Optofluidische Kontrolle von Tropfen | Dielektrophorese

Die Anwendung des rein optisch induzierten dielektrophoretischen Effekts beschränkt sich nicht nur auf das Anordnen beziehungsweise Manipulieren von Nanopartikeln. Das Potential dieses Phänomens lässt sich auch auf die tropfenbasierte Mikrofluidik übertragen, die wir für sogenannte „Labore in Chipgröße oder Chiplabor“ (engl. lab on a chip devices) anwenden. Für eine effiziente Manipulation der Tropfen werden hohe Feldstärken benötigt, die sich innerhalb kurzer Zeit aufbauen müssen. Derzeit gibt es jedoch kein Material, welche beide Eigenschaften in sich vereint. Einen Kompromiss hierfür bietet eisendotiertes Lithiumniobat (Fe:LiNbO3), da hier Feldstärken im Bereich einiger kV/mm bei moderaten Schreibzeiten erreicht werden können.

Beim dielektrophoretischen Effekt werden die Elektroden auf rein  optischem Wege erzeugt, weshalb hier auch von virtuellen Elektroden gesprochen werden kann. Die Form dieser virtuellen Elektroden wird ausschließlich durch die Intensitätsverteilung des eingestrahlten Lichtfeldes bestimmt. Dieses wird mit Hilfe eines räumlichen Lichtmodulators (engl. spatial light modulator – SLM) in seiner Amplitude moduliert. Die so erzeugte Intensitätsverteilung wird nun auf die Oberfläche eines photorefraktiven Kristalls abgebildet. So können beliebig geformte/strukturierte virtuelle Elektroden im photorefraktiven Material erzeugt werden, die durch die Bestrahlung mit einer homogenen Lichtquelle oder auch durch Ausheizen des Kristalls wieder gelöscht werden können. Somit kann ein solches „Minilabor“ mit völlig anderen Elektrodenkonfigurationen wiederverwendet werden, was einen enormen Sprung für die Flexibilität und Effizienz bedeutet.

Der lineare elektrooptische Effekt oder auch Pockels-Effekt sorgt für eine Modifikation des Brechungsindex des Materials in Abhängigkeit des internen oder eines extern angelegten elektrischen Feldes. Eine solche Brechungsindexdifferenz zwischen verschiedenen Stellen im Kristall führt zu einer Phasenänderung und kann so in verschiedenen Phasenkontrastverfahren detektiert werden, wodurch die virtuellen Elektroden sichtbar gemacht werden können. Mit diesen Grundlagen haben wir in unserem Team einen dielektrophoretischen Droplet-Rrouter realisiert. In diesem werden Tropfen durch lithographisch erzeugte Mikrokanäle geführt (Link zu soft matter lithography), die auf die Oberfläche des photorefraktiven Kristalls aufgebracht wurden. Die aus einer gerichteten Strömung resultierende Bewegungsrichtung der Tropfen kann unter Ausnutzung des dielektrophoretischen Effekts nach unseren Vorstellungen geändert werden. Weiterhin ist eine vollständige Immobilisierung des Tropfens möglich. Daraus resultierende Anwendungen umfassen die Analyse von Tropfen, deren Trennung entsprechend ihrer Volumina oder auch das Kapseln eines Tropfens mit verschiedenen anderen Fluiden.