On-chip microfluidic cell separator based on dielectrophoresis

Abstract

Es wurde ein Biochip zur kontinuierlichen Separation von Partikeln mit einer Größe von einigen Mikrometern, wie etwa biologische Zellen, entwickelt. Die Separation basiert auf dem physikalischen Effekt der Dielektrophorese die im Bereich der Partikelmanipulation mittels mikrofluidischen Systemen weite Anwendung findet. Im Gegensatz zu den vorhandenen Systemen, die vorwiegend auf negativer Dielektrophorese basieren, kann mit dem vorliegenden Chip sowohl positive als auch negative Dielektrophorese genutzt werden.<br />Die Partikel werden in einer Flüssigkeitsströmung durch den Kanal an Platin-Elektroden vorbei transportiert. Diese Elektroden erzeugen das für die Dielektrophorese notwendige inhomogene elektrische Feld wodurch die Partikel auf ihrem Weg durch den Separationskanal horizontal abgelenkt werden. Vor dem eigentlichen Separationsprozess wird eine hydrodynamische Fokussierung der Partikel in die Mitte des Kanals durchgeführt um eine einheitliche Startposition zu gewährleisten.<br />Die Funktion des Chips wurde durch Separationsexperimente mit Hefezellen (d~5mym) und Polystyrol-Partikel (d=8mym) bestätigt und evaluiert. Bei einer angelegten Spannung von 11.3 VRMS und einer Frequenz von 1 kHz zeigen Hefezellen positive und Polystyrol-Partikel negative Dielektrophorese.<br />

In this work a microfluidic device for the continuous separation of particles with a diameter of a few micrometers, like biological cells, was developed. The separation is based on dielectrophoresis which is a common method for particle manipulation in microfluidic systems. In contrast to existing separator devices which mainly rely on negative dielectrophoresis the design presented in this work utilizes both, positive and negative dielectrophoresis.<br />The particles are transported by a fluid flow past the platinum electrodes placed at the bottom of the channel. These electrodes produce the inhomogeneous electric field needed for the dielectrophoretic effect that deflects the particles on their path through the separation channel. Prior to the actual separation process hydrodynamic focusing of the particles into the center of the channel takes place to ensure a common starting position.<br />The correct function of the device was proved and evaluated by separation experiments with yeast cells (d~5mym) and polystyrene beads (d=8mym). At a voltage of 11.3 VRMS and a frequency of 1 kHz the yeast cells and beads showed positive and negative dielectrophoretic behavior, respectively.