Elektrowettingsysteme

Tropfenbasiertes Flüssigkeitshandling

Elektrowetting für Life Sciences, energiesparende Anzeigen und optische Elemente
Bild 2: Transportieren von Tropfen im elektrischen Feld.

Dr. Ulrike Michelsen*)

  1. Bartels Mikrotechnik GmbH, Dortmund, Tel. 0231-9742-500, Fax 0231-9742-501, http://www.bartels-mikrotechnik.de
Mikrofluidische Systeme basieren auf dem kontrollierten Bewegen von Mikro- oder Nanoliter-Volumina von Flüssigkeiten. Dabei ist das Ziel die direkte Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen oder auch Tropfen auf Oberflächen oder in geschlossenen Systemen. Eine geeignete Technologie, die hier in den letzten Jahren stark an Bedeutung in verschiedensten Anwendungsfeldern gewonnen hat, ist das Elektrowetting.

Die Grundlagen des Elektrowetting wurden bereits von Gabriel Lippmann 1875 durch die Einführung der Elektrokapillarität gelegt. In den 1990er Jahren hat Bruno Berge durch seine Arbeiten zum ‚Electrowetting On Dielectrics‘ (EWOD) die Funktionssicherheit der Technologie deutlich verbessert und somit zu intensiven Forschung- und Entwicklungsarbeiten und zur ersten erfolgreichen praktischen Umsetzung beigetragen.

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Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip des Elektrowettings basiert auf der Änderung der Benetzungseigenschaften eines leitfähigen Flüssigkeitstropfens im elektrischen Feld. Die induzierte Veränderung der Oberflächenspannung des Tropfens führt dazu, dass die Flüssigkeit den Gegenstand stärker benetzt. Bei Kontaktwinkeln >90° spricht man von hydrophobem, bei <90° über hydrophiles Verhalten.

Die Änderung des Kontaktwinkels von hydrophob zu hydrophil durch das Anlegen einer elektrischen Spannung wird beschrieben durch die Lippmann-Young-Gleichung und ist in Bild 1 dargestellt. Auf einer hydrophoben Oberfläche führt die Oberflächenspannung einer wässrigen Flüssigkeit zur Ausbildung eines perfekten Tropfens. Die intramolekularen Kräfte sorgen dafür, dass die Moleküle des Tropfens bevorzugt mit sich selbst interagieren und die Wechselwirkung mit der Oberfläche so klein wie möglich ist. So entsteht eine ideal runde Geometrie des Tropfens. In Abhängigkeit vom elektrischen Feld wird die Oberfläche des Gegenstands attraktiver für den Tropfen, die Benetzungsfähigkeit ändert sich drastisch und der Tropfen breitet sich auf der Oberfläche aus.

Dieses Phänomen kann neben der in Bild 1 dargestellten stationären Beeinflussung des Tropfens mittels eines Elektrodenarrays zu einem dynamischen System umgesetzt werden. Durch ein gerichtetes Feld kann ein Benetzungsgradient erzeugt werden, so dass gezielt ein Transport des Tropfens auf der Oberfläche erfolgt, wie in Bild 2 dargestellt.

Abhängig vom Elektrodendesign kann so mittels gezielter Ansteuerung der Einzelelektroden kontrolliert eine freie Bewegung des Tropfens auf der Oberfläche im Array durchgeführt werden. Nach Ausschalten der Spannung verbleibt der Tropfen in seiner Position. Genauso kann auch eine größere Anzahl von Tropfen unabhängig voneinander oder auch parallel miteinander verarbeitet werden. Tropfen können erzeugt, transportiert, aber auch getrennt oder miteinander vermischt werden. So können komplexe Prozesse des Flüssigkeitshandlings ohne mikrostrukturierte Oberflächen und ohne Komponenten wie Ventile und Pumpen kompakt, gut handhabbar und hochflexibel realisiert werden.

Typischer Aufbau

Bild 3 zeigt den typischen Aufbau eines Elektrowettingsystems. Als Basis-Layout benötigt ein EWOD-System zwei Elektroden: eine Masseelektrode und ein Array von Kontrollelektroden. Die Kontrollelektroden sind im Chipboden angeordnet und die Masseelektrode besteht bei ungedeckelten Systemen aus einem Draht oberhalb der Chipoberfläche. Bei gedeckelten Systemen befindet sie sich im Deckel.

