Mikrofluidische Sortierung und Fraktionierung von Mikropartikeln mittels hochkompakter Arrays optischer Fallen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das im Antrag formulierte Projektziel war die Demonstration völlig neuartiger, äußerst kompakter optofluidischer Module zur gezielten, nichtinvasiven Partikelmanipulation innerhalb mikrofluidischer Kanäle. Konkret sollten spezielle Arrays vertikal emittierender Laserdioden (vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL) hergestellt und mit Mikrofluidik-Chips integriert werden. Der Einsatz externer Optiken sollte komplett vermieden werden. Die zentrale Funktionalität der Module sollte in der gezielten Ablenkung von Partikeln aus ihrer bevorzugten Flußrichtung bestehen. Das zugrundeliegende physikalische Prinzip ist Kraftausübung mittels multipler optischer Fallen, also ein berührungsloses Verfahren, mit dem jegliche Beschädigung oder Kontaminierung des Untersuchungsmaterials vermeidbar ist. Zum Zeitpunkt der Antragstellung gab es unseres Wissens nach keinen derartigen Ansatz, und auch heute sind uns keine vergleichbaren Arbeiten bekannt. Ein Grund hierfür liegt sicher darin, dass das angestrebte Prinzip nicht mit kommerziell erhältlichen VCSEL-Arrays umsetzbar wäre, da diese eine zu geringe Packungsdichte aufweisen. Es ist zur Durchführung also die Expertise der VCSEL-Herstellung erforderlich, was in der Tat unser Ausgangspunkt war. Andererseits lag in der Gruppe des Antragstellers kaum Erfahrung mit mikrofluidischen Komponenten vor. Diese musste also im Rahmen des Projektes erarbeitet werden. Gegenüber den im Antrag beschriebenen eigenen Vorarbeiten wurden die nachfolgend genannten Fortschritte erzielt. Es wurden dicht gepackte VCSEL-Arrays mit einem minimalen Bauteilabstand von nur 24pm hergestellt und umfassend charakterisiert. Ein geringer Abstand ist für die Funktion des Arrays zur optisch induzierten Teilchenablenkung unabdingbar. Kommerzielle Arrays weisen eine typische Periodenlänge von 250pm auf. Die Vielzahl hergestellter Arrays beinhaltet transversal mehrmodige oder einmodige Laser sowie verschiedene Bauteilanzahlen und Geometrien, wobei die Adressierung im Array parallel oder individuell erfolgt. Die Herstellung umfasst die Halbleiterepitaxie und die komplette Prozesstechnologie zur Lateralstrukturierung unter Reinraumbedingungen. Durch die Integration von Mikrolinsen auf den Ausgangsfacetten der Laser konnte die individuelle Strahldivergenz signifikant verringert werden, wodurch eine höhere Intensität in der Probenebene zur Verfügung steht. Die Strahlform erwies sich als gut geeignet zur angestrebten Partikelmanipulation. Die Arrays kamen zunächst in einem konventionellen Aufbau für optische Pinzetten zum Einsatz, in welchem die Strahlformung durch ein Mikroskopobjektiv hoher numerischer Apertur erfolgt. Mit individuell adressierbaren VCSEL-Arrays wurde nicht mechanische Bewegung von Teilchen durch Umschalten der Laser demonstriert werden. Parallel betriebene Laser ermöglichten eine kontinuierliche Partikelablenkung senkrecht zur Flussrichtung mittels eines geneigten, linearen Fallenarrays. In Übereinstimmung mit zuvor getätigten Simulationen konnte gezeigt werden, dass sich der kritische Winkel, ab dem ein Ablenken nicht mehr möglich ist, mit höheren Geschwindigkeiten und kleineren Teilchendurchmessern verringert. Das zuvor angewandte Prinzip der rein optischen Sortierung und Fraktionierung sollte auch in den angestrebten integrierten Modulen zum Einsatz kommen. Als Zwischenschritt wurde das kontinuierliche Ablenken mit dem gleichen Aufbau zunächst in mikrofluidischen Kanälen untersucht. Hierzu wurden mikrofluidische Teststrukturen auf der Basis von Polydimethylsiloxan hergestellt, in denen der Partikelfluss über hydrostatischen Druck erzeugt wird. Die Manipulation von Teilchen mit 10pm Durchmesser zeigte die besten Ergebnisse. Es stellte sich heraus, dass das Verhalten des Aufbaus nicht unmittelbar auf die integrierten Module übertragar ist. Im konventionellen Aufbau liegt eine starke Strahlfokussierung vor, und insbesondere leichtere Teilchen werden durch die Streukraft in die Mitte des Kanals angehoben und erfahren dort eine Beschleunigung. Dieser Effekt sollte in der integrierten Falle aufgrund der geringeren Tiefenschärfe weniger ausgeprägt sein. Nichtsdestotrotz konnte durch die Verwendung der speziellen, dicht gepackten VCSEL-Arrays ein großer Vorteil des Aufbaus gegenüber bisherigen Konzepten nachgewiesen werden, nämlich der ermöglichte Verzicht auf Mikrolinsenarrays zur Reduktion der Strahldivergenz, was kostengünstiger ist und den Aufbau einfacher und robuster gestaltet. Im Projekt wurde sodann die Prozesstechnologie zur Integration von Laserarrays und Mikrofluidik erarbeitet und die erhaltenen Module charakterisiert. An dieser Stelle musste leider festgestellt werden, dass die Module bei dem gegebenen Aufbaukonzept unerwartet stark unter der schlechten Wärmeabfuhr der Laser leiden, welche zu deutlich verringerten optischen Ausgangsleistungen