DE102009005925B4 - Apparatus and method for handling biomolecules - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Handhabung von Biomolekülen mittels magnetischer Partikel (60), die eine Affinität zu den Biomolekülen aufweisen, mit folgenden Merkmalen: einer Kanalstruktur (20; 200; 250; 302), die zur Erzeugung einer Mehrphasenströmung ausgelegt ist; zumindest einem Magnetkraftelement (10; 212; 270, 274, 276; 300, 300'), das relativ zu der Kanalstruktur (20; 200; 250; 302) bewegbar ist; und einer Einrichtung (12; 304, 306, 308) zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem zumindest einen Magnetkraftelement und der Kanalstruktur zum Beaufschlagen der Kanalstruktur (20) mit einem zeitlich variierenden Magnetfeld, um eine Position der magnetischen Partikel (60) in zumindest einem Kanalstrukturabschnitt (30, 40, 50) der Kanalstruktur (20) zu steuern und um die magnetischen Partikel über eine Phasengrenze der Mehrphasenströmung zu bewegen.A device for handling biomolecules by means of magnetic particles (60) having an affinity for the biomolecules, comprising: a channel structure (20; 200; 250; 302) adapted to generate a multiphase flow; at least one magnetic force member (10; 212; 270, 274, 276; 300, 300 ') movable relative to the channel structure (20; 200; 250; 302); and means (12; 304, 306, 308) for generating relative movement between said at least one magnetic force member and said channel structure for imparting a time varying magnetic field to said channel structure (20) about a position of said magnetic particles (60) in at least one channel structure portion (30, 40, 50) of the channel structure (20) and to move the magnetic particles across a phase boundary of the multiphase flow.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Vorrichtungen und Verfahren zur Handhabung von Biomolekülen und insbesondere mit Vorrichtungen und Verfahren zur Handhabung von Biomolekülen mittels magnetischer Partikel, die eine Affinität zu den Biomolekülen aufweisen.The present invention relates to devices and methods for handling biomolecules, and more particularly to devices and methods for handling biomolecules by means of magnetic particles having an affinity for the biomolecules.

Bei molekularbiologischen Untersuchungen ist eine Handhabung und Prozessierung von Biomolekülen unverzichtbar. Viele bekannte Systeme setzen hierbei auf die sogenannte Magnetophorese, bei der die langreichweitigen und großen Kräfte von Magnetkraftelementen verwendet werden, um Biomoleküle zu handhaben, siehe M. A. M. Gijs, „Magnetic bead handling on-chip: new opportunities for analytical applications”, Microfluidics Nanofluidics, Oct. 2004, S. 22–40.In biomolecular studies, the handling and processing of biomolecules is indispensable. Many known systems rely on the so-called magnetophoresis, in which the long-range and large forces of magnetic force elements are used to handle biomolecules, see MAM Gijs, "Magnetic bead handling on-chip: new opportunities for analytical applications", Microfluidics Nanofluidics, Oct. , 2004, pp. 22-40.

Mittels Magnetophorese lassen sich in einen kontinuierlichen Fluss suspendierte, magnetische Partikel nach der magnetischen Suszeptibilität sortieren, Pamme N. et al., „On-chip free-flow magnetophoresis: Continuous flow separation of magnetic particles and agglomerates”, Anal. Chem., Bd. 76, Nr. 24, S. 7250–7256, Dec. 2004. Hierzu werden konstante Magnetfelder angelegt, die mindestens eine Komponente senkrecht zur Flussrichtung und große Magnetfeldgradienten aufweisen.By means of magnetophoresis, magnetic particles suspended in a continuous flow can be sorted by magnetic susceptibility, Pamme N. et al., "On-chip free-flow magnetophoresis: Continuous flow separation of magnetic particles and agglomerates", Anal. Chem., Vol. 76, No. 24, pp. 7250-7256, Dec. 2004. For this constant magnetic fields are applied, which have at least one component perpendicular to the flow direction and large magnetic field gradients.

Werden kleine Mengen einer Suspension bestehend aus einer Pufferlösung und magnetischen Partikeln auf einer Oberfläche als kleine Tropfen platziert, so können die Partikel anhand entsprechender Magnetkraftelemente manipuliert und von Tropfen zu Tropfen transferiert werden. Um ein Verdampfen der Pufferlösung zu verhindern, wird der Tropfen dabei mit einer hydrophoben Phase eingeschlossen, siehe J. Pipper et al., „Clockwork PCR including sample preparation”, Angewandte Chemie-International Edition, Bd. 47, Nr. 21, S. 3900–3904, 2008; und U. Lehmann et al., „Droplet-based DNA purification in a magnetic lab-on-a-chip”, Angewandte Chemie-International Edition, Bd. 45, Nr. 19, S. 3062–3067, 2006.If small amounts of a suspension consisting of a buffer solution and magnetic particles are placed on a surface as small drops, the particles can be manipulated by means of appropriate magnetic force elements and transferred from drop to drop. In order to prevent evaporation of the buffer solution, the drop is thereby enclosed with a hydrophobic phase, see J. Pipper et al., "Clockwork PCR including sample preparation", Angewandte Chemie-International Edition, Vol. 47, No. 21, p. 3900-3904, 2008; and U. Lehmann et al., "Droplet-based DNA purification in a magnetic lab-on-a-chip", Angewandte Chemie-International Edition, Vol. 45, No. 19, pp. 3062-3067, 2006.

