Dielectrophoresis-based characterization and separation of cells

Abstract

Dielektrophorese, die Bewegung polarisierbarer Teilchen in einem inhomogenen elektrischen Feld, ist eine vielversprechende Technik zur on-Chip Manipulation von biologischen Teilchen wie Zellen und Bakterien. Um die Separation von Zellen mittels Dielektrophorese (DEP) zu untersuchen, wurden verschiedene Mikroelektroden-Chips entworfen, simuliert und hergestellt. Durch das elektrische Feld treten neben Dielektrophorese auch AC Elektroosmose und elektrothermische Effekte auf. Um diese unerw¨unschten Effekte zu minimieren, wurden entsprechende Betriebsbedingungen definiert.<br />Dielektrophorese- und Elektrorotationsspektren wurden f¨ur T-Lymphocyten, Saccharomyces cerevisiae, Lactobacillus casei, Nannochloropsis sp. und Isochrysis galbana gemessen. Die dielektrischen Eigenschaften dieser Zellen wurden mit Hilfe eines vereinfachten Modells mit konzentrischen H¨ullen berechnet. Diese Daten wurden benutzt, um optimale Bedingungen f¨ur die Separation verschiedener Zelltypen zu bestimmen.<br />Die Vor- und Nachteile der Separationsmethoden Separation mit positiver und negativer Dielektrophorese, Separation mittels negativer Dielektrophorese und Separation durch Wanderwellen- Dielektrophorese werden diskutiert und verglichen.<br />

Dielectrophoresis, the motion of polarizable particles in a non-uniform electric field, is a promising technique for on-chip handling of biological particles like cells and bacteria. Multiple microelectrode devices were designed, simulated and fabricated to investigate different aspects of cell separation by dielectophoresis (DEP). Besides the dielectrophoretic force, the electric field induces AC electroosmosis and electrothermal effects. To minimize these undesired effects, adequate operating conditions were defined.<br />Dielectrophoretic and electrorotational spectra were determined for T-lymphocytes, Saccharomyces cerevisiae, Lactobacillus casei, Nannochloropsis sp. and Isochrysis galbana. Dielectric properties of these cell types were estimated by applying a multiple shell model.<br />The obtained data was used to find optimal separation conditions for cell mixtures.<br />The advantages and disadvantages of different dielectrophotretic separation methods: positive and negative DEP forces, negative DEP force and travelling wave DEP are evaluated and compared.<br />