DE19952322C2

DE19952322C2 - Method and device for particle separation

Info

Publication number: DE19952322C2
Application number: DE19952322A
Authority: DE
Inventors: Rolf Guenther; Gabriele Gradl
Original assignee: Evotec OAI AG
Current assignee: Evotec OAI AG
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2019-10-30
Also published as: WO2001031315A1; DE19952322A1; EP1226419A1

Abstract

In einem Partikelgemisch (1) aus einer Vielzahl von Partikeln in einem fluidischen Mikrosystem werden Zielpartikel (2) mit vorbestimmten Partikeleigenschaften von Restpartikeln (3) getrennt. Es erfolgen ein Positionieren von Partikeln in Beobachtungsfeldern an Funktionselementen (30) in einer ersten Kanalstruktur (10), wobei die Funktionselemente Elektrodenanordnungen aufweisen, an denen inhomogene elektrische Felder erzeugt werden, die dielektrophoretische Kräfte auf die Partikel ausüben, ein Vermessen der Partikel zur Ermittlung der Partikeleigenschaften mit einer Erfassung der Beobachtungsfelder, die die Zielpartikel (2) bzw. die Restpartikel (3) enthalten, ein Ausbilden optischer Käfige an den Beobachtungsfeldern, die die Ziel- oder Restpartikel enthalten, und ein gleichzeitiges Übertragen der Ziel- und Restpartikel in eine benachbarte zweite Kanalstruktur (20), wobei optische Kräfte der optischen Käfige und dielektrische Polarisationskräfte der Funktionselemente (30) zusammenwirken.In a particle mixture (1) consisting of a large number of particles in a fluidic microsystem, target particles (2) with predetermined particle properties are separated from residual particles (3). Particles are positioned in observation fields on functional elements (30) in a first channel structure (10), the functional elements having electrode arrangements on which inhomogeneous electric fields are generated that exert dielectrophoretic forces on the particles, measuring the particles to determine the Particle properties with detection of the observation fields that contain the target particles (2) or the residual particles (3), formation of optical cages on the observation fields that contain the target or residual particles, and simultaneous transfer of the target and residual particles into an adjacent one second channel structure (20), optical forces of the optical cages and dielectric polarization forces of the functional elements (30) interacting.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von Partikel gemischen nach bestimmten Partikeleigenschaften, insbesondere ein Trennverfahren für Gemische mikroskopisch kleiner Partikel in fluidischen Mikrosystemen, und eine Trenneinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for separating particles mixtures according to certain particle properties, in particular a separation process for mixtures of microscopic particles in fluidic microsystems, and a separation device for Execution of the procedure.

Eine häufig bei biologischen oder medizinischen Untersuchun gen, in der Diagnostik sowie in biotechnologischen Prozessen gestellte Aufgabe besteht in der Trennung von Suspensionsge mischen durch Verteilung oder Sortierung von Zellen oder Mi kropartikeln aus einer großen Ausgangsmenge in bestimmte Gruppen mit jeweils den gleichen Eigenschaften. Beispielswei se kann die Transfektion einer Zellinie oft nur unvollständig durchgeführt werden, so daß vor einer weiteren Bearbeitung oder Nutzung dieser Zellinie die erfolgreich transfizierten Zellen von den nicht erfolgreich bearbeiteten Zellen getrennt werden müssen. Insbesondere das Aussortieren selten vorkom mender Individuen stellt eine sehr hohe Anforderung an das Trennverfahren hinsichtlich der Reinheit und Homogenität der Zielfraktion. Ein weiteres Beispiel im medizinischen Bereich ist mit der Knochenmarktransplatation gegeben, bei der Stamm zellen von einer großen Zahl anderer Zellen getrennt werden müssen. Auch bei der Analyse von fetalen Zellen im mütterli chem Blut müssen einige wenige fetale Zellen von dem Zellen gemisch abgetrennt werden, das sich im mütterlichen Blut be findet. Eine wichtige Aufgabe in der Tumordiagnostik ist die Erkennung, das Aussortieren und die Analyse von metastasie renden Krebszellen im Blut des Patienten. Es sind verschiede ne Methoden zur Trennung von Zellgemischen bekannt, die die Trennaufgabe jedoch nur unvollkommen lösen. Hierzu zählen insbesondere die Affinitätschromatographie, Trennverfahren auf der Basis von Fluoreszenzmarkierungen wie zum Beispiel die Fluoreszenz-aktivierte Zellsortierung (FACS), auf der Ba sis von Markierung mit ferromagnetischen Partikeln, die Ma gnet-aktivierte Zellsortierung (MACS) und mikroskopische Ver fahren.Often used in biological or medical examinations gene, in diagnostics and in biotechnological processes The task is to separate the suspension ge mix by distributing or sorting cells or Mi croparticles from a large starting quantity into certain Groups with the same characteristics. Beispielswei The transfection of a cell line can often only be incomplete be carried out so that before further processing or use this cell line to successfully transfect it Separate cells from unsuccessful cells Need to become. Sorting in particular rarely occurs Individuals places very high demands on this Separation process with regard to the purity and homogeneity of the Target fraction. Another example in the medical field is given with the bone marrow transplantation, with the stem cells are separated from a large number of other cells have to. Also when analyzing fetal cells in the maternal chem blood must have a few fetal cells from the cells be separated mixture that is in the mother's blood place. An important task in tumor diagnostics is Detection, sorting and analysis of metastasia cancer cells in the patient's blood. They are different ne methods for the separation of cell mixtures known, the Solve separation task only imperfectly. Which includes especially affinity chromatography, separation processes based on fluorescent labels such as fluorescence-activated cell sorting (FACS), on which Ba sis of marking with ferromagnetic particles, the Ma gnet-activated cell sorting (MACS) and microscopic ver drive.

Die Affinitätschromatographie wie auch die MACS (oder: Pan ning-Verfahren) sind auf Trennvorgänge beschränkt, bei denen die Zellen an der Zelloberfläche ein Molekül exprimieren, das eine Affinität zu einer weiteren, bekannten oder unbekannten Substanz besitzt. Bei der Affinitätschromatographie wird die se Substanz auf eine Chromatographiematrix, zum Beispiel auf der Basis von Beads, aufgebracht. Eine Suspension der zu tren nenden Zellen wird über diese Matrix gegeben, so daß die ex primierenden Zellen daran haften, während die anderen Zellen fort gespült werden. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht neben der Beschränkung auf zelluläre Systeme mit einer Ober flächenexpression von Molekülen, in der hohen mechanischen Belastung der Zellen und der geringen Trennschärfe der Chroma tographie. Die Trennschärfe ist schwach, da viele Zellen mit geringer Affinität unspezifisch an der Matrix hängenbleiben, die eigentlich nicht zu den abzutrennenden Zellen gehören. In der Praxis ist die Affinitätschromatographie auf die Trennung von mechanisch wenig empfindlichen Bakterien beschränkt.Affinity chromatography as well as MACS (or: Pan ning processes) are limited to separation processes in which the cells on the cell surface express a molecule that an affinity for another, known or unknown Possesses substance. In affinity chromatography, the on a chromatography matrix, for example the base of beads. A suspension of the tren cells is given over this matrix, so that the ex priming cells adhere to it while the other cells be washed away. The disadvantage of this method is in addition to the limitation to cellular systems with an upper Area expression of molecules, in the high mechanical Strain on the cells and the poor selectivity of the chroma chromatography. The selectivity is poor because there are many cells low affinity hang unspecifically on the matrix, which are not actually part of the cells to be separated. In in practice is affinity chromatography on the separation limited by bacteria that are not mechanically sensitive.

Beim Magnet-aktivierten Trennen von Zellen wird die Zellsus pension mit mikrometergroßen Magnetpartikeln, auf die die af fine Substanz aufgebracht ist, gemischt und die Magnetpartikel zusammen mit den Zielzellen mithilfe eines außerhalb des Reak tionsgefäßes befindlichen Magneten abgetrennt. Auch hier ist die Verschleppung unspezifisch anhaftender Zellen an die Ma gnetpartikel eine erhebliche Einschränkung des Verfahrens hin sichtlich der Reinheit der Zielfraktion. When cells are magnetically activated, the cells become pension with micrometer-sized magnetic particles, on which the af fine substance is applied, mixed and the magnetic particles along with the target cells using an outside of the reak tion vessel located magnets separated. Here too the spread of unspecific adherent cells to the Ma gnetparticles a considerable limitation of the process visually the purity of the target fraction.

