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DE19853658A1 - Manipulation of biotic or abiotic particles suspended in fluid microsystem, useful for e.g. separation and aggregate formation of biological particles - Google Patents

Manipulation of biotic or abiotic particles suspended in fluid microsystem, useful for e.g. separation and aggregate formation of biological particles

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DE19853658A1
DE19853658A1 DE1998153658 DE19853658A DE19853658A1 DE 19853658 A1 DE19853658 A1 DE 19853658A1 DE 1998153658 DE1998153658 DE 1998153658 DE 19853658 A DE19853658 A DE 19853658A DE 19853658 A1 DE19853658 A1 DE 19853658A1
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microsystem
particles
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channel
centrifugal
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DE1998153658
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Evotec Biosystems GmbH
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Publication date
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Abstract

A process (I) for the manipulation of biotic or abiotic particles is new and comprises suspending the particles in a fluid microsystem which has closed ends that terminate the reference direction. A process (I) for the manipulation of biotic or abiotic particles is new and comprises suspending the particles in a fluid microsystem which has closed ends that terminate the reference direction. Particle speed relative to the microsystem, is adjusted by predetermined centrifugal and/or gravitational forces acting parallel to the reference direction. Particles are also exposed to deflection forces differing in direction from the reference direction. An Independent claim is included for the microsystem (II).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Manipulation von Par­ tikeln in fluidischen Mikrosystemen, insbesondere zur Bewegung von Partikeln in Mikrosystemen entlang vorbestimmter, zumin­ dest abschnittsweise gerader Bahnen, und Vorrichtungen zur Implementierung eines derartigen Verfahrens, insbesondere ein fluidisches Mikrosystem, bei dem synthetische oder biologische Partikel in einer Suspensionsflüssigkeit manipuliert werden, und Anwendungen eines derartigen Mikrosystems.The invention relates to a method for manipulating par particles in fluidic microsystems, in particular for movement of particles in microsystems along predetermined, at at least sections of straight tracks, and devices for Implementation of such a method, in particular a fluidic microsystem in which synthetic or biological Particles are manipulated in a suspension liquid, and applications of such a microsystem.

Fluidische Mikrosysteme mit flüssigkeitsdurchströmten Struktu­ ren (z. B. Kanälen), in denen Mikroelektroden zur Beeinflussung von Partikeln (z. B. biologische Zellen) in den durchströmten Kanälen durch hochfrequente Felder auf der Basis negativer oder positiver Dielektrophorese angebracht sind, werden bei­ spielsweise in der Publikation von G. Fuhr et al. in "Natur­ wissenschaften" (Bd. 81, 1994, S. 528 ff.) beschrieben.Fluidic microsystems with a structure through which fluid flows ren (e.g. channels), in which microelectrodes for influencing of particles (e.g. biological cells) in the flow Channels through high frequency fields based on negative or positive dielectrophoresis are used for example in the publication by G. Fuhr et al. in "Nature sciences "(Vol. 81, 1994, pp. 528 ff.).

Gewöhnlich werden fluidische Mikrosysteme von einer Flüssig­ keit zum Vortrieb der Partikel durchströmt. Die auf beiden Kanallängsseiten (oben, unten) aufgebrachten Mikroelektroden führen zu einer Kompartimentierung des Kanals mittels hochfre­ quenter elektrischer Felder, mit denen die suspendierten Par­ tikel in der gewünschten Weise, z. B. über Verzweigungen in Nachbarkanäle oder andere Strukturelemente, abgelenkt werden können. Schwierigkeiten bereiten vor allem die Einspülungen der Partikel jeweils an einem Kanalende und die Einstellung der in der Regel geringen Strömungsgeschwindigkeiten (einige µl/h), die mit steigender Miniaturisierung immer gravierende Einschränkungen mit sich bringen. Usually fluidic microsystems become liquid flows through to propel the particles. The one on both Channel longitudinal sides (top, bottom) applied microelectrodes lead to a compartmentalization of the channel using high frequency quenter electrical fields with which the suspended par article in the desired manner, e.g. B. via branches in Adjacent channels or other structural elements can be deflected can. Above all, the induction poses problems the particle at each channel end and the setting the generally low flow velocities (some µl / h), which is always serious with increasing miniaturization Bring restrictions.  

Ein genereller Nachteil herkömmlicher fluidischer Mikrosysteme besteht darin, daß zur gerichteten und einstellbaren Partikel­ bewegung eine Lösungsströmung erforderlich ist, deren Steue­ rung (z. B. der Strömungsgeschwindigkeit) Probleme bereitet.A general disadvantage of conventional fluidic microsystems is that of directed and adjustable particles movement requires a solution flow whose control problems (e.g. flow velocity).

Aus der Publikation von M. J. Madou et al. in "SPIE", Band 3259, 1998, S. 80 ff., ist ein Zentrifugal-Durchflußsystem bekannt, bei dem Flüssigkeitsströmungen in einem Mikrosystem nicht mit herkömmlichen Pumpen und Ventilen, sondern unter der Wirkung von Zentrifugalkräften eingestellt werden. Hierzu be­ findet sich das Mikrosystem in einem scheibenförmigen Träger in Gestalt einer CD-ROM-Scheibe. Analog zum Betrieb von CD- Speichermedien ist der Träger dazu vorgesehen, mit hoher Ge­ schwindigkeit (im Bereich von 100 bis 10 000 Umdrehungen pro Minute) gedreht zu werden. Die Flüssigkeiten im Mikrosystem bewegen sich unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte radial nach außen. Simultan zu dieser Flüssigkeitsbewegung erfolgen im Mikrosystem bestimmte biochemische Reaktionen. Es ist auch vorgesehen, die Flüssigkeitsbewegung zum Teilchentransport, wie in einer herkömmlich gepumpten Flüssigkeitsströmung zu verwenden.From the publication by M. J. Madou et al. in "SPIE", volume 3259, 1998, pp. 80 ff. Is a centrifugal flow system known in which fluid flows in a microsystem not with conventional pumps and valves, but under the Effect of centrifugal forces can be set. For this be the microsystem is found in a disk-shaped carrier in the form of a CD-ROM disc. Analogous to the operation of CD Storage media, the carrier is provided with high Ge speed (in the range of 100 to 10,000 revolutions per Minute) to be rotated. The liquids in the microsystem move radially under the action of centrifugal forces outward. Simultaneously to this fluid movement certain biochemical reactions in the microsystem. It is also provided the liquid movement for particle transport, as in a conventionally pumped liquid flow use.

