Elektromanipulation von Nanoliter-Bioreaktoren

  • Abb. 1: Prinzipdarstellung der Elektrowetting-Technologie für Displays (linkes Bild) und für eine Anwendung zum Manipulieren von nl-Bioreaktoren (rechtes Bild). Abb. 1: Prinzipdarstellung der Elektrowetting-Technologie für Displays (linkes Bild) und für eine Anwendung zum Manipulieren von nl-Bioreaktoren (rechtes Bild).
  • Abb. 1: Prinzipdarstellung der Elektrowetting-Technologie für Displays (linkes Bild) und für eine Anwendung zum Manipulieren von nl-Bioreaktoren (rechtes Bild).
  • Abb. 2: Dicke der Isolationsschicht (Ta2O5) in Abhängigkeit von der angelegten Anodisierungsspannung.
  • Abb. 3: Farben der Elektrodenoberflächen korrespondierend mit der Anodisierungsspannung.
  • Abb. 4: Schichtaufbau der Elektroden
  • Abb. 5: Bildaufnahmen von Tropfen bei angelegten Spannungen von a) 0 und b) 6 V pk-pk. Die Änderung des Kontaktwinkels beträgt 20 °. Unter 5 a: U = 0 V pk-pk 0 = 166 °
  • Abb. 5: Bildaufnahmen von Tropfen bei angelegten Spannungen von a) 0 und b) 6 V pk-pk. Die Änderung des Kontaktwinkels beträgt 20 °. Unter 5 b: U = 6 V pk-pk 0 = 146 °

Elektromagnetische Felder sind allgegenwärtig. Viele Dinge des alltäglichen Lebens wären ohne sie nicht vorstellbar. Während aber der Einfluss elektromagnetischer Felder beispielsweise im Bereich der Mobiltelekommunikation kontrovers diskutiert wird, haben sich im Mikrobereich elektrische Felder als berührungslos funktionierenden Manipulatoren oder als Sensoren in weiten Bereichen etabliert. Anhand von Bioreaktoren im Nanoliter(nl)-Maßstab wird das Potenzial elektrischer Felder zur Manipulation dargestellt.

nl-Bioreaktoren
Am Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e. V. (iba) sind Techniken zur Manipulation von miniaturisierten, tropfenförmigen Mikrobioreaktoren im Volumenbereich von 50 nl bis zu 20 µl untersucht worden. In den Mikrobioreaktoren befinden sich je nach Applikation Mikroorganismen oder Zellen, die mit bestimmten Methoden kultiviert und charakterisiert werden. Die Mikrobioreaktoren bestehen aus wässrigen Flüssigkeiten (z.B. Zellkulturmedium) und sind eingeschlossen in eine zweite Flüssigkeit (z.B. Öl), die sich nicht mit dem wässrigen Medium des Mikrobioreaktors mischt. Das wässrige Medium nimmt aufgrund der unterschiedlichen Oberflächenenergien im Öl die Form von Kugeln ein. Das Manipulieren dieser Kugeln kann mittels elektrischer Felder, z. B. durch Elektrowetting, erfolgen.

Theorie des Elektrowetting
Elektrowetting ist ein Phänomen, bei dem das Potenzial eines elektrischen Feldes die Benetzungs­eigenschaften einer Oberfläche verändert, wobei die notwendige Potenzialänderung mittels Elektroden an der Oberfläche erfolgt. Anwendung findet die Technologie des Elektrowettings bereits bei Displays (Abb. 1) und flüssigen Linsen [1 - 2], in zunehmendem Maße aber auch für Anwendungen in Mikrosystemen [3 - 5]. Die Veränderungen in den Benetzungseigenschaften von Oberflächen lassen sich dazu nutzen, mittels einer geeigneten Elektrodenanordnung Tropfen (z. B. nl-Bioreaktoren) auf einer Oberfläche gezielt zu bewegen und diese beispielsweise zu Sensoren zu transportieren oder zu Fluidaktoren zum Fusionieren oder Splitten von Tropfen (Abb. 1).

Nach [6] ändert sich der Kontaktwinkel θ eines auf einer Oberfläche befindlichen Tropfens in Abhängigkeit der angelegten Spannung entsprechend der Gleichung 1 (siehe angehängtes Bild).

Dabei ist U der Spannungsabfall über die dielektrische Schicht, θ (0) ist der Kontaktwinkel ohne angelegte Spannung, ε0 ist die elektrische Feldkonstante, ε ist die Permittivität der dielektrischen Schicht, d ist die Dicke der dielektrischen Schicht und γ ist die Oberflächenenergie der zu manipulierenden Flüssigkeit.

Aus dieser als Lippmann-Gleichung bekannten Beziehung lassen sich die Parameter ableiten, die für die Manipulation und Bewegen der Tropfen einen signifikanten Einfluss haben: Spannungsabfall U, Permittivität ε und Dicke d der dielektrischen Schicht sowie die Oberflächenenergie γ der zu manipulierenden Flüssigkeit. CA ist gleich ε0ε/d und repräsentiert die Kapazität pro Flächeneinheit.

