Es ist allgemein bekannt, fluidische Mikrosysteme zur teil- chenspezifischen Manipulierung mikroskopisch kleiner Objekte unter der Wirkung hydrodynamischer und/oder elektrischer Kräf- te zu verwenden. Die Manipulierung biologischer Teilchen in Mikrosystemen mit hochfrequenten elektrischen Feldern auf der Grundlage negativer Dielektrophorese wird beispielsweise von G. Fuhr et al. in"Naturwissenschaften", Bd. 81,1994, S. 528 ff., beschrieben. Die Manipulierung der Objekte umfaßt u. a. eine Sortierung nach bestimmten Eigenschaften, eine Objektver- änderung unter Wirkung elektrischer Felder (z. B. Zellpo- ration), eine chemische Behandlung, eine gegenseitige Zusam- menführung und Wechselwirkung der Objekte und dergl. Die Be- reitstellung vorbestimmter hydrodynamischer und/oder elektri- scher Kräfte erfolgt durch die Gestaltung der Kanalstruktur des Mikrosystems bzw. die geometrische Form von Mikroelektro- den zur Ausbildung hochfrequenter elektrischer Felder und deren Ansteuerung.

Die bisher bekannten Mikrosysteme erlauben zwar eine Kontrolle der jeweiligen Objektmanipulierung mit optischen Mitteln, z. B. unter Verwendung eines Mikroskops mit einer Kamera. Diese optische Kontrolle ist jedoch bisher auf visuelle Überprüfun- gen oder den Einsatz aufwendiger Bilderkennungsverfahren zur Bearbeitung der Kamerabildes beschränkt. Die Bildverarbei- tungsverfahren sind jedoch, soll eine Echtzeit-Kontrolle aus- geübt werden, für die auftretenden Objektgeschwindigkeiten er- heblich zu langsam. Dadurch ist bisher die Implementierung au- tomatischer Systemregelungen, bei denen beispielsweise be- stimmte Verfahrensverläufe in Abhängigkeit von Ort, Bewegungs- zustand oder Anzahl beobachteter Objekte erfolgen, ausge- schlossen.

Aus der PCT/EP97/07218 ist ein Verfahren zur Bewegungserfas- sung an mikroskopischen Objekten bekannt, die eine zumindest teilweise periodische Bewegung ausführen. Dieses Verfahren ba- siert auf der Anwendung einer Fourier-Analyse eines Detektor- signals, das die Objektbewegung über eine Vielzahl von Bewe- gungsperioden charakterisiert. Dieses Verfahren stellt eine erhebliche Vereinfachung gegenüber der Anwendung von computer- gestützten Bildverarbeitungsverfahren dar, ist jedoch in der Anwendung auf periodische Bewegungen beschränkt. Im allgemei- nen treten in einem Mikrosystem jedoch auch nicht-periodische Bewegungen oder Ruhezustände der Objekte auf, an deren Detek- tion insbesondere zur automatischen Steuerung eines Mikro- systems ein Interesse besteht.

Es ist auch bekannt, die Präsenz von kleinen Teilchen in Sus- pensionen auf der Basis von Streulichtmessungen zu erfassen.

Dieses Prinzip läßt sich jedoch nur bei einer Vielzahl von Teilchen und somit teilchenunspezifisch realisieren. Außerdem lassen sich keine Angaben über den Bewegungszustand von Teil- chen (Ort, Geschwindigkeit oder dgl.) ableiten.

Es ist die Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Objektdetektion anzugeben, das auf beliebige Bewegungs- oder Ruhezustände der zu erfassenden Objekte anwendbar ist und eine schnelle und sichere Signalauswertung ermöglicht. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, Vorrichtungen zur Implemen- tierung eines derartigen Verfahrens und neue Verwendungen der erfindungsgemäßen Objektdetektion anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 10 gelöst. Vor- teilhafte Ausführungsformen und Verwendungen der Erfindung er- geben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Aufenthaltsbereich (Bewegungsbahn oder Position) des zu detektierenden Objekts vergrößert auf eine Maske abzubilden, die in mindestens einem Segment zur Übertragung (Reflexion oder Transmission) des Lichtes von einem Teil des Aufenthaltsbereiches (sogenannter Teilbereich) eingerichtet ist und im übrigen außerhalb des Segments eine Übertragung unterbindet. Das mindestens eine lichtübertragende Segment der Maske besitzt eine charakte- ristische Dimension, die kleiner als die Abbildung des Gesamtobjekts oder als die laterale Ausdehnung der Bewegungs- bahn des Objekts ist. Die von der Maske übertragene Lichtmenge der Objektabbildung wird summarisch auf eine Detektoreinrich- tung abgebildet, an der ein Detektorsignal erzeugt wird, das in einem vorbestimmten Zusammenhang mit der detektierten Lichtmenge steht und eine Auswertung in Bezug auf die Präsenz (Vorhandensein) eines Objekts, dessen Position und/oder die zeitliche Änderung der Position erlaubt. Durch die maskierte Abbildung eines Teilbereichs des Objekts und/oder der Objekt- bahn wird die von der Detektoreinrichtung erfaßte Lichtmenge in charakteristischer Weise moduliert. Die Zeitabhängigkeit des Detektorsignals, insbesondere die zeitliche Lage von Signalmaxima, die Amplituden der Signalmaxima und der zeitli- che Amplitudenverlauf in Umgebung der Signalmaxima, liefert nicht nur Angaben über den Ort und die Geschwindgkeit der Objekte, sondern auch über abgeleitete Größen wie beispiels- weise die Frequenz periodischer Bewegungen, quantitative Anga- ben zu Teilchenzahlen, die Bewegungsrichtung, die Zentrierung in Mikrosystemen oder dergleichen.

Gegenstand der Erfindung ist somit insbesondere die Objektde- tektion auf der Grundlage eines Blenden-Meßprinzips, bei dem eine summarische Lichtmengendetektion des von einem Teilbe- reich des Objekts oder der Objektbahn ausgehenden Lichts er- folgt. Dementsprechend kann die Objektteilabbildung grundsätz- lich auf eine Blende geeigneter Dimensionierung erfolgen. Im einfachsten Falle besteht die Maske aus einem lichtundurchläs- sigen Element mit einer runden oder eckigen Öffnung, die zur Realisierung der erfindungsgemäßen Teilabbildung des zu detek- tierenden Objekts geeignet dimensioniert ist.

