Frei programmierbares Lab-on-a-Chip

Um Analysen in der Medizin, Pharmazie und Chemie zu automatisieren, werden mikrofluidische Chips, bekannt als Lab-on-a-Chip, eingesetzt. Häufig werden die Chips kundenspezifisch hergestellt, was hohe Herstellungskosten zur Folge hat. Programmierbare Chips hingegen werden den Anforderungen an flexiblen Einsatz und kostengünstigere Produktion in großen Stückzahlen gerecht.

Stand der Technik

Der Transport von Flüssigkeiten oder Tropfen durch elektrische Felder ist in der digitalen Mikrofluidik mittels Elektrobenetzung, Elektrophorese und Elektroosmose bereits möglich. In Trägerflüssigkeiten gelöste (bio-)chemische Proben werden so vermischt, zur Reaktion gebracht und die Ergebnisse analysiert. Jedoch scheitert die breite Anwendung dieser Verfahren auf kleinen Längenskalen an hohen Spannungen, übermäßiger Wärmeentwicklung und geringem Wirkungsgrad.

Technologie

Mit einem neuen Verfahren zur Erzeugung von Flüssigkeitsströmen überwinden Wissenschaftler des Instituts für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) des KIT diese Nachteile. Der Antrieb erfolgt hier durch Wanderwellen-Elektroosmose (Travelling Wave Electroosmosis, TWEO). Ein aus Halbleitermaterial gefertigter Chip ist dabei in winzige Pixel in matrixförmiger Anordnung aufgeteilt. In jedem Pixel sind Elektroden eingelassen, die ein elektrisches Feld erzeugen und eine Strömungsrichtung und -geschwindigkeit vorgeben. So können ein oder mehrere Stoffströme der Proben auf beliebigen Pfaden entlang eines frei programmierbaren elektrischen Feldes auf dem vorgegebenen Pixelgitter bewegt werden. Aufgrund der kleinen Abmessungen der einzelnen Pixel werden hierfür nur geringe Spannungen benötigt. Der modulare Aufbau erlaubt eine effiziente Steuerung der einzelnen Pixel im Gitter. Die Wissenschaftler erzielen eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit durch Optimierung der Geometrie angepasst auf Ladungskonzentration und Doppelschicht.

Vorteile

Das Gesamtkonzept für den Chip (STOKES2) mit integrierter Steuerung ist kundenspezifisch gefertigten Systemen durch die Programmierbarkeit in seiner Flexibilität überlegen. Die niederspannungselektroosmotische Antriebseinheit mit Wechselstrom in kompakter 3-Elektroden-Bauweise erzeugt hohe Strömungsgeschwindigkeiten bei vergleichsweise geringer Wärmeentwicklung, sodass empfindliche Proben manipuliert werden können. Das entwickelte Elektrodenarray ist zudem mittels lithographischer Methoden wirtschaftlich fertigbar.

Optionen für Unternehmen

Die Plattformtechnologie STOKES2 ist besonders für diagnostische Testsysteme interessant. Das KIT sucht Partner für die Verwirklichung Chip-integrierter Messtechniken und Anwendungen.