Innerhalb mikrofluidischer Kanäle werden magnetische Partikel häufig durch Magnetkraftelemente immobilisiert, um sie mit entsprechenden Pufferlösungen zu überströmen. Aus E. P. Furiani et al., „A model for predicting magnetic particle capture in a microfluidic bioseparator”, Biomedical Microdevices, Bd. 9, Nr. 4, S. 450–463, Aug. 2007, der US 2007/0207548 A1 , der US 2007/0190653 A1 und der US 7,138,269 B2 sind Umsetzungen bekannt, bei denen Partikel direkt an einer Kanalwand immobilisiert werden. Bei F. Lacherme et al., „Full on-chip nanoliter immunoassay by geometrical magnetic trapping of nanoparticle chains”, Anal. Chem., Bd. 80, Nr. 8, S. 2905–2910, Apr. 2008 und in der US 6,632,655 B1 sind Umsetzungen beschrieben, bei denen die Partikel in der Kanalmitte immobilisiert werden. Hierbei erfolgt eine diskontinuierliche Arbeitsweise aus Anlagern der magnetischen Partikel an die Oberfläche, gefolgt von einem Überströmen mit einer Lösung und einem nachfolgenden Ablösen der magnetischen Partikel.Within microfluidic channels, magnetic particles are often immobilized by magnetic force elements to overflow them with appropriate buffer solutions. From EP Furiani et al., "A model for predicting magnetic particle capture in a microfluidic bioseparator", Biomedical Microdevices, Vol. 9, No. 4, pp. 450-463, Aug. 2007, the US 2007/0207548 A1 , of the US 2007/0190653 A1 and the US 7,138,269 B2 are known reactions in which particles are immobilized directly on a channel wall. In F. Lacherme et al., "Full on-chip nanoliter immunoassay by geometric magnetic trapping of nanoparticle chains", Anal. Chem., Vol. 80, No. 8, pp. 2905-2910, Apr. 2008 and in the US 6,632,655 B1 are described reactions in which the particles are immobilized in the middle of the channel. In this case, a discontinuous procedure takes place from attaching the magnetic particles to the surface, followed by an overflow with a solution and subsequent detachment of the magnetic particles.

Aus der US 2007/0207548 A1 ist es ferner bekannt, magnetische Partikel unter Verwendung eines Magneten aus einer Probenlösung in eine Pufferlösung zu ziehen.From the US 2007/0207548 A1 It is also known to draw magnetic particles from a sample solution into a buffer solution using a magnet.

Die US 7,364,921 B1 beschreibt ein System, bei dem Gele eingesetzt werden, um die Diffusion der magnetischen Partikel zu verlangsamen. Ferner wird hier ein wiederholtes Erhöhen und Verringern des magnetischen Feldes auf eine gepulste Art und Weise verwendet, um eine räumliche Trennung magnetischer Komponenten zu bewirken. Eine Kombination einer Magnetophorese mit einer Elektrophorese ist aus der US 2006/0286596 A1 bekannt, während eine Kombination aus einer Magnetophorese und einer Dielektrophorese aus der US 7,033,473 B2 bekannt ist. Solche Kombinationen sind jedoch aufwendig. Ferner ist beispielsweise aus der US 2004/0009614 A1 ein System bekannt, bei dem eine Mehrzahl von Magnetkraftelementen zur Manipulation magnetischer Partikel verwendet wird.The US 7,364,921 B1 describes a system in which gels are used to slow the diffusion of the magnetic particles. Further, here, repeatedly increasing and decreasing the magnetic field in a pulsed manner is used to effect spatial separation of magnetic components. A combination of magnetophoresis and electrophoresis is known from US Pat US 2006/0286596 A1 known while a combination of a magnetophoresis and a dielectrophoresis from the US 7,033,473 B2 is known. However, such combinations are expensive. Furthermore, for example, from the US 2004/0009614 A1 a system is known in which a plurality of magnetic force elements for manipulating magnetic particles is used.

Auch kontinuierlich arbeitende Systeme zur Prozessierung von Biomolekülen sind aus dem Stand der Technik bekannt, siehe beispielsweise die US 7,384,561 B2 und die US 2008/0124779 A1 , wobei entweder nur die Puffer-Lösungen kontinuierlich durch die Mikrokanäle fließen können oder kleine magnetische Streifen in die Mikrokanäle eingesetzt sind, was Produktion und Flexibilität dieser Systeme deutlich erschwert.Continuously operating systems for the processing of biomolecules are known from the prior art, see for example the US 7,384,561 B2 and the US 2008/0124779 A1 where either only the buffer solutions can flow continuously through the microchannels or small magnetic strips are inserted into the microchannels, which makes production and flexibility of these systems much more difficult.