Entsprechend bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung be- sitzt jedoch die Maske eine Segmentierung mit einer vorbe- stimmten Geometrie. Das mindestens eine Segment zur Übertra- gung des Lichtes der Teilabbildung besitzt eine geometrische Form, die anwendungsabhängig je nach den an der jeweiligen Meßstelle erwarteten Objektbewegungen (z. B. Translation, Rotation, translatorische Vibration, rotatorische Vibration oder dgl.) ausgewählt ist.

Erfindungsgemäß ist vorzugsweise eine vergrößerte Abbildung des Aufenthaltsbereichs der zu detektierenden Objekte (z. B. in einem Mikrosystem) auf die Maske vorgesehen. Damit kann die Segmentierung der Maske, die zwar zur Übertragung des Lichts von einer Teilabbildung eingerichtet ist, absolut größer als der betreffende Teilbereich oder des Teils des Objekts sein.

Dies ist für die Herstellung und Justierung der Maske von Vor- teil.

Bevorzugte Anwendungen der erfindungsgemäßen Objektdetektion sind in den fluidischen Mikrosystemen insbesondere bei der automatischen Reglung von Systemfunktionen, bei der dielektri- schen Einzelteilchenspektroskopie und bei der Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Objekten und anderen Objekten und/oder Substraten gegeben. Erfindungsgemäß detektierte Objekte besitzen charakteristische Durchmesser im Bereich unterhalb 500 um bis in den 100 nm-Bereich und umfassen syn- thetische oder biologische Teilchen (oder Teilchenaggregate).

Die synthetischen Teilchen sind beispielsweise membranumhüllte Gebilde, wie Liposomen oder Vesikeln, oder Kunststoffpartikel (sogenannte Beads). Die biologischen Teilchen sind biologische Zellen oder Zellaggregate oder Zellbestandteile, Mikroorganis- men, Viren oder dergleichen.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Imple- mentierung der erfindungsgemäßen Objektdetektion, umfassend eine optische Abbildungseinrichtung zur Abbildung eines Teils eines zu erfassenden Objekts (oder von dessen Bahn) über eine Maske auf eine Detektoreinrichtung, die ein Detektorsignal in bestimmtem Zusammenhang mit der erfaßten Lichtmenge erzeugt, und eine Auswertungseinrichtung zur Ermittlung von Eigenschaf- ten des Bewegungs-oder Ruhezustandes des Objekts. Die Abbil- dungseinrichtung enthält insbesondere die Maske, auf die das Objekt oder dessen Bewegungsbahn vergrößert abgebildet wird und die nur einen Teilbereich der Abbildung an die Detek- toreinrichtung überträgt. Gemäß einer bevorzugten und unten im einzelnen erläuterten Ausführungsform der Erfindung ist die Maske eine Blende mit einer vorbestimmten Transmissionsgeome- trie. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Gestaltung be- schränkt, sondern auch mit anderen Maskengestaltungen imple- mentierbar, die für die Erfüllung derselben Funktion wie die transmittierende Blende eingerichtet sind. Als Maske kann an- stelle eines lichtdurchlässigen Segments in einem lichtun- durchlässigen Maskenmaterial auch ein lichtundurchlässiges Segment (mit derselben Geometrie wie das zuvor genannte licht- durchlässige Segment) in einer im übrigen lichtdurchlässigen Umgebung verwendet werden. Entsprechend ist auch anstelle des Transmissions-ein Reflexionsprinzip realisierbar.

Die Abbildungseinrichtung ist vorzugsweise Teil einer an sich bekannten Mikroskopanordnung, die im Strahlengang die Maske zur Erzeugung der Teilabbildung enthält. Damit kann simultan zur Objektdetektion eine visuelle Objektbeobachtung stattfin- den. Die Kombination mit der Mikroskopanordnung ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Insbesondere für automatisierte Anwendungen kann die Abbildungseinrichtung unmittelbar an einem Mikrosystem vorgesehen sein.

Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Die erfindungs- gemäße Objektdetektion erfordert keine meß-und zeitaufwendi- gen Bildverarbeitungsverfahren. Sie ermöglicht eine hochgenaue Messung mit an sich verfügbaren Abbildungs-und Meßeinrichtun- gen. Ein bestehender Mikroskopaufbau kann ohne weiteres durch Anbringung der genannten Maske für die erfindungsgemäße Ob- jektdetektion eingerichtet werden. Die erfindungsgemäße Mas- kensegmentierung erlaubt eine Objektdetektion ohne großen Ju- stieraufwand. Die Objektdetektion ist einfach automatisierbar.

Besondere Vorteile ergeben sich bei der Kombination der mas- kenbasierten Detektion mit der dielektrischen Einzelteilchen- spektroskopie zur hochgenauen Ermittlung dielektrischer Teil- cheneigenschaften aus den Bewegungseigenschaften der Teilchen in hochfrequenten elektrischen Feldern. Durch Einsatz vorbe- stimmter Maskentypen kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung problemlos an die Detektion der verschiedensten Bewegungsarten angepaßt werden, ohne daß auf Bildverarbeitungsmethoden zu- rückgegriffen oder ein Systemumbau durchgeführt werden muß. Es ist genügend, wenn die Detektoreinrichtung einen einzelnen De- tektor enthält, dessen Meßsignale seriell verarbeitet werden können. Dies erlaubt eine Verarbeitung in Echtzeit, was insbe- sondere für Schalter-und Sortieranwendungen in Mikrosystemen von Bedeutung ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich aus der geome- trischen Maskenstrukturierung. Im Unterschied zum herkömmli- chen"Pin-Hole"-Meßprinzip sind die Maskensegmente zwar klei- ner als die Abbildung des Gesamtobjekts gestaltet, jedoch ab- weichend von Lochblenden (wie sie beispielsweise für die Kon- fokalmikroskopie bekannt sind) flächig ausgebildet. Damit wird eine erhöhte Funktionssicherheit auch bei in der Praxis auf- tretenden Abweichungen der Objekte von den erwarteten Bewe- gungsbahnen erzielt. Die Maskensegmentierung erlaubt es, Toleranzen beim Objektlauf zu kompensieren.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im fol- genden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrie- ben. Es zeigen : Fign. 1A, 1B eine schematische Perspektivansicht einer Mikroelektrodenanordnung zur Illustration des erfindungsgemäßen Detektionsprinzips am Beispiel einer ersten Maskenform, Fign. 2 bis 12 schematische Draufsichten auf Mikro- elektrodenanordnungen zur Illustration weiterer Maskenformen, wobei im unte- ren Teil der Figuren charakteristische Verläufe der Detektorsignale darge- stellt sind, Fign. 13A, 13B bis 15 schematische Perspektivansichten von Mikroelektrodenanordnungen zur Illustration der Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen einem Test- objekt und einem Substrat oder einem anderen Objekt, Fign. 16 bis 18 schematische Perspektivansichten von Mikroelektrodenanordnungen zur Illustration einer Kräfte-oder Feld- messung im Mikrosystem, und Fig. 19 eine Blockdarstellung eines Ausfüh- rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Detektoreinrichtung.

Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel fluidischer Mikro- systeme zur Manipulierung synthetischer oder biologischer Teilchen beschrieben. Die Realisierung der Erfindung ist nicht an bestimmte Teilchentypen gebunden. Allerdings ist es bei be- stimmten Anwendungen erforderlich, daß die Teilchen eine ab- bildbare Oberflächenstruktur (wie z. B. Strukturen auf biologi- schen Zellen) besitzen. Falls dies nicht von vorneherein gege- ben ist, können die Teilchen aber auch mit einer Strukturie- rung (z. B. mit einer Fluoreszenzmarkierung) versehen werden.

Die Mikrosysteme besitzen eine Kanalstruktur mit typischen Querdimensionen im um-Bereich und typischen Längsdimensionen im mm-Bereich. An den Kanalwänden sind Mikroelektroden mit vorbestimmten Elektrodenformen und-anordnungen angebracht, die dazu eingerichtet sind, mit hochfrequenten Spannungen (Frequenzen im kHz-bis MHz-Bereich, Amplituden im mV- bis V-Bereich) beaufschlagt zu werden, um die in einer Suspen- sion in den Kanälen strömenden oder ruhenden Teilchen elektri- schen Feldern auszusetzen. Unter der Wirkung der elektrischen Felder erfolgt auf die Teilchen eine vorbestimmte Kraftaus- übung auf der Basis der negativen oder positiven Dielektropho- rese. Weitere Einzelheiten dieser fluidischen Mikrosysteme sind an sich bekannt und werden daher im folgenden nicht be- schrieben. Es wird ferner betont, daß die Erfindung nicht auf die fluidischen Mikrosysteme beschränkt, sondern auch bei an- deren Anwendungen realisierbar ist, bei denen einzelne Ob- jekte, insbesondere mikroskopisch kleine Objekte, spezifisch in Bezug auf ihre Präsenz, ihre Position und ihre Geschwindig- keit erfaßt werden sollen.

Fig. 1A zeigt in schematischer Perspektivansicht einen Aus- schnitt eines Mikrosystems mit einem Kanal 50, von dessen Wän- den nur der Kanalboden 51 und die Kanaldecke 52 dargestellt sind und der beispielsweise (in der Darstellung von vorn nach hinten) von einer Teilchensuspensierung durchströmbar ist. Die Elektrodenanordnung 40 ist eine Oktopolanordnung mit je vier Mikroelektroden 41 am Kanalboden 51 und je vier Mikroelektro- den 42 an der Kanaldecke 52. Mit der Elektrodenanordnung 40 wird in an sich bekannter Weise ein rotierendes elektrisches Feld (Drehfeld) erzeugt, in dessen Zentrum das Teilchen 10 im Fokus 61 eines Fanglasers 60 gehalten wird. Der Fanglaser 60 ist Teil einer sogenannten optischen Pinzette (oder : Laser-Tweezer), wie sie an sich bekannt ist.

Mindestens eine Wand des Kanals 50 (z. B. die Kanaldecke 52) ist optisch transparent. Auf der Seite der transparenten Kanalwand, die eine Dicke kleiner oder gleiche 250 um besitzt, ist eine erfindungsgemäße Abbildungseinrichtung vorgesehen, die zur Abbildung eines Teilbereiches 80 des Aufenthaltsberei- ches (in diesem Fall : des Zentrums der Elektrodenanordnung 40) des Teilchens 10 auf einer Detektoreinrichtung vorgesehen ist.

Das wesentliche Element der im übrigen nicht dargestellten Ab- bildungseinrichtung ist die Maske 20 in Gestalt einer im we- sentlichen ebenen Blende mit einer vorbestimmten geometrischen Transmissionsform. Beim dargestellten Beispiel ist die Trans- missionsform die Gestalt von sich kreuzenden Streifen. Die Streifen bilden die Segmente 30 der Maske 20. Generell sind die Segmente der Maske erfindungsgemäß vorzugsweise flächig oder zweidimensional angeordnet, um die Informationen über die Teilchenorte bzw. deren Änderungen zu erhalten.

Der Aufenthaltsbereich des Teilchens 10 und somit auch der Teilbereich 80 bzw. ein Teil des Teilchens 10 wird mit (nicht dargestellten) optischen Elementen auf die Ebene der Maske 20 abgebildet. Die Maske 20 überträgt einen Teil des die Abbildung des Teilchens 10 bildenden Lichtes hin zum (eben- falls nicht dargestellten) Detektor. Bei Veränderung des Ortes des Teilchens 10 im Mikrosystem wird entsprechend auch das am Detektor von der Maske 20 summarisch empfangene Licht entspre- chend den aktuell auf die Maskenebene abgebildeten Teilchen- strukturen moduliert. Die Teilchenstrukturen umfassen bei- spielsweise hellere und dunklere Bereiche der Teilchenabbil- dung. Bei einer Bewegung des Teilchens überträgt die in Bezug auf das Mikrosysteme ortsfeste Maske 20 je nach der auf die Segmente abgebildeten Bildhelligkeit eine größere oder kleinere Lichtmenge zum Detektor.

