Zentrierelektroden 22-25 elektrisch gemeinsam angesteuert, was auch bei der Elektrodenanordnung 17 gemäß Figur 7B der Fall ist.

In dem Trägerstromkanal des erfindungsgemäßen mikrofluidi- sehen Systems können auch mehrere der in den Figuren 7A bzw. 7B dargestellten Elektrodenanordnungen 16 bzw. 17 in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sein. Dies bietet die Möglichkeit, Partikel in definierten Arrays zu speichern.

Mehrere Elektrodenanordnungen gemäß Figur 7A/B können in

Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sein um so Partikel in definierten Arrays speichern zu können.

Schließlich zeigt Figur 8 ein Diagramm, das die funktionale Abhängigkeit mehrerer verschiedener Größen von der Elektrodenbreite und dem Elektrodenabstand zeigt.

Eine Kurve 26 gibt hierbei die Abhängigkeit der Erwärmung ΔT der suspendierten biologischen Zellen 2 in Abhängigkeit von

dem Verhältnis zwischen Elektrodenbreite und Elektrodenabstand zwischen den Ebenen bei konstanter Spannung wieder. Aus dem Verlauf der Kurve 26 ist ersichtlich, dass die Erwärmung ΔT der suspendierten Zellen 2 mit der Elektrodenbreite zu- nimmt und mit dem Elektrodenabstand abnimmt. Hierbei ist zu erwähnen, dass die Erwärmung der biologischen Zellen 2 durch die dielektrophoretische Elektrodenanordnung für die biologischen Zellen 2 schädlich sein kann und deshalb unerwünscht ist.

Eine weitere Kurve 27 zeigt dagegen die Abhängigkeit der von der dielektrophoretischen Elektrodenanordnung auf die biologische Zelle 2 ausgeübten Kraft F in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Elektrodenbreite zu dem Elektrodenabstand. Aus dem Verlauf der Kurve 27 ist ersichtlich, dass die ausgeübte Kraft F mit der Elektrodenbreite zunimmt und mit dem Elektrodenabstand abnimmt .

Schließlich zeigt eine weitere Kurve 28 das Verhältnis der erwünschten Kraft F zu der unerwünschten Erwärmung ΔT der suspendierten Zellen als Funktion des Verhältnisses von E- lektrodenbreite zu Elektrodenabstand. Aus dem Verlauf der Kurve 28 ist ersichtlich, dass ein bestimmter Betriebsbereich besonders vorteilhaft ist, in dem das Verhältnis von Elektro- denbreite zu Elektrodenabstand ungefähr zwischen 0,15 bis 0,5 liegt. In diesem Bereich ist die von der Elektrodenanordnung auf die suspendierten Partikel ausgeübte Kraft im Verhältnis zu der unerwünschten Erwärmung ΔT relativ groß.

Die Figuren 9A bis 9E zeigen weitere Ausführungsbeispiele von Elektrodenanordnungen, die in einem erfindungsgemäßen mikro- fluidischen System eingesetzt werden können.

Die einzelnen Elektrodenanordnungen bestehen jeweils aus einer Zentrierelektrode 29 und einer Manipulationselektrode 30. Die Zentrierelektrode 29 würde somit bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 an die Stelle der Zentrierelektroden 6 bzw. 7 treten, während die Manipulationselektrode 30 die Manipulationselektroden 4 bzw. 5 ersetzt.

Die verschiedenen Elektrodenanordnungen gemäß den Figuren 9A bis 9E unterscheiden sich hierbei durch die Form der Zent- rierelektrode 29.

So kann die Zentrierelektrode 29 rechteckig, dreieckig, tropfenförmig, winkelförmig oder kastenförmig sein, wie aus den verschiedenen Figuren ersichtlich ist.

Ferner zeigt Figur 10 verschiedene Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Elektrodenanordnung in einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System. Dieses Ausführungsbeispiel stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den Figuren 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die obere Manipulationselektrode 4 gegenüber der unteren Manipulationselektrode 5 in Strömungsrichtung versetzt angeordnet ist.

In gleicher Weise ist auch die obere Zentrierelektrode 6 ge- genüber der unteren Zentrierelektrode 7 in Strömungsrichtung versetzt angeordnet.

Die Versetzung entspricht hierbei dem halben Abstand zwischen den Manipulationselektroden 4, 5 und den zugehörigen Zentrierelektroden 6, 7.

Die Bilder auf der linken Seite von Figur 10 zeigen hierbei Feldverteilungen, die entstehen, wenn die Manipulationselektroden 4, 5 einerseits und die Zentrierelektroden &, 7 andererseits mit der gleichen elektrischen Spannung angesteuert werden.

Auf der rechten Seite in Figur 10 sind dagegen Feldverteilungen dargestellt, die entstehen, wenn die Zentrierelektroden 6, 7 mit einer dreimal so hohen elektrischen Spannung angesteuert werden, wie die Manipulationselektroden 4, 5.