Beim Fluoreszenz-aktivierten Trennen von Zellen (FACS) werden diese in einem Flüssigkeitsstrom durch eine dünne Kapillare transportiert, wobei in der Regel noch ein weiterer, zell freier Hüllstrom vorgesehen ist. Dieser Strom wird von einem Tropfengenerator in Einzeltropfen zerlegt, die aus der Kapil lare in einen freien Meßraum emittiert werden. Die Tropfen passieren im Flug eine optische Meßstrecke, in der sie einer Streulicht- und/oder Fluoreszenzlichtmessung unterzogen wer den. Hierzu werden ein oder mehrere Laser auf die Flugbahn der Tropfen in der optischen Meßfläche fokussiert. Die gemessenen Streulicht- und/oder Fluoreszenzintensitäten erlauben die Feststellung, ob bestimmte Zelleneigenschaften gegeben sind oder nicht. In Abhängigkeit vom Meßergebnis wird eine nach der Meßstrecke angeordnete Verteilereinrichtung, zum Beispiel auf der Basis einer mechanischen Prallplatte oder einer elek trostatischen Ablenkvorrichtung, betätigt.When using fluorescence-activated cell separation (FACS) this in a liquid flow through a thin capillary transported, usually another, cell free envelope flow is provided. This current is from one Drop generator disassembled into single drops from the Kapil lare be emitted into a free measuring room. The drops pass an optical measuring section in flight, in which one of them Scattered light and / or fluorescent light measurement who subjected the. For this, one or more lasers on the trajectory of the Drops focused in the optical measuring surface. The measured Scattered light and / or fluorescence intensities allow that Determine whether certain cell properties exist or not. Depending on the measurement result, one after the Measuring section arranged distribution device, for example the base of a mechanical baffle plate or an elec trostatic deflector, operated.

Der Nachteil der fluoreszenzaktivierten Zelltrennung besteht darin, daß es sich um ein serielles Verfahren handelt. Der optische Aufwand für die Meßstrecke ist so groß, daß eine Par allelisierung für praktische Anwendungen zu aufwendig ist. Entsprechendes gilt für die Tropfenerzeugung und die Vertei lereinrichtung. Um beispielsweise 10000 Zellen pro Sekunde analysieren zu können, muß bei einer seriellen Verfahrensweise die Meßzeit auf 100 ms oder weniger beschränkt werden. In der art kurzen Zeitbereichen sind Messungen zwar möglich, aber auch mit relativ großen Fehlern behaftet, so daß die Trenn schärfe des Verfahrens negativ beeinflußt wird.The disadvantage of fluorescence-activated cell separation is in that it is a serial process. The optical effort for the test section is so great that a par allelization is too complex for practical applications. The same applies to the drop generation and the distribution lereinrichtung. For example, 10,000 cells per second To be able to analyze must be in a serial procedure the measurement time may be limited to 100 ms or less. In the Measurements are possible in short time ranges, however also with relatively large errors, so that the separation sharpness of the process is adversely affected.

Die mikroskopische Zelltrennung basiert darauf, eine zweidi mensionale Schicht von Zellen (sogenannter Zellrasen) zu bil den und mit einem Mikroskop abzurastern. Von jeder Zelle wird ein Bild aufgenommen, das einer Bildauswertung zur Feststel lung vorbestimmter Zelleigenschaften unterzogen wird. Je nach dem Auswertungsergebnis wird eine Pickvorrichtung dazu verwendet, einzelne Zellen nach der Messung aus dem Zellrasen zu lösen und einem Zielort zuzuführen. Eine besonders hohe Auflö sung bei der Bildaufnahme wird durch Einsatz der konfokalen Mikroskopie erzielt. Auch dieses Verfahren besitzt Beschrän kungen vor allem in bezug auf den Durchsatz der Pickvorrich tung. Ohne Zellen zu beschädigen, kann maximal im Rhythmus von ca. 10 s jeweils ein Pickvorgang erfolgen, der darüber hinaus eine mechanische Belastung der zu trennenden Zellen darstellt.Microscopic cell separation is based on two dimensional layer of cells (so-called cell lawn) to bil and scan it with a microscope. From every cell a picture taken, which an image evaluation for the Feststel is subjected to predetermined cell properties. Depending on a picking device is used to evaluate the result individual cells after measurement from the cell lawn too solve and deliver to a destination. A particularly high resolution solution in image acquisition is achieved by using the confocal Microscopy achieved. This method also has limitations especially regarding the throughput of the picking device tung. Without damaging cells, the maximum rhythm can be A picking process takes approx. 10 s each, which is moreover represents a mechanical load on the cells to be separated.

Die genannten Probleme treten nicht nur bei der Trennung von Zellgemischen, sondern allgemein bei der Trennung von Parti kelgemischen natürlichen und/oder synthetischen Ursprungs auf.The problems mentioned do not only occur when separating from Cell mixtures, but generally when separating parti mixed natural and / or synthetic origin.

In Fig. 7 ist ein aus der Mikrosystemtechnik allgemein bekann tes Prinzip der Verteilung von Partikeln illustriert. Ein fluidisches Mikrosystem 100' enthält eine erste Kanalstruktur 10' und eine zweite Kanalstruktur 20', die aneinandergrenzen de, zum Beispiel nebeneinander oder übereinander angeordnete, Kanäle oder Kammern umfassen. Ein in einer Flüssigkeit suspen diertes Partikelgemisch 1' wird in der ersten Kammerstruktur 10' zu einem Feldkäfig 30' bewegt. Sobald ein Partikel im Feldkäfig 30' positioniert ist, erfolgen an dieser Beobach tungsposition eine Vermessung des Partikels mit elektrischen Mitteln und nach Freigabe des Partikels vom Feldkäfig 30' in Abhängigkeit vom Meßergebnis eine Ansteuerung einer Ablenke lektrode 40' derart, daß der Partikel in die zweite Kanal struktur 20' überführt oder zur weiteren Bewegung in der er sten Kanalstruktur 10' verbleibt (siehe Pfeile). Dieses Ver fahren ist wegen der seriellen Trennweise nachteilig. Soll das Trennverfahren gemäß Fig. 5 mit mehreren. Feldkäfigen durchge führt werden, so müßten entsprechend mehrere Ablenkelektroden selektiv verstimmt werden. Dies ist jedoch wegen der elektri schen Wechselwirkung benachbarter Strukturen in praktisch in teressierenden Zeitbereichen nicht zuverlässig durchführbar und es würde zu unerwünschten Fehltrennungen kommen. Ein weiterer Nachteil besteht in der Beschränkung auf die Messung elektrischer Eigenschaften der Partikel im Mikrosystem. FIG. 7 illustrates a principle of the distribution of particles which is generally known from microsystem technology. A fluidic microsystem 100 'contains a first channel structure 10 ' and a second channel structure 20 'which adjoin one another, for example, channels or chambers arranged side by side or one above the other. A particle mixture 1 'suspended in a liquid is moved in the first chamber structure 10 ' to a field cage 30 '. As soon as a particle is positioned in the field cage 30 ', a measurement of the particle with electrical means takes place at this observation position and, after the particle has been released from the field cage 30 ', depending on the measurement result, a deflection electrode 40 'is driven such that the particle enters the second channel structure 20 'transferred or for further movement in which it most channel structure 10' remains (see arrows). This method is disadvantageous because of the serial separation method. If the separation process shown in FIG. 5 with a plurality of. Field cages are carried out, so several deflection electrodes would have to be selectively detuned. However, due to the electrical interaction of adjacent structures, this cannot be reliably carried out in practically interesting time ranges and undesirable fault separations would occur. Another disadvantage is the limitation to the measurement of electrical properties of the particles in the microsystem.

Aus EP 0 827 371 ist ein Gerät zur Manipulierung mikroskopisch kleiner Proben in einer Zellenanordnung mit Hilfe von Laserstrahlen bekannt.From EP 0 827 371 a device for manipulation is microscopic small samples in a cell array using Laser beams known.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Trennver fahren anzugeben, das sich durch einen hohen Durchsatz, eine hohe Trennschärfe und eine geringe mechanische Belastung der zu trennenden Partikel auszeichnet. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine Trennvorrichtung zur Implementierung eines derartigen Verfahrens anzugeben.The object of the invention is an improved Trennver drive indicate that is characterized by a high throughput, a high selectivity and low mechanical stress distinguishes particles to be separated. The object of the invention is also to implement a separator to specify such procedure.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß den Patenansprüchen 1 bzw. 17 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These tasks are solved by a method and a device with the features according to the patent claims 1 and 17 , respectively. Advantageous embodiments and applications of the invention result from the dependent claims.