Die Abbildung des Teilchens auf die Maskenebene ist eine ver- größernde Abbildung. Der Vergrößerungsfaktor wird anwendungs- abhängig gewählt und beträgt beispielsweise bei Mikrosystem- Mikroskop-Kombinationen rd. 10 bis 20, z. B. 15. Charakteristi- sche Dimensionen der Segmente 30 der Maske liegen im Bereich von rd. 100 um (Streifenlänge).

In Fig. 1B ist eine entsprechende Anordnung in Draufsicht illustriert. Zur dielektrischen Einzelteilchenspektroskopie soll die Rotation des Teilchens 10 in Abhängigkeit von der Am- plitude und/oder Frequenz des Drehfeldes erfaßt werden. Aus der Winkelgeschwindigkeit des Teilchens 10 lassen sich Aussa- gen über dessen dielektrischen Eigenschaften ermitteln. Das Drehfeld kann kontinuierlich umlaufen oder (wie dargestellt) einen laufenden Richtungswechsel aufweisen, so daß sich gegen- über einer mittleren Lage beidseitige Vibrationen in die Teil- chenzustände lla, llb ergeben. Der mit dem Kreuz entsprechend der Maskenform abgedeckte Teilbereich 80 wird über die Maske abgebildet. Das von der Maske übertragene Licht wird entspre- chend der genannten Vibration moduliert. Dem Detektorsignal kann damit unmittelbar die Vibrationsfrequenz entnommen und der Auswertung zugeführt werden.

Fig. 2 illustriert eine Anwendung der Erfindung mit einer ab- gewandelten Maskengestaltung. Es wird darauf hingewiesen, daß in den Illustrationen der Fign. 2 bis 12 die Masken jeweils nicht dargestellt sind. Allerdings sind jeweils die Teilberei- che des Aufenthaltsbereichs der zu detektierenden Teilchen eingezeichnet, von denen Licht von der Maske übertragen wird.

Die entsprechenden Maskensegmente besitzen die gleiche geome- trische Form, sind jedoch wegen der eingeführten vergrößernden Abbildung größer als die eingezeichneten Teilbereiche ausge- führt. Die Maske ist so strukturiert, daß das Licht vom Teil- bereich 80 des Mikrosystems mit oder ohne dem Teilchen 10 zur Detektoreinrichtung übertragen wird.

Die Gestaltung gemäß Fig. 2 dient der Objektdetektion zur Mes- sung dielektrophoretischer Eigenschaften des Teilchens 10.

Das Teilchen 10 befindet sich innerhalb einer Mikroelektroden- anordnung 40, von der nur die Elektroden 41 am Kanalboden 51 schematisch dargestellt sind. Diese Elektrodenanordnung kann wiederum durch vier Elektroden an der Kanaldecke zu einem Oktopol ergänzt werden. Es sind auch andere Mehrelektrodenan- ordnungen möglich. Bei anwendungsabhängig gewählten Frequenzen der Elektrodenspannungen wird das Teilchen 10 in Abhängigkeit von der äußeren Leitfähigkeit und den dielektrischen Teil- cheneigenschaften verschieden schnell durch Abstoßung bzw. An- ziehung zwischen den Elektroden bewegt. Diese Bewegung erfolgt beispielsweise periodisch. Das Teilchen läuft in Abhängigkeit von seiner Schwingungsfrequenz entlang den mit Pfeilen darge- stellten Richtungen (oder auch in andere Richtungen) durch den Teilbereich 80, der gerade der Transmissionsgeometrie der Mas- ke entspricht. Das Detektorsignal (willkürliche Einheiten) wird somit frequenzabhängig moduliert, wie dies im unteren Teil von Fig. 2 angegeben ist. Der Signalverlauf D1 entspricht einer bestimmten Frequenz und einer langsamen Bewegung des Teilchens 10 zwischen den Elektroden 41. Der Signalverlauf D2 zeigt die gleiche Frequenz, jedoch eine geringere Breite der Maxima des Detektorsignals. Dies entspricht einer vergrößerten Bewegungsgeschwindigkeit des Teilchens 10 (und einer ver- größerten Auslenkung).

Fig. 3 illustriert eine weitere Maskengestaltung, bei der die Maske aus vier voneinander getrennten, viereckigen Segmenten besteht, die so angeordnet sind, daß die Teilbereiche 80a bis 80d auf diese Segmente abgebildet werden. Damit kann die Aufenthaltsdauer des Teilchens 10 an den Elektroden 41 bei periodischer Bewegung (analog zu Fig. 2) gemessen werden. Die Segmente dienen jeweils als Teil-Masken zur Objektdetektion.

Das vom Detektor ermittelte Detektorsignal umfaßt summarisch die von allen Segmenten übertragenen Lichtmengen. Wiederum können lange Aufenthaltsdauern (D1) von kurzen Aufenthalts- dauern (D2) entsprechend dem unteren Teil von Fig. 3 unter- schieden werden.

Fig. 4 illustriert die Objektdetektion zur Erfassung gering- ster thermischer oder hydrodynamischer Schwingungen eines Teilchens 10 zwischen den Elektroden 41. Die Maske besitzt eine gitterförmige Segmentanordnung, so daß das Licht von dem Teilbereich 80 im Mikrosystem auf den Detektor übertragen wird. Der untere Teil von Fig. 4 illustriert die Möglichkeit der Unterscheidung stärkerer Teilchenvibrationen, die zu einem hochfrequenten Rauschen D1 führen, von geringeren Vibrationen mit einer geringeren Rauschfrequenz (Verlauf D2).

Fig. 5 illustriert eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Präsenz von Teilchen in einer Aufreihelektrodenanordnung geprüft wird. Die Elektrodenanordnung 40 besteht in diesem Fall aus Elektrodenbandern 43, die nach Art einer Dreiecks- funktion geformt sind. In Fig. 5 sind wiederum nur die Elek- trodenbänder 43 auf dem Kanalboden 51 dargestellt. Der Kanal wird in Pfeilrichtung durchströmt. Die Elektrodenbänder 43 werden so angesteuert, daß sich in periodischen Abständen Feldminima bilden, in denen sich die Teilchen 10a bis 10d anordnen sollen.