Die Zentrifugaltechnik nach M. J. Madou et al. besitzt die folgenden Nachteile. Sowohl die Erzielung einer genügenden Flüssigkeitsbewegung als auch eine möglichst behinderungsfreie Mitnahme von Partikeln mit der Flüssigkeit im scheibenförmi­ gen, ebenen Rotor erfordern zwangsläufig die genannten hohen Drehzahlen des Trägers. Dadurch ergibt sich eine Einschränkung des herkömmlichen Zentrifugaldurchflußsystems auf bestimmte Grundfunktionen des herkömmlichen Zentrifugierens oder der Erzielung biochemischer Reaktionen. Die obengenannte Mikro­ elektrodentechnik zur Erzeugung hochfrequenter elektrischer Felder in den Mikrostrukturen ist nicht anwendbar. Ein weite­ rer Nachteil bezieht sich auf die mit der herkömmlichen Zen­ trifugaltechnik realisierten Partikelsortierungen und -zählungen. Diese sind nur möglich, indem Mikrokanäle mit einer Größe hergestellt werden, die der Größe der zu bearbei­ tenden Teilchen entspricht. Damit ist ein gegebenes Mikrosy­ stem immer auf eine bestimmte Teilchengröße beschränkt. Außer­ dem kommt es bei der Handhabung von biologischen Partikeln (Zellen, Zellbestandteile) schnell zu Wechselwirkungen zwischen den Partikeln und der Kanalwand, die zu Kanalverstop­ fungen führen.The centrifugal technique according to M. J. Madou et al. owns the following disadvantages. Both achieving a sufficient Fluid movement as well as a possible disability Entrainment of particles with the liquid in disc-shaped flat rotor inevitably require the high mentioned Speeds of the carrier. This results in a restriction of the conventional centrifugal flow system to certain Basic functions of conventional centrifugation or Achieve biochemical reactions. The above micro Electrode technology for the generation of high-frequency electrical Fields in the microstructures are not applicable. A wide one The disadvantage relates to the conventional Zen centrifugal technology realized particle sorting and  counts. These are only possible by using microchannels of a size that is the same size as that to be machined corresponding particle. This is a given microsy stem always limited to a certain particle size. Except that's what happens when handling biological particles (Cells, cell components) quickly to interactions between the particles and the channel wall leading to channel stop exercises.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Manipulation von Partikeln in fluidischen Mikrosystemen anzugeben, min dem die Nachteile herkömmlicher Mikrosysteme überwunden werden und das einen erweiterten Anwendungsbereich besitzt. Die Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein verbes­ sertes fluidisches Mikrosystem mit einer gerichteten Partikel­ bewegung anzugeben, die vereinfacht und mit hoher Genauigkeit einstellbar ist. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, Anwen­ dungen eines derart verbesserten Mikrosystems anzugeben.The object of the invention is to provide an improved method for manipulating particles in fluidic microsystems specify the disadvantages of conventional microsystems be overcome and that an extended range of application owns. The object of the invention is also a verbes sertes fluidic microsystem with a directed particle Specify movement that is simplified and with high accuracy is adjustable. The object of the invention is also to apply to specify such an improved microsystem.

Diese Aufgaben werden durch Verfahren und Vorrichtungen mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendung der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These tasks are performed using methods and devices 10 solved the features according to claims 1 and 10. Advantageous embodiments and application of the invention result from the dependent claims.

Ein erster wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung besteht dar­ in, abweichend vom herkömmlichen Zentrifugaldurchflußsystem mit bewegten Flüssigkeiten zu einer Verfahrensweise überzuge­ hen, bei der in einem fluidischen Mikrosystem unter der Wir­ kung von Zentrifugalkräften ausschließlich die zu manipulie­ renden Partikel bewegt werden, wobei im wesentlichen keine Flüssigkeitsströmungen oder -bewegungen im Mikrosystem auftre­ ten. Hierzu werden eine Reihe von Maßnahmen realisiert, die insbesondere die Verwendung eines zumindest einseitig ge­ schlossenen fluidischen Mikrosystems, die Anbringung eines solchen Mikrosystems an einer Schwingrotor-Zentrifugenein­ richtung und den Betrieb dieser Zentrifugeneinrichtung mit einer vorbestimmten Drehzahl umfassen, bei der sich die Parti­ kel im Mikrosystem in gewünschter Weise bewegen.A first important aspect of the invention is in, deviating from the conventional centrifugal flow system coated with moving liquids to a procedure hen, in a fluidic microsystem under the we centrifugal forces only to manipulate particles are moved, essentially none Fluid flows or movements occur in the microsystem To this end, a series of measures are implemented that in particular the use of an at least one-sided ge closed fluidic microsystem, the attachment of a such microsystems on a vibratory rotor centrifuge  direction and operation of this centrifuge device with a predetermined speed at which the Parti move the microsystem in the desired way.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht Zentrifugierungsvor­ gänge mit geringen Drehzahlen. Wegen der Verwendung eines Schwingrotorsystems, bei dem sich ein Rotor als Träger für das Mikrosystem von einer vertikalen Ausrichtung (bei Stillstand oder niedrigen Drehzahlen) zu einer horizontalen Ausrichtung (bei hohen Drehzahlen) aufrichtet, beeinflussen bei abnehmen­ den Drehzahlen zunehmend auch die Gravitationskraft die Bewe­ gung der Partikel im Mikrosystem. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird auch eine Partikelbewegung in mindestens einseitig geschlossenen Mikrosystemen beschrieben, die sich im Stillstand mit vertikaler Ausrichtung des Mikro­ systems befinden. Die Partikelbewegung erfolgt als Sedi­ mentation unter Wirkung der Gravitationskraft.The method according to the invention enables centrifugation gears at low speeds. Because of the use of a Vibrating rotor system, in which a rotor as a carrier for the Microsystem from a vertical orientation (at standstill or low speeds) to a horizontal orientation (at high speeds), affect when losing weight the speed, the gravitational force, the movement particles in the microsystem. According to another Another aspect of the invention is particle movement in microsystems closed at least on one side, which is at a standstill with the mic oriented vertically systems. The particle movement takes place as Sedi mentation under the effect of gravitational force.

Erfindungsgemäß werden insbesondere derartige Mikrosysteme, die mit Mikroelektrodeneinrichtungen zur dielektrophoretischen Beeinflussung der Partikelbewegung ausgestattet sind, mit dem Prinzip des Zentrifugierens kombiniert. Die suspendierten Par­ tikel bewegen sich aufgrund der Zentrifugalkräfte durch die Mikrokanäle oder andere Mikrostrukturen in einem Mikrosystem, in denen sie (ohne austreten zu können) unter Wirkung elektri­ scher Polarisationskräfte z. B. aufgetrennt, in eine vorher festgelegte Position gebracht, fusioniert, sortiert oder per­ meiert werden.According to the invention, such microsystems, those with microelectrode devices for dielectrophoretic Influencing particle movement are equipped with the Combined principle of centrifugation. The suspended par particles move through the due to the centrifugal forces Microchannels or other microstructures in a microsystem, in which they (without being able to exit) under the effect of electri shear polarization forces z. B. separated into a previously fixed position brought, merged, sorted or by be avoided.

Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, daß erstma­ lig bei komplex strukturierten Mikrosystemen mit dielektropho­ retischer Teilchenbeeinflussung auf den Einsatz von schwer steuerbaren und störanfälligen Pumpen oder Ventilen verzichtet werden kann, ohne daß eine Einschränkung der Funktionalität des Mikrosystems auftritt. Es bestehen keine Beschränkungen in Bezug auf die Kanalquerdimensionen. Es besteht die Möglich­ keit, das Mikrosystem simultan mit der zugehörigen Steuerelek­ tronik in Rotation zu versetzen. Wechselwirkungen von Parti­ keln (insbesondere biologischen Partikeln) mit Wandbereichen des Mikrosystems können ohne weiteres vermieden oder aber auch bei entsprechender Strukturierung zur Untersuchung von Bin­ dungsvorgängen in vorbestimmter Weise erzielt werden.An important advantage of the invention is that Erstma lig with complex structured microsystems with dielectropho reticulate particle influence on the use of heavy controllable and fault-prone pumps or valves can be used without restricting functionality of the microsystem occurs. There are no restrictions in  Regarding the channel cross dimensions. There is a possibility speed, the microsystem simultaneously with the associated control electronics to set the tronics in rotation. Interactions of parti celn (especially biological particles) with wall areas of the microsystem can easily be avoided or else with appropriate structuring for the investigation of bin be achieved in a predetermined manner.

Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung werden im fol­ genden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrie­ ben. Es zeigen:Details and further advantages of the invention are in the fol described with reference to the accompanying drawings ben. Show it:

Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht eines erfin­ dungsgemäßen Aufbaus eines Zentrifuge mit einem Mikrosystem, Fig. 1 is a schematic perspective view of a structure of an OF INVENTION to the invention with a micro centrifuge system,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf ein erfindungs­ gemäßen Mikrosystem, das zur Teilchentrennung ein­ gerichtet ist, und Fig. 2 is a schematic plan view of a microsystem according to the Invention, which is directed to a particle separation, and

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf ein programmierbares Beladungsmikrosystem gemäß einer weiteren Ausfüh­ rungsform der Erfindung. Fig. 3 is a schematic plan view of a programmable loading microsystem according to another embodiment of the invention.

Die hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung bezie­ hen sich auf die Kombination eines Mikrosystems, das mit einer Mikroelektrodeneinrichtung zur Ausübung negativer oder positi­ ver Dielektrophorese ausgestattet ist (dielektrophoretisches Mikrosystem), mit einer Schwingrotorzentrifugeneinrichtung. Sowohl das dielektrophoretische Mikrosystem (abgesehen von der mindestens einseitigen Verschließbarkeit von Kanalstrukturen) als auch die Schwingrotorzentrifugeneinrichtung sind jeweils an sich bekannt, so daß auf deren technische Einzelheiten hier nicht weiter eingegangen wird. Es wird betont, daß der Begriff der Schwingrotorzentrifugeneinrichtung hier auch im weitesten Sinne dahingehend zu verstehen ist, daß jede Zentrifugenein­ richtung mit mindestens einem drehzahlabhängig aufrichtbaren Rotor eingeschlossen ist, der selbst das Mikrosystem und die zugehörige Steuerung bildet, in den das Mikrosystem und die zugehörige Steuerung integriert oder auf den das Mikrosystem und die zugehörige Steuerung aufgesetzt sind.The embodiments of the invention described here relate look at the combination of a microsystem with a Microelectrode device for exercising negative or positive ver dielectrophoresis (dielectrophoretic Microsystem), with a vibratory rotor centrifuge device. Both the dielectrophoretic microsystem (apart from the duct structures can be closed at least on one side) as well as the vibratory rotor centrifuge device are each known per se, so that their technical details here is not discussed further. It is emphasized that the term the vibratory rotor centrifuge device here also in the broadest  The meaning is to be understood to mean that every centrifuge direction with at least one speed-dependent erectable Including the microsystem and the rotor associated control forms in which the microsystem and associated control integrated or on which the microsystem and the associated control are attached.

Die erfindungsgemäß manipulierten Partikel können synthetische Teilchen oder biologische Objekte umfassen. Die synthetischen Teilchen sind beispielsweise membranumhüllte Gebilde, wie Liposomen oder Vesikeln, oder sogenannte Beads oder auch Makromoleküle. Die biologischen Objekte umfassen beispielswei­ se biologische Zellen oder Bestandteile von diesen (z. B. Zell­ organellen), Bakterien oder Viren. Die Partikel können auch Aggregate oder Zusammenballungen derartiger Teilchen und/oder Objekte sein.The particles manipulated according to the invention can be synthetic Particles or biological objects. The synthetic Particles are, for example, membrane-coated structures, such as Liposomes or vesicles, or so-called beads or also Macromolecules. The biological objects include, for example These are biological cells or components of these (e.g. cell organelles), bacteria or viruses. The particles can too Aggregates or agglomerations of such particles and / or Objects.

Fig. 1 ist eine schematische Übersichtsdarstellung einer er­ findungsgemäßen Vorrichtung zur Illustration der Anbringung eines dielektrophoretischen Systems an einer Zentrifugenein­ richtung. Fig. 1 is a schematic overview of an inventive device for illustrating the attachment of a dielectrophoretic system to a centrifuge device.

An einem üblichen oder anwendungsabhängig modifizierten Rotor einer Zentrifuge mit der Drehachse 11 befinden sich vier Auf­ nahmen 12, in die jeweils paßgerecht und für die applizierten Drehzahlen entsprechend ein Mikrosystem 15 und eine Steuer­ elektronik 13 zur Ansteuerung des Mikrosystems mit hochfre­ quenten Wechselsignalen verschiedener Phasenlage und Amplitude eingesetzt sind. Die Steuerelektronik ist über Kabel 14, Stecker oder anderweitig mit dem Mikrosystem 15 verbunden. Die Energieversorgung der Steuereinrichtung erfolgt vorzugsweise über eine elektrische Verbindung, (umlaufender Kontakt) mit dem festen Laborsystem. Das Mikrosystem hat ein Eingangsdepot 16, das anwendungsabhängig verschieden groß ausgelegt sein kann und vor der Zentrifugation mit einer Teilchen- oder Zell­ suspension gefüllt wird. Vom Eingangsdepot 16 aus verläuft eine Kanalstruktur, deren Einzelheiten weiter unten erläutert werden, bis zu Auffangzonen 17a, 17b, die ein zumindest wäh­ rend des Zentrifugierens geschlossenes Ende des Mikrosystems 15 bilden. Dies bedeutet, daß das Ende des Mikrosystems entwe­ der dauerhaft abgeschlossen oder bei Stillstand der Vorrich­ tung durch entsprechende Verbindungselemente geöffnet und an vorbestimmte Zusatzsysteme zur Probenübertragung angeschlossen werden kann. Das Mikrosystem 15 ist so auf der Aufnahme 12 angeordnet, daß bei Betrieb der Zentrifugeneinrichtung (Drehung des Rotors um die Drehachse 11 mit der Drehfrequenz ω) die auf das Mikrosystem 15 und in diesem befindliche Parti­ kel wirkenden Zentrifugalkräfte in der Bezugsrichtung vom Ein­ gangsdepot 18 hin zu den Auffangzonen 17a, 17b gerichtet sind. Die Aufnahmen 12 sind verschwenkbar am Rotor (nicht darge­ stellt) angebracht. Beim Stillstand der Zentrifuge sind die Aufnahme 12 im wesentlichen vertikal oder mit einem geringen Winkel gegenüber der Drehachse ausgerichtet. Beim Zentrifugen­ betrieb richten sich die Aufnahmen 12 drehzahlabhängig in einen größeren Winkel bis hin in die horizontale Ausrichtung senkrecht zur Drehachse 11 auf. Unter der Wirkung der Gravita­ tionskraft (bei Stillstand der Zentrifuge) bzw. der Zentrifu­ galkräfte durchlaufen die Teilchen das elektronisch gesteuerte Mikrokanalsystem und sammeln sich in den Auffangzonen (z. B. am geschlossenen Ende des von der Rotorachse wegweisenden Teils des Mikrosystems).On a conventional or application-dependent modified rotor of a centrifuge with the axis of rotation 11, there are four recordings 12 , in each case a microsystem 15 and control electronics 13 for fitting and for the applied speeds correspondingly for controlling the microsystem with high-frequency alternating signals of different phase positions and amplitudes are used. The control electronics are connected to the microsystem 15 via cables 14 , plugs or otherwise. The control device is preferably supplied with power via an electrical connection (all-round contact) with the fixed laboratory system. The microsystem has an input depot 16 which, depending on the application, can be of different sizes and is filled with a particle or cell suspension before centrifugation. A channel structure runs from the input depot 16 , the details of which are explained below, up to collecting zones 17 a, 17 b, which form a closed end of the microsystem 15 at least during centrifugation. This means that the end of the microsystem can either be permanently closed or opened when the device comes to a standstill by means of appropriate connecting elements and connected to predetermined additional systems for sample transmission. The microsystem 15 is arranged on the receptacle 12 that when the centrifuge device is operating (rotation of the rotor about the axis of rotation 11 at the rotational frequency ω), the centrifugal forces acting on the microsystem 15 and the particles therein are in the reference direction from the input depot 18 are directed to the collecting zones 17 a, 17 b. The recordings 12 are pivotally attached to the rotor (not shown). When the centrifuge is at a standstill, the receptacle 12 is oriented essentially vertically or at a slight angle with respect to the axis of rotation. In centrifuge operation, the receptacles 12 are upright at a greater angle up to the horizontal orientation perpendicular to the axis of rotation 11 . Under the effect of gravity (when the centrifuge is at a standstill) or centrifugal forces, the particles pass through the electronically controlled microchannel system and collect in the collecting zones (e.g. at the closed end of the part of the microsystem pointing away from the rotor axis).

