Dokumentenidentifikation |
DE19500660B4 27.12.2007 |
Titel |
Vorrichtung und Verfahren zur Manipulation mikroskopisch kleiner Partikel sowie deren Verwendung |
Anmelder |
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE |
Erfinder |
Fuhr, Günter, Prof. Dr., 13127 Berlin, DE; Voigt, Andreas, Dr., 10115 Berlin, DE |
Vertreter |
v. Bezold & Partner, 80799 München |
DE-Anmeldedatum |
12.01.1995 |
DE-Aktenzeichen |
19500660 |
Offenlegungstag |
13.06.1996 |
Veröffentlichungstag der Patenterteilung |
27.12.2007 |
Veröffentlichungstag im Patentblatt |
27.12.2007 |
IPC-Hauptklasse |
B01D 57/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
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IPC-Nebenklasse |
B01J 19/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE
C12M 1/42(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE
C12N 13/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE
H01Q 1/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE
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Beschreibung[de] |
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Manipulation, Bewegung, Sammlung, Separation, Abstoßung, Formung und Aggregatbildung
mikroskopisch kleiner Partikel in einer Ultramikroelektrodenanordnung durch HF-Wechselfelder.
Dem Stand der Technik entsprechen Anordnungen, die hochfrequente elektrische
Signale an mindestens 2 Elektroden benutzen, um Mikropartikel und Zellen in flüssigen
Medien zu sammeln, zu separieren oder zu Aggregaten zusammenzufügen (POHL,
Dielectrophoresis; Cambridge University Press, 1978). Die Kräfte, die diese
Teilchenbewegungen bewirken, entstehen aus der Wechselwirkung der Oberflächenpolarisationsladungen
mit dem zwischen den Elektroden erzeugten Feld. Entsprechend der Polarität
unterscheidet man anziehende (positive Dielektrophorese) und abstoßende (negative
Dielektrophorese) Kräfte (POHL, ebenda). In der Regel werden 2 oder mehr Elektroden
mit einem Generatorausgang verbunden, so daß zumindest auch 2 Zuleitungen und
bei Multielektrodenanordnungen elektrische Zwischenverknüpfungen erforderlich
sind. Die elektrisch induzierten Kräfte sind um so wirksamer, je stärkere
Inhomogenitäten der elektrischen Felder in den Mikropartikelsuspensionen erzeugt
werden können. Das kann besonders gut erreicht werden, wenn ultraminiaturisierte
Elektroden, insbesondere solche, die mit den Methoden der Halbleiterstrukturierungstechnologien
hergestellt werden, benutzt werden (SCHNELLE, TH. et al., Biochim. Biophys. Acta
1157 (1993) 127–140, FUHR, G. et al., Sensors & Actuators A, 41–42
(1994) 230–239). Für viele Aufgaben, z.B. Implantation oder in schwierigen
Umgebungslösungen (Sensoren der Umwelttechnik) werden die Vorteile der Miniaturisierung
durch die kaum zu miniaturisierenden elektrischen Zuleitungskabel wieder aufgehoben.
Einen Ausweg bieten Sender- und Empfängersysteme, wie sie von
KÜPPERS & ZIMMERMANN, FEBS 1009, 323–329 (1983) bzw. KÜPPERS, DIETRICH
und ZIMMERMANN, Z. Naturforsch. 39c, 973–980 (1984) beschrieben wurden. Hier
wird der Generator an eine Antenne ausgekoppelt und die eigentliche Elektrodenanordnung
wird an eine Empfangsantenne angeschlossen. Die Autoren haben mit dieser Anordnung
versucht zu beweisen, daß Zellen im Urozean durch in Erzblöcken aufgenommene
elektrische Wellen nach Blitzeinschlag fusionieren können. Der Nachteil der
Elektrodenverknüpfung und des mehrpoligen Anschlusses der Mikroelektrodenanordnung
an die Empfangsantenne bleibt auch bei dieser Anordnung erhalten. Hinzu kommt, daß
eine Anpassung der Antennen an die Frequenzen der elektromagnetischen Wellen zusätzlichen
Aufwand und feste Elektrodengeometrien erfordern. Frequenzen im kHz- und niederen
MHz-Bereich lassen sich aufgrund ihrer Wellenlänge (einige 100 m bis zu einigen
10 m) nur sehr uneffektiv übertragen.