Andere bekannte Systeme, siehe beispielsweise die US 2007/0231888 A1 sind auf den Einsatz von Blut beschränkt oder nutzen mehrere veränderliche elektrische Potenziale, siehe US 6,467,630 B1 , was eine komplexe Anordnung von Elektroden erfordert. Aus der US 6,383,397 B1 ist ein System mit vielen parallelen Rohren bekannt, wobei jedes Rohr mit Drähten umwickelt ist, um Magnetfelder zu erzeugen. Aus der US 6,132,607 ist ein System mit einer Vielzahl an Magnetkraftelementen bekannt, um unter Verwendung eines mehrdimensionalen Gradienten Komponenten eines Gemisches chemischer Entitäten magnetisch zu trennen und zu behandeln. Aus der US 5,705,064 ist die Verwendung einer Vielzahl von Magnetkraftelementen bekannt, die zusammen ein magnetisches Rohr bilden.Other known systems, see for example the US 2007/0231888 A1 are limited to the use of blood or use multiple variable electrical potentials, see US 6,467,630 B1 , which requires a complex array of electrodes. From the US 6,383,397 B1 For example, a system with many parallel tubes is known, each tube being wrapped with wires to generate magnetic fields. From the US 6,132,607 For example, a system having a plurality of magnetic force elements is known for magnetically separating and treating components of a mixture of chemical entities using a multi-dimensional gradient. From the US 5,705,064 the use of a plurality of magnetic force elements is known, which together form a magnetic tube.

Bei bekannten Systemen werden zur Magnetophorese meist superparamagnetische Partikel eingesetzt, die eine hohe Suszeptibilität aufweisen. Dadurch lassen sich durch extern angelegte magnetische Felder leicht und schnell magnetische Dipole in den Partikeln induzieren. Andererseits verschwinden diese induzierten Bipole in den Partikeln und die magnetische Anziehung ebenso schnell, wenn das externe Magnetfeld wegfällt, so dass keine Magnetisierung in den Partikeln verbleibt. Neben ihren magnetischen Eigenschaften absorbieren diese Partikel Laserstrahlung, was weitere Anwendungsmöglichkeiten, wie das Entfernen einer Pufferlösung, siehe J. G. Lee et al. „Microchip-based one step DNA extraction and real-time PCR in one chamber for rapid pathogen identification”, Lab Chip, Bd. 6, Nr. 7, S. 886–895, 2006, oder die Realisierung von Ventilen durch Schmelzen von Wachs, siehe J. M. Park et al., „Multifunctional microvalves control by optical illumination an nanoheaters and its application in centrifugal microfluidic devices”, Lab Chip, Bd. 7, Nr. 5, S. 557–564, 2007, bietet. Die Oberflächen der superparamagnetischen Partikel lassen sich auf vielfältige Weise modifizieren. Beispiele solcher Oberflächenmodifikationen sind funktionelle Gruppen, wie Amine und Epoxide, oder Biomoleküle, wie Streptavidin oder Antikörper.In known systems for magnetophoresis usually superparamagnetic particles are used which have a high susceptibility. As a result, externally applied magnetic fields can easily and rapidly induce magnetic dipoles in the particles. On the other hand, these induced bipoles in the particles and magnetic attraction disappear just as fast as the external magnetic field disappears, leaving no magnetization in the particles. In addition to their magnetic properties, these particles absorb laser radiation, providing further applications such as the removal of a buffer solution, see JG Lee et al. 6, no. 7, pp. 886-895, 2006, or the realization of valves by melting wax See, JM Park et al., Lab., Vol. 7, No. 5, pp. 557-564, 2007, "Multifunctional microvalves control by nanoscale optical illumination and its application in centrifugal microfluidic devices". The surfaces of the superparamagnetic particles can be modified in many ways. Examples of such surface modifications are functional groups, such as amines and epoxides, or biomolecules, such as streptavidin or antibodies.

Superparamagnetische Partikel sind in handelsüblichen DNA-Extraktions-Kits erhältlich. Die mit solchen Kits mitgelieferten Pufferlösungen ermöglichen optimale Bedingungen für einzelne Schritte eines kompletten DNA-Extraktionsprozesses. Nach dem Binden der DNA-Moleküle an die Partikel werden Verunreinigungen durch Waschschritte entfernt, und die aufgereinigte DNA von den Partikeln eluiert. Kommerzielle DNA-Extraktions-Kits ermöglichen jedoch keinen kontinuierlichen Betrieb und erfordern eine Vielzahl einzelner Arbeitsschritte. Bei jedem Arbeitsschritt ist die Gefahr von Kontaminationen gegeben.Superparamagnetic particles are available in commercial DNA extraction kits. The buffer solutions provided with such kits provide optimal conditions for individual steps of a complete DNA extraction process. After binding the DNA molecules to the particles, contaminants are removed by washing steps and the purified DNA is eluted from the particles. However, commercial DNA extraction kits do not allow for continuous operation and require a variety of individual operations. Every step of the process poses the risk of contamination.

Ferner sind Pipettier-Roboter bekannt, die das Kontaminationsrisiko verringern können, indem sie DNA-Extraktions-Kits automatisieren. Auch hier ist jedoch eine kontinuierliche Arbeitsweise nicht möglich.Furthermore, pipetting robots are known which can reduce the risk of contamination by automating DNA extraction kits. Again, however, a continuous operation is not possible.

Ein System, das quasi-kontinuierlich arbeitet, ist in der WO 2006/056579 A2 beschrieben. Dabei werden die Partikel durch periodisches Umpolen von Elektromagneten in Lösung gehalten und mit einer Pufferlösung durchströmt. Dadurch, dass die Partikel örtlich auf eine bestimmte Region begrenzt gehalten werden, müssen die benötigten Puffer nacheinander durch die Partikel geströmt werden. Dies erlaubt zwar eine Aufreinigung der Partikel, ist jedoch diskontinuierlich.A system that works quasi-continuously is in the WO 2006/056579 A2 described. The particles are held in solution by periodic polarity reversal of electromagnets and flowed through with a buffer solution. By keeping the particles locally confined to a particular region, the required buffers must be sequentially passed through the particles. Although this allows a purification of the particles, but is discontinuous.

