DE19860118C1 - Elektrodenanordnungen zur Erzeugung funktioneller Feldbarrieren in Mikrosystemen - Google Patents

Abstract

Es wird eine Elektrodenanordnung in einem Mikrosystem beschrieben, das zur dielektrophoretischen Manipulierung von Teilchen in einer Suspensionsflüssigkeit in einem Kanal eingerichtet ist, wobei mindestens eine Mikroelektrode auf einer seitlichen Wand des Kanals zur Erzeugung einer Feldbarriere entlang einer Bezugsfläche angeordnet ist, die den Kanal zumindest teilweise durchsetzt und die Mikroelektrode eine vorbestimmte Krümmung oder vorbestimmte Winkel in Bezug auf die Strömungsrichtung im Kanal besitzt, so daß die durch die Mikroelektrode hervorgerufene Feldwirkung vorbestimmte Krümmungen aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft Elektrodenanordnungen zur Erzeugung funktioneller Feldbarrieren in Mikrosystemen, die zur Manipu­ lierung suspendierter Teilchen eingerichtet sind, insbesondere funktionelle Mikroelektroden zur dielektrophoretischen Ablen­ kung von mikroskopischen Teilchen, und Mikrosysteme, die mit derartigen Elektrodenanordnungen ausgestattet sind sowie deren Verwendungen.

Die Manipulierung suspendierter Teilchen in fluidischen Mikro­ systemen ist allgemein bekannt und wird beispielsweise von G. Fuhr et al. in "Naturwissenschaften", Bd. 81, 1994, S. 528 ff., beschrieben. Die Mikrosysteme bilden insbesondere Kanal­ strukturen, die von einer Suspensionsflüssigkeit mit den zu manipulierenden Teilchen durchströmt werden. In der Regel be­ sitzen diese Kanalstrukturen eine rechteckige Querschnittsflä­ che, wobei die in Betriebsposition unteren und oberen Kanal­ wände (Boden- und Deckflächen) eine größere Breite als die seitlichen Kanalwände (Seitenflächen) besitzen. In den Kanal­ strukturen sind auf den Kanalwänden Mikroelektroden ange­ bracht, die mit hochfrequenten elektrischen Feldern beauf­ schlagt werden. Unter der Wirkung der hochfrequenten elektri­ schen Felder werden in den suspendierten Teilchen auf der Ba­ sis negativer oder positiver Dielektrophorese Polarisations­ kräfte erzeugt, die eine Abstoßung von den Elektroden und in Zusammenwirkung mit Strömungskräften in der Suspensionsflüs­ sigkeit eine Manipulierung der Teilchen im Kanal erlauben. Die Mikroelektroden herkömmlicher Mikrosysteme sind in der Regel auf den jeweils breiteren Kanalwänden als gerade Elektroden­ bänder angebracht.

Zur Erzeugung der für die Dielektrophorese wirksamen hochfre­ quenten elektrischen Felder wirken jeweils zwei Elektrodenbän­ der zusammen, die an gegenüberliegenden Kanalwänden mit je­ weils gleicher Gestalt und Ausrichtung angebracht sind. Die geraden Elektrodenbänder verlaufen beispielsweise parallel zur Kanalausrichtung bzw. Strömungsrichtung der Suspensionsflüs­ sigkeit im jeweiligen Kanalabschnitt oder unter einem vorbe­ stimmten Winkel schräg zur Kanalausrichtung. Die Elektroden­ bänder besitzen zur wirksamen und sicheren Ausbildung der Po­ larisationskräfte an den zu manipulierenden Teilchen eine Län­ ge, die die charakteristische Dimension der Teilchen um ein Vielfaches (Faktor rd. 20 bis 50) übersteigt.

Die herkömmlichen Mikrosysteme besitzen Nachteile in Bezug auf die Wirksamkeit der Erzeugung von Polarisationskräften, die Stabilität und Lebensdauer der Mikroelektroden und die einge­ schränkte Fähigkeit, Kräftegradienten innerhalb der Kanal­ struktur zu erzeugen. Diese Nachteile hängen insbesondere mit den über verhältnismäßig große Längen im Kanal gebildeten Elektrodenbändern zusammen. Je länger ein Elektrodenband ist, desto länger befindet sich ein vorbeiströmendes Teilchen im Wirkungsbereich des Elektrodenbandes, so daß auch die Wirksam­ keit der jeweiligen Mikroelektrode bzw. der durch sie erzeug­ ten Feldbarriere steigt. Andererseits sind die langen Elektro­ denbänder auch störanfälliger. Durch Herstellungsfehler oder mechanische Beanspruchungen können Unterbrechungen auftreten, die zum Elektrodenausfall führen. Ferner wurden die Mikroelek­ troden bisher zur Erzielung einer über die Kanallänge gleich­ bleibenden und damit reproduzierbaren Kraftwirkung auf die ge­ nannte gerade Elektrodengestaltung beschränkt.

Aufgrund der genannten Nachteile ist auch der Einsatzbereich der genannten fluidischen Mikrosysteme mit dielektrophoreti­ scher Teilchenmanipulierung auf die Führung der Teilchen in der Kanalstruktur oder die Ablenkung von Teilchen aus einer gegebenen Strömung beschränkt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Elektrodenanord­ nungen für Mikrosysteme mit dielektrophoretischer Teilchen­ ablenkung zu schaffen, mit denen die Nachteile herkömmlicher Mikrosysteme überwunden werden und die insbesondere einen er­ weiterten Anwendungsbereich besitzen und ermöglichen, auch über kürzere Kanalabschnitte wirksame Feldbarrieren zu erzeu­ gen. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, neuartige Mikrosy­ steme, die mit derart verbesserten Elektrodenanordnungen aus­ gestattet sind, und Anwendungen derartiger Mikrosysteme anzu­ geben.

Diese Aufgabe wird durch Elektrodenanordnungen mit den Merkma­ len gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausfüh­ rungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung ist insbesondere da­ zu eingerichtet, in einem Mikrosystem Feldbarrieren entlang vorbestimmter Bezugsflächen zu erzeugen, die sich zumindest teilweise über die Breite eines Kanals im Mikrosystem er­ strecken und vorbestimmte Krümmungen relativ zur Längsausdeh­ nung des Kanals, zur Strömungsrichtung der Suspensionsflüssig­ keit im Kanal oder zur Bewegungsrichtung der (nicht abgelenk­ ten) Teilchen besitzen. Mit dem Begriff "Bezugsfläche" wird in diesem Zusammenhang nicht nur ein zweidimensionales Gebilde bezeichnet, sondern ein Raumbereich, auf den sich die Feldwir­ kung der jeweiligen Mikroelektroden erstreckt und in dem die Feldbarriere zur dielektrischen Beeinflussung der mikroskopi­ schen Teilchen im Mikrosystem ausgebildet ist. Dieser Raumbe­ reich entspricht im wesentlichen einem Bereich, der von den Feldlinien der wirksamen Mikroelektroden durchsetzt wird, und erstreckt sich bei zusammenwirkenden Mikroelektrodenpaaren als gekrümmte Hyperfläche zwischen den Mikroelektroden oder bei einzeln wirkenden Mikroelektroden als Hyperfläche, die die Feldlinienverteilung der einzeln wirkenden Mikroelektrode um­ spannt. Die Bezugsflächen definieren die Orte, an denen Pola­ risationskräfte in den mikroskopischen Teilchen wirksam er­ zeugt werden können. Die Mikroelektroden werden so ausgebil­ det, daß die Bezugsflächen je nach der angestrebten Funktion der jeweiligen Mikroelektroden eine vorbestimmte Krümmung in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Teilchen im Mikrosystem besitzen, so daß eine optimale Zusammenwirkung der Polarisati­ onskräfte und der mechanischen Kräfte erzielt wird. Daher wer­ den die Feldbarrieren hier auch als funktionelle Feldbarrieren bezeichnet. Der hier benutzte Begriff "Krümmung" bezieht sich nicht auf die Krümmung von Feldlinien an geraden Mikroelektro­ den durch das Austreten der Feldlinien in den angrenzenden Raum. Die Krümmung bezeichnet vielmehr die Gestaltung der an Mikroelektroden ausgebildeten Feldbarrieren.

