Die Erfindung betrifft em Verfahren und eine Vorrichtung zur orts- und/oder typselektiven Steuerung der Position und/oder der Positionsänderung suspendierter Partikel m einem Multielektrodensystem mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Patentansprüche 1 oder 9, und insbesondere planare und 3- dimensionale Mikroelektrodenanordnungen m Halbleiterchipgröße bzw. ein Verfahren, um suspendierte kunstliche oder lebende Teilchen (z. B. Zellen) oder orgamscne Teilchen von mikroskopischer Große m Flüssigkeiten zu bewegen, zu haltern, zu vermessen oder zu sortieren. Zur individuellen Manipulation und/oder Charakterisierung derartiger Teilchen, insbesondere aber zu deren gerichteten Bewegung in einem Feldgradienten oder bewegten elektrischen Feld, werden dielektrische Polaπsationskräfte genutzt, die über elektrische Wechselfelder erzeugt und durch Resonanzerscheinungen verstärkt werden.

Es sind zwei Grundprinzipien bekannt, nach denen derzeit eine elektriscne Manipulation und Einzelob]ektcnarakterisierung durchführbar ist : 1. die Erzeugung von Feldgradienten m hochfrequenten Wechselfeldern (POHL, H.P. , Dielectrophoresis, Cambridge University Press (1978) ) und 2. die Applikation von rotierenden Feldern mit durchstimmbarer Rotationεfrequenz (ARNOLD, W.-M. and ZIMMERMANN,U. , Z. Naturforsch. 37c, 908, (1982) ) . Benachbarte, hier nicht einbezogene Gebiete wie die Elektrophorese und andere Gleichspannungstechniken lassen sich für den genannten Partikelkreis z. T. auch anwenden, sind jedoch nicht vergleichbar effektiv anwendbar.

Das erεte o. a. Prinzip führt zu einer asymmetrischen Polarisation von Mikropartikeln, woraus, je nach Art der

Polarisation, eine Bewegung m Richtung höherer oder niedrigerer Feldstärken erfolgt. Dieses Verhalten wird als positive bzw. negative Dielektrophorese bezeichnet (Pohl, H.P., Dielectrophoresis, Cambridge University Press, (1978) ) und seit mehr als 30 Jahren zur Bewegung und der Separation suspendierter dielektrischer Körper und Zellen verwendet . In den letzten Jahren haben die dielektrophoretischen Prinzipien auf biologisch/medizinischem Gebiet eine breitere Anwendung durch die Einführung halbleitertechnologisch gefertigter Mikroelektrodensysteme erfahren (WASHIZU, M. et al . , IEEE Trans. IA, 25(4) , 352 (1990) ; SCHNELLE, Th. et al . , Biochim.Biophys .Acta 1157,127 (1993)) .

Das zweite o. a. Prinzip, die Applikation frequenzvariabler Rotationεfeider (m diese Kategorie fallen auch lineare Wanderfelder (HAGEDORN, R. et al . , Electrophoresis 13, 49

(1992) ) ) wird zur Charakterisierung der pasεiven elektrischen Eigenschaften einzelner, suspendierter Partikeln, vor allem aber von Zellen benutzt ( ARNOLD, W.-M. and ZIMMERMANN, U., Z.Naturforsch 37c, 908, (1982) ; FUHR, G. et al . , Plant Cell Physiol. 31, 975 (1990)) . Das Prinzip läßt sich wie folgt zusammenfassen: Ein Partikel befindet sich m einer zirkulären Elektrodenanordnung mit einem rotierenden Feld mit einer Geschwindigkeit von wenigen Hz bis zu einigen hundert MHz. Es verhält sich aufgrund der Losungsreibung wie der Rotor eines dielektrischen Asynchronmotors. Im Falle von Zellen, die einen überaus komplizierten Aufbau besitzen

(Zellwand, Membran, Organellen etc.) , lassen die Frequenzspektren der Rotation (PartiKeldrehung als Funktion der Rotationsfrequenz des Feldes) weitreichende Schlußfolgerungen über den physiologischen Zustand und die Eigenschaften einzelner Bestandteile derselben zu (ARNOLD, W.-M. and ZIMMERMANN, U. , J. Electrostat . 21,151 (1988) ; GIMSA et al. in: W. SCHUTT, H. KLINKMANN, I. LAMPRECHT, T. WILSON, Physical Characterization of Biological Cells, Verlag Gesundneit GmbH, Berlin 1991) .