Bei diesem Durchlauf werden die Partikel nach vorbestimmten Programmen (s. unten) behandelt. Da die Teilchen in Abhängig­ keit von ihrer Dichte verschiedene Bewegungen ausführen und Endpositionen einnehmen, wird in der vorliegenden Erfindung der Vorteil der Zentrifugaltrennung und -bewegung mit den Mög­ lichkeiten der programmierbaren Dielektrophorese kombiniert. In der Regel wird negative Dielektrophorese, in Ausnahmefällen auch positive Dielektrophorese der Teilchen genutzt. Ein wei­ terer Vorteil der Erfindung ist die Steuerung der Teilchenbe­ wegung über die Rotationsgeschwindigkeit (ω) des Rotors 11. Da hierbei ebenfalls programmierbare Variationen durchlaufen wer­ den können, ist ein zweiter Komplex von festlegbaren Parame­ tern bei der Partikelmanipulation gegeben.During this run, the particles are treated according to predetermined programs (see below). Since the particles perform various movements depending on their density and assume end positions, the advantage of centrifugal separation and movement is combined with the possibilities of programmable dielectrophoresis in the present invention. As a rule, negative dielectrophoresis is used, in exceptional cases also positive dielectrophoresis of the particles. Another advantage of the invention is the control of the particle movement via the rotational speed (ω) of the rotor 11 . Since programmable variations can also run through here, there is a second complex of definable parameters for particle manipulation.

Die Zentrifugeneinrichtung ist mit einer (nicht dargestellten) Drehzahlsteuerung versehen, die für eine reproduzierbare und genaue Drehzahleinstellung insbesondere in niedrigen Drehzahl­ bereichen eingerichtet ist. Die Drehzahl wird anwendungsabhän­ gig je nach der gewünschten Geschwindigkeit der zu manipulie­ renden Teilchen und in Abhängigkeit vom konkreten Zentrifugen­ aufbau gewählt. Die interessierenden Partikelgeschwindigkeiten liegen für biologische Partikel (z. B. Zellen) unterhalb von rd. 500 µm/s (vorzugsweise im Bereich von 50 bis 100 µm/s) und für synthetische Partikel (z. B. Latex-Beads) bei höheren Ge­ schwindigkeiten (z. B. einige mm/s). Die Drehzahl der Zentrifu­ geneinrichtung wird entsprechend den Zusammenhängen von Dreh­ zahl und Zentrifugalkraft in Abhängigkeit von der Größe bzw. Massendichte der Partikel gewählt. Für Partikeldurchmesser im Bereich von 50 bis 600 nm (z. B. Viren) können die Drehzahlen beispielsweise im Bereich von 1 bis 1000 U/min liegen. Bei Partikeln mit einem Durchmesser von rd. 5 µm werden Drehzahlen bis zu 100 U/min bevorzugt, wobei jedoch auch höhere Drehzah­ len einstellbar sind. Bei besonders kleinen Partikeln, z. B. Makromoleküle sind auch noch höhere Drehzahlen realisierbar. Für biologische Zellen ergeben sich bei einem Abstand des Mikrosystems von rd. 5 bis 10 cm von der Drehachse 11 Drehzah­ len im Bereich von wenigen Umdrehungen pro Minute bis zu eini­ gen 100 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise unterhalb 100 U/min. Die erzielbaren Zentrifugalkräfte liegen im Bereich von pN bis nN. Die Zentrifugeneinrichtung ist jedoch auch für größere Drehzahlen ausgelegt, die insbesondere für kleine Par­ tikel oder für Reinigungs- oder Spülzwecke eingestellt werden können. Diese erhöhten Drehzahlen können bis zum Bereich der Drehzahlen herkömmlicher Laborzentrifugen reichen.The centrifuge device is provided with a speed control (not shown) which is set up for a reproducible and precise speed setting, particularly in low speed ranges. The speed is selected depending on the application, depending on the desired speed of the particles to be manipulated and depending on the specific centrifuge design. The particle speeds of interest for biological particles (e.g. cells) are below approx. 500 µm / s (preferably in the range of 50 to 100 µm / s) and for synthetic particles (e.g. latex beads) at higher speeds (e.g. a few mm / s). The speed of the centrifuge device is selected in accordance with the relationships between the speed and centrifugal force as a function of the size or mass density of the particles. For particle diameters in the range of 50 to 600 nm (e.g. viruses), the speeds can be in the range of 1 to 1000 rpm, for example. For particles with a diameter of approx. 5 µm speeds up to 100 rpm are preferred, although higher speeds can also be set. With particularly small particles, e.g. B. Macromolecules even higher speeds can be realized. For biological cells there is a distance of approx. 5 to 10 cm from the axis of rotation 11 speeds in the range from a few revolutions per minute to a few 100 revolutions per minute, preferably below 100 rpm. The centrifugal forces that can be achieved are in the range from pN to nN. However, the centrifuge device is also designed for higher speeds, which can be set in particular for small particles or for cleaning or rinsing purposes. These increased speeds can range up to the range of speeds of conventional laboratory centrifuges.

Die Drehzahl der Zentrifuge wird auch in Abhängigkeit von den dielektrophoretischen Kräften ausgewählt, die auf die Partikel im Mikrosystem wirken. Die dielektrophoretischen Kräfte sind als Polarisationskräfte von der Teilchenart und -größe abhän­ gig. Die Drehzahl wird vorzugsweise so ausgewählt, daß die Zentrifugalkräfte auf die Partikel kleiner oder gleich den dielektrophoretischen Kräften sind. Falls diese nicht bekannt sind, kann die Drehzahl auch in Bezug auf das folgende Krite­ rium ausgewählt werden. Die Teilchen müssen sich so langsam durch die Kanalstruktur bewegen, daß beim Vorbeitritt an den Mikroelektrodeneinrichtungen genügend Zeit zur dielektrophore­ tischen Ablenkung bleibt. Die Wirksamkeit oder Unwirksamkeit der dielektrophoretischen Ablenkung in Abhängigkeit von der Drehzahl kann mit geeigneten Sensoren optisch oder elektrisch erfaßt werden.The speed of the centrifuge is also dependent on the dielectrophoretic forces selected on the particles act in the microsystem. The dielectrophoretic forces are as polarization forces depend on the particle type and size gig. The speed is preferably selected so that the Centrifugal forces on the particles less than or equal to dielectrophoretic forces are. If this is not known the speed can also be related to the following criterion rium can be selected. The particles have to move so slowly move through the channel structure that when entering the Microelectrode devices have enough time to dielectrophore table distraction remains. The effectiveness or ineffectiveness the dielectrophoretic deflection depending on the Speed can be optically or electrically with suitable sensors be recorded.