Durch die immer kleiner werdenden Chips, die zunehmend für Zellmanipulationszwecke,
aber auch zum Freihalten von kleinen Oberflächen von Sensoren eingesetzt werden,
besteht ein wachsender Bedarf, die Frage der elektrischen Zuführungskabel zu
vereinfachen.
Die DE 44 34 883 A1
offenbart elektrische Feldkäfige mit mehreren Elektroden, die angesteuert werden,
um Wechselfelder oder rotierende Felder zu erzeugen, mit denen Mikropartikel, geformt
und manipuliert werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zu entwickeln, die starke Kräfte in Ultramikroelektrodenanordnungen
erzeugen, dies allerdings mit nur einer elektrischen Zuführung und ohne Sender-Empfänger-Anpassung.
Die Anordnung soll geeignet sein, die üblicherweise verwendeten Multielektrodenanordnungen
zu betreiben und auf diesem Weg über dielektrophoretische Kräfte Mikropartikel
zu separieren, zu bewegen oder zu
Aggregaten zu formieren. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und
eine Vorrichtung gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Dabei wird die Ultramikroelektrodenanordnung als Spitze einer Sendeantenne benutzt,
so daß das System ohne kabelförmigen Erdanschluß mit Frequenzen im
kHz- und MHz-Bereich betrieben werden kann.
Die Vorrichtung und das Verfahren umfassen die Bewegung mikroskopischer
Teilchen, ihre Separation, Formung zu Aggregaten, Freihaltung von elektrodennahen
Bereichen und das Trapping von Mikropartikeln. Unter Mikropartikeln werden auch
Moleküle, Zellen und Viren verstanden.
Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus dem Anschluß
nur einer Elektrode aus einem Multielektrodenarray oder dem Zusammenschluß
mehrerer Elektroden an nur eine Zuleitung. Die extreme Miniaturisierung der Elektroden
(Mikrometer- oder sogar Submikrometerabmessungen in mindestens 2 Dimensionen) führt
zu einer starken Bündelung der Feldlinien an den Elektrodenenden, die die Antennenspitze
bilden. Neu ist, daß kein Erdanschluß oder eine Rückführung
zur Antenne oder dem Generator notwendig ist. Da die anderen, nicht angeschlossenen
Elektroden je nach Anordnung eine virtuelle Masse bilden, die auf einem vom Generator
unterschiedlichen Potential liegen kann, lassen sich stark inhomogene Felder in
analoger Weise nutzen, wie in den konventionellen Systemen. Es ist offensichtlich,
daß auch kein Sender-Empfänger-Prinzip angewendet wird, da in diesem Sinne
gar kein Empfänger existiert. Demzufolge ist auch eine Anpassung der Antenne
in weiten Bereichen unkritisch. Die Zuführung zur Ultramikroelektrodenanordnung
muß deshalb auch nicht einer konventionellen Elektrode entsprechen, sondern
kann eine normale, auch isolierte Kabelzuführung sein.
Beschreibung der Figuren:
In 1 ist die Vorrichtung als Blockschaltbild
skizziert. Ein Generator (11) wird über ein Kabel (12) an
eine Ultramikroelektrodenstruktur (13) angeschlossen. Diese kann aus vielen
Elektroden (14, 15) auf einem Halbleiter- oder Glasträger
(13) bestehen, wobei nur eine (oder einige) Elektrode(n) (15)
angeschlossen ist (sind). Das Ultramikroelektrodensystem bildet somit die Spitze
der Antenne, so daß elektromagnetische Wellen über sie stark inhomogen
in mikroskopischen Dimensionen ausgekoppelt werden können. Verwendet man nun
physiologische Medien (z.B. Zellkulturmedien), so lassen sich die Zellen über
abstoßende Kräfte von den Elektroden fernhalten. Die Elektroden bleiben
mikropartikelfrei, was für medizinischtechnische, biotechnologische und pharmakologische
Testsysteme und Sensoren von Interesse ist.
2 zeigt das Bild einer 4-Elektrodenanordnung bei Auftreten
negativer Dielektrophorese (Abstoßung) von Zellen (23) von den Elektroden
(21, 22). Auch hier ist nur die Elektrode (21) mit dem
Generator verbunden und bildet die Antennenspitze.
