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.

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).