Fig. 2 zeigt in schematischer Weise ein Mikrosystem zur Auf­ trennung eines Partikelgemisches, bestehend aus größeren Teil­ chen 21 (z. B. Zellen) und kleinen Teilchen 22, die in einer Suspension vorliegen. Die Zentrifugalkräfte wirken in Pfeil­ richtung 23 (Bezugsrichtung). Die typischen Abmessungen der Kanalstruktur 24 sind die folgenden:
Breite:
einige 10 µm bis zu einigen mm (typischerweise: 200-400 µm)
Länge:
einige mm bis zu einigen cm (typischerweise: 20-50 mm)
Höhe:
einige µm bis zu einigen 100 µm (typischerweise: 50 µm).
Fig. 2 shows schematically a microsystem for the separation of a particle mixture consisting of larger particles chen 21 (z. B. cells) and small particles 22 which are in a suspension. The centrifugal forces act in the direction of arrow 23 (reference direction). The typical dimensions of the channel structure 24 are as follows:
Width:
a few 10 µm to a few mm (typically: 200-400 µm)
Length:
a few mm to a few cm (typically: 20-50 mm)
Height:
a few µm to a few 100 µm (typically: 50 µm).

Auf der Oberseite 25 und Unterseite 26 des Kanals 24 sind Mi­ kroelektroden 27a, 27b gegenüberliegend angeordnet, die bei Ansteuerung mit einer Wechselspannung (in der Regel einer Fre­ quenz im MHz-Bereich und einer Amplitude von einigen Volt) quer zum Kanal Feldbarrieren erzeugen, die über negative (be­ dingt auch positive) Dielektrophorese die Teilchen ablenken (im hier gezeigten Fall die großen Teilchen).On the top 25 and bottom 26 of the channel 24 Mi microelectrodes 27 a, 27 b are arranged opposite, which generate field barriers across the channel when driven with an AC voltage (usually a frequency in the MHz range and an amplitude of a few volts) , which deflect the particles via negative (conditionally also positive) dielectrophoresis (in the case shown here the large particles).

Die Kanalstruktur 24 reicht vom Eingangsdepot 28 zu den ge­ schlossenen Kanalenden 29a, 29b, in die sich der in einem mittleren Abschnitt gerade Kanal verzweigt. Ein erstes Paar der Mikroelektroden 27a, 27b ist unmittelbar am kanalseitigen Ende des Eingangsdepots 28 zur Ausbildung einer Feldbarriere angeordnet, die schräg in den Kanal hineinragt und die Aufgabe besitzt, die großen Teilchen 21 in den in Draufsicht rechten Teil des Kanals 24 zu drängen. Ein zweites Paar der Mikroelek­ troden 27a, 27b ist unmittelbar vor der Verzweigung zu den Kanalenden 29a, 29b angeordnet und bildet eine Feldbarriere, die schräg über die Kanalbreite bis in die zum Kanalende 29b führende Abzweigung reicht und dazu vorgesehen ist, die großen Teilchen 21 zu diesem Kanalende hin zu führen.The channel structure 24 extends from the input depot 28 to the closed channel ends 29 a, 29 b, into which the straight channel branches in a central section. A first pair of microelectrodes 27 a, 27 b is arranged directly at the channel-side end of the input depot 28 to form a field barrier, which protrudes obliquely into the channel and has the task of forcing the large particles 21 into the right part of the channel 24 in plan view . A second pair of the microelectrodes 27 a, 27 b is arranged immediately before the branching to the channel ends 29 a, 29 b and forms a field barrier that extends obliquely across the channel width into the branch leading to the channel end 29 b and is provided for this purpose, to guide the large particles 21 towards this channel end.

Ein erfindungsgemäßes Manipulationsverfahren, das bei diesem Beispiel auf eine Trennung der Teilchen gerichtet ist, umfaßt die folgenden Schritte.An inventive manipulation process that this Example is directed to a separation of the particles the following steps.

Vor der Zentrifugation wird das Mikrosystem mit einer geeigne­ ten Flüssigkeit gefüllt. Dabei ist das Mikrosystem bereits in eine Aufnahme 12 der Zentrifuge (s. Fig. 1) eingebaut. Der Einbau kann aber auch nach der Befüllung des Mikrosystems er­ folgen. Kurz vor Beginn der Zentrifugation werden die Elektro­ den 27a, 27b angesteuert und im Eingangsdepot 28 wird z. B. mit einer Pipettiereinrichtung die Suspension der zu trennenden Teilchen zugegeben. Die Zentrifugeneinrichtung ist zunächst noch im Ruhezustand, d. h. das Mikrosystem ist vertikal oder zur Vertikalen leicht geneigt ausgerichtet. Die Gravitations­ kraft, die auf die Teilchen wirkt, führt zu einem masseabhän­ gig verschieden schnellen Absinken in die Kanalstruktur (Sedimentation). Die weitere Bewegung der Teilchen hin zu den Kanalenden erfolgt je nach der gewünschten Teilchengeschwin­ digkeit ausschließlich unter der Wirkung der Gravitationskraft oder unter der gemeinsamen Wirkung der Gravitationskraft und der Zentrifugalkräfte. Die Zentrifugation kann somit als Sedi­ mentation unter der Wirkung einer künstlich erhöhten Fallbe­ schleunigung aufgefaßt werden. Die sich bewegenden Teilchen werden durch das elektrische Feld des ersten Paares der Mikro­ elektroden größenabhängig getrennt.Before the centrifugation, the microsystem is filled with a suitable liquid. The microsystem is already installed in a receptacle 12 in the centrifuge (see FIG. 1). The installation can also follow after filling the microsystem. Shortly before the start of centrifugation, the electric 27 a, 27 b are driven and in the input depot 28 , for. B. added with a pipetting device, the suspension of the particles to be separated. The centrifuge device is initially still at rest, ie the microsystem is oriented vertically or slightly inclined to the vertical. The gravitational force that acts on the particles leads to a mass-dependent drop in the channel structure (sedimentation). Depending on the desired particle speed, the further movement of the particles towards the channel ends takes place exclusively under the action of the gravitational force or under the joint action of the gravitational force and the centrifugal forces. The centrifugation can thus be understood as sedimentation under the effect of an artificially increased fall acceleration. The moving particles are separated by the size of the electric field of the first pair of micro electrodes.