3 zeigt die mikroskopische Spitze (31) einer
Antenne, eingetaucht in eine Partikelsuspension (32). Auch hier treten
Felddivergenzen auf, die zur Abstoßung (unter anderen Randbedingungen auch
zum Anziehen von Partikeln) genutzt werden kann. Die typischen Abmessungen des abgebildeten
Systems liegen bei einigen Zehn Mikrometern oder darunter (bis in den nm-Bereich).
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Anspruch[de] |
Vorrichtung zur Manipulation mikroskopisch kleiner Partikel durch hochfrequente
Wechselfelder, die eine Mikroelektrodenanordnung aufweist, die eine oder mehrere
Elektroden eines Ultramikroelektrodensystems mit typischen Elektrodenenden im Mikrometer-
und/oder Submikrometerbereich umfasst, welche die Spitze einer massefreien Antenne
für hochfrequente Wechselspannungs-Signale bilden, die mit einem Höchfrequenzsignal
von einem Generator beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroelektrodenanordnung
mit nur einer einpoligen Leitung als elektrischer Zufühurung mit dem Generator
elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Enden der mindestens einen Elektrode die Spitze der Antenne bilden, über
die das HF-Signal abgestrahlt wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Dimensionen der Antennenspitzen im Mikrometer- oder Submikrometerbereich
liegen.
Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die Elektroden eine Zellsuspension oder Mikropartikelsuspension umgibt.
Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4; dadurch gekennzeichnet,
dass die Elektrodenenden im Submikrometerbereich beabstandet sind und die Partikel
Moleküle umfassen.
Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Elektrodensysteme mit den Methoden der Halbleiterstrukturierung hergestellt
sind und insbesondere dünne Metallschichten auf Halbleiterflächen umfassen.
Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Ultramikroelektrodenstruktur, die als Spitze einer Empfangsantenne benutzt
oder auch elektrisch unangeschlossen in die Nähe der ansonsten in der Geometrie
und Größe frei wählbaren Antennenspitze gebracht wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
die Antenne und die zweite Mikroelektrodenstruktur eine 3-dimensionale Anordnung
bilden, so dass ein Feldkäfig für die Mikropartikel entsteht.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass als HF-Signal hochfrequente Wechselspannungen wie Sinus-,
Rechteck- oder Dreiecksignale über die eine Zuleitung angelegt werden.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den Ultramikro-elektroden eine tiefgekühlte
Flüssigkeit oder ein bei tiefen Temperaturen verflüssigtes Gas befindet,
das die Partikel enthält.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den Elektroden ein Gel oder eine stark
viskose Flüssigkeit befindet.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch die Verwendung der durch die mindestens eine Elektrode des
Mikroelektrodensystems gebildeten Sendeantenne zur Manipulation
mikroskopisch kleiner Teilchen für biotechnologische Zwecke.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
gekennzeichnet durch die Verwendung der durch die mindestens eine Elektrode des
Mikroelektrodensystems gebildeten Sendeantenne zum Freihalten einer Oberfläche
von Partikeln, unter der sich ein Messelement, insbesondere ein Sensor, befindet
und/oder durch die eine Messstrecke verläuft.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
gekennzeichnet durch die Verwendung der durch die mindestens eine Elektrode des
Mikroelektrodensystems gebildeten Sendeantenne zum Trapping der Partikel; die Moleküle
oder lebende Zellen umfassen können; in Feldkäfigen oder zum Bewegen dieser
Partikel.
Verfahren zur Manipulation mikroskopisch kleiner Partikel durch hochfrequente
Wechselfelder, mit einer Vorrichtung, die eine Mikroelektrodenanordnung aufweist,
wobei eine oder mehrere Elektroden eines Ultramikroelektrodensystems mit typischen
Elektrodenenden im Mikrometer- und/oder Submikrometerbereich die Spitze einer massefreien
Antenne für hochfrequente Wechselspannungs-Signale bilden, die mit einem Hochfrequenzsignal
von einem Generator beaufschlagt wird, mit den folgenden Schritten:
– Einbringen der Partikel in ein Umhüllungsmedium,
– Einführung. der mindestens einen Antenne teilweise in das Umhüllungsmedium
mit den Partikeln und
– Zuführen des Hochfrequenzsignals an die mindestens eine Antenne,
gekennzeichnet durch den Schritt:
– elektrisches Verbinden der einen oder der mehreren Elektroden des Ultramikroelektrodensystems
mit nur einer einpoligen Leitung als elektrischer Zuführung mit dem Generator.
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Patent Zeichnungen (PDF)
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