Ferner zeigt Figur 11 verschiedene Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Elektrodenanordnung in einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System. Dieses Ausführungsbeispiel stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den Figuren 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass zwischen der Manipulationselektrode 4 und der Zentrierelektrode 6 an der oberen Kanalwand einerseits und der Manipulationselektrode 5 und der Zentrierelektrode 7 an der unteren Kanalwand andererseits eine Phaseverschiebung von 90° besteht .

Darüber hinaus werden auch die Manipulationselektroden 4, 5 einerseits und die Zentrierelektroden 6, 7 andererseits mit einer Phasenverschiebung von 90° angesteuert.

Dies ist in der linken Spalte von Figur 11 dargestellt. Die rechte Spalte zeigt dagegen eine gegenphasige Ansteuerung, aber unter Verwendung einer quadratischen Zentrierelektrode.

Ferner zeigt Figur 12 verschiedene Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Elektrodenanordnung in einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System. Dieses Ausführungsbeispiel stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den Figuren 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Manipulationselektroden 4, 5 einerseits und die Zentrierelektroden 6, 7 andererseits mit unterschiedlichen Frequenzen angesteuert werden.

Die Bilder in der linken Spalte zeigen hierbei die Feldverteilung für den Fall, dass die Manipulationselektroden 4, 5 und die Zentrierelektroden 6, 7 mit den gleichen Spannungswerten angesteuert werden, wobei die Ansteuerfrequenz Fl bzw. F2 so gewählt ist, dass die Zellen 2 eine gleich starke Polarisation in beiden Feldern erfahren.

Bei den Bildern in der rechten Spalte beträgt die Polarisation des Partikels relativ zum Medium bei der Frequenz F2 dagegen nur 1/4 der Polarisation bei der Frequenz Fl.

Auch bei Ansteuerung mit zwei verschiedenen (nicht notwendi- gerweise konsumerablen) Frequenzen Fl, F2 werden die Zellen 2 in Z-Richtung fokussiert. Bei moderaten Spannungen werden sie jedoch in der horizontalen X-Y-Zentralebene nicht zentral gehalten, sondern können entsprechend dem Gleichgewicht mit

der hydrodynamischen Kraft in zwei Positionen gehalten werden. Dies ermöglicht zwei weitere neue Betriebsarten:

Zum einen können durch Umschalten auf Ansteuerung mit einer einheitlichen Frequenz oder durch absolute oder relative

Schwächung der Manipulationselektroden (niedrigere Spannung, Frequenzänderung, Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit) zwei Zellen 2 bzw. Partikel einander zugeführt bzw. durch den umgekehrten Prozess voneinander getrennt werden, falls die Bin- düng nicht zu stark ist. Dies kann ausgenutzt werden, um Bindungskonstanten zu bestimmen und/oder Zellen, insbesondere Immunzellen, gezielt zu aktivieren und/oder zu beeinflussen.

Zum anderen kann durch Variation einer der beiden Frequenzen Fl, F2 aus der Lageveränderung der Zellen 2 auf deren dielektrische Eigenschaften geschlossen werden (in den Bildern in der rechten Spalte sind die beiden Zellen 2 weiter voneinander entfernt) . Damit wird das Dielektrophoresespektrum einfach zugänglich.

Das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 13A und 13B stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und den Figuren 5A und 5B dargestellten Ausführungsbeispielen überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht in dem Durchmesser der Manipulationselektrode 10, der im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 5A, 5B geringer ist .

Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Manipulationselektroden 10, 11 einerseits und die Zentrierelektrode 12 andererseits

in diesem Ausführungsbeispiel gegenphasig angesteuert werden, wie aus der Phasenangabe in Figur 13B ersichtlich ist.

Darüber hinaus folgt in diesem Ausführungsbeispiel auch eine gegenphasige Ansteuerung der Elektroden an der oberen Kanalwand einerseits und an der -unteren Kanalwand andererseits. So werden die Manipulationselektrode 10 an der oberen Kanalwand einerseits und die Manipulationselektrode 10an der unteren Kanalwand gegenphasig angesteuert. In gleicher Weise werden auch die Zentrierelektroden 12 an der oberen Kanalwand gegenphasig zu den Zentrierelektroden 12 an der unteren Kanalwand angesteuert.

Die elektrischen Felder bilden sich in dieser Elektroden- struktur so aus, dass die Zellen 2 zentral gefangen werden und nicht auf einem Ring, wie in Figur 5.

Das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 14A und 14B stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den Figu- ren 13A und 13B dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Zentrierelektroden 12 mit Masse beschaltet werden. Dadurch werden die gefangenen Zellen 2 in Z-Richtung in die Nähe der Manipulationselektrode lOund damit in strömungsberuhigtere Zonen gebracht. Dies hat den Vorteil, das ein stabi- les Halten in freier Lösung bei verringerter elektrischer (Heiz-) Leistung realisiert werden kann.