führte. Dennoch war es möglich, erste einfache Versuche zur Partikelmanipulation vorzunehmen, nämlich paralleles Fangen von Teilchen in der Strömung und das Ablenken bei relativ geringer Fließgeschwindigkeit unter Bestätigung der Größenabhängigkeit des Ablenkmechanismus. Die weiter vorgesehenen Arbeitspunkte optoinduzierte Fokussierung sowie Partikelfraktionierung und -Sortierung mussten allerdings hintenan gestellt werden. Bezogen auf das nationale und internationale Umfeld sind dies die ersten Arbeiten an VCSEL-basierten integrierten optischen Fallen. Bisherige Integrationsversuche zur optischen Manipulation basierten auf Lichtzuführung über Wellenleiter oder integrierten Kantenemittern und erscheinen weniger flexibel und zukunftsträchtig. Die Arbeiten zur Integration von optoelektronischen Bauteilen und mikrofluidischen Chips werden in dem seit März 2009 von der Landesstiftung Baden-Württemberg geförderten Projekt Mikrofluidisch integriertes System zur markerfreien Zellanalyse und -Sortierung (Mikro-Sort) fortgesetzt. Dort soll ein innovativer Ansatz zur miniaturisierten, markerfreien Analyse sowie Sortierung auf Zellebene unter Einsatz geringster Analytmengen demonstriert werden. Auf einer mikrofluidischen Plattform auf der Basis von Glas und Kunststoff werden die Zellen durch den Resonator einer integrierten Halbleiterlaserdiode geleitet und die Veränderung verschiedener Laserparameter ausgewertet. Dies gewährleistet hohe Empfindlichkeiten bezüglich relevanter Kenngrößen wie Brechungsindex, Absorption oder Morphologie. Eine unmittelbar nachfolgende Sortierung der Zellen wird durch eine ebenfalls integrierte laserbasierte Einheit optischer Fallen erreicht, welche im abgeschlossenen DFG-Projekt vorentwickelt und ansatzweise demonstriert wurde. Aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse wird eine grundsätzliche Änderung des Aufbaus der Sortiereinheit vorgenommen, welche den Einschluss einer passiven Wärmesenke vorsieht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Densely packed VCSEL arrays tailored for optical particle manipulation", in Proc. (CD ROM) Conf. on Lasers and Electro-Optics Europe, CLEO/Europe 2007, paper CB4-1-TUE, one page. Munich, Germany, June 2007
A. Kroner, F. Rinaldi, R. Rösch, and R. Michalzik
- "High-performance single fundamental mode AIGaAs VCSELs with mode-selective mirror reflectivities", Optics Communications, vol. 270, pp. 332-335, 2007
A. Kroner, F. Rinaldi, J.M. Ostermann, and R. Michalzik
- "Oblong-shaped VC- SELs with pre-defined mode patterns", in Semiconductor Lasers and Laser Dynamics III, K.P. Panayotov, M. Sciamanna, A.A. Valle, R. Michalzik (Eds.), Proc. SPIE 6997, pp. 69971R-1-9, 2008
A. Gadallah, A. Kroner, I. Kardosh, F. Rinaldi, and R. Michalzik
- "Optical particle manipulation by application-speciflc densely packed VCSEL arrays". Electron. Lett, vol. 44, pp. 353- 354, 2008
A. Kroner, F. Rinaldi, R. Rösch, and R. Michalzik
- "Towards a compact particle manipulation system based on arrays of vert ical-cavity laser diodes", in Proc. Nonlinear Microscopy and Optical Control, NMOC2008, p. 47. Münster, Germany, Feb. 2008
A. Kroner, F. Rinaldi, R. Rösch, I. Kardosh, and R. Michalzik
- "Ultra-miniaturized optical particle manipulation using densely integrated laser arrays", in Digest 1st Int. 'I Sympos. on Optical Tweezers in Life Sciences, poster 26, one page. Berlin, Germany, May 2008
A. Kroner, F. Rinaldi, R. Rösch, I. Kardosh, and R. Michalzik
- 'Application of verticalcavity laser-based optical tweezers for particle manipulation in microfluidic channels", in Nanophotonics II, D.L. Andrews, J.-M. Nunzi, A. Ostendorf (Eds.), Proc. SPIE 6988, pp. 69881R-1-12, 2008
A. Kroner, C. Schneck, F. Rinaldi, R. Rösch, and R. Michalzik
- "Surface relief versus standard VCSELs: a comparison between experimental and hot-cavity model results", IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., vol. 15, pp. 828-837, 2009
P. Debernardi, A. Kroner, F. Rinaldi, and R. Michalzik
- "VCSEL-based optical trapping for microparticle manipulation" (invited), in Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XIII, K.D. Choquette, C. Lei (Eds.), Proc. SPIE 7229, pp. 722908-1-13, 2009
R. Michalzik, A. Kroner, A. Bergmann, and F. Rinaldi
- "High-power single-higher-order-mode VCSELs for optical particle manipulation", SPIE Photonics Europe, Conf. on Semiconductor Lasers and Laser Dynamics, Brussels, Belgium, Apr. 2010
A. Gadallah, A. Bergmann, and R. Michalzik
- Advancements in VCSEL Technology: Transverse Mode Control and Matrix-Addressable 2-D Arrays. Dissertation, Universität Ulm, Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Informatik, Febr. 2010
Abdel-Sattar Gadallah
- "High output power single-higher-order transverse mode VCSEL with shallow surface relief", Electron. Lett.
A. Gadallah and R. Michalzik
- VCSEL-Based Optical Trapping Systems for Microfluidic Applications. Dissertation, Universität Ulm, Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Informatik
Andrea Kroner
