Mikrofluidik

Tanzende Tröpfchen

So wie Transistoren immer kleiner werden, sollen auch Labore schrumpfen und letztlich auf einen Chip passen. Um winzige Tröpfchen mit Reagenzien oder Zellen kontrolliert zu bewegen, miteinander verschmelzen zu lassen oder zu sortieren, benutzen Forscher der ETH Zürich Schallwellen.

Mit Ultraschall, dargestellt durch rote bis blaue Kurvenlinien, bewegen ETH-Forscher Mikrotröpfchen, um sie zu analysieren. (Grafik: ETH Zürich / Ivo Leibacher)

Heutige Laborexperimente sind meist recht verschwenderisch. Da werden Flüssigkeiten in Reaktionsgefäßen zusammengemischt, um beispielsweise diagnostische Tests durchzuführen. Eigentlich bräuchte es dafür nur wenige Nanoliter, und mit der Miniaturisierung wäre ein höherer Durchsatz mit geringerem Materialverbrauch möglich. Für das Bestreben, ganze Experimente auf die Größe eines Chips zu komprimieren, was auch als „Lab on a Chip“ beschrieben wird, ist eine Frage zentral: Wie lassen sich winzige Flüssigkeitsmengen oder einzelne Zellen kontrolliert bewegen, zusammenführen und nach Ablauf des Experiments auswerten?

Ivo Leibacher und Peter Reichert, Doktoranden am Institut für Mechanische Systeme der ETH Zürich, haben unter der Leitung von ETH-Professor Jürg Dual ein System entwickelt, um winzige Tröpfchen zu bewegen. Das Prinzip beruht auf der sogenannten Akustophorese. Dabei kommt eine stehende Ultraschallwelle zum Einsatz. Wässrige Tropfen bewegen sich dabei durch eine Trägerflüssigkeit aus Öl auf einem Siliciumglas-Chip. Die Tropfen mit einem Durchmesser von 50 bis 250 Mikrometern können sich dabei nicht mit der Trägerflüssigkeit vermischen und auch nicht verdunsten. „In dieser Größenordnung sind solche Tröpfchen sehr stabil, weil die Oberflächenspannung sie zusammenhält“, erklärt Leibacher.

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Hin zum Knotenpunkt
Legen die Wissenschaftler die stehende Ultraschallwelle an, bewegen sich die Tröpfchen in den Knotenpunkt der stehenden Welle. Geben sie beispielsweise zwei verschiedene Tröpfchen von beiden Seiten in den Kanal, können die Forscher sie kontrolliert verschmelzen lassen. Auch ließen sich durch Änderung der Frequenz bestimmte Tropfen, die beispielsweise ein Leuchtsignal aufweisen, in einen abzweigenden Kanal lenken und so aussortieren, um sie anschließend zu analysieren.

Auf diesem Chip bewegen ETH-Forscher Mikrotröpfchen mittels Ultraschall, lassen sie verschmelzen oder sortieren sie für spätere Analysen. (Foto: Ivo Leibacher / ETH Zürich)

„Ein Vorteil unserer Technologie ist, dass sie sehr biokompatibel und vielfältig einsetzbar ist“, sagt Reichert. Beispielsweise würden bei manchen bisherigen Methoden, mit denen Wissenschaftler einzelne Zellen auf kleinem Raum manipulieren, die Zellen Schaden nehmen. Und die Methode ließe sich gleichermaßen für Zellen wie für DNA, Reagenzien und Chemikalien einsetzen.

„Wir hoffen, dass diese Technologie ein nützlicher Bestandteil von Laborgeräten wird, die Experimente im Hochdurchsatz bei minimalem Verbrauch erlauben“, sagt Leibacher. Die Forscher haben die Methode zum Patent angemeldet und nun auch in der Fachzeitschrift „Lab on a Chip“ veröffentlicht.

Literaturhinweis:
Leibacher, I., Reichert, P., & Dual, J. (2015). Microfluidic droplet handling by bulk acoustic wave (BAW) acoustophoresis. Lab on a Chip, DOI: 10.1039/C5LC00083A.
Angelika Jacobs, ETH Zürich

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