Um Kurzschlüsse und Elektrolyse auf den Elektroden zu verhindern, sind diese durch ein sogenanntes Dielektrikum geschützt. Hierbei handelt es sich typischerweise um einen mehrlagigen Schichtaufbau aus einem Isolator und hydrophober Schicht. Über die Hydrophobizität der Kontaktfläche kann die Oberflächenspannung kontrolliert eingestellt und die Beweglichkeit des Tropfens somit beeinflusst werden.

In Elektrodenarrays sind Elektrodengröße und Tropfenvolumen typischerweise so ausgelegt, dass ein Teil des Tropfens mit der benachbarten Elektrode überlappt und durch das Anlegen eines elektrischen Felds die Bewegung des Tropfen induziert wird. Die Schaltgeschwindigkeit der Tropfenbewegung von einer Elektrode zur nächsten liegt dabei typischerweise im Bereich von einigen Hertz. Typische Kenndaten sind in der Tabelle zusammengefasst.

Anwendungsbeispiele

Aufgrund der Flexibilität, die Elektrowetting im Bereich des kontrollierten Flüssigkeitshandlings auf Tropfenbasis bietet, hat die Technologie in den letzten Jahren in vielfältigen mikrofluidischen Anwendungsbereichen und ersten Produkten Fuß gefasst. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um diese drei Kernanwendungsgebiete: die Life Sciences, energiesparende Anzeigen und optische Elemente. Sie sollen im Folgenden kurz dargestellt werden. Daneben gibt es weitere Nischenanwendungen wie optische Schalter, Transistoren, Kühlung von Halbleitern, Oberflächenreinigung und temporäre Veränderung von Oberfächeneigenschaften wie Adhäsion für verbesserte Beschichtungsprozesse.

Life Sciences

Lab-on-a-Chip-Systeme, welche viele unterschiedliche Funktionen aus dem Labor auf einer Chipplattform vereinigen, sind ein Haupteinsatzgebiet der Mikrofluidik. Diese Systeme basieren auf dem kontrollierten Bewegen von Mikro- oder Nanoliter-Volumina und paralleler Probenverarbeitung.

Das kontinuierliche Fördern ist mittels Elektrowetting ebenso möglich wie das gezielte Separieren, Transportieren, Prozessieren und Analysieren einzelner Tropfen. Eine Kanalgeometrie ist dafür nicht zwingend erforderlich, die Bewegung der Tropfen kann frei auf einer Oberfläche programmiert werden.

Wie in Bild 4 gezeigt, können Tropfen erzeugt, transportiert, aber auch getrennt oder miteinander vermischt werden. Die auf Lab-on-a-Chip-Systemen benötigten Handhabungsroutinen können so anwendungsspezifisch umgesetzt werden. Durch die Programmierung der Elektrodenansteuerung lassen sich Anforderungsänderungen flexibel vornehmen.

In den letzten Jahren wurden zudem verschiedene Arbeiten zur Nutzung des Elektrowettings bei der Manipulation von Zellen oder magnetischen Partikeln beschrieben. Es werden Flüssigkeitstropfen, beladen mit Zellen oder magnetischen Partikeln, manipuliert, um damit gezielt Transportvorgänge, Mischungs- und Separationsvorgänge oder Dispensierungen durchzuführen. Unterschiedliche Anwendungen im Bereich klinischer Diagnostik, enzymatischer oder Zell-Assays, POC oder PCR sind beschrieben.

Bartels Mikrotechnik wird in Kooperation mit dem Institut für Zellbiologie (Tumorforschung), dem Institut für Medizinische Mikrobiologie und der Klinik für Hämatologie am Universitätsklinikum Essen und weiteren Partnern aus NRW in den nächsten Jahren gemeinsam ein System einer Mikrochip-gesteuerten Zellsortieranlage basierend auf Elektrowetting im Rahmen des ausgeschriebenen Wettbewerbs NanoMikro+Werkstoffe.NRW umsetzen. Die zu entwickelnde Zellsortieranlage soll in der biomedizinischen und klinischen Forschung als auch bei der Frühdiagnostik von Infektions- und Tumorerkrankungen eingesetzt werden.