Alle elektrischen Wechselfeldverfahren nutzen Polarisationskräfte, die aus der Relaxation induzierter Ladungen resultieren. Nachteilig ist die Halbwertsbreite der dielektrischen Dispersionen, die etwa bei einer Frequenzdekade liegt (Pohl, H.P., Dielectrophoresis, Cambridge University Press, (1978) ; ARNOLD, W.-M. and ZIMMERMANN, U., J. Electrostat . 21,151 (1988)) . Das hat zur Folge, daß die Unterscheidung oder differenzierte Bewegung verschiedener Partikeln relativ große Unterschiede in der Struktur oder den dielektrischen Eigenschaften erfordert. Em weiteres Problem ist, daß vor allem bei kleiner werdendem Partikelradius andere Kräfte (lokale Strömung, thermische Bewegungen u.a.) an Einfluß gewinnen und bei einem Partikelradius von kleiner als einem Mikrometer die Polarisationskräfte sogar übersteigen. Bei kolloidalen Partikeln, bei denen die Polarisierbarkeit weit unter der von biologischen Zellen liegt, ist von Nachteil, daß relativ hohe Steuerspannungen (etwa 3 bis 10-fache Werte) zur Erzielung der gleichen Kraftwirkungen angewendet werden müssen.

Das ist der Grund, warum sich die beiden o. a. Prinzipien bisher nur bei relativ großen Partikeln anwenden lassen und seit langem nach einer Möglichkeit der Verstärkung der

Feldeffekte gesucht wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, em verbessertes Verfahren zur orts- und/oder typselektiven Steuerung der Position und/oder der Positionsänderung suspendierter Partikel m einem Multielektrodensystem und eme Vorrichtung zu dessen Ausführung anzugeben, mit denen ohne eine Erhöhung der Feldamplitude eme erhebliche Verstärkung der Polarisationskräfte bei vorher bestimmbaren Frequenzen erreicht und die natürliche Frequenzbreite der Kraftwirkungen, die sich aus den dielektrischen Dispersionen ergibt, deutlich verringert bzw. eingeengt wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 oder 9 gelöst . Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Bevorzugte Verwendungen der Erfindung sind im Anspruch 20 angegeben.

Es sollen insbesondere Elektrodensysteme angegeben werden, in denen die Verstärkung der Polarisationskräfte in lokal begrenzten Bereichen (typische Abmessungen in allen drei Dimensionen einige hundert Mikrometer und kleiner) auf der Grundlage der frequenzselektiven Verstärkung der elektrischen Feldkräfte durch die Erzeugung von räumlich begrenzten Resonanzen erfolgt.

Bei den erfindungsgemäß eingesetzten Multielektrodensystemen handelt es sich zunächst um offene Schwingkreissysteme, in denen im betrachteten Frequenzintervall (≥ 100Hz) keine Resonanzerscheinungen zu erwarten wären. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung konnte jedoch überraschenderweise festgestellt werden, daß die offenen Schwingkreissysteme durch die Partikelsuspensionen geschlossene Netzwerke bilden, in denen Resonanzen insbesondere in niedrigen Frequenzbereichen erzielbar sind.

Die Verwendung extrem miniaturisierter Elektrodensysteme (typische Abmessungen in zwei Dimensionen im μm-Bereich, in der dritten Dimension von einigen Millimetern und darunter) und deren planare bzw. dreidimensionale Anordnung bzw. Verschaltung mit kapazitiven, induktiven und ohmschen Elementen sowie die Applikation hochfrequenter elektrischer Felder (z. B. f > 10 kHz) einer Amplitude im mV- bis V- Bereich, ermöglicht die Erzeugung von lokal innerhalb der MikroStruktur auftretenden Resonanzerscheinungen, die die Feldamplitude an diesen Stellen um ein Vielfaches erhöhen. Da die Polarisationskräfte dem Quadrat der Feldstärke proportional sind, treten vervielfachte Partikelabstoßungs-

5 oder Anziehungskräfte (2 bis 1000-fach und mehr) auf, die zur Losung der o. a. Aufgabenstellung genutzt werden können.