Aus dem Stand der Technik sind ferner Lab-on-a-Chip-Systeme zur Aufreinigung von Biomolekülen bekannt, siehe M. Matsunaga et al., „Microfabricated devices for DNA extraction toward realization of deep-sea in situ gene analysis”, Oceans, Bd. 1, S. 89–94, 2004, und die US 5,834,303 . Allerdings arbeiten derartige Systeme nicht kontinuierlich und sind auf eine Klasse von Biomolekülen beschränkt. Des Weiteren führt eine einzelne Kartusche meist nur eine Operation aus, beispielsweise Zell-Lyse, DNA-Aufreinigung, DNA-Amplifikation, oder DNA-Detektion. Somit sind für eine erfolgreiche Extraktion von DNA auf Zellen mindestens zwei Kartuschen erforderlich, eine für die Zell-Lyse und eine für die DNA-Aufreinigung.Also known from the prior art are lab-on-a-chip systems for the purification of biomolecules, see M. Matsunaga et al., "Microfabricated devices for DNA extraction toward realization of deep-sea in situ gene analysis", Oceans, Vol. 1, pp. 89-94, 2004, and the US 5,834,303 , However, such systems do not work continuously and are limited to one class of biomolecules. Furthermore, a single cartridge usually performs only one operation, such as cell lysis, DNA purification, DNA amplification, or DNA detection. Thus, for successful extraction of DNA on cells, at least two cartridges are required, one for cell lysis and one for DNA purification.

Des Weiteren sind Lab-on-a-Chip-Systeme bekannt, bei denen biologische Essays im kontinuierlichen Fluss und mit Einsatz mehrerer Pufferlösungen durchgeführt werden können. Derartige Systeme setzen auf magnetische Partikel für den Transport einer Zielsubstanz in die unterschiedlichen Pufferlösungen in einer Laminarströmung mittels Magnetophorese mit einem Permanentmagneten, siehe S. A. Peyman et al., „Rapid, multi-step bioassays an the surface of mobile magnetic particles in continuous flow”, μTas 2008, S. 1114–1116, oder mehreren Permanentmagneten, L. A. Sasso et al., „Continuous microfluidic immunosensing with antibody conjugated paramagnetic beads”, μTas 2008, S. 77–79. Bei diesen Systemen sind die Permanentmagnete an festen Positionen auf der Kartusche angebracht, wobei diese Position exakt kalibriert werden muss, damit die magnetischen Partikel zwar einerseits angezogen und über die Phasengrenze in die einzelnen Pufferlösungen bewegt werden, aber andererseits nicht an der Kanalwand immobilisiert werden.Furthermore, lab-on-a-chip systems are known in which biological essays can be carried out in a continuous flow and with the use of multiple buffer solutions. Such systems rely on magnetic particles for the transport of a target substance into the different buffer solutions in a laminar flow by means of magnetophoresis with a permanent magnet, see SA Peyman et al., "Rapid, multi-step bioassays on the surface of mobile magnetic particles in continuous flow", μTas 2008, pp. 1114-1116, or several permanent magnets, LA Sasso et al., "Continuous microfluidic immunosensing with antibody conjugated paramagnetic beads", μTas 2008, pp. 77-79. In these systems, the permanent magnets are mounted at fixed positions on the cartridge, whereby this position must be calibrated precisely, so that the magnetic particles are attracted on the one hand and moved across the phase boundary in the individual buffer solutions, but on the other hand not immobilized on the channel wall.

Aus der DE10355460 A1 ist ein Mikrofluidsystem mit einem Basiskörper bekannt, in welchem mindestens ein Mikrokanal gebildet ist, der von einem mit Partikeln, insbesondere Biopartikeln, beladenen Fluidstrom durchströmbar ist. Benachbart zu dem mindestens einen Mikrokanal sind Magnetkraftelemente angeordnet, wobei die Magnetkraftelemente wenigstens ein Magnetkraftelement umfassen, welches außerhalb einer von anderen der Magnetkraftelemente längs des mindestens einen Mikrokanals aufgespannten Ebene in dem Basiskörper angeordnet ist.From the DE10355460 A1 is a microfluid system with a base body is known in which at least one microchannel is formed, which is traversed by a particle laden with particles, in particular bioparticles, fluid flow. Adjacent to the at least one microchannel, magnetic force elements are arranged, wherein the magnetic force elements comprise at least one magnetic force element, which is arranged outside of a plane defined by other of the magnetic force elements along the at least one microchannel in the base body.

Aus der WO 2007/044642 A2 ist eine mikrofluidische Trennvorrichtung bekannt, bei der Material, das an magnetische Partikel gebunden ist, von einem laminaren Flussweg zu einem anderen gezogen wird, indem ein lokaler Magnetfeldgradient angelegt wird.From the WO 2007/044642 A2 For example, a microfluidic separation device is known in which material bound to magnetic particles is drawn from one laminar flow path to another by applying a local magnetic field gradient.