Die Feldbarrieren mit den erfindungsgemäß gekrümmten Bezugs­ flächen werden vorzugsweise nach einer der drei folgenden Grundformen gestaltet. Gemäß einer ersten Variante besteht ei­ ne erfindungsgemäße Elektrodenanordnung aus mindestens einer bandförmigen, gekrümmten Mikroelektrode, die sich auf der breiteren Kanalwand (Boden- und/oder Deckfläche) zumindest teilweise über die Kanalbreite erstreckt. Bei einer zweiten Variante ist mindestens eine Mikroelektrode vorgesehen, die an der schmaleren Kanalwand (Seitenfläche) angebracht ist. Bei der dritten Variante sind mindestens eine Mikroelektrode auf der Boden- und/oder Deckfläche des Kanals und mindestens eine Hilfselektrode mit Abstand von der Boden- oder Seitenfläche des Kanals angebracht. Die Hilfselektrode liefert eine Defor­ mation der von der Mikroelektrode oder den Mikroelektroden an den Boden- bzw. Seitenflächen des Kanals ausgehenden Feldlini­ en, so daß die erfindungsgemäß gekrümmten Bezugsflächen gebil­ det werden. Bei allen Varianten können die jeweiligen Elektro­ den (Mikroelektroden, Hilfselektroden) an sich band- oder punktförmig oder flächig ausgebildet sein. Die Elektrodenan­ ordnungen der zweiten und dritten Variante werden auch als dreidimensionale Elektrodenanordnungen bezeichnet, da dabei Mikroelektroden eingesetzt werden, die aus den Ebenen der Bo­ den- oder Seitenflächen des Kanals herausragen oder von diesen mit Abstand angeordnet sind.

Gegenstand der Erfindung ist somit die Optimierung von Mikro­ elektroden in Bezug auf ihre Wirkung auf suspendierte Teil­ chen, die natürliche oder synthetische Teilchen umfassen kön­ nen, z. B. zur Erzeugung maximaler Kräfte bei gleichzeitig minimierten elektrischen Verlusten.

Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Die Gestaltung der Mikroelektroden kann z. B. an das Strömungsprofil in der Suspensionsflüssigkeit angepaßt werden. Dies liefert den Vor­ teil, daß die Mikroelektroden kürzer ausgebildet werden und zur Erzeugung geringerer Barrieren ausgelegt sein können, je­ doch die gleiche Effektivität wie herkömmliche Mikroelektroden in Form gerader Bänder besitzen. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Lebensdauer und Funktionstüchtigkeit der Mikroelektro­ den und somit der gesamten Mikrosysteme aus. Außerdem kann der in einem Mikrosystem verfügbare Platz effektiver genutzt wer­ den. Es werden ferner Elektrodenanordnungen bereitgestellt, mit denen Gradienten und somit in Abhängigkeit vom jeweiligen Kanalbereich verschieden starke Kräfte erzeugt werden können. Es ist beispielsweise vorgesehen, daß die Feldbarrieren der Mikroelektroden so gestaltet sind, daß an den Teilchen in der Mitte des Kanals größere Polarisationskräfte ausgeübt werden als am Rand des Kanals.

Die erfindungsgemäße Ausbildung von Feldbarrieren entlang ge­ krümmter Bezugsflächen ermöglicht auch die Schaffung neuarti­ ger Anwendungen von Mikrosystemen, insbesondere zum Lenken von suspendierten Teilchen in bestimmte Kanalbereiche, zum Sortie­ ren von suspendierten Teilchen nach ihren passiven elektri­ schen Eigenschaften oder zum Sammeln oder Haltern suspendier­ ter Teilchen in bestimmten Kanalabschnitten. Zur letztgenann­ ten Anwendung werden die Mikroelektroden mit einer geometri­ schen Ausformung zur Halterung der Teilchen in einem Lösungs­ strom oder zur Erzeugung einer Teilchenformation ausgebildet. All die genannten Anwendungen liefern eine gegenüber dem Mikrosystem berührungsfreie Manipulierung der suspendierten Teilchen, was besonders wesentlich für die Manipulierung bio­ logischer Zellen oder Zellbestandteile ist.

Bevorzugte Anwendungen liegen in der Mikrosystemtechnik zur Separation, Manipulierung, Beladung, Fusion, Permeation, Pär­ chenbilden und Aggregatformation von mikroskopisch kleinen Teilchen.

Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den im folgenden beschriebenen Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1a bis 1d: schematische Perspektivansichten einer Kanalstruktur mit Mikroelektroden zur Erzeugung von Feldbarrieren in einem Mikrokanal und Beispiele erfindungsgemäß gekrümmter Bezugsflächen;

Fig. 2: eine schematische Draufsicht auf band­ förmige, gekrümmte Mikroelektroden;

Fig. 3: eine schematische Draufsicht auf eine abgewandelte Gestaltung bandförmiger, gekrümmter Mikroelektroden;

Fig. 4a bis 4c: schematische Ansichten zur Illustration von Sortierelektroden zur Teilchensortie­ rung;

Fig. 5a und 5b: schematische Ansichten von Mikroelektroden zur Erzeugung von Feldgradienten;

Fig. 6a bis 6e: schematische Ansichten erfindungsgemäßer bandförmiger Fangelektroden;

Fig. 7a bis 7c: weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Fangelektroden;

Fig. 8: eine Draufsicht auf verschiedene Elek­ trodenanordnungen zur Erzeugung von gekrümmten Feldbarrieren;

Fig. 9: eine schematische Ansicht einer Elektro­ denanordnung an Seitenwänden eines Kanals;

Fig. 10 bis 12: verschiedene Ausführungsformen dreidimen­ sionaler Elektrodenanordnungen; und

Fig. 13: eine schematische Draufsicht auf eine segmentierte Elektrodenanordnung.

Fig. 1a zeigt in schematischer Form beispielhaft die Ausführung von Mikroelektroden zur Erzeugung von Feldbarrieren in Mikroka­ nälen. Das fluidische Mikrosystem 20 ist ausschnittsweise in überhöht perspektivischer Seitenansicht einer Kanalstruktur dar gestellt. Der Kanal 21 wird durch zwei mit Abstand auf einem Substrat 22 angeordnete Spacer 23 gebildet, die ein Deckteil 24 tragen. Die Kanalbreite und -höhe betragen rd. 200 µm bzw. 40 µm, können aber auch kleiner sein. Derartige Strukturen werden beispielsweise mit den an sich bekannten Prozessierungstechniken der Halbleitertechnologie hergestellt. Das Substrat 22 bildet die Bodenfläche 21a des Kanals 21. Dementsprechend wird die Deckfläche 21b (aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gesondert hervorgehoben) durch das Deckteil 24 gebildet. Die Elektrodenan­ ordnung 10 besteht aus Mikroelektroden 11, 12, die auf der Bodenfläche 21a bzw. auf der Deckfläche 21b angebracht sind. Jede der Mikroelektroden 11, 12 besteht aus gekrümmten Elektro­ denbändern, die unten näher beschrieben werden.

In Fig. 1a bilden die Elektrodenbänder eine Elektrodenstruktur, die im einzelnen unten unter Bezug auf die Fig. 2 erläutert wird. Die anderen, im folgenden beschriebenen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Elektrodenanordnungen können entsprechend auf den Boden-, Deck- und/oder Seitenflächen des Kanals 21 ange­ bracht sein. Der Mikrokanal 21 wird von einer Suspensionsflüs­ sigkeit durchströmt (im Bild von rechts nach links), in der Par­ tikel 30 suspendiert sind. Die in Fig. 1a dargestellte Elektro­ denanordnung 10 besitzt beispielsweise die Aufgabe, die Partikel 30 von verschiedenen Bewegungsbahnen innerhalb des Kanals auf eine mittlere Bewegungsbahn gemäß Pfeil A zu führen. Hierzu wer­ den die Mikroelektroden 11, 12 derart mit elektrischen Poten­ tialen beaufschlagt, daß sich im Kanal elektrische Feldbarrieren ausbilden, die die von rechts anströmenden Teilchen hin zur Kanalmitte (Pfeilrichtungen B) zwingen.

Die typischen Abmessungen der Mikroelektroden 11, 12 liegen bei einer Breite von 0,1 bis zu einigen zehn Mikrometern (typischer­ weise 5 . . . 10 µm), einer Dicke von 100 nm bis zu einigen Mikro­ metern (typischerweise 200 nm) und einer Länge von bis zu mehre­ ren hundert Mikrometern. Das Innere des Kanals 21 wird durch die auf der Ober- und Unterseite der Teile 23, 24 prozessierten Elektroden auf Grund der geringfügigen Dicke der Elektroden nicht eingeschränkt. Das Teil 23 ist ein Spacer, dessen Struktu­ rierung die seitlichen Kanalwände bildet.