Die Maske besteht aus einer Gruppe von Segmenten, deren Zahl der Anzahl von Feldminima der Elektrodenanordnung 40 ent- spricht. Jedes Segment bildet einen quadratischen Rahmen. Die Segmente der Maske sind so angeordnet, daß Licht von den Teil- bereichen 80a bis 80d des Mikrosystems über die Maske auf dem Detektor abgebildet wird. Je nach den Beleuchtungsverhältnis- sen ergibt sich bei Präsenz eines Teilchens in einem Feldmini- mum ein bestimmter Beitrag zum summarischen Detektorsignal, das bei der dargestellten Aufreihung von vier Teilchen 10 vier vorbestimmte Amplituden einnehmen kann. Wenn die Aufreihelek- trodenanordnung beispielsweise vollständig mit Teilchen ge- füllt ist, wird die maximale Amplitude erreicht, was im Ver- lauf D1 mit der durchgezogenen Linie illustriert wird. Sind hingegen alle Feldminima teilchenfrei, so ergibt sich die geringste Amplitude, die im Verlauf D1 gepunktet gezeichnet ist. Alternativ zur Erfassung der Amplitude des Detektorsi- gnals können auch Schwankungen der Amplitude gemessen werden.

Dies ist mit dem Verlauf D2 illustriert. Aus diesem sogenann- ten Varianzeffekt lassen sich entsprechend Aussagen über die Stabilität der Teilchen in der Aufreihelektrodenanordnung treffen.

Eine abgewandelte Maskengestaltung zur Überprüfung des Teil- chenaufreihung ist in Fig. 6 illustriert. Die Maske besteht aus streifenförmigen, voneinander beabstandeten Segmenten, die die Teilbereiche 80a bis 80h des Mikrosystems auf dem Detektor abbilden. Die Segmentstreifen besitzen abwechselnd verschiede- ne Längen und sind so angeordnet, daß die längeren Segment- streifen die Teilbereiche 80a, 80c, 80e und 80g entsprechend den Feldminima zwischen den Elektrodenbändern 43 und die kür- zeren Segmentstreifen die Teilbereiche 80b, 80d, 80f, 80h des Mikrosystems erfassen. Das Detektorsignal besitzt wiederum einen Verlauf, der im wesentlichen der Darstellung im unteren Teil von Fig. 5 entspricht, wobei jedoch zusätzliche Amplitu- denstufen entsprechend der Teilchendetektion an den Orten zwischen den Feldminima auftreten.

Fig. 7 illustriert das Prinzip der erfindungsgemäßen Erfassung der Bewegungsrichtung. Der obere Teil von Fig. 7 ist eine schematische Draufsicht auf einen Kanal, bei der an den Kanal- boden 51 angrenzend auch die Kanalseitenwände 53,54 illu- striert sind. Die Maske besitzt eine T-förmige Transmissions- geometrie und wird durch zwei gerade streifenförmige Segmente gebildet, von denen ein längeres Segment in Kanallängsrichtung (entsprechend den Pfeilrichtungen) ausgerichtet und ein kürze- rer Segmentstreifen dazu senkrecht am Ende des längeren Seg- mentstreifens verläuft. Die Abbildung auf der Maske führt zur Übertragung des Lichtes von dem T-förmigen Teilbereich 80 des Mikrosystems zum Detektor.

Das Detektorsignal besitzt dann je nach Bewegungsrichtung einen der im unteren Teil von Fig. 7 dargestellten Verläufe.

Das Teilchen 10a, das sich von links nach rechts bewegt, trägt zunächst beim Längsstreifen 80a und dann beim Querstreifen 80b zum Detektorsignal bei, das entsprechend dem Verlauf D1 beim Teilchendurchlauf zunächst langsam ansteigt und nach Passage des Teilchens 10a am Querstreifen 80b schnell abfällt. Für das Teilchen 10b, das sich von rechts nach links bewegt, ergeben sich die umgekehrten Verhältnissse. Das Detektorsignal steigt entsprechend dem Verlauf D2 zuerst schnell an und fällt dann langsam ab. Das Detektorsignal besitzt somit einen charak- teristischen Zeitverlauf, der eine Aussage über die Bewegungs- richtung der Teilchen im Kanal zuläßt.

Eine erfindungsgemäße Maske kann auch so gestaltet sein, daß Formunterschiede von Teilchen im Mikrosystem detektiert werden können. Dies ist in Fig. 8 illustriert, die wiederum eine Draufsicht auf einen Kanal mit dem Kanalboden 51 und den Kanalseitenwänden 53,54 zeigt. Im Kanal bewegen sich Teilchen 10a, 10b und 10c mit verschiedenen Geometrien.

Die Maske besteht aus zwei streifenförmigen Segmenten, die jeweils halbkreisförmig gebogen sind und sich an ihren Schei- telpunkten berühren. Dadurch erlaubt die Maske die Übertragung des vom Teilbereich 80 des Mikrosystems ausgehenden Lichts zum Detektor. Je nach dem zeitlichen Verlauf des Detektorsignals können die jeweils am Teilbereich 80 vorbeigetretenen Teil- chenformen unterschieden werden. Dies ist im unteren Teil von Fig. 8 illustriert.

Das längliche Teilchen 10a erzeugt einen Signalverlauf D1, da das Detektorsignal für eine verhältnismäßig lange Zeit modu- liert wird, jedoch wegen der geringen Querausdehnung des Teil- chens 10a nur eine geringe Amplitude besitzt. Bei einem runden Teilchen 10b, an dessen Gestalt die halbkreisförmige Krümmung der Maskensegmente angepaßt ist, ergibt sich der Verlauf D2.

Der Eintritt des Teilchens 10b in den Teilbereich 80 verur- sacht einen schnellen Signalanstieg. Entsprechendes gilt für den Fall, wenn das Teilchen 10b den Teilbereich 80 verläßt.

SchlieRlich führt das Teilchen 10c (Pärchen) zu einem Signal- verlauf D3, der sich wegen der größeren Längsausdehnung gegen- über dem Teilchen 10b über einen größeren Zeitbereich er- streckt und wegen der größeren Querausdehnung im Vergleich zum Teilchen 10a eine höhere Amplitude erreicht.

