Detektion von Minitropfen

Physik Journal - Mit einem kapazitiven Verfahren lassen sich mikrofluidische Tröpfchen in Echtzeit sortieren.

Unternehmen und Forschungseinrichtungen im Umfeld der Biotechnologie und Medizintechnik sind daran interessiert, kleinste Flüssigkeitsmengen im Bereich von Nano- bis Pikolitern kontrolliert zu manipulieren. Auch beim Prinzip des Lab-on-a-chip ist man auf sehr genaue Tröpfchengrößen angewiesen. Bislang dienen meistens optische Verfahren dazu, die Qualität der Tröpfchen zu kontrollieren. Wissenschaftler der Hong Kong University of Science and Technology um den Physiker Ping Sheng nutzen dagegen ein kapazitives Verfahren. Mit ihrem nun vorgestellten Labormuster können sie Größe, Form und Zusammensetzung mikrofluidischer Tröpfchen erfassen und diese auch sortieren.

Die Physiker fertigten dazu mit lithografischen Methoden einen Chip, der eine Flussröhre enthält, zu der senkrecht drei Elektrodenpaare angebracht sind. Diesen Chip haben sie auf eine Platine montiert, auf der die Steuerung für die Detektion der Tröpfchen untergebracht ist. Dabei dient Wasser als Trägermedium für die Tröpfchen.

Abb.: Auf der Platine mit der Steuerelektronik sitzt der Chip, der die Tröpfchen detektiert. (Quelle: Niu et al.)

Ein Tröpfchen lässt sich über die Änderung der Feldstärke nachweisen, während es zwischen den Enden einer Elektrode hindurchwandert. Seine Dielektrizitätszahl – und damit seine chemische Zusammensetzung – wirkt sich auf die Amplitude des Signals aus. Die Form der Tröpfchen wiederum beeinflusst das Profil des resultierenden Signals, und ihre Größe ergibt sich aus der Zeit, die sie für das Durchwandern der Elektrodenstrecke benötigen. Sheng und seine Kollegen nutzen den Chip auch zum Sortieren: Dazu werden die elektrisch aufgeladenen Tröpfchen gleicher Dielektrizitätszahl über einen Regelkreis mithilfe eines elektrischen Feldes in eine der beiden Richtungen abgelenkt. Dies geschieht am dritten Elektrodenpaar, das an einer Verzweigung der Flussröhre liegt.

Die Betriebsfrequenz des Sortierers kann bis zu 10 kHz erreichen, was konventionelle optische Sortierverfahren nur schwerlich schaffen. Und: Diese Methode würde erstmals die in-situ-Detektion mit mobilen Chiplabors ermöglichen.

Michael Vogel

Quelle: Physik Journal, Januar 2008, S. 16

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Xize Niu et al., Biomicrofluidics 1, 044101 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1063/1.2795392