Die Mikroelektroden 11, 12 werden mittels hochfrequenter elek­ trischer Signale (typischerweise mit einer Frequenz im MHz- Bereich und einer Amplitude im Voltbereich) angesteuert. Die jeweils gegenüberliegenden Elektroden 11a, 11b bilden ein An­ steuerpaar, wenngleich auch die in einer Ebene liegenden Elek­ troden in ihrer Ansteuerung (Phase, Frequenz, Amplitude) zusam­ menwirken können. Das durch den Kanal 21, d. h. senkrecht zur Strömungsrichtung erzeugte elektrische Hochfrequenzfeld wirkt auf suspendierte Teilchen 30 (die auch lebende Zellen oder Viren sein können) polarisierend. Bei den genannten Frequenzen und geeigneter Leitfähigkeit der die Teilchen umgebenden Sus­ pensionsflüssigkeit werden die Teilchen von den Elektroden abge­ stoßen. Damit läßt sich der hydrodynamisch offene Kanal 21 über die elektrischen Felder an- und abschaltbar strukturieren, kom­ partimentieren bzw. lassen sich die Bewegungsbahnen der Teilchen im passiven Strömungsfeld beeinflussen. Desweiteren ist es mög­ lich, die Teilchen trotz permanenter Strömung zu retardieren bzw. auch ortsstabil ohne Berührung einer Oberfläche zu positio­ nieren. Die Art und Ausführung der dazu gebildeten Elektrodenan­ ordnungen ist auch Gegenstand der Erfindung.

Im folgenden werden Gestaltungsformen erfindungsgemäßer Elektro­ denanordnungen beschrieben, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen in den Fig. 2 bis 13 ggf. nur eine planare Elektrodenanord­ nung (oder Teile einer solchen), z. B. auf der Bodenfläche des Kanals, dargestellt ist.

Die Fig. 1b bis 1c zeigen die Grundformen von Feldbarrieren oder elektromagnetischen Begrenzungen, die mit erfindungsgemäßen Elektrodenanordnungen gemäß den obengenannten Varianten reali­ siert werden. Die Illustrationen sind Prinzipdarstellungen der Bezugsflächen, auf denen die Feldbarrieren mit erfindungsgemäßen Mikroelektroden ausgebildet werden. Aus Übersichtlichkeitsgrün­ den sind jeweils nur Teile der Seitenfläche (Spacer 23) und der Bodenfläche 21a des Kanals, die Mikroelektroden 11, 12 und der Verlauf der Bezugsflächen (schraffiert) gezeigt.

Gemäß der obengenannten ersten Variante wird die Feldbarriere im Kanal zwischen zwei gekrümmten Mikroelektroden 11, 12 auf den Boden- bzw. Deckflächen des Kanals gebildet (Fig. 1b). Die Be­ zugsfläche der Feldbarriere (schraffiert dargestellt) verläuft entsprechend als gekrümmte, auf den Boden- und Deckflächen senk­ recht stehende Fläche. Sind die Mikroelektroden 11, 12 bei­ spielsweise entsprechend einem bestimmten hyperbolischen Strö­ mungsprofil gekrümmt (s. unten), so bildet die Bezugsfläche den Ausschnitt der Mantelfläche eines hyperbolischen Zylinders. Falls die Mikroelektroden 11, 12 nicht genau übereinander ange­ ordnet sind, so wird die Bezugsfläche auch noch in Bezug auf die Boden- und Deckflächen des Kanals schiefwinklig.

Gemäß Fig. 1c umspannt die schraffiert dargestellte Bezugsflä­ che einen Raumbereich, der von Feldlinien durchsetzt wird, die von einer Mikroelektrode 11 an einer Seitenfläche des Kanals zu einer Mikroelektrode 12 an der gegenüberliegenden Seiten­ fläche verlaufen. Beim dargestellten Beispiel besitzt die er­ ste Mikroelektrode 11 eine größere Fläche als die zweite Mikroelektrode 12, so daß bei der letzteren eine Feldlinien­ konzentration auftritt. Dadurch sind die von der Feldbarriere auf suspendierte Teilchen wirkenden Polarisationskräfte nahe der zweiten Mikroelektrode 12 größer als nahe der ersten Mi­ kroelektrode 11 (s. auch Fig. 9).

Die obengenannte dritte Variante mit einer dreidimensionalen Elektrodenanordnung ist in Fig. 1d illustriert. Die Mikroelek­ troden 11, 12 befinden sich auf den Boden- bzw. Deckflächen des Kanals, während die Hilfselektrode 13 mit einer geeigneten Halterung in der Kanalmitte angeordnet ist (s. auch Fig. 10). Durch die Hilfselektrode 13 werden die Feldlinien zwischen den Mikroelektroden 11, 12 verzerrt, so daß sich die schraffiert dargestellte, gekrümmte Bezugsfläche (teilweise gezeigt) er­ gibt.

Die illustrierten Bezugsflächen stellen lediglich die Position der Feldbarrieren dar, ohne auch die in den entsprechenden Be­ reichen wirkenden Kräfte, d. h. die Höhe der Feldbarrieren, zu illustrieren. Die wirkenden Kräfte hängen im wesentlichen von der Feldliniendichte und den passiven elektrischen Eigenschaf­ ten der zu manipulierenden Teilchen im jeweiligen Kanalbereich ab. Die erfindungsgemäßen funktionellen Feldbarrieren werden somit durch die geometrische Gestalt der zusammenwirkenden Mikroelektroden sowohl in Bezug auf deren Form (Krümmungen usw.), da die dielektrophoretischen Abstoßungskräfte im we­ sentlichen senkrecht auf den Bezugsflächen stehen, als auch in Bezug auf deren Flächen (Feldliniendichte) beeinflußt.

Eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung 10 entsprechend der obengenannten ersten Variante ist in Fig. 2 dargestellt. Auf der Bodenfläche 21a des seitlich durch die Spacer 23 begrenz­ ten Kanals eines Mikrosystems sind Mikroelektroden 11a, 11b angeordnet. Die Mikroelektroden 11a, 11b werden über die Steu­ erleitungen 14 mit hochfrequenten elektrischen Potentialen be­ aufschlagt und wirken zur Bildung eines sogenannten Partikel­ trichters wie folgt zusammen.

Die Elektrodenanordnung 10 ist dazu vorgesehen, die zunächst in der gesamten Kanalbreite bzw. dem gesamten Kanalvolumen an­ strömenden Teilchen 30a berührungslos auf eine Mittellinie des Kanals zu fokussieren, wie dies durch die Position des Teil­ chens 30b illustriert ist. Der Vorteil dieser Anordnung be­ steht in der Optimierung der Elektrodenbänder in Bezug auf die Sicherheit der Ablenkung (Fokussierung) der suspendierten Teilchen, die Verkürzung der Elektrodenanordnung in Kanallängsrichtung und die Verringerung der elektrischen Ver­ luste an den Mikroelektroden.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung besteht die Grundidee der Gestaltung der Mikroelektroden darin, die Krümmung der durch die Feldbarriere gebildeten Bezugsflächen an die Strö­ mungskräfte im Kanal anzupassen. In Mikrosystemen mit Kanaldi­ mensionen unterhalb von 500 µm erfolgt nämlich wegen der bei diesen Dimensionen geringen Reynolds-Zahlen die Ausbildung la­ minarer Strömungen mit vorbestimmten Strömungsprofilen. Die Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe der Kanalwände ist gerin­ ger als in der Kanalmitte (Strömungsgeschwindigkeit unmittel­ bar an der Kanalwand gleich Null). Dadurch treten in der Nähe der Kanalwände geringere Strömungskräfte als in der Kanalmitte auf. Dies ermöglicht eine Manipulierung der Teilchen am Kanal­ rand mit geringeren Polarisationskräften oder mit steiler ge­ gen die Strömungskräfte gerichteten Polarisationskräften als in der Kanalmitte. Das Zusammenwirken der Strömungs- und Pola­ risationskräfte wird unten erläutert. Werden entlang der ge­ samten Länge der Mikroelektroden im wesentlichen gleiche Pola­ risationskräfte ausgebildet, so genügt es für eine sichere Ab­ lenkung, daß die zu manipulierenden Teilchen am Kanalrand auf steiler in den Kanal ragende Mikroelektroden treffen als in der Kanalmitte. Dies erlaubt eine wesentliche Verkürzung der Mikroelektroden (s. unten).

