Dielektrophoretische Partikelchromatographie (DPC) mit skalierbarer Trennwirkung im präparativen Maßstab (SPP 2045)
Die dielektrophoretische Partikelchromatographie (DPC) ist ein Trennverfahren für eine Vielzahl von Mikropartikeln, diese können biologischen, synthetischen oder natürlichen Ursprungs sein. Durch Beeinflussung der Partikel durch inhomogene elektrische Felder sollen den Partikeln spezifische Verweilzeiten oder Abtrennraten in einer Trennsäule zugeordnet werden. Das Verfahren eignet sich für die Analytik und die Trennung von Mikropartikeln. Zusätzlich hierzu wird die Skalierbarkeit von elektrodenbasierten Dielektrophorese mithilfe von kostengünstigen printed circuit boards (PCB) untersucht.
Trapping of monodisperse PS particles of different size and at different flow rates in the PCB based setup. All data are obtained at 15 kHz and 75 Vpp. Voltage was applied after 30 s and turned off at 300 s. (A) Fluorescence signal of 3 μm and 6 μm PS particles at 6 ml/min volume flow. (B) Fluorescence signal for 1μm particles at 1 and 4 ml/min. (C) Monodisperse trapping efficiency as a function of particle size and flow rate.
Overview of the experimental setup based on PCB. The particles are suspended in water, stirred by a magnetic stirrer, and pumped by a piston pump (A) into the separation device (B). The separation chamber is formed by two PCBs on which the electrodes arrays are located. A silicone gasket (0.5 mm thickness) defines the flow path of the suspension as well as the height of the channel. Cover plates made of polypropylene and screws are used to press the components onto each other. The electrodes are connected to an amplifier which provides a sinusoidal voltage to operate the device (D). The suspension leaving the channel is flowing into a flow cell (C) that is coupled to a light source. The resulting fluorescence signal is recorded by a spectrometer (E) connected to a computer.
Workflow of dielectrophoretic particle chromatography (DPC). (A) Top view of the microfluidic device (sketch). (B) The microfluidic separation column (side view, height h = 80 μm and electrode width/spacing d1 = d2 = 100 μm ) is continuously flushed with a carrier fluid. Once per experiment a particle suspension is injected. The device is used for two different types of experiment. (I) The crossover frequency of particles is determined using field-flow fractionation (FFF) at a fixed frequency f by comparing the elution profiles with and without applied voltage (V0) (C). The obtained particle characteristics where used as input parameters for a full-scale simulation model realized in COMSOL Multiphysics to find suitable process parameters (D). (II) Eventually, the set of process parameters is used as starting point for experiments to achieve a chromatographic separation by using frequency-modulated ( f = f (t) ) DPC (E).
Die meisten aktuellen DEP-Separatoren sind mikrofluidische Aufbauten und sind daher im Volumenstrom begrenzt (µL/h oder wenige mL/h). Diese Separatoren arbeiten entweder mit dem selektiven Einfangen von Partikeln oder der räumlichen Trennung verschiedener Partikel. Diese Arbeitsweise kann für wertvolle Produkte wie Proteine oder Zellen praktikabel sein und kann sogar als Hochdurchsatz angesehen werden. Für weniger wertvolle Produkte oder große Mengen ist jedoch eine Erhöhung des Durchsatzes erforderlich. Da die DEP-Kraft mit dem Gradienten des elektrischen Feldes zum Quadrat skaliert, ist es wichtig, die Größe des Gradienten während der Vergrößerung des Geräts beizubehalten. Bei mikrofluidischen Geräten wird eine Vergrößerung durch Parallelisierung als Option in Betracht gezogen, aber da die Herstellung von mikrofluidischen Geräten oft Reinraumtechniken erfordert und mikrofluidische Aufbauten häufig schwierig zu handhaben sind, sind skalierte DEP Aufbauten Gegenstand aktueller Forschung. Eine Möglichkeit zur Vergrößerung von DEP-Separatoren besteht in der Verwendung makroskopischer isolierender Strukturen wie Glaskugeln, Netze oder Aluminiumoxidschäume, um das elektrische Feld zu streuen und so lokale Feldminima und -maxima zu erzeugen. Dieser Ansatz wird als isolatorbasierte Dielektrophorese (iDEP) bezeichnet. Die iDEP-Ansätze mit hohem Durchsatz benötigen jedoch hohe Spannungen, da die Elektroden selbst durch den Isolator getrennt sind, der zusätzlich den Flüssigkeitsweg blockiert, was zu einem erhöhten Druckabfall führt. Außerdem ist das Isoliermaterial nach der Verarbeitung der Materialien nur schwer zu reinigen. Zusätzlich ist das Verwenden von hohen Frequenzen in iDEP Aufbauten technisch schwierig. Im Gegensatz dazu werden bei der elektrodenbasierten DEP (eDEP) häufig Elektrodenarrays verwendet, um ein inhomogenes elektrisches Feld zu erzeugen. eDEP-Separatoren werden bisher nicht als Hochdurchsatz-Separatoren eingesetzt, da die Herstellung großer Elektrodenarrays im Reinraum teuer und zeitaufwendig ist.
Ziel unserer Arbeit ist es, neuartige Konzepte zu entwickeln, die zwei Trennaufgaben - hohe Selektivität und hoher Durchsatz - erfüllen. Ersteres wird durch die Entwicklung einer neuartigen chromatographischen Technik erreicht werden. Obwohl chromatographische Techniken auf dem Gebiet der DEP selten sind, könnten sie eine Option für die Realisierung hochspezifischer Trennungen sein. In einem zweiten Bereich wird die Skalierbarkeit von eDEP-Geräten erforscht, da dies ein Engpass der derzeitigen elektrodenbasierten Ansätze ist. Darüber hinaus sollten beim Hochskalieren die spezifischen Kosten für die Aufbauten sinken, um die Anwendbarkeit makroskopischer eDEP-Geräte zu fördern.
Publikationen aus dem Projekt
J. Giesler et al. (2022). Electrophoresis. https://doi.org/10.1002/elps.202200131
J. Giesler et al. (2021). Scientific Reports 11(1), 16861. https://doi.org/10.1038/s41598-021-95404-w
J. Giesler et al. (2020). Micromachines 11(1), 38. https://doi.org/10.3390/mi11010038
Kontakt:
Giesler, Jasper, M. Sc.
Raum UFT 2110
Tel. 0421- 218 - 63495