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, eine Partikeltren nung in einem fluidischen Mikrosystem durchzuführen, in dem die zu trennenden Partikel zunächst einzeln oder gruppenweise in einer Vielzahl von Funktionselementen auf der Basis von Feldkäfigen oder anderen geeigneten Feldbarrieren durch nega tive Dielektrophorese positioniert und an dieser Beobach tungsposition (oder: in diesem Beobachtungsfeld) vermessen werden. Beim Vermessen werden vorbestimmte Eigenschaften der zu trennenden Partikel und dementsprechend die Positionen der Partikel ermittelt, die aus dem Gemisch zu trennen sind bzw. die Positionen der Partikel, die zum Restgemisch gehören. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden die abzutrennen den Partikel auch Zielpartikel und die zum übrigen Gemisch gehörenden Partikel Restpartikel genannt. Um die Ziel- oder Restpartikel in eine benachbarte Kanalstruktur des Mikrosys tems zu übertragen, werden die Ziel- oder Restpartikel nach der Vermessung einzeln oder simultan einer Laserbestrahlung zur Bildung jeweils eines optischen Käfigs unterzogen. Die Laserbestrahlung kann hierbei innerhalb eines Feldkäfigs, an einer Feldbarriere oder in Fließrichtung unmittelbar hinter einem Feldkäfig oder einer Feldbarriere erfolgen. Dementspre chend werden die Ziel- oder Restpartikel zusätzlich zu den elektrischen Feldkräften auch optischen Kräften ausgesetzt. Je nach Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Übertragung der Ziel- oder Restpartikel durch Verschiebung der optischen Käfige in die benachbarte Kanalstruktur oder durch Öffnen des elektrischen Feldkäfige hin zur benachbarten Kanalstruktur bei gleichzeitigem Festhalten der optischen Käfige. Diese Übertragung kann auch für mehrere Ziel- oder Restpartikel gleichzeitig erfolgen. Die Zielpartikel werden entsprechend in der benachbarten oder in der ursprünglichen Kanalstruktur des Mikrosystems gesammelt und weiter bearbeitet.The basic idea of the invention is to separate particles to perform in a fluidic microsystem in which the particles to be separated are initially separated individually or in groups in a variety of functional elements based on Field cages or other suitable field barriers through nega tive dielectrophoresis positioned and on this observer measurement position (or: in this observation field) become. When measuring, predetermined properties of the particles to be separated and, accordingly, the positions of the Determines particles to be separated from the mixture or the positions of the particles that belong to the residual mixture. in the The present description will separate them the particles also target particles and the rest of the mixture belonging particles called residual particles. To the target or Residual particles in an adjacent channel structure of the microsys To transfer tems, the target or residual particles after the measurement individually or simultaneously of laser radiation undergo an optical cage to form each. The Laser radiation can occur within a field cage a field barrier or in the flow direction immediately behind a field cage or a field barrier. Accordingly spreader The target or residual particles are added to the electrical field forces also exposed to optical forces. Depending on the embodiment of the invention, the transmission takes place the target or residual particles by shifting the optical Cages in the adjacent channel structure or by opening the electrical field cages to the adjacent channel structure while holding the optical cages at the same time. This Transfer can also be for multiple target or residual particles done simultaneously. The target particles are made accordingly in the neighboring or in the original channel structure of the microsystem and processed further.

Gemäß einer Grundform der Erfindung erfolgt ein Verteilen der Ziel- bzw. Restpartikel in zwei Gruppen. Durch stufenweises Wiederholen der Trennung jeweils unter Bezug auf andere Parti keleigenschaften kann auch ein Sortieren in mehrere Ziel- bzw. Restpartikelgruppen erfolgen.According to a basic form of the invention, the Target or residual particles in two groups. By gradual Repeat the separation with reference to other parties sorting into multiple target or Residual particle groups take place.

Eine Vorrichtung zur Partikeltrennung in fluidischen Mikrosy stemen umfaßt erfindungsgemäß eine erste Kanalstruktur mit Elektrodeneinrichtungen zur Bildung einer Vielzahl von Funkti onselementen (z. B. dielektrische Feldkäfige) eine benachbarte, zweite Kanalstruktur, die an den Positionen der Funktionsele mente mit der ersten Kanalstruktur über Öffnungen verbunden ist, eine Lasereinrichtung, die zur Bildung optischer Käfige in jedem dielektrischen Feldkäfig ausgebildet ist, und eine Lichtmodulatoreinrichtung, mit der in jeder vorgegebenen Posi tion der jeweilige optische Käfig einzeln ein- bzw. ausge schaltet werden kann.A device for particle separation in fluidic microsys according to the invention comprises a first channel structure Electrode devices for forming a variety of functions on elements (e.g. dielectric field cages) an adjacent, second channel structure that at the positions of the functional elements elements connected to the first channel structure via openings is a laser device used to form optical cages is formed in each dielectric field cage, and one Light modulator device with the in any given position tion of the respective optical cage individually on or off can be switched.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Übertragung der Zielpartikel durch Einschalten der optischen Käfige in oder hinter den Feldkäfigen oder Feldbarrieren mit den Zielpartikeln, Einfangen der Zielpartikel in den optischen Käfigen und Verschieben der optischen Käfige in die zweite Kanalstruktur, während die Restpartikel in der ersten Kanal struktur bleiben. Die zweite Kanalstruktur liegt dabei entwe der in y-Richtung parallel seitlich zu der ersten (relativ zur Fließrichtung des Partikelstroms) versetzt. In diesem Fall geschieht das Verschieben der in den optischen Käfigen gehal tenen Partikel durch Verschieben der Vorrichtung in xy- Richtung relativ zur optischen Achse des Laserstrahls. Oder die zweite Kanalstruktur liegt in z-Richtung entlang der opti sche Achse über der ersten Kanalstruktur. In diesem Fall ge schieht das Verschieben der Partikel in die zweite Ebene durch Fokusverstellung der optischen Käfige.According to a first embodiment of the invention, the Transmission of the target particles by switching on the optical Cages in or behind the field cages or field barriers the target particles, capturing the target particles in the optical Cages and moving the optical cages to the second Channel structure while the residual particles in the first channel stay structure. The second channel structure is either which is parallel to the first in the y direction (relative to the Direction of flow of the particle stream). In this case there is a shift in the cages in the optical cages particles by moving the device in xy- Direction relative to the optical axis of the laser beam. Or the second channel structure lies in the z direction along the opti cal axis above the first channel structure. In this case ge moves the particles through to the second level Focus adjustment of the optical cages.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung werden die Zielpartikel ebenfalls in den jeweiligen dielektrischen Feld käfigen in optischen Käfigen gehalten, während die Restparti kel in den übrigen dielektrischen Feldkäfigen unbeleuchtet und somit frei von optischen Kräften bleiben. Zur Partikeltrennung werden sämtliche Feldkäfige derart verstimmt, daß dielektri sche Abstoßungskräfte ausgebildet werden, die auf die Partikel in den Feldkäfigen hin zu der zweiten Kanalstruktur gerichtet sind. Darauf hin werden die Restpartikel in die zweite Kanal struktur übertragen, während die Zielpartikel unter Wirkung der optischen Kräfte trotz der Feldkäfigverstimmung in der ersten Kanalstruktur verbleiben.According to a second embodiment of the invention, the Target particles also in the respective dielectric field cages kept in optical cages while the rest of the parties unlit in the other dielectric field cages and thus remain free of optical forces. For particle separation all field cages are detuned in such a way that dielectri cal repulsive forces are formed on the particles in the field cages directed towards the second channel structure are. Thereupon the remaining particles are in the second channel structure transferred while the target particles are under effect the optical forces despite the field cage detuning in the first channel structure remain.

Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Mit dem erfin dungsgemäßen Prinzip des seriellen oder parallelen Vermessens einer Vielzahl von Partikeln mit einer anschließenden paralle len Übertragung der Zielpartikel wird der Durchsatz der Parti keltrennung im Vergleich zu den herkömmlichen Techniken erheb lich erhöht. Die Vermessung der Partikel in den dielektrischen Feldkäfigen kann schonend ohne nachteilige. Auswirkungen auf die Partikel durchgeführt werden. Für die Vermessung steht genügend Zeit zur Verfügung, um die jeweils gesuchten Eigenschaften der Partikel zuverlässig zu ermitteln. Insbesondere das Aussortieren von selten vorkommenden Partikeln in einer großen Ausgangspopulation kann so mit hoher Zuverlässigkeit erfolgen, da alle Partikel einzeln adressierbar sind. Die dielektrischen Feldkäfige oder Feldbarrieren trennen die ein zelnen Partikel während der Prozedur räumlich voneinander. Die optischen Käfige ermöglichen ein Erfassen einzelner Partikel ohne Übersprechen auf andere Partikel. Damit wird die Trenn schärfe der Partikeltrennung erheblich verbessert. Die Vermes sung kann sich auf elektrische und/oder optische Eigenschaften der Partikel beziehen. Die Erfindung ist mit beliebigen Parti keln natürlichen oder synthetischen Ursprungs implementierbar, die in fluidischen Mikrosystemen manipulierbar sind. Ein wei terer Vorteil besteht in der Kompatibilität des Trennverfah rens mit der verfügbaren Mikrosystemtechnik.The invention has the following advantages. With the invent principle of serial or parallel measurement according to the invention a large number of particles with a subsequent parallel The throughput of the particles becomes the transmission of the target particles Separation compared to conventional techniques Lich increased. Measurement of particles in the dielectric Field cages can be handled gently without any disadvantage. consequences on the particles are carried out. Stands for the survey enough time to find the properties you are looking for to reliably determine the particles. In particular sorting out rare particles in one large starting population can thus be highly reliable because all particles can be addressed individually. The dielectric field cages or field barriers separate them separate particles spatially apart during the procedure. The optical cages enable the detection of individual particles without crosstalk to other particles. This will separate Sharpness of particle separation significantly improved. The Vermes solution can affect electrical and / or optical properties of the particles. The invention is with any part can be implemented of natural or synthetic origin, that can be manipulated in fluidic microsystems. A white Another advantage is the compatibility of the separation process rens with the available microsystem technology.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersicht lich. Es zeigen:Further advantages and details of the invention will become apparent from the following description of the accompanying drawings Lich. Show it:

Fig. 1: eine schematische Draufsicht eines Mikrosystems mit einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung, Fig. 1 is a schematic plan view of a microsystem according to the invention with a separating device,

Fig. 2: eine schematische Seitenansicht eines Mikrosystems gemäß Fig. 1, Fig. 2 shows a schematic side view of a microsystem according to FIG 1.

Fig. 3: eine schematische Draufsicht eines Mikrosystems mit einer weiteren erfindungsgemäßen Trennvorrichtung, Fig. 3 shows a schematic top view of a microsystem according to the invention with a further separating device,

Fig. 4: eine schematische Seitenansicht auf ein Mikrosystem gemäß Fig. 3, Fig. 4 is a schematic side view of a microsystem according to FIG 3.

Fig. 5: eine schematische Draufsicht eines Mikrosystems mit einer zweidimensionalen, flächigen Matrixanordnung von Feldkäfigen und einem für die erfindungsgemäße Ausführung typi schen Strömungsprofil, Fig. 5 is a schematic top view of a microsystem with a two-dimensional, two-dimensional matrix array of field cages, and a rule for the inventive embodiment typi airfoil,

Fig. 6: eine schematische Draufsicht eines Mikrosystems mit einer zweidimensionalen, flächigen Matrixanordnung von Feld barrieren, und Figure 6 is a schematic plan view of a barrier micro system with a two-dimensional, two-dimensional matrix array of field, and.

Fig. 7: eine schematische Draufsicht auf einen herkömmli chen Einzelpartikelverteiler (Stand der Technik). Fig. 7: a schematic plan view of a conventional single particle distributor (prior art).

Eine erste Ausführungsform der Erfindung, die in den Fig. 1 und 2 illustriert ist, basiert auf der Kombination von dielek trischen Feldkäfigen mit verstellbaren optischen Käfigen. Eine erfindungsgemäße Trennvorrichtung 200, die in ein fluidisches Mikrosystem 100 integriert ist, umfaßt eine Vielzahl dielek trischer Feldkäfige 30, in denen mit der Lasereinrichtung 40 und der Optik 42 jeweils ein optischer Käfig mit verstellbarem Fokus 41 gebildet ist. Das Bezugszeichen 43 weist auf einen Lichtmodulator, mit dem die optischen Käfige in den Feldkäfi gen 30 selektiv ein- bzw. ausgeschaltet werden können.A first embodiment of the invention, which is illustrated in FIGS . 1 and 2, is based on the combination of dielectric field cages with adjustable optical cages. A separating device 200 according to the invention, which is integrated in a fluidic microsystem 100 , comprises a plurality of dielectric field cages 30 , in each of which an optical cage with adjustable focus 41 is formed with the laser device 40 and the optics 42 . Reference numeral 43 indicates a light modulator with which the optical cages in the field cages 30 can be selectively switched on or off.

Die Erzeugung optischer Käfige und deren Verwendung zur Mani pulierung mikroskopisch kleiner Partikel ist an sich bekannt (s. z. B. A. Ashkin et al. in "Nature", Bd. 330, 1987, S. 796 ff., und G. Weber et al in "International Review of Cytology", Bd. 133, 1992, S. 1 ff.). Einzelheiten des Laser betriebs (z. B. Leistung, Wellenlänge etc.) und der Strahlfo kussierung können bei der Realisierung des erfindungsgemäßen Systems auf der Grundlage der bekannten Techniken an die kon krete Trennaufgabe angepaßt werden.The creation of optical cages and their use for mani pulverization of microscopic particles is known per se (See, e.g., A. Ashkin et al. in Nature, Vol. 330, 1987, Pp. 796 ff., And G. Weber et al in "International Review of Cytology ", vol. 133, 1992, pp. 1 ff.). Details of the laser operational (e.g. power, wavelength etc.) and the beam fo kissing can be in the implementation of the invention Systems based on the known techniques to the kon Crete separation task can be adjusted.

Das Mikrosystem 100 umfaßt mindestens zwei Kanalstrukturen 10, 20. Die Kanalstrukturen 10, 20 umfassen jeweils Mikroka näle oder Mikrokammern mit anwendungsabhängig gewählter Ge stalt. Beim dargestellten Beispiel sind beispielsweise zwei in Betriebsfunktion übereinander angeordnete Kanäle vorgese hen. Sie können aber auch nebeneinander angeordnet sein. Die Kanäle sind aus Kunststoff-, Glas oder Halbleitermaterialien mit aus der Mikrosystemtechnik an sich bekannten Verfahren hergestellt und dazu ausgelegt, von Flüssigkeiten mit suspen dierten Partikeln durchströmt zu werden. Die Kanäle besitzen charakteristische Dimensionen, die in Abhängigkeit von der Anwendung so gewählt sind, daß ein unbehinderter Suspensions durchsatz möglich ist. Dient das Mikrosystem beispielsweise der Manipulierung biologischer Zellen (charakteristische Grö ße: 10 µm), so besitzt jeder Kanal einen typischen Quer schnitt, der größer als 10 µm ist und beispielsweise bis zu 50 µm beträgt. Zum Trennen synthetischer Partikel (beads), zum Beispiel bei Anwendungen in der kombinatorischen Chemie, können die Kanäle aber auch charakteristische Querschnittsdi mensionen im Bereich von 100 bis 200 µm besitzen. Um eine op tische Partikelvermessung in den Feldkäfigen zu gewährlei sten, werden die Wände des Mikrosystems 100 entsprechend min destens teilweise transparent gestaltet.The microsystem 100 comprises at least two channel structures 10 , 20 . The channel structures 10 , 20 each comprise micro channels or micro chambers with an application-dependent selected shape. In the example shown, two channels arranged one above the other in the operational function are provided, for example. But they can also be arranged side by side. The channels are made of plastic, glass or semiconductor materials using methods known per se from microsystem technology and are designed to be flowed through by liquids with suspended particles. The channels have characteristic dimensions, which are selected depending on the application so that an unimpeded suspension throughput is possible. If the microsystem is used, for example, to manipulate biological cells (characteristic size: 10 µm), each channel has a typical cross section that is larger than 10 µm and, for example, up to 50 µm. To separate synthetic particles (beads), for example in applications in combinatorial chemistry, the channels can also have characteristic cross-sectional dimensions in the range from 100 to 200 µm. In order to guarantee an optical particle measurement in the field cages, the walls of the microsystem 100 are designed to be at least partially transparent.