Die auf die Teilchen wirkenden Kräfte sind in Fig. 2 beispiel­ haft in einzelnen Abschnitten der Mikroelektrode 11a illu­ striert. Die jeweilige Gesamtkraft setzt sich aus der elek­ trisch induzierten Abstoßungskraft F_P (Polarisationskraft) und der Antriebskraft F_S zusammen, die durch die Strömung der Sus­ pensionsflüssigkeit oder auch von außen (z. B. in Zentrifugal­ systemen als Zentrifugalkraft) ausgeübt wird. Die resultieren­ de Gesamtkraft F_R ergibt sich durch Vektoraddition der Kräfte F_P und F_S. Schneidet der Vektor der Gesamtkraft F_R die Feld­ barriere der Mikroelektrode 11a nicht, so wird ein Teilchen sicher abgelenkt. Die Kräftediagramme in Fig. 2 illustrieren, daß die Antriebskraft F_S hin zur Kanalmitte zunimmt. Zur Erfül­ lung der genannten Bedingung zur sicheren Teilchenablenkung ändert sich dementsprechend der Winkel zwischen der Ausrich­ tung der Mikroelektrode 11a und der Kanallängsrichtung von ei­ nem steileren Winkel am Kanalrand hin zu einem geringen Winkel (nahezu Parallelität) in Kanalmitte.

Die Mikroelektroden 11a, 11b sind somit in Abhängigkeit vom Strömungsprofil gekrümmt ausgebildet. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht jede der bandförmigen Mikroelektroden aus einer Vielzahl jeweils gerader Elektrodenabschnitte. Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann aber auch ein steti­ ger Krümmungsverlauf vorgesehen sein. Der Krümmungsverlauf ist entsprechend den in laminaren Strömungen auftretenden parabel- oder hyperbelförmigen Strömungsprofilen entsprechend auch pa­ rabel- oder hyperbelförmig.

Die Mikroelektroden 11a, 11b bilden erfindungsgemäß die Feld­ barrieren entlang einer gekrümmten Bezugsfläche.

Die Mikroelektroden 11c, 11d sind in der Praxis nicht vorgese­ hen und dienen in der Darstellung dem Vergleich einer erfin­ dungsgemäßen Anordnung von polygonal gekrümmten Mikroelektro­ den mit geraden Elektrodenbändern gleicher Ablenkleistung. Es zeigt sich, daß die erfindungsgemäßen Mikroelektroden 11a, 11b deutlich kürzer sind.

Die in Fig. 2 gezeigten schmalen Elektrodenbänder sind gegen­ über Herstellungsfehlern und lokalen Unterbrechungen sehr emp­ findlich. Ein Haarriß am Ansatz einer bandförmigen Mikroelek­ trode führt zum Ausfall der gesamten Mikroelektrode. Dem kann mit einer Elektrodengestaltung abgeholfen werden, die schema­ tisch in Fig. 3 gezeigt ist. Die zu Fig. 3 beschriebene Struk­ turierungs- und Abdecktechnik kann auch bei den anderen Aus­ führungsformen der Erfindung implementiert werden.

Fig. 3 zeigt eine Mikroelektrode 11 mit einer Steuerleitung 14. Die Elektrode 11 besteht aus einer elektrisch leitenden Schicht 15, die eine elektrisch nichtleitende Isolations- oder Deckschicht 16 trägt. Die Isolationsschicht 16 besitzt eine Strukturierung in Form von Ausnehmungen, durch die die Schicht 15 freiliegt. In Fig. 3 ist die Isolationshicht 16 schraffiert und die (z. B. metallische) Schicht 15 schwarz gezeichnet. Die Strukturierung der Isolationsschicht erfolgt entsprechend der gewünschten Form von Mikroelektroden, die im dargestellten Beispiel zur Bildung eines Partikeltrichters wie in Fig. 2 eingerichtet sind. Die elektrischen Feldlinien treten von der metallischen Schicht 15 in den Kanal nur in den Bereichen der Ausnehmungen, so daß wiederum Feldbarrieren mit anwendungsab­ hängig gekrümmten Bezugsflächen gebildet werden. Diese Gestal­ tung besitzt den Vorteil, daß eine geringfügige Unterbrechung der freiligenden Abschnitte der metallischen Schicht 15 (d. h. der Mikroelektrode) keinen Ausfall bedeutet, da über die rest­ liche metallische Schicht 15 auch die übrigen freiligenden Be­ reiche der Mikroelektrode mit den jeweiligen Potentialen be­ aufschlagt werden. Die Schicht 15 besitzt beispielsweise eine Dicke von rd. 50 nm bis zu einigen µm, typischerweise rd. 200 nm. Die Dicke der Isolationsschicht beträgt rd. 100 nm bis zu einigen µm. Die Isolationsschicht besteht vorzugsweise aus biokompatiblen Materialien (z. B. Oxide, SiO₂, SiNO₃ und der­ gleichen, Polymere, Tantalverbindungen oder dergleichen).

Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektro­ denanordnung 10 entsprechend der obengenannten ersten Variante wird im folgenden unter Bezug auf die Fig. 4a bis 4c erläu­ tert. Eine wichtige Anwendung fluidischer Mikrosysteme besteht in der Sortierung der suspendierten Teilchen in Abhängigkeit von deren passiven elektrischen Eigenschaften (im folgenden auch als Polarisationseigenschaften bei negativer Dielektro­ phorese bezeichnet). Die Polarisationseigenschaften hängen von den dielektrischen Eigenschaften der Teilchen und deren Ausma­ ßen ab. Die dielektrischen Eigenschaften biologischer Zellen sind ein empfindlicher Indikator bestimmter Zelleigenschaften oder -veränderungen, die an sich etwa durch eine Größenbeob­ achtung nicht erfaßbar wären.

Eine Teilchensortierung in Abhängigkeit von ihren passiven elektrischen Eigenschaften basiert auf dem folgenden Prinzip. Ob ein Teilchen die von einer Sortierelektrode ausgebildete Feldbarriere passieren kann, hängt davon ab, ob die resultie­ rende Kraft aus der Antriebskraft F_S und der Polarisationskraft F_P (s. oben) die Feldbarriere schneidet oder nicht. Weist die resultierende Gesamtkraft F_R durch die Feldbarriere hindurch, so bewegt sich das Teilchen in diese Richtung, d. h. die Sor­ tierelektrode wird passiert. Weist die resultierende Kraft F_R jedoch in einen in Bezug auf die Sortierelektrode stromauf­ wärts gelegenen Bereich, so wird sich das Teilchen in diese Richtung bewegen und nicht die Sortierelektrode passieren kön­ nen. Die resultierende Kraft F_R hängt, wie oben erläutert wur­ de, von der Strömungsgeschwindigkeit des Kanals und somit von der x-Position des Teilchens ab. Hin zur Kanalmitte nimmt die Strömungsgeschwindigkeit zu. Damit werden Teilchen mit relativ großer Polarisierbarkeit, die am Kanalrand die Sortierelektro­ de nicht passieren konnten, hin zur Kanalmitte einer stärkeren Antriebskraft F_S ausgesetzt, so daß dann gegebenenfalls ein Vorbeitritt an der Sortierelektrode möglich ist. Die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit in x-Richtung folgt dem Strö­ mungsprofil und ist in der Regel nicht-linear. Dadurch würde sich bei Einsatz einer geraden Sortierelektrode ein nicht- lineares Trennverhalten ergeben. Dies wird durch die Implemen­ tierung erfindungsgemäß gekrümmter Feldbarrieren kompensiert. Hierzu werden Mikroelektroden 41a, 41b mit einer Krümmung in Abhängigkeit vom Strömungsprofil nach den unter Bezug auf Fig. 2 erläuterten Prinzipien eingesetzt.

