Elektromagnetische Miniaturen

Simultane Herstellung von Mikrokanälen und parallelen elektrisch leitenden Metalldrähten

09.10.2006

Magnetische Bauteile, die sich durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes steuern lassen, eignen sich für viele verschiedene Anwendungen. Sie dienen als mikrofluidische Pumpen, Mischer oder Ventile in miniaturisierten Lab-on-Chip-Systemen oder helfen beim Sortieren und regelmäßigen Anordnen von magnetischen Partikeln. Insbesondere in der Biochemie und der Zellbiologie gibt es zahlreiche Einsatzmöglichkeiten: So können z. B. Antikörper oder andere Liganden, die an einzelne Biomoleküle oder an Oberflächenstrukturen ganzer Zellen binden, an magnetische Kügelchen gekoppelt werden, ihre spezifischen Bindungspartner auch in komplexen Mischungen erkennen und anschließend mit Hilfe eines Elektromagneten herausgefischt werden. Elektromagneten besitzen gegenüber permanenten Magneten den Vorteil, dass man sie mit Hilfe des elektrischen Stroms an- oder ausschalten kann. Außerdem lässt sich die Feldstärke auf einen gewünschten Wert einstellen und bei Bedarf verändern. Sie haben allerdings den Nachteil, dass sie schwächere magnetische Felder erzeugen und deshalb möglichst in unmittelbarer Nachbarschaft zum Einsatzort angebracht werden sollten.

Eine Methode, um mit geringem Aufwand einen mikrofluidischen Kanal und im Abstand von nur 10 µm parallel dazu zwei Metallkabel als Elektromagnete herzustellen, haben G. M. Whitesides und seine Mitarbeiter von der Harvard University, Cambridge, USA entwickelt. Zunächst wird die Struktur bestehend aus einem 40 µm breiten und 40 µm tiefen inneren und zwei links und rechts benachbarten 120 µm breiten und 40 µm tiefen äußeren Kanälen lithographisch in ein Polydimethylsiloxanharz eingeprägt. Durch eine Behandlung mit 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan werden die Oberflächen der äußeren Kanäle silanisiert. Dadurch können sie mit geschmolzenem Lötmetall benetzt werden, das im nächsten Schritt in die erwärmten Grundformen eingefüllt wird. Beim Abkühlen erstarrt das flüssige Metall und bildet so zwei stabile Metallkabel links und rechts vom inneren Kanal. Im Inneren dieses Kanals ließen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die beiden Drähte magnetische Felder mit einer Stärke von bis zu 2,8 mT erzeugen.

Auch ein gesteuerter Transport von magnetischen Kügelchen im Kanal war möglich: Die Wissenschaftler stellten einen Kanal mit parallelen Drähten her, der sich nach wenigen Millimetern in zwei getrennte Äste gabelte. Durch diesen Kanal floss eine Suspension von magnetischen Kügelchen. Wurde nun der elektrische Strom im rechten Draht eingeschaltet, so wanderten die Kügelchen an der Gabelung in den rechten Ast und umgekehrt.

Originalveröffentlichung: Autor: George M. Whitesides et al.; "Cofabrication of Electromagnets and Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane)"; Angewandte Chemie 2006, 118, No. 41, 7031-7036

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