Die Darstellung in Fig. 2 zeigt die Verhältnisse während der Sedimentation bzw. Zentrifugation. Durch die exakt einstellba­ ren Zentrifugalkräfte über die Rotationsgeschwindigkeit bewe­ gen sich die Teilchen in den unteren Teil des Mikrosystems. Entsprechend der üblichen Zentrifugationsprinzipien sedimen­ tieren die Teilchen mit der größten Dichte zuerst. Da die Teilchen 21 durch die elektrische Feldbarriere im Kanal nach rechts verschoben werden, während die Teilchen 22 davon unbe­ einflußt bleiben, so ergibt sich in den Kanalenden 29a, 29b eine Trennung beider Teilchenarten. Die Teilchen in jedem der Kanalenden ordnen sich zusätzlich wie bei der üblichen Zentri­ fugation entsprechend ihrer Dichte an. Das dargestellte Mikro­ system kann als Grundform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung betrachtet werden, wobei diese Grundform anwendungsabhängig vergrößert, erweitert oder mit weiteren Mikrostrukturen kombi­ niert werden kann. Der Vorteil besteht darin, daß keine Lösungsströmung entsteht und dennoch die Partikelbewegung ge­ richtet und einstellbar ist. Derartige Systeme können auch entgegengesetzte Bewegungen erzeugen, wenn die Teilchen einen Auftrieb besitzen.The illustration in FIG. 2 shows the conditions during sedimentation or centrifugation. Due to the precisely adjustable centrifugal forces via the rotation speed, the particles move into the lower part of the microsystem. According to the usual centrifugation principles, the particles with the highest density sediment first. Since the particles 21 are shifted to the right by the electrical field barrier in the channel, while the particles 22 remain unaffected by this, a separation of the two types of particles results in the channel ends 29 a, 29 b. The particles in each of the channel ends also arrange themselves according to their density, as in the usual centrifugation. The microsystem shown can be regarded as the basic form of a device according to the invention, which basic form can be enlarged, expanded or combined with other microstructures depending on the application. The advantage is that there is no solution flow and yet the particle movement is directed and adjustable. Such systems can also produce opposite movements if the particles have buoyancy.

Ausgehend von der dargestellten Grundform kann ein erfindungs­ gemäßes Mikrosystem beliebig erweitert werden, wie es an sich von den dielektrophoretischen Mikrosystemen bekannt ist. Dem­ nach kann die Kanalstruktur insbesondere mehrere, über Ver­ zweigungen miteinander verbundene Einzelkanäle aufweisen. Die Kanäle können gerade oder gekrümmt sein. Gekrümmte Kanalformen (z. B. Bögen, Mäander, Biegungen, Winkel usw.) können insbeson­ dere zur Untersuchung von Bindungsunterschieden von Partikeln mit den Kanalwänden verwendet werden.Based on the basic form shown, a fiction appropriate microsystem can be expanded as it is  is known from the dielectrophoretic microsystems. The after the channel structure can in particular several, via Ver have branches interconnected individual channels. The Channels can be straight or curved. Curved channel shapes (e.g. arches, meanders, bends, angles, etc.) can in particular another for the investigation of bond differences of particles can be used with the channel walls.

Gemäß einer weiteren Modifikation kann das Mikrosystem an der Aufnahme 12 (s. Fig. 1) drehbar angebracht sein. Während eines ersten Zentrifugationsvorganges erfolgt in einer ersten Mikro­ systemorientierung z. B. eine Teilchentrennung gemäß Fig. 2. Anschließend wird die Orientierung des Mikrosystems um 180° verändert, so daß die Gravitations- und/oder Zentrifugalkräfte entgegengesetzt der Pfeilrichtung 23 wirken. Die Kanalenden 29a, 29b übernehmen dann die Funktion von Eingangsdepots, von denen bei Vorhandensein geeigneter Kanalstrukturen (zusätzli­ che seitliche Abzweigungen) eine weitere Verteilung der ge­ trennten Teilchen in Untergruppen oder eine bestimmte Behand­ lung (Beladen mit Stoffen, Elektroporation u. dgl.) erfolgen kann. Es sind auch in Abhängigkeit von der Kanalstruktur andere Orientierungsänderungen als die genannte 180°-Umkehr möglich. Es besteht ferner die Möglichkeit, die Aufnahme 12 so zu gestalten, daß das Mikrosystem während der Zentrifugation gedreht wird.According to a further modification, the microsystem can be rotatably attached to the receptacle 12 (see FIG. 1). During a first centrifugation process takes place in a first micro system orientation z. B. particle separation according to Fig. 2. Then, changing the orientation of the microsystem by 180 °, so that the gravitational and / or centrifugal forces opposite to the direction of the arrow 23 act. The channel ends 29 a, 29 b then take over the function of input depots, of which, in the presence of suitable channel structures (additional lateral branches), a further distribution of the separated particles into subgroups or a specific treatment (loading with substances, electroporation and the like. ) can be done. Depending on the channel structure, it is also possible to change the orientation other than the 180 ° reversal mentioned. There is also the possibility of designing the receptacle 12 in such a way that the microsystem is rotated during the centrifugation.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, nämlich ein programmierbares Beladungsmikrosystem für Zellen oder Teilchen ist in Fig. 3 gezeigt. Hier ist der Zentrifugationskanal in drei Teile 31a, 31b, 31c unterteilt. In den Zwischenwänden befinden sich Öffnungen 32, durch die wieder Elektroden 33 auf der Ober- und Unterseite des Kanals hindurchreichen. Die Öff­ nungen sind der Teilchengröße angepaßt (typischerweise 5- bis 20fach größer als der Durchmesser). Zu Beginn werden in jeden der Kanalteile 31a bis 31c verschiedene Lösungen eingefüllt, die der chemischen Veränderung oder Beladung der Partikel dienen. Danach werden in einen Kanalteil (hier z. B. 31c) die Teilchen eingefügt. Durch die Zentrifugation gelangen die Teilchen (z. B. zuerst die schwarzen, dann die hellen) an die Elektroden 33 und können so automatisch über die elektrischen Feldbarrieren durch die Öffnungen 32 in die Nachbarlösungen überführt werden.Another embodiment of the invention, namely a programmable loading microsystem for cells or particles, is shown in FIG. 3. Here the centrifugation channel is divided into three parts 31 a, 31 b, 31 c. Openings 32 are located in the intermediate walls, through which electrodes 33 on the top and bottom of the channel extend again. The openings are adapted to the particle size (typically 5 to 20 times larger than the diameter). At the beginning, different solutions are poured into each of the channel parts 31 a to 31 c, which serve to chemically change or load the particles. The particles are then inserted into a channel part (here, for example, 31c). By centrifugation, the particles (eg first the black, then the light ones) reach the electrodes 33 and can thus be automatically transferred through the openings 32 into the neighboring solutions via the electrical field barriers.

Auch hier kommt es zu einer Sortierung in den drei Kanalenden 31d, 31e, 31f und gleichzeitig zu einer Anordnung der Teilchen entsprechend der Masseunterschiede.Here too there is a sorting in the three channel ends 31 d, 31 e, 31 f and at the same time an arrangement of the particles according to the mass differences.

Weitere Eigenschaften der Mikrosysteme bestehen darin, daß sie Öffnungen (Zuflüsse, Durchflüsse, Abflüsse) besitzen kön­ nen, die sich verschließen lassen, so daß die Teilchen nach der Zentrifugation oder davor leicht entnommen oder eingefügt werden können. Ferner können all die Mikroelektrodenelemente (Halteelektroden für Teilchen, Mikrofeldkäfige etc.) eingebaut werden, die für die dielektrophoretische Beeinflussung von Teilchen an sich bekannt sind und bei herkömmlichen Mikrosy­ stemen, die mit strömenden Flüssigkeiten arbeiten, eingesetzt werden. Aufgrund des Zusammenwirkens der Gravitations- bzw. Zentrifugalkräfte mit den dielektrophoretischen Kräften ist das erfindungsgemäße Verfahren eine elektrisch gesteuerte oder aktive Zentrifugation. Zusätzlich können Kombinationen mit der Einwirkung optischer Kräfte (Laser-Tweezer), magnetischer Kräfte (Einwirkung auf magnetische Partikel) oder mechanischer Kräfte in Form von Ultraschallkräften vorgesehen sein.Further properties of the microsystems are that they can have openings (inflows, flows, outflows) nen that can be closed, so that the particles after easily removed or inserted from centrifugation or before can be. Furthermore, all of the microelectrode elements can (Holding electrodes for particles, microfield cages etc.) installed that are used for the dielectrophoretic influence of Particles are known per se and in conventional microsy systems that work with flowing liquids become. Due to the interaction of the gravitational or This is centrifugal forces with the dielectrophoretic forces inventive method an electrically controlled or active centrifugation. In addition, combinations with the Effect of optical forces (laser tweezers), magnetic Forces (action on magnetic particles) or mechanical Forces in the form of ultrasonic forces can be provided.