Erfindungsgemaß werden die Mikroelektroden so angeordnet, in ihren geometrischen Dimensionen gewählt oder mit Materialien beschichtet oder unterlegt, daß vorher festlegbare kapazitive, induktive und ohmsche Anteile die elektrischen Hochfrequenzeigenschaften jeder Elektrode mit dem sie umgebenden Suspensionsmedium bestimmen. Die Anteile der einzelnen Elektroden bilden nach der elektrischen Verbindung über die eingefugte Partikelsuspension Netzwerke mit Resonanzerscheinungen aus, die genau so auf einem Substrat (Glas, Silizium etc ) angeordnet werden, daß die Feldstärken dort, wo eme Partikelmanipulation oder -Vermessung stattfinden soll, durch Resonanz überhöht werden, z.B im Ξlektrodenzwischenraum. Die Erzeugung von Resonanzen kann durch Integration weiterer Bauelemente oder auch die externe Beschaltung mit Kondensatoren, Induktivitäten und Widerständen unterstützt bzw. bezüglich ihrer Frequenzlage verschoben und bestimmt werden. Die Kalibrierung der Resonanzfrequenz kann auch wahrend des Betriebes erfolgen Dieser Effekt kann sowohl für die Partikelorientierung, - bewegung, -halterung aber auch für die dielektrische Vermessung genutzt werden.

Die Resonanzeffekte können durch die Verwendung verschiedener Signalformen der Elektrodenbesteuerung selektiv, insbesondere nur für einen bestimmten spektralen Anteil des Ansteuersignals ausgenutzt werden. In Frage kommen Sinus-, Rechteck-, Dreieck- oder andere periodische und aperiodische Signalverlaufe. Je nachdem, in welcnem Maße die Fourierreihen zur Beschreibung dieser Signale Grund- und Oberwellen aufweisen, können Resonanzen der Grundfrequenz als auch ihrer Harmoniscnen ausgenutzt werden.

Die lokale Beschränkung der Resonanzen auf eme oder mehrere Bereiche von weniger als einem Kubikmillimeter wird durch

die Ausführung der Elektrodenenden (zirkulär, reihenförmig gegenüberliegend usw.) und die Art der. Suspensionslösung bestimmt. Aus elektronischer Sicht sind diese Anordnung als impedanzmäßig nicht definiert abgeschlossene Systeme zu bezeichnen. Wie in den Ausfuhrungsbeispielen gezeigt wird, lassen sich jedoch Elektrodenanordnungen finden, bei denen die Abschlußimpedanz der Lösung lediglich die Amplitude der Resonanzen, nicht jedoch deren Frequenz bestimmt.

Gegenüber den in der Elektronik bekannten Resonanzeffekten sind die polarisierten Partikeln und Zellen im erfindungsgemäßen Verfahren als Probekorper für die resonanzbedingte Feldstärkeüberhöhung im Inneren des Dielektrikums (Flüssigkeit) eines Kondensators aufzufassen, deren Vorhandensein ihrerseits die Resonanzerscheinungen des System beeinflussen und über die Verstimmung der Resonanzfrequenz zur Partikelseparation, -Sammlung und - halterung genutzt werden kann.

Besonders wirksam ist die Integration abstimmbarer kapazitiver, induktiver oder/und ohmscher Elemente, mit denen dann einzelne Elektroden individuell abgestimmt oder Resonanzen in ihrer Frequenzlage definiert und nach vorgebbaren Programmen verändert werden können. Das hat den Vorteil, daß bei gleichbleibender Elektrodenkonfiguration von außen steuerbar die Polarisationkräfte frequenzabhängig verstärkt oder gedämpft werden können. Dieser Effekt kann benutzt werden, um einzelne Partikelklassen mit gleichen oder ähnlichen dielektrischen Eigenschaften von anderen Partikelsorten abzutrennen.

Prinzipiell lassen sich die folgenden Prinzipien zur Kalibrierung und Regelung des gewünschten Resonanzeffektes anwenden:

1. Aktiver Abgleich der Schwingkreiselemente, wie Kacazitäten, Induktivitäten und Widerstände;

2. Applikation von zwei oder mehr Feldern gleicher oder entgegengesetzter Drehrichtung unterschiedlicher Frequenz,-

3. Applikation von Feldern nach Pkt .2 mit jeweils unterschiedlicher aber einstellbarer Amplitude;

4. Applikation von Feldern nach Pkt .2 mit jeweils unterschiedlicher Anschaltzeit der Felder;

5. Applikation von Feldern nach Pkt .2 mit jeweils kalibπerbarer Frequenz der Felder zueinander;

6. Applikation von periodischen Signalen mit verschiedenem Oberwellenanteil; ⁿ . Kombinationen der unter Pkt. 1 bis 6 genannten Verfahren.