Aus der DE 10 2004 040 785 A1 ist ein mikrofluidisches System bekannt, bei dem zwei stationäre Elektromagneten 6 und 7 vorgesehen sind. Ein Elektromagnet wird aktiviert, um immunomagnetische Partikel einem elektromagnetischen Feld zu unterwerfen, um diese über eine Flüssigkeitsstromgrenze hinwegzuziehen. Mittels eines zweiten Elektromagneten werden die immunomagnetischen Partikel dann zurückgezogen.From the DE 10 2004 040 785 A1 a microfluidic system is known in which two stationary electromagnets 6 and 7 are provided. An electromagnet is activated to subject immunomagnetic particles to an electromagnetic field to sweep them across a liquid flow boundary. By means of a second Electromagnets are then withdrawn the immunomagnetic particles.

Die US 6,297,061 B1 offenbart Reagenzien, die auf Beads immobilisiert sind, wobei die Beads magnetisch sein können, um ein Magnetfeld zur Steuerung verwenden zu können.The US 6,297,061 B1 discloses reagents immobilized on beads, which beads may be magnetic in order to use a magnetic field for control.

Die EP 1 327 473 A1 beschreibt ein Verfahren zum Durchführen von Reaktionslösungen, wobei zu diesem Zweck magnetische Feldschwankungen verwendet werden, um magnetische Beads zu bewegen, wobei diese Feldschwankungen durch sequenzielles Anregen mehrerer Elektromagnete erzeugt werden oder durch ein Bewegen von Permanentmagneten, die außerhalb des Reaktionsgefäßes angeordnet sind.The EP 1 327 473 A1 describes a method for carrying out reaction solutions, for which purpose magnetic field fluctuations are used to move magnetic beads, these field fluctuations being produced by sequentially exciting a plurality of electromagnets or by moving permanent magnets arranged outside the reaction vessel.

Die US 2001/0017158 A1 befasst sich mit Magneten, die verwendet werden, um Flüssigkeitstropfen durch eine Kanalstruktur zu bewegen. Magneten, die verwendet werden, um die Fluidbewegung zu steuern, können einzelne Magneten oder ein oder mehrere Arrays von Magneten, deren Elemente zu diesem Zweck einzeln gesteuert werden können, sein.The US 2001/0017158 A1 deals with magnets that are used to move liquid droplets through a channel structure. Magnets used to control fluid movement may be individual magnets or one or more arrays of magnets, the elements of which may be individually controlled for this purpose.

Shikida, M. [u. a.]: Magnetic handling of droplet in micro chemical analysis system utilizing surface tension and wettability. In: Proceedings of the 17th IEEE International conference an micro electro mechanical systems (MEMS 2004), Maastricht, Niederlande, Januar 2004, Seiten 359–362, offenbaren eine Möglichkeit, magnetische Tropfen zu handhaben, ohne dass diese an einer Glasoberfläche anhaften. Zu diesem Zweck wird die Oberfläche einer Glasplatte mit Silikonöl versehen. Ferner beschreibt diese Schrift ein Bewegen magnetischer Beads innerhalb einer Pufferlösung unter Verwendung eines sich bewegenden Magneten.Shikida, M. [et al.]: Magnetic handling of droplets in micro chemical analysis system surface tension and resistance. In: Proceedings of the 17 th IEEE International conference on micro electromechanical systems (MEMS 2004), Maastricht, The Netherlands, January 2004, pages 359-362, disclose a way to handle magnetic drops without them sticking to a glass surface. For this purpose, the surface of a glass plate is provided with silicone oil. Further, this document describes moving magnetic beads within a buffer solution using a moving magnet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Vorrichtungen und Verfahren zur Handhabung von Biomolekülen zu schaffen, die einen einfachen Aufbau und einen kontinuierlichen Betrieb ermöglichen.The object of the present invention is to provide devices and methods for handling biomolecules that enable simple construction and continuous operation.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst.This object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 13.

Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Vorrichtung zur Handhabung von Biomolekülen mittels magnetischer Partikel, die eine Affinität zu den Biomolekülen aufweisen, mit folgenden Merkmalen:
einer Kanalstruktur, die zur Erzeugung einer Mehrphasenströmung ausgelegt ist;
zumindest einem Magnetkraftelement, das relativ zu der Kanalstruktur bewegbar ist; und
einer Einrichtung zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem zumindest einen Magnetkraftelement und der Kanalstruktur, zum Beaufschlagen der Kanalstruktur mit einem zeitlich variierenden Magnetfeld, um eine Position der magnetischen Partikel in zumindest einem Kanalstrukturabschnitt der Kanalstruktur zu steuern und um die magnetischen Partikel über eine Phasengrenze der Mehrphasenströmung zu bewegen.
Embodiments of the invention provide a device for handling biomolecules by means of magnetic particles which have an affinity for the biomolecules, with the following features:
a channel structure adapted to generate a multi-phase flow;
at least one magnetic force element that is movable relative to the channel structure; and
means for generating relative movement between the at least one magnetic force element and the channel structure, for imparting the magnetic field to a position of the magnetic particles in at least one channel structure portion of the channel structure and for imparting the magnetic particles across a phase boundary of the multiphase flow move.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist das relativ zu der Kanalstruktur bewegbare Magnetkraftelement zumindest ein rotierbares Magnetkraftelement auf, das ausgelegt ist, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können ein oder mehrere Magnetkraftelemente an einer Fördereinrichtung, wie z. B. einem Förderband, angebracht sein, um eine translatorische Bewegung des oder der Magnetkraftelemente zu bewirken, um die Kanalstruktur mit einem zeitlich variierenden Magnetfeld zu beaufschlagen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können das oder die Magnetkraftelemente Permanentmagneten oder Elektromagneten aufweisen.In embodiments of the invention, the magnetic force element movable relative to the channel structure comprises at least one rotatable magnetic force element configured to generate a rotating magnetic field. In embodiments of the invention, one or more magnetic force elements on a conveyor, such. As a conveyor belt, be mounted to cause a translational movement of the magnetic force or the elements to act on the channel structure with a time varying magnetic field. In embodiments of the invention, the one or more magnetic force elements may comprise permanent magnets or electromagnets.