Die oben unter Bezug auf Fig. 2 erläuterte Maskenform kann auch zur Partikelzählung verwendet werden, wie dies in Fig. 9 illustriert ist. Die Maske enthält zwei Segmente, die zur Übertragung von Licht aus den Teilbereichen 80a, 80b einge- richtet sind und jeweils die Form eines quadratischen Rahmens besitzen. Die Teilbereiche 80a, 80b sind in Kanallängsrichtung mit einem vorbestimmten Abstand angeordnet. Die Wahl des An- standes und der Größe der Teilbereiche 80a, 80b (bzw. der ent- sprechenden Maskensegmente) wird in Abhängigkeit von den auf- tretenden Teilchengrößen und der Strömungsgeschwindigkeit im Kanal gewählt. Die Teilchenzählung kann sogar größenselektiv erfolgen.

So verursacht das kleinste Teilchen 10a den Signalverlauf D1 mit zwei getrennten Maxima entsprechend dem Vorbeitritt des Teilchens 10a an jedem der Teilbereiche 80a, 80b. Bei dem mittleren Teilchen 10b ergibt sich der Signalverlauf D2, bei dem die Maxima ineinander verlaufen. Bei genügend großen Teil- chen 10c mit einer charakteristischen Größe, die mit dem Ab- stand der Teilbereiche 80a, 80b vergleichbar ist, ergibt sich der Signalverlauf D3 mit einem einzelnen Maximum. Die Signal- verläufe D1 und D2 können zusätzlich zur Ermittlung der Teil- chengeschwindigkeit aus dem Abstand der Maxima verwendet wer- den.

Fig. 10 zeigt wiederum eine Draufsicht auf einen Kanal mit dem Kanalboden 51 und den Kanalseitenwänden 53,54. Im Kanal bewe- gen sich mit der strömenden Suspensionsflüssigkeit Teilchen 10a, 10b entsprechend der Pfeilrichtung. Die erfindungsgemäße Objektdetektion ist hier so ausgelegt, daß ermittelt wird, ob sich ein Teilchen in Kanalmitte oder mehr am Rand des Mikroka- nals bewegt. Hierzu besitzt die Maske zwei Segmente aus gera- den, sich kreuzenden Streifen, die so angeordnet sind, daß das Licht von den Teilbereichen 80a, 80b des Mikrosystems zum De- tektor übertragen wird. Die Teilbereiche 80a, 80b erstrecken sich jeweils als gerade Streifen über die gesamte Breite des Kanals und sind gegenüber der Kanalquerrichtung geneigt, so daß sich eine X-Gestalt mit einem Kreuzungspunkt der Streifen in der Kanalmitte ergibt.

Eine Detektion durch eine Maske, die das Licht von derart ge- wählten Teilbereichen 80a, 80b überträgt, ergibt einen Signal- verlauf D1 mit einem einzelnen Maximum, falls das Teilchen 10b sich in der Kanalmitte bewegt, oder einen Signalverlauf D2, falls sich das Teilchen 10a am Kanalrand bewegt, so daß jeder Teilbereich 80a, 80b zweimal gekreuzt wird.

Eine ähnliche Uberprüfungsfunktion ist in Fig. 11 illustriert, die eine Draufsicht auf einen Kanal mit Fokussierelektroden 44 auf dem Kanalboden 51 darstellt. Die Fokussierelektroden 44 bilden bei Beaufschlagung mit hochfrequenten Spannungen Feldbarrieren, die die Teilchen 10a nicht durchdringen können, so daß in Zusammenwirkung mit der Strömungskraft eine Teil- chenbewegung hin zur Kanalmitte erfolgt. Falls eine der Fokussierelektroden 44 ausfällt, so können Teilchen 10b außer- halb der Mitte an den Elektroden vorbeitreten.

Um eine derartige Fehlfunktion der Fokussierelektroden 44 zu ermitteln, wird die Maske so gestaltet, daß wiederum Teilchen am Kanalrand von Teilchen in der Kanalmitte unterschieden wer- den können. Hierzu besitzt die Maske drei Segmente, die zwei gerade streifenförmige Segmente und ein punktförmiges Segment umfassen und in einer geraden Reihe quer zur Kanallängsrich- tung angeordnet sind. Diese Segmente sind dazu eingerichtet, das Licht von den Teilbereichen 80a, 80b, 80c des Mikrosystems zum Detektor zu übertragen. Je nach der Passage der Teilchen lOa durch die Mitte oder der Teilchen lOb durch die Ränder des Kanals ergeben sich die im unteren Teil von Fig. 11 gezeigten Signalverläufe. Der Signalverlauf Dl zeigt eine hohe Amplitu- de, d. h. eine starke Modulation des Detektorsignals. Dies zeigt an, daß Teilchen 10b die Teilbereiche 80a oder 80c durchlaufen haben und somit eine oder beide der Fokussierelek- troden 44 ausgeschaltet oder defekt sind. Der Signalverlauf D2 hingegen zeigt eine geringe Modulation entsprechend der Teil- chenpassage durch die Kanalmitte. Das Signal entsprechend dem Signalverlauf D2 kann wiederum als Zählsignal für die Zahl der Teilchen 10b, die die Fokussieranordnung passiert haben, ver- wendet werden.

Eine Maske, wie sie in Bezug auf Fig. 2 beschrieben wurde, kann auch zur Überprüfung der Funktion einer Ablenkelektrode 45 verwendet werden. Diese Anwendung der Erfindung ist in Fig.

12 illustriert. Die Ablenkelektrode 45 ist eine Mikroelektrode auf dem Kanalboden 51 in Form eines gekrümmten Elektroden- streifens. Die Ablenkelektrode 45 bildet in Zusammenwirkung mit einer entsprechenden Ablenkelektrode (nicht dargestellt) an der Kanaldecke bei Beaufschlagung mit hochfrequenten Span- nungen eine gekrümmte Feldbarriere, die die anströmenden Teil- chen 10a bzw. 10b in Abhängigkeit von ihren dielektrischen Eigenschaften mit verschiedenen Abständen von der Kanalseiten- wand 53 passieren können. Ist die Ablenkelektrode 45 einge- schaltet, so können die kleinsten Teilchen 10a, bei denen die geringsten Polarisationskräfte induziert werden, die Feld- barriere bereits am Kanalrand passieren, während die größeren Teilchen lOb weiter hin zur Kanalmitte laufen, bis die Strö- mungskraft genügend groß ist, so daß eine Passage der Feld- barriere bewirkt wird. Wenn die Ablenkelektrode 45 ausgeschal- tet ist, so können sowohl kleine als auch große Teilchen am Kanalrand weiter strömen.