In der ersten Kanalstruktur 10 des Mikrosystems 100 ist eine Vielzahl von Feldkäfigen 30 gebildet. Jeder Feldkäfig 30 um faßt eine Gruppe von schematisch dargestellten Mikroelektroden 31, die an den Deck- und Bodenflächen der jeweiligen Kanal struktur angebracht sind. Die Mikroelektroden 31 sind dazu ausgelegt, mit Hochfrequenzfeldern derart beaufschlagt zu wer den, daß sich zwischen den Mikroelektroden 31 eine Feldvertei lung ergibt, in der auf dielektrische Partikel Polarisations kräfte erzeugt werden, die die Partikel im Inneren des Feldkä figs halten. Einzelheiten des Aufbaus und der Ansteuerung von dielektrischen Feldkäfigen und Feldbarrieren sind an sich be kannt (s. z. B. G. Fuhr et al. in "Electromanipulation of Cells", CRT Press Inc., 1996, S. 259 ff.). A multiplicity of field cages 30 are formed in the first channel structure 10 of the microsystem 100 . Each field cage 30 comprises a group of schematically illustrated microelectrodes 31 , which are attached to the top and bottom surfaces of the respective channel structure. The microelectrodes 31 are designed to be exposed to high-frequency fields in such a way that there is a field distribution between the microelectrodes 31 in which polarization forces are generated on dielectric particles, which hold the particles inside the field cage. Details of the construction and control of dielectric field cages and field barriers are known per se (see BG Fuhr et al. In "Electromanipulation of Cells", CRT Press Inc., 1996, p. 259 ff.).

Im Mikrosystem 100 ist ferner eine Ladeeinrichtung 50 vorgese hen, die zur Verteilung von Partikeln auf die Feldkäfige 30 der Trennvorrichtung 200 ausgelegt ist. Die Ladeeinrichtung 50, deren Funktion im einzelnen unten erläutert wird, ist je doch kein zwingendes Merkmal der Erfindung und kann alternativ auch durch andere Lade- oder Aufreihglieder ersetzt werden.In the microsystem 100 , a charging device 50 is also provided, which is designed to distribute particles to the field cages 30 of the separating device 200 . The loading device 50 , the function of which will be explained in detail below, is however not a mandatory feature of the invention and can alternatively also be replaced by other loading or aligning members.

Die Beladung der Beobachtungspositionen oder -felder kann beispielsweise auch passiv durch Transport der Partikelsus pension über den laminaren Flüssigkeitsstrom vorgenommen wer den. Das Strömungsprofil in den Mikrokanälen der Vorrichtung ist nicht parabolisch, sondern verläuft über den größten Teil des Kanals - mit Ausnahme der äußersten Randbereiche - gerad linig (siehe Fig. 5), da der Kanal erheblich breiter ist, als hoch. So werden die Partikel über den größten Teil des Kanals gleichmäßig schnell transportiert und die Feldkäfige oder Feldbarrieren werden statistisch gleichmäßig beladen. Ablen kelektroden 63 am Rand des Kanals dienen dazu, Partikel aus den strömungsberuhigten Randzonen des Kanals in Zonen mit gleichförmiger Strömung zu befördern. Die Ablenkelektroden können dabei auch Teil von Feldkäfig- oder Feldbarrierenelek troden sein. Sollte eine Beobachtungsposition einmal unbe setzt bleiben, ist dies für das weitere Verfahren unerheb lich.The loading of the observation positions or fields can, for example, also be carried out passively by transporting the particle suspension via the laminar liquid flow. The flow profile in the microchannels of the device is not parabolic, but runs straight across most of the channel - with the exception of the outermost edge regions (see FIG. 5), since the channel is considerably wider than it is high. In this way, the particles are transported uniformly quickly over the major part of the channel and the field cages or field barriers are statistically evenly loaded. Deflection electrodes 63 on the edge of the channel serve to convey particles from the flow-reduced edge zones of the channel into zones with a uniform flow. The deflection electrodes can also be part of field cage or field barrier electrodes. If an observation position remains unoccupied, this is irrelevant for the further procedure.

Die Kanalstrukturen 10, 20 sind, abgesehen von Öffnungen 11 im Bereich jedes Feldkäfigs 30, durch eine durchgehende Wandung voneinander getrennt. Die Aufgabe des Trennverfahrens besteht nun darin, ein in der ersten Kanalstruktur 10 entsprechend der Pfeilrichtung A eingeströmtes Partikelgemisch 1 in Zielparti kel 2, die bei dieser Ausführungsform der Erfindung in die zweite Kanalstruktur 20 übertragen werden sollen, und Restpar tikel 3 zu trennen, die in der ersten Kanalstruktur 10 ver bleiben sollen. So werden zunächst die Partikel 2 einzeln oder gruppenweise z. B. unter Verwendung der Ladeeinrichtung 50 in die in einer Reihe (siehe Fig. 1) angeordneten Beobachtungspo sitionen (Feldkäfige oder Feldbarrieren) 30 geladen. Die Lade einrichtung 50 umfaßt zwei gerade, an den oberen und unteren Kanalseiten angeordnete, streifenförmige Mikroelektroden, die bei Beaufschlagung mit hochfrequenten elektrischen Feldern un ter Wirkung negativer Dielektrophorese Abstoßungskräfte auf die anströmenden Teilchen ausüben und damit eine schräg zur Strömungsrichtung (Pfeil A) verlaufende Feldbarriere bilden. Der erste anströmende Partikel 1a läuft bei eingeschalteter Feldbarriere zunächst entlang der Pfeilrichtung B bis zum Ende der Ladeeinrichtung 50 und dann in den Feldkäfig 30a (siehe Fig. 2). In diesem Zustand ist der Feldkäfig 30a auf der stromaufwärts gelegenen Seite offen, so daß der Partikel frei bis zum Mittelpunkt 31a des Feldkäfigs 30a gelangt. Sobald das Eintreffen des Partikels zum Beispiel mit optischen oder elek trischen Mitteln erfaßt ist, wird der Feldkäfig 30a auch auf der stromaufwärts gelegenen Seite geschlossen. Die übrigen Feldkäfige 30b, 30c, . . . werden analog durch Einströmen von Partikeln beladen. Die Ladeeinrichtung 50 wird synchron zum Beladungszustand der Feldkäfige betätigt. An der Ladeeinrich tung 50 sind ggf. weitere Aufreihglieder, Feldkäfige oder Bar rieren zur Anordnung der anströmenden Partikel vorgesehen.The channel structures 10 , 20 , apart from openings 11 in the area of each field cage 30 , are separated from one another by a continuous wall. The object of the separation process is now to separate a particle mixture 1 flowing into the first channel structure 10 in the direction of the arrow A into target particles 2 , which are to be transferred into the second channel structure 20 in this embodiment of the invention, and to separate residual particles 3 which are in the first channel structure 10 should remain ver. So first the particles 2 individually or in groups z. B. using the charging device 50 in the arranged in a row (see Fig. 1) arranged observation positions (field cages or field barriers) 30 loaded. The charging device 50 comprises two straight, arranged on the upper and lower channel sides, strip-shaped microelectrodes which exert repulsive forces on the inflowing particles upon exposure to high-frequency electrical fields under the effect of negative dielectrophoresis and thus form a field barrier which runs obliquely to the direction of flow (arrow A) , When the field barrier is switched on, the first inflowing particle 1 a initially runs along the arrow direction B to the end of the charging device 50 and then into the field cage 30 a (see FIG. 2). In this state, the field cage 30 a is open on the upstream side, so that the particle freely reaches the center 31 a of the field cage 30 a. As soon as the arrival of the particle is detected, for example with optical or elec trical means, the field cage 30 a is also closed on the upstream side. The remaining field cages 30 b, 30 c,. , , are loaded analogously by inflowing particles. The loading device 50 is actuated in synchronism with the loading condition of the field cages. At the Ladeeinrich device 50 , further alignment elements, field cages or barriers are optionally provided for arranging the inflowing particles.

Wenn alle Feldkäfige mit Partikeln beladen sind, erfolgt die Vermessung zur Bestimmung physikalischer und/oder biologisch- chemischer Parameter der Partikel. Diese Vermessung erfolgt beispielsweise auf optischem Wege (zum Beispiel Fluoreszenz- oder Streulichtmessung) und/oder auf elektrischem Wege (zum Beispiel Elektrorotationsmessung in den Feldkäfigen). Es kann auch vorgesehen sein, mit der Suspensionsflüssigkeit im Mikro system Zusatzstoffe zu den Feldkäfigen zu spülen, deren Wech selwirkung mit den gehalterten Partikeln optisch und/oder elektrisch erfaßt wird. Die Feldkäfige, in denen sich die Zielpartikel mit vorbestimmten Parametern befinden, werden zur Vorbereitung des folgenden Trennschrittes erfaßt. When all field cages are loaded with particles, the Measurement to determine physical and / or biological chemical parameters of the particles. This measurement takes place for example optically (for example fluorescence or scattered light measurement) and / or by electrical means (for Example of electric rotation measurement in the field cages). It can also be provided with the suspension liquid in the micro system to flush additives to the field cages, their change interaction with the held particles optically and / or is detected electrically. The field cages in which the Target particles with predetermined parameters are used Preparation of the following separation step.

