Felder treiben Tropfen

Elektrische Felder treiben Nanotropfen

Fein geätzte Mikrokanäle von Lab-On-Chip-Systemen können verstopfen. Elektrische Felder versprechen Abhilfe.

Raleigh (USA) – Gefäße für chemische oder biologische Reaktionen schrumpfen im Labor zusehends. Auf winzigen Chips lassen sich mittlerweile viele Analysen oder Synthesen parallel und nur mit Nanoliter kleinen Substanzmengen durchführen. Doch da die fein geätzten Mikrokanäle für Zellen oder Proteine oft ein hinderliches Nadelöhr darstellen und verstopfen, verzichten amerikanische Forscher nun einfach auf diese geschlossenen Leitungsbahnen. So schickten sie winzige Wassertropfen quasi als Protein-Container auf die Reise über einen Laborchip. Angetrieben allein durch wechselnde, elektrische Felder.

"In unserem Mikrofluid-System treiben Wassertropfen frei über eine Oberfläche benetzt mit fluoriniertem Öl", berichten Orlin D. Velev und seine Kollegen von der North Carolina State University in Raleigh. Wasser und Öl vermischten sich dabei nicht, sondern die Tropfen mit einer Füllmenge von einigen Hundert Nanolitern saßen - stabilisiert durch die eigene Oberflächenspannung - auf dem Ölfilm auf. In der Fachzeitschrift "Nature" beschrieb die Forschergruppe, wie sie unter dem Ölfilm in regelmäßigen Abständen (1-2 Millimeter) lang gezogene Elektroden angeordnet haben. Durch alternierende Spannungen zwischen 200 und 600 Volt konnten die Wassertropfen nun gezielt über den Ölfilm geleitet werden.

Abb.: 750 Nanoliter kleine Wassertropfen - gefüllt mit Latex-Kügelchen (weiß) und Goldnanopartikeln - (schwarz)lassen sich durch geeignete elektrische Felder über eine mit Öl benetzte Oberfläche transportieren (a) und vermischen (b). (Quelle: Velev/NCSU)

Der Grund dafür liegt in einer dielektrophoretischen Kraft, die in inhomogenen Feldern auf polarisierbare Substanzen wirkt. Sie erwies sich als groß genug, um die viskose Haftkraft zwischen Wassertropfen und Ölfilm zu überwinden. Je nach Spannungsversorgung der Elektroden - abwechselnd geerdet oder mit Strom versorgt - konnten die Forscher ihre Tropfen auf ein exaktes Ziel hin steuern. Wegen der guten Polarisierbarkeit von Wasser, klappte dies sogar mit wechselnd eingeschalteten Gleichspannungen. So wanderten die Tropfen mit Geschwindigkeiten von rund zwei Millimeter pro Sekunde.

In einem Folgeexperiment deponierten sie unlösliche Mikro- und Nanopartikel aus Gold und Latex-Kügelchen in die Wassertropfen. Diese wurden in ihrem feuchten "Container" zuverlässig mitgeführt (Abb.). Auf der Basis dieses erfolgreich demonstrierten Transportsystems, denken die Forscher nun, lebende Zellen oder genetisches Material mit den Wassertropfen zu transportieren. Je nach Beschaffenheit der Ladung lassen sich andere Transportflüssigkeiten wie zum Beispiel die Kohlenwasserstoffverbindung Dodekan (C ₁₂H ₂₆) nutzen. Mit diesem Prinzip eines dielektrophoretischen Flüssigtransports könnten für spezielle Lab-On-Chip-Systeme verstopfte Mikrokanäle bald der Vergangenheit angehören.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  O. D. Velev et al., On-chip manipulation of free droplets, Nature 426, 515 (2003).  
• Kontakt: 
  O. D: Velev, E-Mail: odvelev@unity.ncsu.edu  
• North Carolina State University NCSU: 
  http://www.ncsu.edu  
• Dep. of Chemical Engineerung: 
  http://www.che.ncsu.edu  
• Dielektrophorese:
  http://wbtd57.biozentrum.uni-wuerzburg.de/Forschung/Arbeitsgebiete/arbeitsgebiete.php?page=1a  
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Weitere Literatur:

• S. K. Cho, H. J. Moon und C. J. Kim, J. Microelectromech. S 12, 70 (2003).  
• G. Fuhr et al., Naturwissenschaften 81, 528