Die Maske besitzt ein quadratisches, rahmenförmiges Segment, das dazu eingerichtet ist, das vom Teilbereich 80 des Mikrosy- stems ausgehende Licht zum Detektor zu übertragen. Falls nur kleine Teilchen 10a am Teilbereich 80 vorbeitreten, so ergibt sich der Signalverlauf D1 mit zwei getrennten Maxima entspre- chend dem Vorbeitritt der kleinen Teilchen 10a an den zwei Rahmenseiten in Strömungsrichtung. Wenn die Ablenkelektrode 45 ausgeschaltet oder defekt ist, so werden über die Maske auch größere Teilchen detektiert, so daß sich der Signalverlauf D2 mit einem einzelnen, verbreitetem Maximum ergibt.

Die oben unter Bezug auf die Fign. 1 bis 12 beschriebenen Aus- führungsbeispiele bezogen sich auf die Teilchendetektion in den an sich bekannten Mikrosystemen mit Kanalstrukturen aus in Bezug auf die Teilchen inerten Materialien. Die im folgenden erläuterten Fign. 13 bis 15 zeigen eine besonderes vorteilhaf- te Anwendung der Erfindung in modifizierten Mikrosystemen, in denen die Wechselwirkung der Teilchen mit den Kanalwänden nicht vermieden, sondern in vorbestimmter Weise befördert wird. Diese Modifizierung ist in den Fign. 13A und 13B in Ana- logie zur Darstellung gemäß Fig. 1 illustriert.

Fig. 13A zeigt in schematischer Perspektivansicht wie Fig. 1 den Ausschnitt eines fluidischen Mikrosystems. Allerdings bil- det hier der Kanalboden 51 ein Substrat für eine Modifizie- rungsschicht 55. Die Modifizierungsschicht 55 besteht bei- spielsweise aus einer Monolage biologischer Zellen. Wiederum soll, wie oben beschrieben die Bewegung des Teilchens 10 mit der erfindungsgemäßen Objektdetektion erfaßt werden, die hier durch eine rahmenförmige Maske 20 erfolgt. Das Teilchen 10 ist ein Testobjekt, das eine biologische Zelle oder ein künst- liches Teilchen mit spezifischen oder unspezifischen Bindungs- stellen (Molekülen) sein kann. Die Bewegung des Teilchens 10 wird durch die Wechselwirkung mit der Modifizierungsschicht 55, d. h. durch die auftretenden Adhäsionserscheinungen beein- flußt.

Zur Bestimmung der Adhäsionseigenschaften des Teilchens 10 ge- genüber der Modifizierungsschicht 55, d. h. zur Bestimmung von Bindungskräften, Bindungskonstanten und/oder der Dynamik der Zelladhäsion wird das Teilchen mit Hilfe des Fanglasers 60 auf die Oberfläche der Modifizierungsschicht 55 gedrückt, während das Drehfeld der Elektrodenanordnung 40 schwingende Rotationen nach links oder rechts induziert. Die oszillatorischen Teil- chenvibrationenen in die Zustände lla, llb werden, wie oben beschrieben, tuber die Maske 20 erfaßt. Durch Vergleich mit den Bewegungseigenschaften ohne eine Adhäsion lassen sich Aussagen über die Bindungskräfte und dergl. treffen. Abweichend von der dargestellten Rahmenmaske 20 können auch andere Maskenformen Anwendung finden. Fig. 13B zeigt die entsprechende Situation in Draufsicht.

Die Modifizierung kann auch durch ein einzelnes Teilchen auf dem Kanalboden 51 gebildet werden. Diese Situation ist in Fig. 14 illustriert. Auf dem Kanalboden 51 befindet sich eine biologische Zelle 56. Wiederum erfolgt die erfindungsgemäße Erfassung der Teilchenbewegung des Teilchens 10 in Abhängig- keit von der Wechselwirkung mit der Zelle 56. Bei genügend kleinen Teilchen (Durchmesser kleiner 5 um) können die Ober- flächen der Zellen 56 auch ortsaufgelöst vermessen werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die ortsaufgelöste, partielle Vermessung der Wechselwirkungen der Zelle 56 mit dem Teilchen 10 mit einer chemische Stimulierung der angehefteten Zelle 56 zu verbinden.

Fig. 15 zeigt eine weitere Abwandlung der Objektdetektion zur Erfassung von Wechselwirkungen eines Teilchens mit einer Modi- fizierungsschicht auf dem Kanalboden 51. Die Modifizierungs- schicht besteht aus einer Vielzahl molekularer Rezeptoren 57.

Das Teilchen 10 weist Liganden 12 auf. Es erfolgt eine Drehung des Teilchens, wie dies oben unter Bezug auf Fig. 1 beschrie- ben wurde. Aus der Teilchendetektion kann festgestellt werden, ob der Ligand 12 eine Bindung mit den Rezeptoren 57 eingeht.

Das Teilchen 10 kann selbst eine biologische Zelle oder ein Zellbestandteil sein und natürlich bedingt einen Rezeptor auf der Oberfläche tragen.

Eine weitere Anwendung der Erfindung zur Messung von Kräften in einem Mikrosystem ist in den Fign. 16 und 17 illustriert.

Fig. 16 zeigt analog zu Fig. 1 einen Ausschnitt eines Mikrosy- stems mit dem Kanalboden 51 und den unteren Mikroelektroden 41. Mit dem Fanglaser 60 wird das Teilchen 10 an eine vorbe- stimmte Position P mit den Koordinaten (xl, yl, zl) geführt und dort den Drehfeldern der Elektrodenanordnung ausgesetzt.