Energiesparende Anzeigen

Der Aufbau von Elektrowettingsystemen mit ihrer lichtdurchlässigen, reflektiven Aufbauart sind ideal geeignet zur Herstellung von fluidischen Anzeigen. Es können gezielt kleinste farbige Tropfen in Pixelstrukturen bewegt werden, um somit Anzeigen zu erzeugen. Die grundlegenden Vorteile sind dabei die hohe Reflektivität unter variablen Lichtbedingungen (Außenbereich) und der niedrige Energieverbrauch im Vergleich zur LCD-Technik.

Es werden derzeit zwei Ansätze verfolgt: Bei statischen Anzeigen reguliert man Sichtbarkeit und Unsichtbarkeit der Tropfen allein mittels Ausdehnung und Kontraktion der Flüssigkeiten. Dies hat jedoch den Nachteil, dass bei solchen Displays der Inhalt der Anzeige verloren geht, wenn die Spannung ausgeschaltet wird. Angewendet wird dies jedoch bereits für e-paper wie von Liquavista B.V. umgesetzt.

Der andere Ansatz, den Bartels Mikrotechnik derzeit für seinen Kunden adt entwickelt, basiert auf der Bewegung des Tropfens aus dem sichtbaren Pixelbereich in eine nicht-sichtbare zweite Ebene. Entscheidender Vorteil dieses Vorgehens ist die erreichte Bistabilität: Nur für den kurzen Moment einer Bildveränderung benötigt ein solches Elektrowetting-Display Energie. Besonders stromsparend können durch das adt-Prinzip Statusanzeigen wie ON/OFF-, Zustandsanzeigen in Haushaltsgeräten oder Speicherzustandsanzeigen etwa in Handys, PDAs, USB-Sticks oder MP3-Playern realisiert werden (Bild 5). Doch auch für Anwendungen in viel größeren Dimensionen hält das Elektrowetting wichtige Vorteile bereit: Die hohe Transmission der flüssigen Pixel garantiert in Kombination mit einem hinter den Tropfen liegenden Reflektor auch bei hellem Umgebungslicht jederzeit gute Sichtbarkeit. Durch entsprechende Einfärbung und Positionierung der Einzel-Pixel können Elektrowetting-Vollfarbanzeigen im RGB- oder CMYK-Modus realisiert werden. Da die Technologie zudem in einem extrem weiten Temperaturbereich eingesetzt werden kann (ca. –45...+100 °C), bildet sie eine echte Alternative z.B. zu mechanisch variablen Großplakaten in der Außenwerbung.

Optische Elemente

Elektrowetting kann außerdem für die Manipulation von Licht in verschiedenen optischen Systemen, wie justierbaren fluidischen Linsen, optischen Schaltern oder Filtern genutzt werden. Das Unternehmen Varioptic SA hat eine optische Linse umgesetzt, die auf der Lichtbrechung durch den Flüssigkeitstropfen basiert. Die Krümmung der fluidischen Linse kann über die angelegte Spannung variabel eingestellt werden. Diese Elektrowettinglinsen sind bereits als Produkte auf dem Markt erhältlich, als kleine optische Linsen für den Einsatz in Mobiltelefonkamera oder Webcams im Laptop.

Zusammenfassung

Die erfolgreiche Produkteinführung, auch bei Stückzahlprodukten wie fluidischen Linsen, und die zahlreichen Forschungs- und Entwicklungsprojekte demonstrieren, dass Elektrowetting eine hocheffiziente, flexible und totvolumenfreie Methode zur Manipulation von Nano- bis hin zu Mikroliter-Tröpfchen ohne die Notwendigkeit von Kanälen oder anderen externen Komponenten wie Ventilen oder Pumpen ist. Elektrowetting ist eine Schlüsseltechnologie für die zukünftige Entwicklung anspruchsvoller mikrofluidischer Systeme in unterschiedlichsten Anwendungen.

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