In der Praxis kann die erfindungsgemaße Ausbildung von Resonanzen m Mikroelektrodensystemen nach den folgenden Prinzipien erzielt werden:

Es ist möglich, die Resonanzbedingungen über die Dimensionierung/Gestaltung der Elektroden unter Berücksichtigung der konkreten Anforderungen durch Mikrostrukturierung einzustellen. So kann z. B. das m Figur 1 gezeigte Elektrodensystem bzw. das m Figur 2 gezeigte, entsprechende Ersatzschaltbild mit üblichen Verfahren der computergestutzten Netzwerkanalyse (Berechnung von Spannungsverläufen an beliebigen Orten im Netzwerk) analysiert und modelliert werden.

Ferner können die erforderlichen Eigenschaften des Elektrodensystems experimentell ermittelt werden Dazu wird em einem Elektrodensystem entsprechendes Netzwerk (Ersatzschaltbild) gegenständlich aufgebaut und vermessen, wahrend ggf. zusätzliche externe Kapazitäten und/oder Induktivitäten angelegt und abgestimmt werden. Diese Verfahrensweise wird insbesondere dann bevorzugt, falls die Elektrodenzahl verhältnismäßig hoch (z. B. < 8) ist.

Bei der Realisierung experimentell bestimmter Werte sind wiederum zwei Vorgehensweisen praktikabel. Erstens ist es

möglich, bei der Prozessierung der Elektroden z. B. mit der Halbleitertechnologie die ermittelten Schaltelemente auf dem Chip mit zu integrieren. Dies hat die Vorteile, daß die kapazitiven/induktiven Elemente selbst Dimensionen im Mikrometerbereich einnehmen und nahezu keine Rückwirkung auf die Schaltung des Versorgungsgenerators aufweisen. Zweitens kann das Chip extern von außen beschältet werden. Dies hat die Nachteile verringerter Gestaltungsmöglichkeiten und der über Zuleitungen nur mittelbaren Wirkung der Bauelemente im Elektrodenraum.

Schließlich ist es möglich, regelbare Bauelemente mit im Multielektrodensystem auf dem Chip zu integrieren. Zu diesen zählen insbesondere aktive Bauelemente wie Schaltdioden, Transistoren, steuerbare Kapazitätsdioden etc.. Hierbei ergibt sich der Vorteil, daß die jeweiligen Resonanzen abgestimmt durchfahren werden können und somit eine externe Computersteuerung des Systems ermöglicht wird. Eine weitere Variante in diesem Zusammenhang ist der Einsatz mechanischer Stellmittel unter Ausnutzung magnetischer oder piezoelektrischer Effekte (z. B. Feldbeeinflussung in FET) .

Eine Vielzahl von Möglichkeiten bietet die halbleitertechnologische Prozessierung von planaren Elektrodenstrukturen, da hier Kapazitäten, Induktivitäten und ohmsche Anteile im Mikrometerbereich realisierbar sind. Diese Anordnung hat gegenüber einer Beschaltung von außen den Vorteil, daß sich die Netzwerke so anordnen lassen, daß die Elektroden nicht gleichmäßig, sondern in festlegbarer Weise beschaltbar εind. Weiterhin trägt dieses Prinzip wesentlich zur räumlichen Begrenzung der Resonanzerscheinung auf dem Chip oder der mikroεtrukturierten Oberfläche bei.

Die erfindungsgemäße Multielektrodenanordnung kann z. B. 2, 3, 4 oder mehr Elektroden umfassen. Sie kann in Chipform in

em Keramikgehause mit elektrischen Anschlüssen eingefügt sein.

Bevorzugte Ausfuhrungsbeiεpiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren naher erläutert .

Figur 1 veranschaulicht einen Auschnitt aus einer mikrostrukturierten Oberflache.