Die Abbildungseinrichtung mit der Maske 20 wird entsprechend verstellt, um die Objektbewegung zu erfassen. Die am Punkt P gemessene Winkelgeschwindigkeit des Teilchens 10 steht in di- rekter Beziehung zur Feldstärke an diesem Ort (die Winkelge- schwindigkeit ist proportional zum Quadrat der Feldstärke).

Auf diese Weise kann mit der erfindungsgemäßen Objektdetektion unter Verwendung eines kleinen Probeteilchens 10 das elektro- magnetische Feld im Mikrosystem in x-, y-und z-Richtung ver- messen werden, indem das Probeteilchen 10 rasterartig an ver- schiedenen Raumpositionen zwischen den Mikroelektroden einer Rotationsmessung unterzogen wird.

Bei dieser Messung kann auch eine Maskengestaltung vorgesehen sein, mit der Teilchenbewegungen im gesamten Bereich zwischen den Mikroelektroden erfaßt werden können. In diesem Fall muß die Maske 20 bei der Verstellung zu einem neuen Punkt P nicht verschoben werden.

Eine weitere Maskengestaltung mit zwei streifenförmigen Seg- menten (Detektionsschlitze) wird gemäß Fig. 17 zur Erfassung von Teilchenbewegungen in Pfeilrichtung verwendet. Die Bewe- gung des Teilchens 10 in x-Richtung erfolgt mit dem (nicht dargestellten) Fanglaser oder durch eine Verschiebung der Amplituden der hochfrequenten Spannungen an den Elektroden 41a, 41b bzw. 41c, 41d. Aus der Auslenkung des Teilchens lassen sich Informationen über dielektrische Teilcheneigen- schaften, die Feldkräfte im Fokus des Fanglasers und die elektromagnetischen Feldkräfte ableiten.

Analog zu der in den Fig. 15 bis 17 erläuterten Technik kann auch eine Vermessung der Feldkräfte im Fanglaser 60 durch Mes- sung der Drehgeschwindigkeit eines Probeteilchens in Abhängig- keit vom Abstand vom Fokus des Fanglasers verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Objektdetektion ist auch zur Erfassung von Teilchendeformationen einsetzbar. Dies ist in Fig. 18 il- lustriert. Das Teilchen 10 wird durch Einstellung eines inho- mogenen hochfrequenten elektrischen Feldes an den Elektroden 41a, 41b bzw. 41c, 41d deformiert, während es mit dem Fangla- ser in freier Suspension gehalten wird. Die Deformation kann beispielsweise von einer runden Teilchengestalt (oberer Teil von Fig. 18) zu einer ellipsenförmigen Teilchengestalt (unte- rer Teil von Fig. 18) führen. Mit einer Schlitzmaske, die zwei streifenförmige Segmente aufweist, die dazu eingerichtet sind, Licht von den Teilbereichen 80a, 80b des Mikrosystems zum De- tektor zu übertragen, kann die Asymmetrie des Teilchens 10 erfaßt werden. Aus der Verformung, die aus dem Detektorsignal abgeleitet wird, können mechanische Eigenschaften des Teil- chens (z. B. biologische Zelle) abgeleitet werden. Anwendungs- abhängig können zur Deformationsuntersuchung auch andere Maskenformen verwendet werden, die an die jeweiligen Asvmme- trien angepaßt sind.

Fig. 19 ist eine Ubersichtsdarstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Objektdetektion bei Implementierung der Erfin- dung an einem fluidischen Mikrosystem. Das fluidische Mikrosy- stem 110, in dem eine Suspension mit mindestens einem zu un- tersuchenden Teilchen enthalten ist, wird über eine Steuerein- richtung 111 angesteuert. Enthält das Mikrosystem Mikroelek- troden zur dielektrischen Teilchenmanipulierung, so enthält die Steuereinrichtung 111 insbesondere einen Generator zur Elektrodenansteuerung.

Ein interessierender Bereich des Mikrosystems 110 wird über optische Elemente 121 vergrößert auf der strukturierten Maske 120 abgebildet, die mit einer Stelleinrichtung 122 in Bezug auf das Mikrosystem einstellbar ist. Das durch die struktu- rierte Maske 120 hindurchtretende Licht wird durch weitere op- tische Elemente 121, die gegebenenfalls einen Sperrfilter in Bezug auf das Licht des Fanglasers 160 umfassen, auf den Detektor 123 (z. B. Photodiode) summierend abgebildet. Der Detektor 123 ist mit einer Auswertungseinrichtung 124 verbun- den, die insbesondere eine Recheneinheit zur Auswertung der Signalverläufe und eine Anzeigeeinheit zur visuellen Darstel- lung der erfaßten Objekteigenschaften enthält. Die Auswertung der Signalverläufe erfolgt in an sich bekannter Weise, insbe- sondere in Bezug auf die zeitliche Lage der Maxima, die Ampli- tuden der Signale und deren Phasenlagen.

Fig. 19 zeigt ferner den Fanglaser 160, der über eine geson- derte Laser-Tweezer-Steuerung 161 angesteuert wird. Das Be- zugszeichen 200 zeigt eine Gesamtsteuereinheit zur anwendungs- abhängigen synchronen Betätigung der Lasersteuerung 161, der Steuereinrichtung 111 und der Stelleinrichtung 122.

Die Abbildungseinrichtung mit den optischen Elementen und der strukturierten Maske 120 wird vorzugsweise in ein Mikroskop integriert, dessen Einzelheiten nicht dargestellt sind. Über das Mikroskop kann ebenfalls der Fanglaser 160 in das Mikrosy- stem 110 gerichtet werden.

Bei einer alternativen Gestaltung der erfindungsgemäßen Vor- richtung wird die strukturierte Maske unmittelbar auf der lichtempfindlichen Fläche des Detektors ausgebildet. Es kann ferner vorgesehen sein, daß der Detektor nicht durch eine ein- zelne Photodiode, sondern durch eine CCD-Matrix gebildet wird.

Bei einer derartigen Gestaltung kann eine Abbildung des Auf- enthaltsbereichs des Teilchens auf die CCD-Matrix und eine an- schließende elektronische Maskierung des Matrixsignals durch Auswertung der Signale von bestimmten Bildpunkten erfolgen.