Zur gleichzeitigen Übertragung der Zielpartikel in die zweite Kanalstruktur 20 wird der Lichtmodulator 43 derart betätigt, daß eine Laserbestrahlung in die erfaßten Feldkäfige mit den Zielpartikeln freigegeben wird. Durch diese Bestrahlung wird jeweils ein optischer Käfig gebildet, dessen Fokus 41 mit dem Zentrum (z. B. 31a) des dielektrischen Feldkäfigs 30 überein stimmt. Die Zielpartikel werden in den optischen Käfigen wie mit einer Laserpinzette gefangen. Anschließend wird gleichzei tig für alle optischen Käfige der Fokus 41 durch die Öffnung 11 zwischen den Kanalstrukturen (Pfeil C) verschoben. Diese Verschiebung erfolgt beispielsweise durch Verstellung der Op tik 42. Sobald die Zielpartikel mit dem verschobenen Fokus in die zweite Kanalstruktur 20 übertragen worden sind, wird mit dem Lichtmodulator 43 die Laserstrahlung abgeschaltet. Dadurch werden die Zielpartikel freigegeben, um einer weiteren Bewe gung und/oder Bearbeitung in der zweiten Kanalstruktur 20 un terzogen zu werden. Simultan werden die Feldkäfige 30 in der ersten Kanalstruktur 10 auf der stromabwärts gelegenen Seite geöffnet, so daß die Restpartikel 3 ebenfalls freigegeben wer den. Die Ziel- bzw. Restpartikel 2, 3 können jeweils einer oder mehreren weiteren Trennungen nach dem erläuterten Prinzip unterzogen werden, um eine Sortierung in eine Vielzahl von Partikelgruppen vorzunehmen.For the simultaneous transmission of the target particles into the second channel structure 20 , the light modulator 43 is actuated in such a way that laser radiation is released into the detected field cages with the target particles. An optical cage is formed by this irradiation, the focus 41 of which coincides with the center (eg 31a) of the dielectric field cage 30 . The target particles are caught in the optical cages like with laser tweezers. Subsequently, for all optical cages, the focus 41 is simultaneously shifted through the opening 11 between the channel structures (arrow C). This shift takes place, for example, by adjusting the optics 42 . As soon as the target particles with the shifted focus have been transferred into the second channel structure 20 , the laser radiation is switched off with the light modulator 43 . The target particles are thereby released in order to be subjected to further movement and / or processing in the second channel structure 20 . Simultaneously, the field cages 30 are opened in the first channel structure 10 on the downstream side, so that the residual particles 3 are also released to who. The target or residual particles 2 , 3 can each be subjected to one or more further separations according to the principle explained, in order to sort them into a large number of particle groups.

Die Trennvorrichtung 200 umfaßt insbesondere die Lasereinrich tung 40, deren Licht mit der Optik 42 zur Bildung des Fokus 41 gebündelt wird, und den Lichtmodulator 43. Die Lasereinrich tung 40 umfaßt eine Laserdiodenanordnung oder einen einzelnen Laser mit einer Strahlaufweitungsoptik. Es können auch mehrere Laserstrahlen zur Bildung jeweils eines optischen Käfigs vor gesehen sein. Bei der Laserdiodenanordnung sind eine Vielzahl von Laserdioden entsprechend der Position der Feldkäfige oder Feldbarrieren im Mikrosystem ausgerichtet. Beim Einsatz eines einzelnen Lasers hingegen wird die gesamte Anordnung der Feldkäfige mit dem einzelnen aufgeweiteten Strahl beleuchtet. Die Lasereinrichtung 40 wird vorzugsweise bei einer Wellenlänge betrieben, die sich zur Ausbildung effektiver optischer Käfige bei möglichst geringer Lichtleistung besonders gut eignet. Bei den meisten Anwendungen wird die Wellenlänge im infraroten oder roten Spektralbereich gewählt.The separating device 200 in particular comprises the laser device 40 , the light of which is bundled with the optics 42 to form the focus 41 , and the light modulator 43 . The Lasereinrich device 40 comprises a laser diode arrangement or a single laser with a beam expansion optics. It can also be seen before several laser beams to form an optical cage. In the laser diode arrangement, a large number of laser diodes are aligned in accordance with the position of the field cages or field barriers in the microsystem. When using a single laser, however, the entire arrangement of the field cages is illuminated with the single expanded beam. The laser device 40 is preferably operated at a wavelength which is particularly well suited for the formation of effective optical cages with the lowest possible light output. For most applications, the wavelength is selected in the infrared or red spectral range.

Der Lichtmodulator 43 ist ein Transmissions- oder Reflektions- Modulator. Als Transmissions-Modulator sind an sich bekannte Mikroshutteranordnungen verwendbar, bei denen eine Vielzahl von Mikroshuttern entsprechend der Position der Feldkäfige ausgerichtet ist. Es werden mechanische Mikroshutter oder schaltbare Flüssigkristall-Anordnungen verwendet. Als Reflek tions-Modulator kann eine schaltbare Matrix von Spiegelelemen ten (sog. Digital Mirror Array) verwendet werden. Alternativ ist es bei Ausbildung der Lasereinrichtung 40 mit einer Laser diodenanordnung auch möglich, den Lichtmodulator in die Lasereinrichtung 40 zu integrieren. In diesem Fall ist der Lichtmodulator eine Steuerschaltung, mit der die einzelnen Laserdioden individuell ein- bzw. ausgeschaltet werden können.The light modulator 43 is a transmission or reflection modulator. Known microshutter arrangements can be used as the transmission modulator, in which a large number of microshutters are aligned according to the position of the field cages. Mechanical microshutters or switchable liquid crystal arrangements are used. A switchable matrix of mirror elements (so-called digital mirror array) can be used as the reflection modulator. Alternatively, if the laser device 40 is designed with a laser diode arrangement, it is also possible to integrate the light modulator into the laser device 40 . In this case, the light modulator is a control circuit with which the individual laser diodes can be switched on and off individually.

Die Optik 42 umfaßt eine Mikrolinsen-Anordnung aus einer Viel zahl von Mikrolinsen, die entsprechend den Positionen der Feldkäfige ausgerichtet sind. Die Mikrolinsenanordnung ist zur Verstellung des Fokus 41 vertikal beweglich angebracht, wie es an sich von Laserpinzetten bekannt ist.The optics 42 comprises a microlens arrangement from a variety of microlenses, which are aligned according to the positions of the field cages. The microlens arrangement is vertically movably mounted for adjusting the focus 41 , as is known per se from laser tweezers.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Vermessung der Partikel in den Feldkäfigen unter Verwendung einer optischen Detektoreinrichtung, die beispielsweise durch einen Array-Detektor auf der Basis von CCD-, CID- (Charge Injection Device), CMOS-, APD- (Avalanche Photodiode) oder PD- (Photodiode) Anordnungen gebildet ist. Die Detektoreinrichtung wird vorzugsweise auf der relativ zur Lasereinrichtung 40 gegenüber liegenden Seite des Mikrosystems 100 angebracht. Die Detektor elemente der Detektoreinrichtung sind vorzugsweise für eine wellenlängenselektive Lichterfassung ausgelegt. Hierzu sind Filtereinrichtungen, die ggf. in die Detektoreinrichtung inte griert sind, vorgesehen. Die wellenlängenselektive Messung dient insbesondere der Fluoreszenzmessung an den Partikeln.According to a preferred embodiment, the particles in the field cages are measured using an optical detector device, for example an array detector based on CCD, CID (charge injection device), CMOS, APD (avalanche photodiode) or PD (photodiode) arrangements is formed. The detector device is preferably attached on the side of the microsystem 100 that is opposite to the laser device 40 . The detector elements of the detector device are preferably designed for wavelength-selective light detection. For this purpose, filter devices, which may be integrated into the detector device, are provided. The wavelength-selective measurement is used in particular to measure the fluorescence on the particles.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die ebenfalls mit der in den Fig. 1 und 2 illustrierten Anordnung implemen tiert werden kann, basiert auf der Kombination optischer Käfi ge mit verstellbaren dielektrischen Feldkäfigen. Bei dieser Gestaltung werden zunächst, wie oben beschrieben wurde, die Partikel des Ausgangsgemisches 1 in den Feldkäfigen 30 posi tioniert und vermessen. Um nun die Ziel- und Restpartikel von einander zu trennen, wird in Abhängigkeit vom Meßergebnis für eine Gruppe von Feldkäfigen 30, die beispielsweise die Ziel partikel enthält, mit dem Lichtmodulator 43 die Laserbestrah lung freigegeben. Dadurch wird jeder Zielpartikel in einem optischen Käfig gefangen. Zur Trennung der Partikel werden nun sämtliche Feldkäfige 30 derart verstimmt, daß eine resultie rende dielektrische Kraft auf die Partikel durch die Öffnung 11 hin in die zweite Kanalstruktur 20 ausgeübt wird. Dieser Kraftwirkung folgen alle Partikel, die nicht zusätzlich durch den optischen Käfig gehaltert werden, so daß sich eine ent sprechende Sammlung in der zweiten Kanalstruktur 20 ergibt. Die beleuchteten Partikel (z. B. Zielpartikel) bleiben in die sem Fall in der ersten Kanalstruktur 10. Nach Freigabe der optischen bzw. dielektrischen Kräfte werden die Ziel- bzw. Restpartikel in der ersten bzw. zweiten Kanalstruktur 10, 20 weiter transportiert.Another embodiment of the invention, which can also be implemented with the arrangement illustrated in FIGS . 1 and 2, is based on the combination of optical cages with adjustable dielectric field cages. In this design, as described above, the particles of the starting mixture 1 are first positioned and measured in the field cages 30 . In order to separate the target and residual particles from each other, depending on the measurement result for a group of field cages 30 , which contains, for example, the target particles, the laser irradiation is released with the light modulator 43 . This traps each target particle in an optical cage. To separate the particles, all field cages 30 are now detuned in such a way that a resulting dielectric force is exerted on the particles through the opening 11 into the second channel structure 20 . This force effect follows all particles that are not additionally held by the optical cage, so that there is a corresponding collection in the second channel structure 20 . In this case, the illuminated particles (e.g. target particles) remain in the first channel structure 10 . After the optical or dielectric forces have been released, the target or residual particles are transported further in the first or second channel structure 10 , 20 .

Eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, die entsprechend einem der beiden oben genannten Kombinationsprin zipien betrieben werden kann, ist in den Fig. 3 und 4 illu striert. Das Mikrosystem 100 enthält wiederum zwei übereinan der angeordnete Kanalstrukturen 10, 20 mit zumindest teilweise transparenten Kanalwänden. Auf den inneren Deck- bzw. Bodenflächen der Kanalstrukturen sind anwendungsabhängig gestaltete Mikroelektroden zur Erzeugung von Feldkäfigen und/oder Barrieren ausgebildet. Im Unterschied zu der in Fig. 1 ge zeigten Feldkäfigreihe umfaßt die Trennvorrichtung 200 bei dieser Ausführungsform eine flächige Matrixanordnung von Feldkäfigen 30 in geraden Reihen und Spalten. So sind mehrere Reihen von Beobachtungspositionen in Strömungsrichtung hin tereinander angeordnet. Dies hat einerseits den Vorteil, daß individuelle Partikel mehrmals hintereinander bewertet werden können, was die Zuverlässigkeit der Analyse und damit auch der Trennung beträchtlich verbessert. Auf der anderen Seite erhöht ein solches zweidimensionales Array an Beobachtungs feldern erheblich den Durchsatz an Partikeln, die gleichzei tig bewertet werden.A further modified embodiment of the invention, the corresponding one of the two above-mentioned Kombinationsprin ciples can be operated, in Figs. 3 and 4 illu strated. The microsystem 100 in turn contains two channel structures 10 , 20 arranged one above the other with at least partially transparent channel walls. Depending on the application, microelectrodes designed to produce field cages and / or barriers are formed on the inner top or bottom surfaces of the channel structures. In contrast to the field cage row shown in FIG. 1, the separating device 200 in this embodiment comprises a flat matrix arrangement of field cages 30 in straight rows and columns. Several rows of observation positions are arranged one behind the other in the direction of flow. On the one hand, this has the advantage that individual particles can be evaluated several times in succession, which considerably improves the reliability of the analysis and thus also the separation. On the other hand, such a two-dimensional array of observation fields significantly increases the throughput of particles that are evaluated at the same time.

Eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Erfindung hin sichtlich der Form der Elektroden zur Ausbildung von Feldkä figen 60 zeigt die Fig. 5. Hier werden die einzelnen Feldkä fige durch Zinken- oder Kamm-artige Elektroden (61a, 61b, 61c . . .) gebildet. Die Partikel 62a, 62b, 62c . . . ordnen sich in einer solchen Anordnung in den Zwischenräumen der Zinken an. Diese Elektrodenform hat vor allem Vorteile hinsichtlich einer einfachen Elektrodenprozessierung mit verbundenen Zu leitungen.A further modified embodiment of the invention with regard to the shape of the electrodes for the formation of field cages 60 is shown in FIG. 5. Here, the individual field cages are formed by tine or comb-like electrodes ( 61 a, 61 b, 61 c... ) educated. The particles 62 a, 62 b, 62 c. , , arrange themselves in such an arrangement in the spaces between the tines. This electrode shape has advantages in terms of simple electrode processing with connected lines.

Eine weitere Abwandlung der Erfindung ist in Fig. 6 demon striert. Hier werden keine vollständigen Feldkäfige geformt, sondern Feldbarrieren 70 mithilfe von Elektroden, wie bei 70a, 70b, 70c . . . gezeigt. Die Partikel 71a, 71b, 71c . . . wer den durch einen stetigen Flüssigkeitsstrom 72 gegen die die lektrischen Feldbarrieren gedrückt und so an den jeweiligen Beobachtungspositionen gehalten.Another modification of the invention is shown in FIG. 6. No complete field cages are formed here, but field barriers 70 using electrodes, as at 70a, 70b, 70c. , , shown. The particles 71 a, 71 b, 71 c. , , who is pressed by a steady flow of liquid 72 against the dielectric field barriers and thus held at the respective observation positions.

Erfindungsgemäß können verschiedene Richtungen der Bestrahlung durch die Lasereinrichtung 40 vorgesehen sein. Gemäß Fig. 4 erfolgt die Bestrahlung von der Unterseite des Mikrosystems, d. h. von der Seite der ersten Kanalstruktur 10 her. Dement sprechend besteht mindestens der Kanalboden 12 aus einem transparenten Material. Eine optische Vermessung der in den Feldkäfigen 30 gefangenen Partikel kann ebenfalls von der Un terseite des Mikrosystems 100 her oder auch von der entgegen gesetzten Seite her erfolgen. Das Licht von der Lasereinrich tung 40 wird wiederum über einen Lichtmodulator 43 und über eine Optik 42 in die Feldkäfige 30 fokussiert.According to the invention, different directions of the irradiation by the laser device 40 can be provided. According to FIG. 4, the irradiation from the bottom of the micro-system is carried out, that is, from the side of the first channel structure 10. forth. Accordingly, at least the channel floor 12 consists of a transparent material. An optical measurement of the particles trapped in the field cages 30 can also be carried out from the underside of the microsystem 100 or from the opposite side. The light from the Lasereinrich device 40 is in turn focused via a light modulator 43 and an optics 42 in the field cages 30 .

Bei der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen ist als Ladeeinrichtung 50 eine Aufreihung von Feldkäfigen vorge sehen. Die in der ersten Kanalstruktur 10 anströmenden Parti kel 1 (zu trennendes Gemisch) werden zunächst in der Ladeein richtung 50 positioniert. Sobald jeder Feldkäfig 51 der Lade einrichtung 50 einen Partikel enthält, wird die gesamte Reihe der Feldkäfige 51 und die benachbarte Reihe der Feldkäfige 30a so angesteuert, daß die Partikel in die Feldkäfige 30a über nommen werden. Anschließend werden die Feldkäfige 51 der Lade einrichtung 50 erneut beschickt. Wiederum werden die Partikel an die Feldkäfige 30a und von dieser zur Reihe der Feldkäfige 30b weitergegeben, bis schrittweise alle Reihen der Feldkäfige 30 gefüllt sind. Anschließend erfolgt die Vermessung und die Trennung der Partikel nach den oben erläuterten Prinzipien.In the embodiments shown in FIGS . 3 and 4, a line-up of field cages is seen as loading device 50 . The flowing in the first channel structure 10 Parti kel 1 (mixture to be separated) are first positioned in the loading device 50 . As soon as each field cage 51 of the loading device 50 contains a particle, the entire row of field cages 51 and the adjacent row of field cages 30 a are controlled so that the particles are taken over into the field cages 30 a. Then the field cages 51 of the loading device 50 are loaded again. Again, the particles are passed on to the field cages 30 a and from there to the row of the field cages 30 b until gradually all rows of the field cages 30 are filled. The particles are then measured and separated according to the principles explained above.