Es smd vier Elektroden lOa-d, 12a-d, 13a-d (schwarz) gezeigt, die einen Zentralbereich 14 mit einem suspendierten Partikel von etwa 100 μm Durchmesεer oder darunter begrenzen Die Elektroden sind εo ausgeführt, daß kapazitive und induktive Anteile bei Wechselspannungsansteuerung auftreten Durch das Unterlegen einer verbreiterten Metallschicht 12a-d (z B Gold, Dicke 1 μm, Breite 100 μm) mit einem Dielektrikum lla-d (möglichst hoher Dielektrizitätskonstante) wird ein Kondensator gebildet, der gegen Masse (hier das schematisch angegebene Substrat 16) verschaltet ist. Die maanderförmigen Zuleitungen 13a-d) vergrößern die Induktivitäten der Elektrodenzufuhrungen Die Aufemanderzufuhrung der Elektroden und die elektrische Verbindung der Elektrodenenden im zentralen Bereich 14 über die Suspensionslosung fuhrt dazu, daß die induktiven, kapazitiven und ohmschen Elektrodenanteile zu einen elektronischen Netzwerk verknüpft werden Je nachdem, ob die Ausfuhrung der Elektroden gleichartig oder unterschiedlich ist, können im Zentralbereich 14 der Elektroden Resonanzen erzeugt werden, die die Feldkrafte auf das Teilchen gegenüber der gleichen Anεteuerungsamplitude der Elektroden ohne die beschriebene Anordnung um ein Vielfaches steigern (m Elektrolytloεungen können das z B Werte zwischen >1 und 1000 oder mehr sein) Jedoch dampft die Leitfähigkeit der Suspensionslosung die Hohe der Resonanz

In Figur 2 ist em vereinfachtes Ersatzschaltbild für die in Figur 1 gezeigte Elektrodenkonfiguration dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die Verschaltung der Leitungskapazitäten 21a-d) , der Elektrodeninduktivitäten 22a-d, der Suspensionεlösungswiderstände 23a-d zwischen den Elektroden und die Kapazitäten zwischen den Elektroden 24a-d zu einem Netzwerk mit vier Eingangspolen 25a-d führt. Dieses System zeigt bei Wechselspannungsansteuerung (Pol 25a - Phase = 0 Grad, Pol 25b - Phase = 180 Grad, Pol 25c - Phase = 0 Grad, Pol 25d - Phase = 180 Grad) , aber auch bei

Rotationsfeldanregung (Pol 25a - Phase = 0 Grad, Pol 25b - Phase = 90 Grad, Pol 25c - Phase = 180 Grad, Pol 25d - Phase = 270 Grad) em deutliches Resonanzverhalten. Die Frequenz kann ser.r exakt über die Induktivitäten und Kapazitäten feεtgelegt werden.

In Figur 3 ist daε Rotationε-Geεchwmdigkeitsspektrum von Sephadexpartikeln mit 70 μm Durchmesser dargestellt. Zur Messung wurde eine Mikrokammer entsprechend Figur 1 verwendet, die mit vier 90-Grad phasenverschobenen Rechtecksignalen mit 2 Volt Spitze-Spitze angeεteuert wurde. Der Abstand zweier gegenüberliegender Elektroden betrug 100 μm und es wurde eine wässrige Lösung verwendet. Bei Ansteuerung mit einer über den gesamten Frequenzbereich konstanten Spannung wurde ein Lorenzspektrum erhalten (•) . Nachdem auf dem Mikrokammerchip induktive und kapazitive Elemente integriert wurden, erhält man das durch Resonanzerscheinungen innerhalb des Zentralbereichs der Mikrokammer veränderte Spektrum (D) . Deutlich ist hier die Verstärkung des Drehmomentes bei der Resonanzfrequenz , f _res , um mehr als den Faktor 30, sowie seine Verringerung bei einem Drittel von f _res zu erkennen. Diese Verringerung lεt auf die Reεonanzverεtärkung der dritten Harmoniεchen bei der Meßfrequenz 1/3 f _res zurückzuführen. Die Ursache hierfür ist der m diesem Falle zur Grundfrequenz entgegengesetzte Drehsinn der 3. Harmonischen.

Das m Figur 1, 2 und 3 beschriebene

Quadrupolelektrodensystem eignet sich einerseits zur Zentrierung oder Halterung emeε Partikelε oder der Aggregatbildung auε Partikeln, insbesondere bei der Resonanzfrequenz, aber auch zur Vermessung einzelner Partikeln (z.B. Zellen) im Rotationεfeld. Die

Drehgeschwindigkeit des Partikels steigt dann im Resonanzfall sehr scharf und deutlich m Abhängigkeit von der Drehfrequenz des Feldes an. Werden Rechteckfelder appliziert, treten Harmonische der Grundfrequenz und damit weitere Resonanzen m den Frequenzschichten der Kräfte, die auf die Partikeln wirken, auf.

