Projektbeschreibung

Dielektrophoresefallen werden genutzt um biologische Verunreinigungen von Flüssigkeiten wie Viren, Bakterien oder ganz allgemein Zellen von außen gezielt zu beeinflussen. Dabei wird die unterschiedliche Polarisierbarkeit des biologischen Materials und der Trägerflüssigkeit genutzt. Bei dem Einteilchenmodell, auf das sich alle bekannten Simulationen zur Dielektrophorese konzentrieren, polarisieren elektrische Feldgradienten die einzelnen Zellen. Es wird nicht berücksichtigt, dass die polarisierten Teilchen selbst wieder aufgrund des induzierten Dipols ein elektrisches Feld erzeugen, das die Bewegung anderer Zellen verändern kann. Bei Teilchen, die nahe beieinander sind, fördert dies die Bildung von Ketten und Clustern und verändert deutlich die Dynamik der Partikel. Mit der im Projekt verwendeten Vielteilchensimulation sind die bisher nicht behandelte "kollektive" Phänomene aufgrund von Vielteilchenwechselwirkungen (Dipol induzierte Dipolkräfte und Kollisionen), als auch hydrodynamische Wechselwirkungen aufgrund der Rückwirkung der Partikelbewegung auf die Flüssigkeit berücksichtigt. Die Lattice-Boltzmann-Methode zur Simulation der partikelbeladenen Strömung erlaubt die Berechnung des Impulsaustauschs zwischen Fluid und Partikel und somit der Kraft des Fluids auf ein Partikel. Die dielektrophoretischen Kräfte auf die Teilchen werden unter Berücksichtigung der Polarisierung der Teilchen durch alle vorhandenen elektrischen Felder bestimmt. Das auf ein einzelnes Teilchen wirkende elektrische Feld muss wegen deren Bewegung in jedem Zeitabschnitt neu berechnet werden.

Simulationsbeispiel

Ein partikelbeladenes Fluid wird aufgereinigt, indem die Partikel mit Hilfe dielektrophoretischer Kräfte aus dem benachbarten Bereich einer Elektrode verdrängt werden und dann die so entstehende partikelarme Fluidschicht abgesaugt wird.

Im Einteilchenansatz erreicht jedes Teilchen wegen der gleichen äußeren Kraftwirkung unabhängig von der Anfangsposition die gleiche Endposition von ca. 30µm.
Im Vielteilchenmodell hängt die Endposition der Teilchen, welche ohne Simulation nicht vorher zu sagen ist, von ihrer Position während der Simulation ab.
Bei der Vielteilchensimulation erreichen die Endpositionen im Mittel deutlich größere Abstände (ca. 55µm) als in der Einzelteilchensimulation.
Das Absaugen eines Teilchens aus dem Mikrochip ist abhängig von dem Abstand zur Elektrode, daher hat der bisher in der Literatur nicht berücksichtigte Vielteilcheneffekt einen deutlichen Einfluss auf die vorhergesagte Falleneffizienz.

Weitere Validierung

Ein im Rahmen des Projekts realisiertes Testfiltersystem ermöglicht die Trenngüte der Filtration in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Parametern zu untersuchen. Die Wirkweise des Testsystems ist in der Abbildung links skizziert. Qualitativ werden die beobachteten Trends durch die Simulation bestätigt.