Fig. 4a zeigt zwei Beispiele gekrümmter Mikroelektroden 41a, 41b auf der Bodenfläche 21a eines Kanals zwischen seitlichen Spacern 23. Der Kanal wird in y-Richtung von links nach rechts durchströmt, wobei die Pfeile v das Geschwindigkeits- Strömungsprofil im Kanal darstellen. Stromaufwärts vor der eigentlichen Sortierelektrode 41a oder 41b befindet sich eine geradlinige Mikroelektrode 47, deren Aufgabe darin besteht, die von links anströmenden Teilchen 30 auf eine Startlinie s zu fokussieren. Die Mikroelektrode 47 kann auch als Fokus­ sierelektrode bezeichnet werden. Sie ist (wie dargestellt) als gerade, herkömmliche Ablenkelektrode oder auch gekrümmt ausge­ führt. Stromabwärts von der Fokussierelektrode 47 ist eine der Sortierelektroden 41a oder 41b angeordnet, deren Aufgabe darin besteht, die anströmenden Teilchen 30 in Abhängigkeit von ih­ ren Polarisationseigenschaften in bezüglich der x-Richtung verschiedene Bahnen im Kanal zu überführen. Die Teilchen mit einer hohen Polarisierbarkeit 30a sollen sich von den Teilchen mit einer geringen Polarisierbarkeit 30b in y-Richtung auf verschiedenen Bahnen weiter bewegen.

Die Sortierelektrode 41a ist für eine lineare Kraftwirkung eingerichtet. Hierzu ist die Krümmung der Mikroelektrode ent­ sprechend dem Strömungsprofil ausgebildet. Bei geringen Strö­ mungsgeschwindigkeiten ist ein starker Anstellwinkel zwischen der Mikroelektrode und der y-Richtung und bei größeren Strö­ mungsgeschwindigkeiten ein geringerer Anstellwinkel ausgebil­ det. Die Mikroelektrode 41a besitzt somit eine S-Form mit ei­ nem Wendepunkt in Kanalmitte. Nach Passage der Sortierelektro­ de 41a besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der x- Koordinate des Teilchens und seiner Polarisierbarkeit. Ist eine nichtlineare Sortierwirkung beabsichtigt, so kann die Mikroelektrode wie die Sortierelektrode 11b gekrümmt sein. Die Krümmung ist schwächer als im Falle der Sortierelektrode 11a, so daß der Einfluß der Antriebskraft F_S durch die Strömungsge­ schwindigkeit nicht kompensiert wird. Je nach den eingestell­ ten Verhältnissen ergibt sich ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der x-Position der Teilchen und ihrer Polarisierbar­ keit nach Passage der Sortierelektrode 11b. Diese Gestaltung kann insbesondere zur Trennung von zwei Teilchenarten mit ver­ schiedenen Polarisierbarkeiten verwendet werden.

Experimentelle Ergebnisse haben gezeigt, daß sich mit einer Sortieranordnung gemäß Fig. 4a Erythrozyten sauber von soge­ nannten Jurkart-Zellen trennen ließen, ob beide Zellen die gleiche Größe aufweisen.

Falls das Strömungsprofil im Kanal nicht die in Fig. 4a darge­ stellte ausgeprägt parabolische Gestalt, sondern eine Plateauform besitzt, so werden Sortierelektroden 41c, 41d ge­ mäß Fig. 4b vorgesehen. Die Strömungsgeschwindigkeit steigt vom Kanalrand her zunächst an und bleibt dann in einem mittle­ ren Bereich des Kanals im wesentlichen konstant. Zur Erzielung einer linearen Sortierwirkung besitzt die Sortierelektrode 41a im mittleren Bereich eine gerade Bandform und an den Enden Krümmungen zur Berücksichtigung der sich ändernden Antriebs­ kraft F_S. Für eine nichtlineare Sortierwirkung ist die Sor­ tierelektrode 41d gekrümmt. Vom Ansatz der Sortierelektrode 41d am Steueranschluß 14 hin zu deren Ende ergibt sich eine zunehmende Wirkung der Feldbarriere.

Die Gestalt der Sortierelektroden kann auch an kompliziertere Strömungsprofile angepaßt werden, wie dies in Fig. 4c gezeigt ist. Im Mikrosystem 20 münden ein erster Kanal 211 mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit und ein zweiter Kanal 212 mit einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit in einen gemeinsamen Kanal 21. Aufgrund der Laminarität der Strömung bleibt das Strömungsprofil auch im gemeinsamen Strömungsverlauf zunächst erhalten. Entsprechend sind die Sortierelektroden 41e bzw. 41f zur Erzielung einer bestimmten linearen oder nichtlinearen Sortierwirkung gekrümmt ausgebildet. Je geringer die Strö­ mungsgeschwindigkeit, desto größer ist der Anstellwinkel zwi­ schen der Richtung der Mikroelektrode (Ausrichtung der Bezugs­ fläche) und der Kanallängsrichtung (y-Richtung).

In den Fig. 4b und 4c ist aus Übersichtlichkeitsgründen die Fokussierelektrode 17 gemäß Fig. 4a nicht dargestellt.

Die oben erläuterte Sortierung erfolgt unter der Annahme eines über die gesamte Mikroelektrodenlänge konstanten Potentials. In der Realität treten jedoch geringfügige elektrische Ver­ luste entlang der Mikroelektrode auf, so daß die Feldbarriere vom Ansatz der Mikroelektrode (bei der Steuerleitung) hin zu ihrem Ende immer kleiner wird. Diese Erscheinung kann bei der Krümmung der Sortierelektroden berücksichtigt werden, indem auf der Steuerleitungsseite des Kanals eine größere Elektro­ denkrümmung vorgesehen ist als am Ende der Sortierelektroden. Die genannte Erscheinung kann jedoch auch bewußt für zusätzli­ che, nichtlineare Trennwirkungen ausgenutzt werden. Der Potentialabfall hin zum Ende der Mikroelektroden kann bei ab­ gewandelten Ausführungsformen speziell durch Maßnahmen zur Ausbildung von Feldgradienten verstärkt werden. Dies bedeutet, daß die Höhe der durch die Mikroelektrode gebildeten Feldbar­ riere im Verlauf des gekrümmten Elektrodenbandes zu- oder ab­ nimmt. Derartige Gradientenelektroden können mit einer Gestalt gemäß Fig. 5 aufgebaut sein.

Zur Teilchensortierung in Bezug auf verschiedene Merkmalsgrup­ pen können mehrere Sortierelektroden gemäß Fig. 4 in Kanal­ richtung aufeinanderfolgend angeordnet werden. Jede Sortier­ elektrode ist mit einem charakteristischen Potential oder Potentialverlauf bei einer vorbestimmten Frequenz beauf­ schlagt. So können beispielsweise relativ niedrige Frequenzen (im Bereich von rd. 10 kHz) zur Sortierung in Bezug auf ver­ schiedene dielektrische Membraneigenschaften und hohe Frequen­ zen (oberhalb 100 kHz) zur Sortierung in Abhängigkeit von der zytoplasmatischen Leitfähigkeit von biologischen Zellen ver­ wendet werden.

Fig. 5 zeigt Gradientenelektroden 51a, 51b aus Übersichtlich­ keitsgründen mit geraden Elektrodenbändern. Zur Einstellung erfindungsgemäß ausgebildeter Feldbarrieren mit gekrümmten Be­ zugsflächen besitzen die dargestellten Gradientenelektroden zusätzlich noch eine charakteristische, anwendungsabhängige Krümmung entsprechend den oben erläuterten Prinzipien.

Die Gradientenelektrode 51a wird durch ein geschlossenes, um eine dreieckige Fläche geführtes Elektrodenband gebildet. Mit zunehmendem Abstand von der Steuerleitung 14 wird die Feldli­ niendichte entsprechend der Auffächerung des Dreiecks gering. Entsprechendes gilt für die Gradientenelektrode 51b mit zwei divergierenden Teilbändern 511b und 512b.

Eine weitere wichtige Anwendung fluidischer Mikrosysteme be­ steht im Sammeln und zumindest zeitweisen Anordnen von Teil­ chen oder Teilchengruppen im suspensionsflüssigkeitsdurch­ strömten Kanal. Hierzu werden erfindungsgemäße Elektrodenan­ ordnungen als Fangelektroden gestaltet, wie dies im folgenden unter Bezug auf die Fig. 6 bis 8 erläutert wird.

