Mikrofluidikstrukturen mit integrierten Elektrodenarrays zur dielektrophoretischen Manipulation von submikrometer Partikeln

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die wissenschaftlichen und technischen Vorraussetzungen zu schaffen, um eine effiziente Ablenkung, Anreicherung und Manipulation von Partikeln mit einem Durchmesser von 20 µm – 100 nm in Lösung mit dielektrophoretischen Kräften zu erreichen und diese Technologie für neue biotechnologische Anwendungsfelder zugänglich zu machen. Das Mikrofluidiksystem wurde mit Methoden der Dünnschicht- und Mikrostrukturtechnik einschließlich Elektronenstrahllithographie realisiert. In die Kanäle zum Flüssigkeitstransport wurden Elektroden integriert, mit deren Hilfe vorbeiströmende Partikel in ihrer Bewegungsrichtung abgelenkt wurden. Als Material der Kanäle wurde daher Glas gewählt. Das System wurde so konzipiert, dass zwei Glasseiten und ein dazwischenliegender Abstandshalter die Kanäle definierten. Zunächst wurden beide Glasseiten photolithographisch mit den Ablenkelektroden strukturiert. Die beiden Hälften wurden anschließen mit einer neu entwickelten Spacertechnologie, basierend auf dem photolithographisch strukturierbaren Polymermaterial SU-8 und einer dünnen Schicht Klebstoff, der im UV-Licht aushärtet, zusammengefügt. Die Justiergenauigkeit zwischen Ober- und Unterseite des Kanals war besser als 2 µm. Kanalhöhen von 5 µm -50 µm wurden realisiert. Zur Messung von Partikelgeschwindigkeiten und –manipulationen wurde Licht- und Fluoreszenzlichtmikroskopie in Verbindung mit Videoauswertung eingesetzt. Präzisions-Spritzenpumpen wurden zur definierten Erzeugung einer Flussgeschwindigkeit in den Kanälen verwendet. Impedanzanalysen sowie Widerstandsmessungen mit Mikrospitzen wurden zur elektrischen Charakterisierung der hergestellten Elektrodenstrukturen durchgeführt. Ein neues Verfahren zur elektrischen Charakterisierung von Elektroden durch Impedanzanalyse wurde erstmalig für die Dielektrophorese angewendet. Latexpartikel mit einem Durchmesser von 200 nm – 20 µm konnten mit den hergestellten Strukturen definiert bewegt, manipuliert und angereichert werden. Mit Hilfe der Flusskanäle konnten erstmals 200 nm große Latexpartikel aus einem Flüssigkeitsstrom herausgefiltert werden und von größeren Partikeln separiert werden. Die relevanten Parameter bei der Ablenkung von Partikeln in Flusskanälen sind die Partikelgröße, die Kanalhöhe, das elektrische Potential der Ablenkelektroden, die Frequenz des elektrischen Feldes sowie der Winkel zwischen Ablenkelektrode und Flussrichtung der Partikel. Die zugrundeliegende Theorie weist eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten bei der Winkelabhängigkeit, der Abhängigkeit von der Teilchengröße, der Kanalhöhe und des Elektrischen Potentials auf. Die im Experiment festgestellte Abweichung der Abhängigkeit der Partikelablenkung von der Teilchengröße zur Theorie können u.a. durch Quadrupolmomente erklärt werden. Die Kräfte auf Partikel mit Radius 250 nm betragen bei der dielektrophoretischen Ablenkung im Flusskanal von 6,65 µm Höhe 50 fN -1 pN.

The goal of the work was to achieve the scientific and technical basics for efficient deflection, accumulation and manipulation of particles with diameters ranging from 20 µm to 100 nm in a fluid stream by means of dielectrophoretic forces and allow this technology to be used for new fields in biotechnology. The microsystem was realised with methods of cleenroom- and microstructuring- techniques including electron beam lithography. Electrodes were included in fluidic channels, where with its help the direction of movement of the suspended particles was changed. The so called deflection electrodes were attached at different angles in the channel with respect to the fluid direction. Glass was used as material for the channel walls. First, deflection electrodes were structured photolithographically on two glass slides (1mm and 170 µm thick). Further, the glass chips and a spacer were put together to form the channel. A newly developed spacer-technology, based on a photolithographically structured polymer material (SU-8) and a thin film of UV-light curable adhesive was used to join the glass sides together. The precision of adjusting both channel sides was better than 2 µm. Channel heights ranging from 5 µm to 50 µm were realised. Microscopy (light and fluorescence) in combination with video evaluation were used for measuring particle movement and speed. Precise syringe pumps generated a defined fluid streaming in the channels. Resistance measurements with microtips as well as impedance studies were undertaken for the electric characterisation of the electrode structures. The dielectrophoretic force was calibrated according to stokes law. The achievements are to be found firstly at the area of the production technology of microfluidic structures and secondly in the accurate measurement of all relevant parameters at the dielectrophoretic particle manipulation in fluid channels as well as their certification with the basing theory. A method for the electrical characterisation of electrodes through impedance analysis was firstly applied to dielectrophoresis. Within the new microfluidic system, latex particles with a diameter of 200 nm – 20 µm could be moved, manipulated and accumulated in a defined way. In fluid channels, down to 200 nm particles could be filtered out of a fluid stream of a particle mixture with larger particles The relevant parameters for the deflection of particles in fluid channels are the particle size, the channel height, the electrical potential of the deflection electrodes, the applied frequency of the electrical field and the angle between deflection electrode and fluid direction. The experiments are in good agreement with theoretical values, deviations at the comparison of different particle sizes can be explained to be partly due to quadrupole moments. The precision of alignment of top and bottom part of the channel of  2 µm is shown to be uncritical with respect to the deflection properties of the electrodes. The forces on particles with 250 nm radius in a fluid channel with a height of 6.65 µm due to dielectrophoretic deflection are in the range of 50 fN -1 pN.