Das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 15A und 15B stimmt wiederum weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in

den Figuren 14A und 14B dargestellten Ausführungsbeispiel ü- berein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht in der elektrischen Ansteuerung der Zentrierelektroden 12 an der O- berseite und der Unterseite des Trägerstromkanals . So erfolgt die Ansteuerung der Zentrierelektrode 12 an der oberen Kanal- wand mit Masse, während die Zentrierelektrode 12 an der unteren Kanalwand gegenphasig zu den oberen Manipulationselektrode 10 angesteuert wird wie aus der Phasenangabe in Figur 15B ersichtlich ist.

Das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 16A und 16B stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den Figuren 13A und 13B dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Manipulationselektrode 10 aus vier kreisringsegment- förmigen Elektrodensegmenten 3IA, 31B, 31C und 31D bestehen. Die einzelnen Elektrodensegmente 31A-31D sind hierbei elektrisch miteinander verbunden und lediglich deshalb räumlich voneinander getrennt, damit die gefangenen Zellen 2 leichter in X-Richtung und Y-Richtung in den Feldkäfig eintreten bzw. diesen verlassen können.

Das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 17A und 17B stimmt wiederum weitgehend mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei

für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht in der elektrischen Ansteuerung der Manipulationselektrode lOund der Zentrierelektroden 12.

Die Manipulationselektrode 10an der Oberseite der Kanalwand und die Manipulationselektrode 10an der Unterseite der Kanalwand werden dagegen in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Phasenunterschied von 90° angesteuert.

Darüber hinaus werden in diesem Ausführungsbeispiel auch die beiden Zentrierelektroden 12 an der Oberseite bzw. an der Unterseite des Trägerstromkanals gegenphasig angesteuert. Auf diese Weise werden in dem Feldkäfig Rotationsfelder erzeugt.

Figur 18 zeigt eine matrixförmige Anordnung einer Vielzahl von kreis- bzw. kreisringförmigen Elektrodenanordnungen 32, wobei die einzelnen Elektrodenanordnungen 32 jeweils Manipulationselektroden und Zentrierelektroden aufweisen, wie vorstehend beschrieben wurden. Die Ansteuerung der einzelnen E- lektrodenanordnungen 32 erfolgt durch Zeilen-Steuerleitungen 33 und Spalten-Steuerleitungen 34. Um nun eine bestimmte E- lektrodenanordnung 32 abzuschalten, werden die zugehörigen Zeilen-Steuerleitungen 33 und die zugehörigen Spalten- Steuerleitungen 34 auf Masse oder freies Potential geschaltet. Damit bleiben alle Zellen mit Ausnahme der in der betreffenden Elektrodenanordnung 32 gehaltenen Zelle fixiert. In der betroffenen Elektrodenanordnung 32 liegen dagegen alle Elektroden auf Masse, so dass der darin befindliche Partikel die zugehörige Elektrodenanordnung 32 mit der Trägerströmung verlassen kann.

Die Figuren 19A-19C zeigen verschiedene Varianten von erfindungsgemäßen Elektrodenanordnungen mit Zentrierelektroden 35 und Manipulationselektroden 36, wobei die Manipulationselekt- roden 36 jeweils aus vier Segmenten bestehen, welche die Zentrierelektrode 35 umgeben.

Darüber hinaus weisen die Manipulationselektroden 36 hierbei noch trichterförmige Elektrodenanordnungen (engl, "funnel") auf, wie sie eingangs bei der Beschreibung des Standes der

Technik erläutert wurden. Diese trichterförmigen Elektrodenanordnungen erleichtern das Eintreten von Partikeln in die Elektrodenstruktur .

Figur 20 zeigt schließlich eine Vielzahl von Elektrodenanordnungen, die weitgehend den Elektrodenanordnungen gemäß den Figuren 19A-19C entsprechen, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen ver- wendet werden. ¹

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass stromabwärts hinter den einzelnen Elektrodenanordnungen jeweils Partikelweichen 37 angeordnet sind, die es ermögli- chen, die austretenden Partikel wahlweise in die stromabwärts dahinter befindliche Elektrodenstruktur zu befördern oder seitlich abzulenken.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Aus- führungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen.

Bezugszeichenliste:

1 Trägerstromkanal

2 Zelle

3 Elektrodenanordnung

4, 5 Manipulationselektroden

6, 7 Zentrierelektroden

8 Manipulationselektroden

9 Zentrierelektrode

10, 11 Manipulationselektroden

12 Zentrierelektrode

13, 13', 13'' Elektrodenanordnung

14, 14', 14'' Manipulationselektrode

15, 15', 15'' Zentrierelektrode

16, 17 Elektrodenanordnungen 18-21 Manipulationselektroden 22-25 Zentrierelektroden

26-28 Kurven

29 Zentrierelektrode

30 Manipulationselektrode 31A-31D Elektrodensegmente

32 Elektrodenanordnungen

33 Zeilen-Steuerleitungen

34 Spalten-Steuerleitungen

35 Zentrierelektrode

36 Manipulationselektrode

37 Partikelweiche

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