Fig. 6a zeigt die Grundform einer Fangelektrode. Wiederum ist lediglich eine Mikroelektrode auf der Boden- oder Deckfläche eines Kanals gezeigt, die mit einer zweiten Mikroelektrode auf der gegenüberliegenden Kanalseite zusammenwirkt. Eine Fang­ elektrode 61a besteht aus einem Elektrodenband mit einem Win­ kelabschnitt 611a und einem Zuführungsabschnitt 612a. Der Win­ kelabschnitt 611a bildet einen in Strömungsrichtung (x- Richtung) weisenden Winkel. Der Öffnungswinkel des Winkelab­ schnittes 611a wird in Abhängigkeit von der Gestalt der einzu­ fangenden Teilchen gewählt und ist vorzugsweise kleiner als 90°, z. B. im Bereich von 20 bis 60°. Die gegenüberliegenden Winkelabschnitte zusammenwirkender Elektroden bilden eine für die einzufangenden Teilchen 30 auch unter Wirkung der An­ triebskraft durch die Strömung nicht passierbare Barriere. Diese Barriere bleibt für die Dauer der Ansteuerung der Fang­ elektroden erhalten. Der Zuführabschnitt 612a ist durch eine Isolationsschicht 16 elektrisch unwirksam. Fig. 6b zeigt eine abgewandelte Form einer Fangelektrode 61b, die entsprechend der oben unter Bezug auf Fig. 3 erläuterten Abdecktechnik her­ gestellt ist. Der elektrisch wirksame Winkelabschnitt 611b wird durch eine Ausnehmung in der Isolationsschicht 16 gebil­ det, durch die eine tieferliegende metallische Schicht 15 hin zur Suspensionsflüssigkeit mit den Teilchen offen liegt.

Die Fig. 6c und 6d zeigen entsprechende Fangelektroden 61c und 61d jeweils mit einer Vielzahl von Winkelabschnitten 611c bzw. 611d. Diese Winkelabschnitte sind wiederum zum Auffangen anströmender Partikel 30 eingerichtet. Durch die Aneinander­ reihung der Winkelabschnitte 611c bzw. 611d quer zur Ka­ nallängsrichtung (x-Richtung) können die in den verschiedenen Kanalbereichen anströmenden Teilchen selektiv aufgefangen wer­ den. Eine Fangelektrode 61c bzw. 61d wird vorteilhafterweise mit einer der Sortierelektroden gemäß den Fig. 4a bis 4c kom­ biniert. Die sortierten Teilchen werden separat in den einzel­ nen Fangbereichen der Fangelektroden aufgefangen. Die Fange­ lektrode 61d entspricht im wesentlichen der Fangelektrode 61c, wobei die genannte Abdecktechnik implementiert wurde.

Die Fangelektroden 61c bzw. 61d sind besonders gut geeignet eine Aufreihung von Teilchen in der Suspensionsströmung nach Art einer Startlinie zu bilden, von der die Teilchen bei Ab­ schalten der Steuerpotentiale der Fangelektroden simultan fortströmen.

Fig. 6e zeigt eine weitere Ausführungsform einer Fangelektrode 61e, bei der auch eine Vielzahl von Winkelabschnitten 611e vorgesehen sind, die jedoch für die Sammlung bzw. das Auffan­ gen verschieden großer Teilchen oder verschieden großer An­ sammlungen aus diesen eingerichtet sind.

Die Ansammlung einer Teilchengruppe 300 mit einer Fangelektro­ de 71a ist in Fig. 7a illustriert. Diese Ausführungsform einer Fangelektrode unterscheidet sich von der Fangelektrode gemäß Fig. 6a lediglich durch die Ausmaße. Diese Gestaltung eignet sich besonders gut zur Bildung von Teilchenaggregaten. Wieder­ um wird eine Kombination mit einer Sortieranordnung gemäß den Fig. 4a bis 4c bevorzugt realisiert.

Die Elektrodenanordnung gemäß Fig. 7b ist zum separaten Auf­ fangen von Teilchen oder Teilchengruppen aus der Suspensions­ strömung im Kanal eingerichtet, die sich in Bezug auf ihre Strömungsbahn in x-Richtung unterscheiden. Die Mikroelektro­ denanodnung 71b umfaßt mehrere Teil-Fangelektroden jeweils mit einem Winkelabschnitt 711b, die separat ansteuerbar sind. Bei Kombination einer derartigen Fangelektrodenanordnung mit einer Sortieranordnung gemäß den Fig. 4a bis 4c kann mit besonderem Vorteil die folgende Verfahrensweise realisiert werden.

Zunächst wird ein Teilchengemisch, das durch den Kanal im Mi­ krosystem strömt, in Abhängigkeit von den passiven elektri­ schen Eigenschaften der Teilchen sortiert und somit auf ver­ schiedene, in x-Richtung voneinander beabstandete Bahnen ge­ lenkt. Dann erfolgt die teilchenartspezifische Sammlung der in den einzelnen Bahnen anströmenden Teilchen mit einer Fangelek­ trode gemäß Fig. 7b. Durch eine zeitlich aufeinanderfolgende Freigabe der Teil-Fangelektroden (jeweils durch Abschalten der Steuerpotentiale) können die vorher sortierten Teilchen grup­ penweise im Mikrosystem weitergeströmt werden. Im weiteren Ka­ nalverlauf kann beispielsweise eine Aufspaltung in mehrere Teilkanäle erfolgen, in die die Gruppen der Teilchenarten spe­ zifisch gelenkt werden.

Fig. 7c zeigt eine weitere Fangelektrode 71c zur Erzeugung ei­ ner vorbestimmten Partikelformation.

Die Winkelabschnitte der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Fang­ elektroden können sich anwendungsabhängig über die gesamte Kanalbreite oder nur über Teile des Kanals erstrecken. Inner­ halb einer Elektrodenanordnung können Fangelektroden für ein­ zelne Teilchen und/oder für Teilchengruppen vorgesehen sein.

Weitere Ausführungsformen kombinierter Sortier- und Fangelek­ troden sind in der Draufsicht auf die Bodenfläche 21a eines durch die Spacer 23 begrenzten Kanals gemäß Fig. 8 illu­ striert. Der Kanal wird in y-Richtung von der Suspensionsflüs­ sigkeit mit suspendierten Teilchen durchströmt. Gemäß Fig. 8a wirkt eine flächige Mikroelektrode 81a auf der Bodenfläche 21a mit einer geraden, bandförmigen Mikroelektrode 82a (gestri­ chelt eingezeichnet) auf der entgegengesetzten Deckfläche des Kanals zusammen. Die flächige Mikroelektrode 81a ist durch die oben erläuterte Abdecktechnik hergestellt. Eine metallische Schicht trägt eine Isolationsschicht 86 mit einer Ausnehmung entsprechend der Gestalt der Mikroelektrode 81a (schwarz ge­ zeichnet). Die Feldlinien zwischen den Mikroelektroden 81a und 82a verlaufen quer zur Strömungsrichtung in inhomogener Weise, so daß sich eine asymmetrische Feldbarriere bzw. wiederum eine erfindungsgemäß gekrümmte Bezugsfläche ergibt. In Kanalmitte ist die Feldliniendichte am größten, so daß auch die elek­ trisch erzeugten Kräfte im Bereich der höchsten Strömungsge­ schwindigkeit liegen. Dadurch wird in x-Richtung quer über die Kanalbreite ein im wesentlichen konstantes Gleichgewicht zwi­ schen der Antriebskraft durch die Strömung und der elektri­ schen Polarisationskraft ausgebildet. Gemäß Fig. 8b wird wie­ derum eine Feldbarriere mit gekrümmter Bezugsfläche gebildet. Die Mikroelektroden 81b, 82b sind beide linear oder bandförmi­ ge ausgeführt und nicht gegenüberliegend, sondern versetzt zu­ einander angeordnet.

Eine Elektrodenanordnung zur Bildung von Teilchenaggregaten ist in Fig. 8c gezeigt. Die Mikroelektroden 81c, 82c bilden eine Reihe nebeneinander angeordneter, trichterförmiger Parti­ kelfänger. Jeder Partikelfänger 11 wird durch eine Feldbarrie­ re gebildet, die sich in Strömungsrichtung zunächst trichter­ förmig verengt und dann in einen geraden Kanalabschnitt 812 mündet. Der Kanalabschnitt ist so bemessen, daß zwei Teilchen in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet werden können. Durch Ausbildung von Adhäsionskräften bilden die Partikel ein Aggregat (sogenannte Pärchenbeladung in Strömungsrichtung). Die Ausführungsform gemäß Fig. 8d ist dahingehend abgewandelt, daß eine Pärchenbeladung quer zur Strömungsrichtung erfolgt. Dabei sind die einzelnen Fängerelemente 811d mit eingangssei­ tigen Elektrodenspitzen 813d ausgebildet, mit denen eine zu­ sätzliche Barrierewirkung oder Filterwirkung erzielt wird und bereits vorhandene Aggregate oder größere Teilchen 30d von einer Anordnung in der Fangelektrode 81d ausgeschlossen wer­ den.

Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektro­ denanordnung gemäß der obengenannten zweiten Variante ist in Fig. 9 dargestellt. Im Mikrosystem 20 ist zwischen den Spacern 23 ein Kanal 21 gebildet, der durch eine Trennwand 231 in Teilkanäle 211 und 212 unterteilt ist. Die Trennwand 231 be­ sitzt eine Öffnung 232, in deren Bereich an den Seitenflächen des Kanals 21 die Mikroelektroden 91 und 92 angebracht sind.

Die Mikroelektroden 91 und 92 sind sogenannte dreidimensionale oder hohe Elektroden, die an den Seitenflächen aus den Ebenen der Boden- und Deckflächen des Kanals 21 herausragen. Die Her­ stellung der Mikroelektroden 91 und 92 erfolgt mit an sich be­ kannten Techniken der Halbleiterprozessierung (z. B. mit dem LIGA-Verfahren). Die Mikroelektrode 91 ist flächig ausgeführt. Die Feldlinien reichen zur gegenüberliegenden, bandförmig aus­ geführten Mikroelektrode 92 und bilden damit einen gekrümmten Fangbereich mit der in Fig. 1c illustrierten Bezugsfläche.

Werden die Mikroelektroden 91, 92 mit elektrischen Hochfre­ quenzpotentialen angesteuert, so werden die Partikel 30 mit negativer Dielektrophorese durch die Öffnung 232 in den be­ nachbarten Teilkanal gedrückt. Diese Teilchenablenkung kann wiederum selektiv in Abhängigkeit von den passiven elektri­ schen Eigenschaften der suspendierten Teilchen erfolgen. Teil­ chen mit geringer Polarisierbarkeit bleiben im Ausgangskanal, während Teilchen mit hoher Polarisierbarkeit in den Nachbarka­ nal abgelenkt werden.

Bei der Gestaltung gemäß Fig. 9 ist es nicht zwingend erfor­ derlich, daß die Mikroelektrode 91 beschaltet ist. Sie kann erdfrei geschaltet sein (floating) oder auch ganz weggelassen werden. Im letzteren Fall wirkt die Mikroelektrode 92 als An­ tenne. Die Mikroelektroden 91, 92 erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Höhe der Seitenflächen des Kanals.

Ein Ausführungsbeispiel einer Elektrodenanordnung entsprechend der obengenannten dritten Variante ist in Fig. 10 (entspre­ chend Fig. 1d) illustriert. In einem Mikrosystem verlaufen wiederum zwei Teilkanäle 211, 212 parallel zueinander und durch eine Trennwand 231 mit einer Öffnung 232 voneinander ge­ trennt. Die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung besteht aus den Mikroelektroden auf den Boden- und Deckflächen in Form von Fokussierungselektroden 101, 102 und der Hilfselektrode 103. Die Hilfselektrode ist an der Trennwand 231 an die Öffnung 232 angrenzend an der stromabwärts gelegenen Seite der Öffnung 232 angeordnet. Die Hilfselektrode 103 verfügt nicht über eine Steuerleitung. Sie dient lediglich der Formung der Bezugsflä­ che der durch die Elektrodenanordnung gebildeten Feldbarrie­ ren. Die Mikroelektroden wirken wie folgt zusammen.

Die Fokussierelektroden 101 und 102 dienen jeweils der Fokus­ sierung der in den Teilkanälen 211 bzw. 212 anströmenden Teil­ chen 30a, 30b auf eine Mittellinie entsprechend der Position der Öffnung 232 in der Trennwand 231. Analog zum unter Bezug auf Fig. 9 erläuterten Ablenkprinzip werden die Teilchen durch die Feldbarriere zwischen der Fokussierelektrode 101 und der Hilfselektrode 103 bzw. zwischen der Fokussierelektrode 102 und der Hilfselektrode 103 durch die Öffnung 232 in den be­ nachbarten Teilkanal abgelenkt oder im gegebenen Teilkanal be­ lassen. Gemäß einer bevorzugten Verfahrensweise werden die Fo­ kussierelektroden 101, 102 mit verschiedenen Frequenzen be­ trieben, um teilchenselektiv zu wirken. Demtentsprechend ist wiederum eine selektive Teilchensortierung in die Teilkanäle oder eine Ablenkung vorbestimmter Teilchen in einen benachbar­ ten Teilkanal zur Durchführung einer bestimmten Wirkstoffbe­ handlung mit der dort gegebenen Suspensionsflüssigkeit erziel­ bar.

Eine weitere dreidimensionale Elektrodenanordnung ist in Fig. 11 dargestellt. Ein Kanal 21 wird in y-Richtung mit einer Sus­ pensionsflüssigkeit durchströmt. Auf der Bodenfläche 21a ist eine Gruppe von Mikroelektroden 111 angeordnet, die in den Ka­ nal 21 hineinragen und voneinander beabstandet in Strömungs­ richtung (y-Richtung) ausgerichtet sind. Jede Mikroelektrode 111 besitzt die Form eines Quaders. Die Mikroelektroden 111 bestehen aus Metall oder besitzen eine metallische Oberflä­ chenbeschichtung, ohne selbst mit einer Steuerleitung versehen zu sein.

Auf der gegenüberliegenden Kanalwand (Deckfläche, nicht darge­ stellt) ist eine flächige Elektrodenanordnung 112 (Ablenkelek­ trode) vorgesehen, die mit den Mikroelektroden 111 wie folgt zusammenwirkt. Die in y-Richtung strömenden Teilchen 30a wer­ den den Feldbarrieren ausgesetzt, die durch die feldformenden Mikroelektroden 111 asymmetrisch und durch gekrümmte Bezugs­ flächen gekennzeichnet sind. Wiederum erfolgt eine Ablenkung der Teilchen in Abhängigkeit von den passiven elektrischen Eigenschaften. Schwach polarisierbare Teilchen 31a strömen weiter in y-Richtung, während stärker polarisierbare Teilchen 30b in die Abstände zwischen den feldformenden Elektroden 111 abgelenkt werden. Die abgelenkten Teilchen 30b werden dement­ sprechend aufgefangen oder aufgesammelt und nicht mehr mit der Strömung in y-Richtung weiter transportiert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Elektrodenan­ ordnung gemäß Fig. 11 an einer Kreuzung von zwei Kanälen vor­ gesehen. Der Kanal 21 in y-Richtung wird von einem (nicht dar­ gestellten) Kanal gekreuzt, durch den eine Suspensionsflüssig­ keit in x-Richtung (Pfeile A) strömt. Diese laterale Zusatz­ strömung transportiert die abgelenkten Teilchen 30b kon­ tinuierlich aus den Zwischenräumen zwischen den feldformenden Elektroden 111 in den Querkanal.

Die Geometrie der feldformenden Mikroelektroden 111 kann an die Strömungsverhältnisse und den Feldverlauf in den Elektro­ denzwischenräumen und die Gestalt der gegenüberliegenden Elek­ trodenanordnung 112 angepaßt sein.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 11 kann durch Bereitstellung einer volumenförmigen feldformenden Elektrode 121 anstelle der feldformenden Elektroden 111 gemäß Fig. 12 modifiziert werden. Die volumenförmige Mikroelektrode wird auch als Sammelelektro­ de 121 bezeichnet. Die Sammelelektrode 121 befindet sich bei­ spielsweise auf der Bodenfläche eines Kanals (nicht darge­ stellt) und besteht aus einem quaderförmigen Block aus metal­ lischem oder metallisch beschichtetem Material mit einer Viel­ zahl von spalten- und reihenweise angeordneten Bohrungen oder Reservoiren 121a. Die Sammelelektrode ist auf der Vorderseite geschnitten dargestellt, so daß die Reservoire 121a erkennbar sind. Die Sammelelektrode 121a wirkt wie folgt mit der flächi­ gen Elektrodenanordnung 122 (Ablenkelektrode) auf der gegen­ überliegenden Kanalwand zusammen. Zwischen den Mikroelektroden 122, 121 wird eine asymmetrische Feldbarriere erzeugt, die da­ zu eingerichtet ist, selektiv Teilchen in die Reservoire 121a abzulenken. Die Teilchen 30 strömen y-Richtung durch den Kanal. Teilchen, die durch die Feldwirkung nach unten in die Sammelelektrode 121 abgelenkt werden, gelangen in die Reser­ voire 121a und werden dort fixiert. Nachdem sämtliche Reser­ voire 121a gefüllt sind, kann die Ansteuerung der Elektroden­ anordnung derart erfolgen, daß die Teilchen simultan aus den Reservoiren 121a in die Strömung überführt und in dieser als Teilchen- oder Aggregatformation weiter transportiert werden. Hierzu kann gegebenenfalls unterhalb der Sammelelektrode 121 eine weitere flächige Elektrodenanordnung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die im wesentlichen wie die flächige Elektro­ denanordnung 122 ausgebildet ist.