Experimentelle Untersuchungen
Für biologische Applikationen des Elektrowettings wird angestrebt, möglichst geringe elektrische Spannungen zu verwenden. Die im Folgenden beschriebenen Untersuchungen haben das Ziel, die relevanten Parameter so zu beeinflussen, dass die für die Tropfenbewegung notwendige Kontaktwinkeländerung mit möglichst geringen Spannungen im Bereich einiger Volt erreicht werden kann. Gleichung 1 verdeutlicht den direkten Zusammenhang zwischen der Kapazität pro Flächenenheit CA der Isolationsschicht und der benötigten Spannung U für die Änderung des Kontaktwinkels. Das bedeutet, je geringer die Isolationsschicht d ist und je grösser die Permittivität ε ist, umso geringer ist die benötigte Spannung U. Für die Experimente war es daher wichtig, auf den Elektroden eine dünne Isolationsschicht mit hoher Permittivität zu realisieren. Diese Kriterien konnten durch die elektrolytische Passivierung von Tantal (Ta) erfüllt werden, das eine hohe Dielektrizitätszahl (um 27) hat. Beschaltet man in einem Stromkreis Tantal als Anode, so erhöht sich die Dicke der natürlichen Oxidschicht auf der Tantaloberfläche linear mit der angelegten Spannung (Abb. 2). Diese erzeugten Schichtdicken sind aufgrund ihrer unterschiedlichen Farben, verursacht durch Lichtinterferenzen, leicht den korrespondierenden Spannungen zuzuordnen (Abb. 3).

Eine weitere Voraussetzung für ein reproduzierbares Manipulieren von Tropfen mittels Elektro­wetting ist eine geringe energetische Wechselwirkung der Tropfen mit der Oberfläche. Für Tropfen bestehend aus wässrigen Medien kann das durch Hydrophobisieren der Oberfläche erreicht werden. Für biologische Applikationen hat sich das Silanisieren von Oberflächen mit Octadecyltrichlorosilan (ODTS, C18H37Cl3Si) etabliert [7]. Silane gehen mit Oxiden eine starke Bindung ein und sind daher für das Hydrophobisieren der Tantaloxidoberfläche sehr gut geeignet. Den schematischen Schichtaufbau der Elektrode zeigt Abbildung 4.

Exemplarische Ergebnisse der mit den beschriebenen modifizierten Elektroden durchgeführten Experimente zeigt Abbildung 5. Bereits eine Spannung von 5 V konnte eine Änderung des Kontaktwinkels hervorrufen. Allerdings zeigte sich, dass in Luft als Umgebungsmedium des Tropfens zwischen Kontaktwinkel bei applizierter Spannung („Wetting") und anschließendem spannungslosem Zustand („Dewetting") eine Hysterese auftrat, die für ein reproduzierbares Elektrowetting nicht optimal ist. In der tropfenbasierten Mikrofluidik wird im Allgemeinen Öl als Trägermedium verwendet. Aus diesem Grund wurde als Umgebungsmedium ein öliges Medium (Tetradekan) verwendet, was durch die Herabsetzung der Reibung zu einer reproduzierbaren Kontaktwinkeländerung von bis zu 35° bei vernachlässigbarer Hysterese zwischen den beiden Zuständen Wetting und Dewetting führte. Damit konnte gezeigt werden, dass das reproduzierbare Manipulieren von Tropfen mittels Elektrowetting mit Spannungen im einstelligen Volt-Bereich möglich ist.

Zusammenfassung
Die hier vorgestellten Arbeiten repräsentieren Teilaspekte der Arbeiten am Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V. auf dem Forschungsgebiet der miniaturisierten Bioreaktortechnik. Die hier vorgestellten Ergebnisse der numerischen Simulation und deren Korrelation mit den experimentellen Untersuchungen sind Grundlage einerseits für die anwendungsorientierte Forschung, andererseits bilden sie aber auch die Basis für die weitere grundlegende Forschungsarbeiten des iba. Die Möglichkeit, Tropfen mit geringen Spannungen manipulieren zu können, eröffnet neue Applikationsfelder beispielsweise in der Medizintechnik.

Die Forschungsarbeiten wurden mit Mitteln des 6. und 7. Rahmenprogramms der EU (Förderkennzeichen: FP6-29857 und FP7-247784) gefördert.

Literatur
[1] Berge B. und Peseux J.: Eur. Phys. J. E 3, 159-163 (2000)
[2] Hayes R. und Feenstra B.: Nature 425, 383-385 (2003)
[3] Pollack M.G. et al.: Appl. Phys. Lett. 77, 1725-1726 (2000)
[4] Cho S. et al.: J. Microelectromech. Syst. 12, 70-80 (2003)
[5] Srinivasan V. et al.: Lab Chip 4, 310-315 (2004)
[6] Mugele F. und Baret J.-C.: J. Phys.: Condens. Matter R705 (2005)
[7] Grodrian A. et al.: Biosens. Bioelectron. 19, 1421-1428 (2004)

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