Ein wichtiger Vorteil der in den Fig. 1 bis 6 gezeigten Ausführungsformen der Erfindung besteht darin, daß sämtliche dielektrischen Feldkäfige simultan angesteuert werden. Dadurch werden Störfelder oder ein Übersprechen zwischen den Feldkäfi gen vermieden, wodurch die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Trennung insbesondere im Vergleich zu der unter Bezug auf Fig. 5 erläuterten herkömmlichen Technik erheblich verbessert wird. An important advantage of the embodiments of the invention shown in FIGS . 1 to 6 is that all dielectric field cages are controlled simultaneously. Interference fields or crosstalk between the field cages are thereby avoided, as a result of which the accuracy of the separation according to the invention is considerably improved, in particular in comparison with the conventional technology explained with reference to FIG .

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Partikeltrennung ausschließlich unter der Wirkung optischer Kräfte. Bei dieser (nicht dargestellten) Ausführungsform wer den die zu trennenden Partikel nicht in dielektrischen Feldkä figen, sondern an mechanisch ausgebildeten Halterungen im Mi krosystem positioniert. Derartige Halterungen werden bei spielsweise durch Löcher in der Kanalwandung gebildet. Nach der Partikelvermessung wird die Gruppe der Zielpartikel in entsprechende optische Käfige aufgenommen und mit diesen von den Halterungen weg in die benachbarte Kanalstruktur gehoben.According to a further embodiment of the invention, the Particle separation only under the effect of optical Forces. In this (not shown) embodiment who the particles to be separated are not in dielectric fields fig, but on mechanically trained brackets in the Mi cross system positioned. Such brackets are used for example formed by holes in the channel wall. To the particle measurement is the group of target particles in appropriate optical cages added and with these by the brackets lifted away into the adjacent channel structure.

Bei einer weiteren Abwandlung des oben erläuterten Trennprin zips ist vorgesehen, daß drei Kanalstrukturen zueinander be nachbart angeordnet sind, wobei das Positionieren und Vermes sen der Partikel in der mittleren Kanalstruktur und das Über tragen von Zielpartikeln in die benachbarten Kanalstruktur erfolgt, indem zunächst eine erste Gruppe von Zielpartikeln z. B. in die obere Kanalstruktur und anschließend eine weitere Gruppe von Zielpartikeln in die untere Kanalstruktur übertra gen wird.In a further modification of the separation print explained above zips is provided that three channel structures to each other be are arranged adjacent, the positioning and measuring the particles in the middle channel structure and the over carry target particles into the adjacent channel structure is done by first creating a first group of target particles z. B. in the upper channel structure and then another Transfer group of target particles into the lower channel structure will.

Claims

1. A method for particle separation, in which target particles ( 2 ) with predetermined particle properties are separated from residual particles ( 3 ) from a particle mixture ( 1 ) from a large number of particles in a fluidic microsystem, with the steps:

- Positioning of particles of the particle mixture ( 1 ) in observation fields on functional elements ( 30 ) in a first channel structure ( 10 ) of the microsystem ( 100 ), the functional elements having electrode arrangements on which inhomogeneous electric fields are generated which are repulsive or attractive exert dielectrophoretic forces on the particles,
- Measuring the particles in the observation fields in order to determine the particle properties and to detect the observation fields which contain the target particles ( 2 ) or the residual particles ( 3 ),
- Forming optical cages on the observation fields, which contain the target or residual particles, using a light modulator device with which the optical cages can be switched on or off individually, and
- Simultaneous transfer of the target or residual particles from their respective observation fields into an adjacent two-th channel structure ( 20 ) of the microsystem, optical forces of the optical cages and dielectric polarization forces of the functional elements ( 30 ) interacting.

2. The method according to claim 1, in which for transferring the particles, the focal points ( 41 ) of the optical cages with the target or residual particles are simultaneously moved from the first into the second channel structure ( 20 ), while the respective remaining particles in the first Channel structure ( 10 ) remain.

3. The method according to claim 1, wherein the functional elements are used as dielectric field cages ( 30 ).

4. The method according to claim 3, in which to transmit the particles, the dielectric field cages ( 30 ) are opened on one side towards the second channel structure ( 20 ) and the target or residual particles with the optical cages are held in the dielectric field cages while move the remaining particles into the second channel structure ( 20 ).

5. The method according to any one of the preceding claims, in which to measure the particles optical measurements and / or elec measurements are carried out.

6. The method according to claim 5, wherein the optical measurements Fluorescence and scattered light measurements include.

7. The method according to claim 6, in which to the optical measurement a laser device is used, which is also used for bil is designed for the optical cages.

8. The method according to claim 5, wherein the electrical measurement solutions include electrical rotation measurements on the particles.

9. The method according to any one of the preceding claims, in which a microshutter arrangement and / or a switchable matrix of mirror elements on the respectively detected functional elements or dielectric field cages ( 30 ) with the target or residual particles is actuated as the light modulator device for forming the optical cages.

10. The method according to any one of the preceding claims, at which the particles are suspended in a liquid that with a liquid transport system through the microsystem is promoted.

11. The method according to claim 10, wherein the liquid speed transport system a syringe pump, a peristaltic Pump, a diaphragm pump, a gear pump, an electroosmo table pump and / or a piezoelectric pump used become.

12. The method according to any one of the preceding claims, at which the particle flow forces and electrical forces of Electrode assemblies are exposed to the particles lined up and / or isolated to the observation fields ren.

13. The method according to any one of the preceding claims, in which the target or residual particles ( 2 , 3 ) are transferred after the particle separation into different collecting units.

14. The method according to any one of the preceding claims, at where the particles are synthetic particles, biological cells, Cell assemblies, cell components, macromolecules, macromolecule powder volumes, bacteria, viruses, alginate beads or composite particles made of synthetic and natural parts.

15. The method according to claim 14, wherein the particles are spherical cal polymers (beads) made of organic (e.g. polystyrene, algi nat) or inorganic (e.g. silica gel) material, eukarioti procariotic or cells, cell aggregates and / or aggre Gate of these include, the aggregates both from the same Chen as well as different species can exist.

16. The method according to claim 15, wherein the particles before the Introducing into the microsystem or in the microsystem with one magnetic or a fluorescent probe substance mar be cated.

17. Separating device for separating a particle mixture ( 1 ) from target particles ( 2 ) with predetermined particle properties and residual particles ( 3 ) in a fluidic microsystem, comprising:

- A first channel structure ( 10 ) with a plurality of functional elements ( 30 ) and a charging device ( 50 ) for positioning particles of the particle mixture ( 1 ) on the functional elements ( 30 ), the functional elements having electrode arrangements that produce inhomogeneous electrical fields are set up with which repulsive or attractive dielectrophoretic forces can be exerted on the particles,
a second channel structure ( 20 ) which is connected to the first channel structure ( 10 ) at the positions of the functional elements ( 30 ) via openings ( 11 ),
- A laser device ( 40 ) which is designed to form an optical cage on each functional element ( 30 ), and
- A light modulator ( 43 ) with which the optical cages on the functional elements ( 30 ) can be switched on or off.

18. Separating device according to claim 17, in which an adjustable optical system ( 42 ) is provided with which the focal points ( 41 ) of the optical cages of the functional elements ( 30 ) in the first channel structure ( 10 ) in the second channel structure ( 20 ) are adjustable are.

19. Separating device according to claim 17 or 18, wherein one Measuring device for determining optical and / or electrical Particle properties is provided.

20. Separating device according to claim 19, wherein the Meßvor direction comprises a detector device which is arranged relative to the laser device ( 40 ) on the opposite side of the microsystem ( 100 ).

21. Separating device according to one of claims 17 to 20, wherein the light modulator ( 43 ) comprises a microshutter arrangement or a switchable matrix of mirror elements.

22. Separating device according to one of claims 17 to 21, in which the electrode arrangements form dielectric field cages ( 30 , 60 ) or dielectric field barriers ( 70 ).

23. Separating device according to one of claims 17 to 22, the a liquid transport system based on a syringe pump, a peristaltic pump, a diaphragm pump, one Gear pump, an electroosmotic pump and / or one has piezoelectric pump.

24. Separating device according to one of claims 19 to 23, at which the measuring device has an optical array detector on the Basis of a CCD, CID (Charge Injection Device), CMOS, APD (Avalanche photodiode) or PD (photodiode) arrays.

25. The separator of claim 24, wherein the array Detector includes a variety of detector elements that too at least partially provided with wavelength-selective layers are.

26. Using a method or a separator according to one of the preceding claims for the separation of par particle mixtures in fluidic microsystems.