Bei Ausführungsbeispielen kann die Einrichtung zum Erzeugen einer Relativbewegung ausgebildet sein, um das zumindest eine Magnetkraftelement zu bewegen, während die Kanalstruktur stationär bleibt. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann die Einrichtung zum Erzeugen einer Relativbewegung ausgebildet sein, um die Kanalstruktur zu bewegen, während das zumindest eine Magnetkraftelement stationär bleibt. Wiederum alternativ kann die Einrichtung ausgebildet sein, um das zumindest eine Magnetkraftelement und die Kanalstruktur zu bewegen.In embodiments, the means for generating a relative movement may be configured to move the at least one magnetic force element while the channel structure remains stationary. In alternative embodiments, the means for generating a relative movement may be configured to move the channel structure while the at least one magnetic force element remains stationary. Again alternatively, the device may be configured to move the at least one magnetic force element and the channel structure.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist die Kanalstruktur eine Mehrzahl von separaten Einlässen zur Erzeugung der Mehrphasenströmung auf. Die Mehrphasenströmung kann im wesentlichen laminare Ströme verschiedener Flüssigkeiten aufweisen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist eine Einrichtung zum Erzeugen der Mehrphasenströmung Injektionsmittel, beispielsweise Pumpen, zum Injizieren unterschiedlicher Flüssigkeiten in die Einlässe auf. Die Mehrphasenströmung kann in einem Kanal vorliegen oder in einer Mehrzahl von Kanälen, die fluidisch verbunden sind.In embodiments of the invention, the channel structure has a plurality of separate inlets for generating the multiphase flow. The multiphase flow may have substantially laminar flows of various liquids. In embodiments of the invention, means for generating the multiphase flow comprises injection means, for example pumps, for injecting different liquids into the inlets. The multiphase flow may be in a channel or in a plurality of channels that are fluidly connected.