In den Figur 4A,B ist der Einfluß einer Resonanz auf das Rotationsverhalten von zwei dielektπεcnen Partikeln (hier lebende Zellen pflanzlicher oder tieπscner Herkunft) geringfügig unterεchiedlicher Eigenschaften (Dielektrizitätskonstante und/oder Leitfähigkeit) und damit die Unterscheidung mikroskopisch kleiner Teilchen im hochfrequenten Drehfeld dargestellt. Die Kurve 41 zeigt daε Rotationsverhalten (Rot = Rotationsgeschwmdigkeit alε Funktion der Drehfrequenz des Feldes (f) ) ohne Resonanz für das Teilchen vom Typ 1 (z.B. eme Zelle 1) . Es tritt eme Rotation der Zelle sowohl entgegengesetzt zur Feldrehrichtung (niedrige Frequenzen) als auch m Richtung des Drehfeldes (hohe Frequenzen) auf. Entsprechendeε lεt für em Partikel vom Typ 2 (z.B eine Zelle 2) mit der Kurve 42 dargestellt Legt man die Resonanz m die Nahe deε Nulldurchgangeε der beiden Rotationsspektren, so wird der Übergang im Rotationεverhalten (Richtungswechsel) extrem steil (Kurve 42- -> Kurve 43, Kurve 41--> Kurve 44) Unter diesen Bedingungen werden die Unterschiede m den dielektrischen Eigenschaften beider Teilchen also so ausgenutzt, daß sie sich schnell m

unterschiedliche Drehrichtung bewegen. Der Vorteil dieser Ansteuerungsart in Verbindung mit einer Resonanz ist, daß sich Teilchen, die sich in ihren Rotationsspektrum m diesem Frequenzbereich nur geringfügig unterscheiden, dennoch nach Kurve 43, 44 entgegengesetzt drehen. Nach diesem Verhalten kann man diese Teilchensorten sehr leicht identifizieren und separieren. Das gleiche Verhalten wurden Partikeln m elektrischen Wanderfelder zeigen, wobei hier die entgegengerichtete Wanderbewegung der Teilchen bei der Resonanzfrequenz direkt zum Trennen benutzt werden kann.

Figur 4B zeigt die gleiche Resonanzwirkung auf die dieelektrophoretiεcnen Kräfte, die em Partikel im Feldgradienten antreiben (45-Kraftεpektrum der Zellen vom Typ 1, 46-Kraftspektrum der Zellen vom Typ 2, 47-Veranderung des Spektrums beim Auftreten emer Reεonanz der Zelle vom Typ 1, 48-Veränderung deε Spektrums beim Auftreten einer Reεonanz der Zelle vom Typ 2) .

Figur 5 εtellt eme Reεonanzstruktur dar, bei der der Bereich 51 durch em elektrisches Feld zell- und partikelfrei gehalten wird. Zur Verstärkung des Feldeε im Bereich 51 wird die Reεonanzanordnung auε den Induktivitäten 53A und 53B und den Kapazitäten 55A und 55B ausgenutzt Die stets vorhandene Kapazität der Kammstruktur 51 wird durch die Unterlage der Elektroden mit dem Dielektrikum 52A und 52B erhöht . Der Bereich 51 kann siebartig ausgeführt sein, so daß die Losung durch die Struktur hindurchtreten kann, die Partikeln jedoch durch das elektriscne Feld zurückgehalten werden. Das Element 56 kann als Verstimmungselement zur Justage der Resonanzfrequenz genutzt werden. Eε wird auf dem Subεtrat prozeεsiert oder mikromechanisch oder auf anderem Weg über

die Flächen 52 geschoben, wobei kapazitive Änderungen auftreten, die die Schwingkreise verεtimmen.

Figur 6 stellt eme Wanderwellendielektrophoresestruktur dar. Die Partikelbewegung wird zwischen und/oder über den kammartig angeordneten Mikroelektroden (61) induziert. Wird die Struktur mit gemischten Sinussignalen (z.B. Rechtecksignalen mit dem Tastverhältnis 1:1) entsprechend der angegebenen Phasenlage angesteuert, so können die Induktivitäten 63 und Kapazitäten 62 so ausgelegt werden, daß die gewünschte Harmonische des Steuerεignalε durch Reεonanz verεtärkt wird. Dadurch ist es zum Beispiel möglich m der Kammerstruktur dieser Harmonischen die gleiche Amplitude zu verleihen wie der Grundfrequenz. Je nach Phasenbeziehung der harmonischen Frequenzen lassen sich dadurch z.B. zwei entgegengesetzt wandernde Felder eines bestimmten Frequenzverhältnisεes (z.B. f und 3*f) induzieren.