Anwendungsgebiete der Erfindung sind insbesondere:
Fields of application of the invention are in particular:

  • - Zelltrennung/-fraktionierung,- cell separation / fractionation,
  • - Zellsortierung,- cell sorting,
  • - Zellbeladung (molekular, Nanoteilchen, Beads), - cell loading (molecular, nanoparticles, beads),  
  • - Zellentladung (molekular),- cell discharge (molecular),
  • - Zellpermeation (sog. Elektroporation),Cell permeation (so-called electroporation),
  • - Zellfusion (sog. Elektrofusion),- cell fusion (so-called electrofusion),
  • - Zellpärchenbildung, und- cell pair formation, and
  • - Zellaggregatbildung.- Cell aggregate formation.

Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Lösungs- oder Suspen­ sionsflüssigkeiten beschränkt. Es ist vorteilhaft, wenn die Viskosität der im Mikrosystem enthaltenen Flüssigkeit bekannt ist. Bei bekannter Viskosität läßt sich die Drehzahl zur Ein­ stellung einer bestimmten Partikelgeschwindigkeit auf der Grundlage von Tabellenwerten oder durch einen Programmalgo­ rithmus ermitteln. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die tatsächliche Geschwindigkeit der Partikel im Mikrosystem wäh­ rend der Zentrifugation zu erfassen (z. B. mit einem optischen Sensor) und die Drehzahl zur Einstellung einer bestimmten Par­ tikelgeschwindigkeit zu regeln. Es kann vorgesehen sein, daß in verschiedenen Teilbereichen des Kanalstrukturen, z. B. in parallel verlaufenen Kanälen, die nur über eine Öffnung mit­ einander verbunden sind, Flüssigkeiten mit verschiedenen Vis­ kositäten enthalten sind. In diesem Fall werden jedoch Visko­ sitäten bevorzugt, bei denen sichergestellt ist, daß die Diffusion der Flüssigkeiten durch die Öffnung über den Zentri­ fugationszeitraum verhältnismäßig klein oder vernachlässigbar klein ist.The invention is not limited to specific solutions or suspensions limited fluids. It is advantageous if the Viscosity of the liquid contained in the microsystem is known is. If the viscosity is known, the speed can be turned on position of a certain particle velocity on the Based on table values or through a program algo determine rhythm. Alternatively, it is also possible to use the actual speed of the particles in the microsystem during centrifugation (e.g. with an optical Sensor) and the speed to set a specific par regulate particle speed. It can be provided that in different sections of the channel structures, e.g. B. in parallel channels that only have an opening with are interconnected, liquids with different vis costs are included. In this case, however, will be visco preferred, where it is ensured that the Diffusion of the liquids through the opening over the centri Migration period is relatively small or negligible is small.

Falls die Massendichte der Partikel kleiner als die Flüssig­ keit im Mikrosystem ist, kann die Erfindung entsprechend abge­ wandelt implementiert werden, indem Partikel gegebenenfalls auf der der Drehachse abgewandten Seite des Mikrosystems ein­ gebracht werden und unter Wirkung des Auftriebs oder unter kombinierter Wirkung des Auftriebs und der Zentrifugalkräfte zum anderen Ende des Mikrosystems wandern. If the mass density of the particles is smaller than the liquid speed in the microsystem, the invention can be abge accordingly converts to be implemented by particles if necessary on the side of the microsystem facing away from the axis of rotation brought and under the effect of buoyancy or under combined effect of buoyancy and centrifugal forces hike to the other end of the microsystem.  

Das Mikrosystem wird anwendungsabhängig in Bezug auf die Kanalstruktur und die Ausrichtung der Elektrodeneinrichtungen angepaßt. Die Kanalquerdimensionen sind in der Regel wesent­ lich größer als die Durchmesser der einzelnen Partikel. Da­ durch wird vorteilhafterweise ein Verstopfen der Kanäle ver­ mieden. Sind lediglich Partikel mit besonders geringen Dimen­ sionen zu manipulieren (z. B. Bakterien oder Viren oder Zellor­ ganellen), so können die Kanaldimensionen entsprechend verrin­ gert werden, z. B. auf Beträge unterhalb 10 µm.The microsystem becomes application-dependent in terms of Channel structure and the alignment of the electrode devices customized. The channel cross dimensions are usually essential Lich larger than the diameter of the individual particles. There by clogging of the channels is advantageously ver avoided. Are only particles with particularly small dimensions manipulations (e.g. bacteria or viruses or cell or ganelles), the channel dimensions can be reduced accordingly be z. B. to amounts below 10 microns.

Die Erfindung wird mit einem Mikrosystem implementiert, das mindestens einseitig geschlossen ist. Das geschlossene Ende kann ein geschlossenes Kanalende, eine geschlossene Sammelzone oder auch ein geschlossener Hohlraum im Mikrosystem sein. Bei der erfindungsgemäßen Partikelmanipulation erfolgt im wesent­ lichen keine Flüssigkeitsbewegung hin zu dem geschlossenen Ende. Dies bedeutet, insbesondere bei Realisierung von Sam­ melzonen oder Hohlräumen am geschlossenen Ende, daß diese wie das gesamte Mikrosystem zu Beginn der Partikelmanipulation mit der Lösung oder Suspension für die Teilchen gefüllt ist.The invention is implemented with a microsystem that is closed at least on one side. The closed end can be a closed channel end, a closed collection zone or a closed cavity in the microsystem. At the particle manipulation according to the invention essentially takes place no liquid movement towards the closed The End. This means, especially when realizing Sam melzones or cavities at the closed end that these like the entire microsystem at the beginning of the particle manipulation the solution or suspension for the particles is filled.

Falls es beim Manipulieren der Partikel zu Zusammenballungen oder vorübergehenden Verstopfungen der Kanalstrukturen kommt, so ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Drehzahl der Zentrifuge kurzzeitig zu erhöhen, um so die zusammenhaftenden Partikel abzulösen und weiter zu bewegen.If there is an aggregation when manipulating the particles or there is temporary blockage of the channel structures, so it is provided according to the invention, the speed of the centrifuge increase briefly so that the particles stick together detach and move on.