Erfindungsgemäß kann eine Relativbewegung zwischen einem Magnetkraftelement und einer Kanalstruktur, wie z. B. eine Rotation eines Magnetkraftelements, wie z. B. eines Permanentmagneten oder eines Elektromagneten, ein zeitlich variierendes Magnetfeld erzeugen, durch das magnetische Partikel in einer Kanalstruktur, die Teil eines Mikrofluidiksystems sein kann, gesteuert werden. Durch das erzeugte, zeitliche variierende Magnetfeld können magnetische Partikel in Phasen starker Magnetfelder immer effektiv angezogen werden, während sie jedoch in Phasen schwacher Felder losgelassen werden können, so dass sie nicht an einer Kanalwand der Kanalstruktur festgehalten werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen somit ohne eine aufwändige Justierung einfach durch einen kontinuierlichen Wechsel der Magnetfeldstärke aufgrund der Relativbewegung des oder der Magnetkraftelemente zu der Kanalstruktur einen Transfer von magnetischen Partikeln über Phasengrenzen von Flüssigkeiten hinweg, ein Lenken von magnetischen Partikeln in bestimmte Ausgangszweige von Kanalverzweigungen und/oder einen Transport entlang einer, in einem Winkel zu einer oder gegen eine Strömrichtung von Pufferlösungen, in denen sich die magnetischen Partikel befinden. Dies ist bei festsitzenden Magneten nicht möglich und im Falle von stationären Elektromagneten nur durch eine gezielte Steuerung erreichbar.According to the invention, a relative movement between a magnetic force element and a channel structure, such. B. a rotation of a magnetic force element, such as. As a permanent magnet or an electromagnet, generate a time-varying magnetic field, are controlled by the magnetic particles in a channel structure, which may be part of a microfluidic system. Through the generated, time-varying magnetic field can magnetic particles are always effectively attracted in phases of strong magnetic fields, while they can be released in phases of weak fields, so that they are not retained on a channel wall of the channel structure. Embodiments of the invention thus allow without a complex adjustment simply by a continuous change of the magnetic field strength due to the relative movement of the magnetic force or elements to the channel structure, a transfer of magnetic particles across phase boundaries of liquids, a steering of magnetic particles in certain output branches of channel branches and / or a transport along one, at an angle to or against a flow direction of buffer solutions in which the magnetic particles are located. This is not possible with fixed magnets and in the case of stationary electromagnets only by a targeted control achievable.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Kanalstruktur in einem Kanalstrukturkörper, beispielsweise einem Chip, gebildet und weist Mikrokanäle auf, durch die verschiedene Flüssigkeiten fließen können. Bei Ausführungsbeispielen erlaubt die Erfindung eine kontinuierliche Prozessierung von Biomolekülen, wobei für einen jeweiligen Assay benötigte Pufferlösungen kontinuierlich durch die Mikrokanäle der Kanalstruktur fließen können. Die Biomoleküle sind an eine mobile Festphase, die aus magnetischen Partikeln besteht, konvalent oder nicht-konvalent gekoppelt und können dann sequenziell verschiedenen Pufferlösungen ausgesetzt werden. Dazu können die magnetischen Partikel in den Mikrokanälen durch die Relativbewegung abgelenkt und in eine gewünschte Pufferlösung transportiert werden. In einem letzten Schritt können die Biomoleküle von den magnetischen Partikeln gelöst werden, die abschließend aus der Pufferlösung entfernt werden können.In embodiments of the invention, the channel structure is formed in a channel structure body, for example a chip, and has microchannels through which different liquids can flow. In embodiments, the invention allows for continuous processing of biomolecules, wherein buffer solutions needed for a particular assay can flow continuously through the microchannels of the channel structure. The biomolecules are coupled to a mobile solid phase consisting of magnetic particles, convective or non-convective, and can then be sequentially exposed to different buffer solutions. For this purpose, the magnetic particles in the microchannels can be deflected by the relative movement and transported into a desired buffer solution. In a last step, the biomolecules can be released from the magnetic particles, which can finally be removed from the buffer solution.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine kontinuierliche und automatisierte Prozessierung von Biomolekülen unter Verwendung einer Mehrzahl von verschiedenen Puffer-Lösungen, wie sie bei einer umfassenden Prozessierung von Biomolekülen erforderlich ist. Durch die zeitlich variierenden Magnetfelder, die durch die Relativbewegung erzeugt werden, können Partikel einerseits in einem Mikrokanal aus einer Pufferlösung separiert werden, während sie andererseits nicht an der Kanalwand immobilisieren, was eine kontinuierliche Arbeitsweise ermöglicht. Das sich relativ zu der Kanalstruktur bewegende Magnetkraftelement ermöglicht ferner eine Steuerung der Position von magnetischen Partikeln an einer Mehrzahl von Positionen, die beispielsweise radial entlang eines Rotationsweges eines rotierenden Magnetkraftelements verteilt sind. Somit ist es möglich, eine Steuerung an einer Mehrzahl unterschiedlicher Positionen unter Verwendung lediglich eines Magnetkraftelements, wie z. B. eines Permanentmagneten, zu erhalten, was eine deutlich verringerte Komplexität ermöglicht. Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen es somit bei einem sehr einfachen Aufbau mit nur einem externen Magnetkraftelement magnetische Partikel einer Mehrzahl unterschiedlicher chemischer Lösungen auszusetzen.Embodiments of the present invention enable continuous and automated processing of biomolecules using a variety of different buffer solutions as required in extensive processing of biomolecules. As a result of the time-varying magnetic fields generated by the relative movement, particles can be separated from a buffer solution in a microchannel on the one hand, while on the other hand they can not immobilize on the channel wall, which allows a continuous operation. The magnetic force element moving relative to the channel structure further enables control of the position of magnetic particles at a plurality of positions distributed, for example, radially along a rotational path of a rotating magnetic force element. Thus, it is possible to control at a plurality of different positions using only a magnetic force element, such. As a permanent magnet, which allows a significantly reduced complexity. Embodiments of the invention thus make it possible to expose magnetic particles of a plurality of different chemical solutions in a very simple structure with only one external magnetic force element.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Mikrokanalstruktur abgeschlossene Kanäle aufweisen, wobei für die erforderlichen Flüssigkeiten, wie z. B. die Probenlösung und erforderliche Pufferlösungen, jeweils separate Einlässe vorgesehen sein können. Somit kann eine Kontamination weitgehend ausgeschlossen werden, was zu einer hohen Reproduzierbarkeit von Extraktionsergebnissen führen kann.In embodiments of the invention, the microchannel structure may have closed channels, wherein for the required liquids, such as. B. the sample solution and required buffer solutions, each separate inlets can be provided. Thus, contamination can be largely excluded, which can lead to high reproducibility of extraction results.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Vorrichtung mehrere Einlässe in die Kanalstruktur bieten, durch die unterschiedliche Puffer parallel injiziert werden können, so dass magnetische Partikel im kontinuierlichen Betrieb durch ein geeignetes Kanaldesign unter Verwendung eines oder mehrerer sich relativ zu der Kanalstruktur bewegender Magnetkraftelemente, wie z. B. einem einzigen rotierenden Permanentmagneten, von einem Puffer in den nächsten überführt werden kann. Somit kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung eine echte kontinuierliche Arbeitsweise erreicht werden, da sowohl die Magnetpartikel als auch die Flüssigkeiten bzw. Lösungen kontinuierlich transferiert werden können.In embodiments of the invention, the device may provide multiple inlets into the channel structure through which different buffers may be injected in parallel so that magnetic particles can be continuously operated by a suitable channel design using one or more magnetic force elements moving relative to the channel structure, e.g. B. a single rotating permanent magnet, can be transferred from one buffer to the next. Thus, in embodiments of the invention, a true continuous operation can be achieved since both the magnetic particles and the liquids or solutions can be transferred continuously.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Vorrichtung zur Prozessierung unterschiedlicher Biomoleküle eingesetzt werden. Die Kanalstruktur kann ausgelegt sein, um alle benötigten Schritte zur erfolgreichen Aufreinigung von Biomolekülen auf einer Kartusche, d. h. in einem Kanalkörper oder Chip, zu integrieren. Ausführungsbeispiele der Erfindung können ausgelegt sein, um ein Immunoassay, eine Nukleinsäureextraktion oder eine kontinuierliche DNA-Amplifikation durchzuführen.In embodiments of the invention, the device can be used for processing different biomolecules. The channel structure may be designed to accommodate all steps required to successfully purify biomolecules on a cartridge, i. H. in a channel body or chip. Embodiments of the invention may be configured to perform an immunoassay, a nucleic acid extraction, or a continuous DNA amplification.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 a schematic representation of an embodiment of a device according to the invention;