Gemäß einem besonderen Gesichtspunkt der Erfindung können die Mikroelektroden bei den einzelnen Gestaltungsformen an sich segmentiert sein. In diesem Fall besteht jede Mikroelektrode aus einer Reihe von Elektrodensegmenten, die entsprechend der gewünschten Elektrodenfunktion angeordnet sind. Eine besonders vielseitig einsetzbare Mikroelektrode 131 ist in Fig. 13 als Array einer Vielzahl von matrixartig angeordneten, pixelförmi­ gen Elektrodensegmenten dargestellt. Die Elektrodensegmente sind über der gesamten Breite der Bodenfläche 21a zwischen den Spacern 23 angeordnet und einzeln ansteuerbar. Dies ermöglicht die Ausbildung der gewünschten gekrümmten Feldbarrieren, ins­ besondere entsprechend der obengenannten ersten Variante, in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung, insbesondere in Ab­ hängigkeit von den jeweils zu manipulierenden Teilchen, den Strömungsverhältnissen und der Aufgabe des Mikrosystems. In Fig. 13 sind die momentan angesteuerten Pixel schwarz und die nicht-angesteuerten Pixel weiß gezeichnet. In diesem Fall übernimmt die segmentierte Mikroelektrode 131 die Funktion ei­ nes Partikeltrichters gemäß Fig. 2, mit dem die Teilchen 30 in die Kanalmitte fokussiert werden.

Die pixelförmigen Elektrodensegmente ermöglichen eine verlust­ minimierende Fokussierung, Sortierung oder Sammlung von Teil­ chen. Jedes Elektrodensegment kann mit einem eigenen Poten­ tialwert (Spannung) bzw. einer eigenen Frequenz ansgesteuert werden. Damit läßt sich ein beliebig vorzugebendes dielektri­ sches Kraftfeld entlang des Kanales ausbilden. So z. B. läßt sich der Einfluß des Strömungsprofiles dadurch kompensieren, daß die quer zur Kanallängsrichtung angeordneten Pixel mit einer Spannung entsprechend der Quadratwurzel des Profils der Strömungsgeschwindigkeit angesteuert werden.

Die Größe der Elektrodensegmente und Abstände zwischen den Elektrodensegmenten sind vorzugsweise kleiner als charak­ teristische Dimensionen der zu manipulierenden Teilchen, können aber auch größer sein.

Sämtliche Teilchenmanipulierungen erfolgen berührungsfrei, so daß sich erfindungsgemäße Mikrosysteme besonders für die Mani­ pulierung biologischer Zellen oder Zellbestandteile eignen.

Claims (20)

1. Elektrodenanordnung in einem Mikrosystem, das zur dielek­ trophoretischen Manipulierung von Teilchen in einer Suspen­ sionsflüssigkeit in einem Kanal eingerichtet ist, wobei mindestens eine Mikroelekrode auf einer Wand des Kanals zur Erzeugung einer Feldbarriere entlang einer Bezugsfläche ange­ ordnet ist, die den Kanal zumindest teilweise durchsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroelektrode eine vorbestimmte Krümmung oder vorbestimm­ te Winkel in Bezug auf die Strömungsrichtung im Kanal besitzt, so daß die durch die Mikroelektrode hervorgerufene Feldwirkung vorbestimmte Krümmungen aufweist.

2. Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 1, bei der die Elektro­ denanordnung mindestens zwei an gegenüberliegenden Kanalwänden angebrachte Mikroelektroden gleicher Gestalt und Ausrichtung umfaßt, die jeweils die Form eines gekrümmten Bandes besitzen.

3. Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 2, bei der die Mikro­ elektroden in Abhängigkeit vom Strömungsprofil so gekrümmt sind, daß in jedem Abschnitt der Feldbarriere der Mikroelek­ trode die auf ein Teilchen wirkende resultierende Kraft in einen Bereich weist, der stromaufwärts in Bezug auf die Mikro­ elektrode gelegen ist.

4. Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 3, bei der vier Mikro­ elektroden als Fokussierelektroden zur Bildung eines Partikel­ trichters angeordnet sind.

5. Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 2, bei der die Mikro­ elektroden so gekrümmt sind, daß die auf ein Teilchen wirkende resultierende Kraft von einem Ende der Mikroelektrode hin zum anderen Ende eine Richtungsänderung durchläuft, die von einer Richtung in einen in Bezug auf die Mikroelektrode stromabwärts gelegenen Bereich zu einer Richtung in einen in Bezug auf die Mikroelektrode stromaufwärts gelegenen Bereich führt.

6. Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 5, bei der zwei Mikro­ elektroden als Sortierelektroden vorgesehen sind, deren Feld­ barriere mit dem Strömungsprofil der Suspensionsflüssigkeit im Kanal so zusammenwirkt, daß suspendierte Teilchen mit ver­ schiedenen passiven elektrischen Eigenschaften die Sortier­ elektroden je nach ihren Eigenschaften auf getrennten Bahnen passieren können.

7. Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 2, bei der an gegenüber­ liegenden Kanalwänden mindestens zwei Mikroelektroden gleicher Gestalt und Ausrichtung vorgesehen sind, die jeweils einen stromabwärts geschlossenen Winkelabschnitt aufweisen.

8. Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 7, bei der die Mikro­ elektroden als Fangelektroden zusammenwirken.

9. Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 7 oder 8, bei der eine Gruppe von Fangelektroden in Kanalquerrichtung angeordnet sind.

10. Elektrodenanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei der die Mikroelektroden paarweise jeweils auf den Bo­ den- und Deckflächen des Kanals angeordnet sind.

11. Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 1, bei der zwei Mikro­ elektroden an gegenüberliegenden Kanalwänden vorgesehen sind, die verschiedene geometrische Formen besitzen.

12. Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 11, bei der der Kanal eine rechteckige Querschnittsgestalt besitzt und die Mikro­ elektroden an den schmaleren Seitenflächen angebracht sind und eine flächige Mikroelektrode auf einer Seitenfläche und eine bandförmige Mikroelektrode auf der gegenüberliegenden Seiten­ fläche umfassen.

13. Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 12, bei der die flächi­ ge Mikroelektrode erdfrei angeordnet ist.

14. Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 12 oder 13, bei der der Kanal durch eine Trennwand in zwei Teilkanäle getrennt ist, wobei die Trennwand im Bereich der gegenüberliegend angeordne­ ten Mikroelektroden eine Öffnung aufweist.

15. Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 1, bei der drei Mikro­ elektroden vorgesehen sind, von denen zwei Mikroelektroden als Fokussierelektroden an den Boden- und Deckflächen des Kanals angebracht und eine dritte Mikroelektrode als Hilfselektrode mit Abstand von den Boden- und Deckflächen in der Mitte des Kanals angeordnet ist.

16. Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 15, bei der der Kanal durch eine Trennwand in zwei Teilkanäle mit einer Öffnung stromaufwärts in Bezug auf die Hilfselektrode geteilt ist.

17. Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 1, bei der an einer Ka­ nalwand eine quaderförmige Sammelelektrode mit einer Vielzahl von Reservoiren angeordnet ist, die mit einer Ablenkelektrode auf der gegenüberliegenden Kanalwand zur Ablenkung von Teil­ chen in die Reservoire zusammenwirkt.

18. Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 1, bei der an einer Ka­ nalwand eine Vielzahl von quaderförmigen, voneinander beab­ standeten Teilelektroden vorgesehen sind, die mit einer auf der gegenüberliegenden Kanalwand angeordneten Ablenkelektrode zur Ablenkung von Teilchen in die Abstände zwischen den qua­ derförmigen Teilelektroden eingerichtet ist.

19. Mikrosystem zur dielektrophoretischen Manipulierung von Teilchen, das mit einer Elektrodenanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestattet ist.

20. Verwendung einer Elektrodenanordnung gemäß einem der An­ sprüche 1 bis 18 zum Ablenken, Sortieren, Sammeln und/oder Formieren von mikroskopisch kleinen Teilchen.