Claims (16)

1. Verfahren zur Manipulation von Partikeln in einem fluidi­ schen Mikrosystem (15, 24, 31), bei dem die Partikel (21, 22) in einer Suspensionsflüssigkeit in einer vorbestimmten Bezugs­ richtung bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß
das Mikrosystem (15, 24, 31) mindestens an seinem in der Bezugsrichtung liegenden Ende (17a, 17b, 29a, 29b, 31d, 31e, 31f) verschlossen wird, und
die Partikel sich unter der Wirkung von Zentrifugal- und/oder Gravitationskräften in der in Bezug auf das Mikrosystem (15, 24, 31) ruhenden Suspensionsflüssigkeit bewegen, wobei die Zentrifugal- und/oder Gravitationskräfte im wesentlichen parallel zu der Bezugsrichtung verlaufen, und die Partikel im Mikrosystem (15, 24, 31) Ablenkkräften ausgesetzt werden, deren Richtung von der Bezugsrichtung abweicht.
1. A method for manipulating particles in a fluidic microsystem ( 15 , 24 , 31 ), in which the particles ( 21 , 22 ) are moved in a suspension liquid in a predetermined reference direction, characterized in that
the microsystem ( 15 , 24 , 31 ) is closed at least at its end lying in the reference direction ( 17 a, 17 b, 29 a, 29 b, 31 d, 31 e, 31 f), and
the particles move under the action of centrifugal and / or gravitational forces in the suspension liquid which is at rest with respect to the microsystem ( 15 , 24 , 31 ), the centrifugal and / or gravitational forces being essentially parallel to the reference direction, and the particles in the microsystem ( 15 , 24 , 31 ) are subjected to deflection forces whose direction deviates from the reference direction.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Mikrosystem (15, 24, 31) an einer Schwingrotorzentrifugeneinrichtung angebracht ist, wobei die Partikelbewegung bei Stillstand der Schwingro­ torzentrifugeneinrichtung als Sedimentation unter Wirkung der Gravitationskraft und bei Betrieb der Schwingrotorzentrifu­ geneinrichtung unter Wirkung der Zentrifugalkräfte erfolgt.2. The method according to claim 1, wherein the microsystem ( 15 , 24 , 31 ) is attached to a Schwingrotorzentrifugeneinrichtung, the particle movement takes place when the Schwingro torzentrifugeneinrichtung as sedimentation under the effect of gravitational force and when operating the Schwingrotorzentrifu gene device under the action of centrifugal forces. 3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem die Ablenkkräfte elek­ trische Polarisationskräfte, optische Kräfte, magnetische Kräfte oder Ultraschallkräfte umfassen. 3. The method according to claim 2, wherein the deflecting forces elek trical polarization forces, optical forces, magnetic Forces or include ultrasound forces.   4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die Drehzahl der Schwingrotorzentrifugeneinrichtung so eingestellt ist, daß die auf die Partikel wirkenden Zentrifugalkräfte kleiner oder gleich als die Ablenkkräfte sind.4. The method according to claim 3, wherein the speed of the Vibratory rotor centrifuge device is set so that the centrifugal forces on the particles smaller or equal than the deflecting forces. 5. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die Drehzahl der Schwingrotorzentrifugeneinrichtung so eingestellt ist, daß sich die Partikel so langsam bewegen, daß unter Wirkung der Ablenkkräfte eine Ablenkung der Partikel aus der Bezugsrich­ tung erfolgt.5. The method according to claim 3, wherein the speed of the Vibratory rotor centrifuge device is set so that the particles move so slowly that under the effect of Deflection forces a deflection of the particles from the reference line tion takes place. 6. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die Drehzahl der Schwingrotorzentrifugeneinrichtung in Abhängigkeit von der mit einem optischen oder elektrischen Sensor erfaßten Geschwindig­ keit der Partikel geregelt wird.6. The method according to claim 3, wherein the speed of the Vibratory rotor centrifuge device depending on the an optical or electrical sensor particle is regulated. 7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Partikelbewegungen unter Wirkung der Zentrifugalkräfte in getrennten Zentrifugationsschritten erfolgen, wobei zwischen den Zentrifugationsschritten eine Verstellung des Mikrosystems zur veränderten Ausrichtung in Bezug auf die Zentrifugalkräfte erfolgt.7. The method according to any one of the preceding claims, in which several particle movements under the influence of centrifugal forces take place in separate centrifugation steps, whereby between the centrifugation steps an adjustment of the Microsystem to change the orientation in relation to the Centrifugal forces occur. 8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Drehzahl der Schwingrotorzentrifugeneinrichtung in Abhän­ gigkeit von der Größe oder Dichte der Partikel gewählt wird.8. The method according to any one of the preceding claims, in which the speed of the vibratory rotor centrifuge device in dependency depending on the size or density of the particles. 9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Partikel unter Wirkung von Auftriebskräften entgegen­ gesetzt zur Richtung der Zentrifugal- und/oder Gravitations­ kräfte bewegen. 9. The method according to any one of the preceding claims, in which the particles counteract under the influence of buoyancy forces set to the direction of centrifugal and / or gravitational move forces.   10. Mikrosystem (15, 24, 31) mit mindestens einem Kanal, der von einem Eingangsdepot (16, 28) zu Kanalenden (17a, 17b, 29a, 29b, 31d, 31e, 31f) verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikrosystem (15, 24, 31) zur Anbringung am Rotor einer Zentrifuge derart eingerichtet ist, daß beim Zentrifugenbe­ trieb die Zentrifugalkräfte, die auf Partikel im Kanal wirken, im wesentlichen parallel zur Kanalausrichtung verlaufen, und die Kanalenden (17a, 17b, 29a, 29b, 31d, 31e, 31f) geschlossen oder während des Zentrifugenbetriebs verschließbar sind.10. microsystem ( 15 , 24 , 31 ) with at least one channel that runs from an input depot ( 16 , 28 ) to channel ends ( 17 a, 17 b, 29 a, 29 b, 31 d, 31 e, 31 f), characterized in that the microsystem ( 15 , 24 , 31 ) is arranged for attachment to the rotor of a centrifuge in such a way that when centrifuged, the centrifugal forces acting on particles in the channel run essentially parallel to the channel orientation, and the channel ends ( 17 a , 17 b, 29 a, 29 b, 31 d, 31 e, 31 f) are closed or can be closed during centrifuge operation. 11. Mikrosystem gemäß Anspruch 10, das eine Mikroelektroden­ einrichtung aufweist, die Mikroelektroden zur Erzeugung von Feldbarrieren im Mikrosystem umfaßt.11. A microsystem according to claim 10, which is a microelectrode has device, the microelectrodes for generating Field barriers in the microsystem included. 12. Mikrosystem gemäß Anspruch 11, bei dem die Mikroelektroden an gegenüberliegenden Längsseiten des Kanals angeordnet und zur Beaufschlagung mit einer hochfrequenten Wechselspannung eingerichtet sind.12. The microsystem according to claim 11, wherein the microelectrodes arranged on opposite long sides of the channel and for the application of a high-frequency AC voltage are set up. 13. Mikrosystem gemäß Anspruch 12, bei dem die Mikroelektroden bandförmige Elektroden sind, die sich schräg zur Kanalausrich­ tung erstrecken und zur Erzeugung von Feldbarrieren im Kanal eingerichtet sind.13. A microsystem according to claim 12, wherein the microelectrodes are band-shaped electrodes that are oblique to the channel alignment stretch and to create field barriers in the channel are set up. 14. Mikrosystem gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, das am Rotor der Zentrifuge verschwenkbar angebracht ist.14. Microsystem according to one of claims 10 to 13, which on Rotor of the centrifuge is pivotally attached. 15. Mikrosystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 14, bei dem eine elektronische Steuerung des Mikrosystems am Rotor der Zentrifuge angebracht ist.15. Microsystem according to one of the preceding claims 10 to 14, in which an electronic control of the microsystem is attached to the centrifuge rotor. 16. Verwendung eines Verfahrens oder einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Trennung, Fraktionie­ rung, Sortierung, Beladung, Entladung, Permeation, Fusion, Pärchenbildung und/oder Aggregatbildung synthetischer Teilchen und/oder biologischer Partikel.16. Use of a method or a device according to any of the preceding claims for separation, fractionation tion, sorting, loading, unloading, permeation, fusion,  Pair formation and / or aggregate formation of synthetic particles and / or biological particles.
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