Figur 7 zeigt eine planare Matrix-Resonanzstruktur zur Partikel- und Zellmanipulation. In dieser Struktur können gleicnzeitig eme größere Menge von Partikeln oder Zellen emer Suspension manipuliert werden. Dabei steht die Suspension m den Gebieten 74 mit den Elektroden 71 galvanisch oder über eme kapazitiv wirkende Isolierschicht in elektrischem Kontakt. Zur Ansteuerung werden 4 um 90° phasenverεchobene Signale an den Punkten 73A, 73B, 73C und 73D eingespeist. Durch die Beschaltung mit geeigneten Induktivitäten 72 kommt es zu einer

Feldstärkeresonanzüberhöhung und einer entsprechenden Verstärkung der Feldkräfte auf einzelne Partikeln oder Zellen m den Losungεräumen 74. Die Anzahl der m jedem Lösungsraum 74 vorhandenen Partikeln beeinflußt das Resonanzverhalten innerhalb dieseε Löεungsraumes und fuhrt z.B. zu einer

Verminderung der auf weitere Partikeln wirkenden Feldkräfte. Durch dieεeε Verhalten der vorgeεchlagenen Struktur läßt εich eine gleichmäßige Befüllung aller Lösungεräume erreichen.

Figur 8 zeigt eine Reεonanzstruktur zur Trennung von suspendierten Partikeln oder Zellen in einem Lösungskanal 83 durch Diffusion und Feldkräfte. Die Struktur wird pulsierend oder kontinuierlich über die Anschlüsse 81 und 85 so angesteuert, daß die Partikeln oder Zellen im Wechselspiel von diffusions- und feldinduzierter Bewegung entlang des Kanals 83 wandern. Dabei werden Partikeln mit einem hohen Diffusionskoeffizienten und einer geringen positiven Dielektrophorese besonders schnell wandern. Wenn die gezeichnete Struktur so betrieben wird, daß das Suspensionsmittel die Kapazität der Elektroden 82 gegen die gemeinsame Gegenelektrode so einstellt, daß eine Resonanzüberhöhung deε Feldes erfolgt, so würde die Anwesenheit von Partikeln dieεe Kapazität verändern und die Feldstärke an diesem Ort verringern. Dadurch gewinnt die Diffusion die Oberhand über die sammelnden Feldkräfte und unerwünschte Häufungen der zu trennenden Partikeln oder Zellen werden vermieden.

Anwenαungen der erfindungsgemaßen Steuervorrichtung liegen im Sortieren und Auftrennen von Partikelgemischen, bei medizini¬ schen, biologischen, biotechnologischen, physikalischen und chemischen Applikationen, insbesondere im Zusammenhang mit dem Nachweis, der CharaKterisierung und der Identifizierung von Zellen, Organellen, Viren und Makromolekülen, im Antrieb von dielektrischen Mikromotoren oder Mikroaktuatoren vom Rotations¬ oder lineartyp, m der gerichteten Bewegung, Sortierung, Ver¬ messung, Positionierung, Zerstörung und Modifizierung suspen¬ dierter Partikeln, in Mikromanipuiationseinπchtungen, m der

Assemblierung und Verkapselung von Pharmaka, in der Formung von Mikropartikeln, m der Mikrochemie (insbesondere bei der Syn¬ these flüssiger oder fester Phasen, die erfmαungsgemaß über das Resonanzprinzip gehaltert, zusammengeführt, zur Reaktion gebracht, geteilt und/oder separiert werden) , oder in der Kom¬ bination mit spektroskopischen Meßverfahren (insbesondere mit der m der Veröffentlichung WO 96/16313 beschriebenen Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie oder anderen, insbeson¬ dere Konfokalen Fluoreszenzmeßtechniken, wie sie beispielsweise m der Veröffentlichung WO 96/13744 und der europaischen Pa¬ tentanmeldung Nr. 96 116 373.0 beschrieben sind) .