2 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; 2 a schematic representation of an alternative embodiment of a device according to the invention;

3a und 3b vergrößerte Abschnitte von 2; 3a and 3b enlarged sections of 2 ;

4a und 4b eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung; 4a and 4b a schematic plan view and a schematic side view of an embodiment of the invention;

5a und 5b eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung; 5a and 5b a schematic plan view and a schematic side view of another embodiment of the invention;

6a und 6b eine schematische Draufsicht und eine schematische Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung; 6a and 6b a schematic plan view and a schematic side view of another embodiment of the invention;

7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung; 7 a schematic representation for explaining a further embodiment of the invention;

8a bis 8c schematische Darstellungen zur Erläuterung, wie bei Ausführungsbeispielen der Erfindung die Position magnetischer Partikel gesteuert werden kann; und 8a to 8c schematic representations for explaining how the position of magnetic particles can be controlled in embodiments of the invention; and

9a und 9b schematische Darstellungen zur Erläuterung, wie bei Ausführungsbeispielen der Erfindung die Position magnetischer Partikel gesteuert werden kann. 9a and 9b schematic representations for explaining how the position of magnetic particles can be controlled in embodiments of the invention.

Anhand der 1 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Form eines Mikrofluidiksystems für eine Aufreinigung von DNS näher erläutert.Based on 1 An embodiment of the present invention in the form of a microfluidic system for a purification of DNA will be explained in more detail below.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weist zu diesem Zweck ein Magnetkraftelement in Form eines rotierbaren Permanentmagneten 10 und eine Kanalstruktur 20 auf. Ein Drehgeber 12, wie z. B. ein Schrittmotor, ist vorgesehen, um den Permanentmagneten 10 mit einer Rotation zu beaufschlagen. Die Kanalstruktur 20 kann in einem geeigneten Kanalstrukturkörper bzw. Chip (nicht gezeigt) gebildet sein. Die Kanalstruktur 20 umfasst einen ersten Einlass 22, einen zweiten Einlass 24, einen dritten Einlass 26 und einen vierten Einlass 28. Die Kanalstruktur umfasst eine erste Reaktionsstufe 30, eine zweite Reaktionsstufe 40 und eine dritte Reaktionsstufe 50. Der Einlass 22 mündet in einen Eingang 31 der ersten Reaktionsstufe 30, die einen ersten und einen zweiten Ausgang 32 und 33 aufweist. Der zweite Ausgang 33 ist über einen Mikrokanal fluidisch mit einem ersten Eingang 41 der zweiten Reaktionsstufe 40 verbunden. Der zweite Einlass 24 ist über einen Mikrokanal mit einem zweiten Eingang 42 der zweiten Reaktionsstufe verbunden. Die zweite Reaktionsstufe 40 weist ferner einen ersten Ausgang 43 und einen zweiten Ausgang 44 auf, der mit einem ersten Eingang 51 der dritten Reaktionsstufe 50 verbunden ist. Die dritte Reaktionsstufe 50 weist ferner einen zweiten Eingang 52 auf, der mit dem dritten Einlass 28 fluidisch gekoppelt ist, und einen dritten Eingang 53, der mit dem vierten Einlass 28 fluidisch gekoppelt ist. Die dritte Reaktionsstufe 50 umfasst ferner einen ersten Ausgang 54 und einen zweiten Ausgang 55.An embodiment of a device according to the invention has for this purpose a magnetic force element in the form of a rotatable permanent magnet 10 and a channel structure 20 on. A rotary encoder 12 , such as B. a stepper motor, is provided to the permanent magnet 10 to apply a rotation. The channel structure 20 may be formed in a suitable channel structure body or chip (not shown). The channel structure 20 includes a first inlet 22 , a second inlet 24 , a third inlet 26 and a fourth inlet 28 , The channel structure comprises a first reaction stage 30 , a second reaction stage 40 and a third reaction stage 50 , The inlet 22 flows into an entrance 31 the first reaction stage 30 which have a first and a second output 32 and 33 having. The second exit 33 is fluidly connected to a first input via a microchannel 41 the second reaction stage 40 connected. The second inlet 24 is via a microchannel with a second input 42 connected to the second reaction stage. The second reaction stage 40 also has a first exit 43 and a second exit 44 up, with a first entrance 51 the third reaction stage 50 connected is. The third reaction stage 50 also has a second input 52 on that with the third inlet 28 is fluidically coupled, and a third input 53 that with the fourth inlet 28 is fluidically coupled. The third reaction stage 50 further includes a first output 54 and a second exit 55 ,

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Reaktionsstufen in ein Mikrofluidiksystem integriert, wobei die Reaktionsstufen jeweils aus einer Kavität mit mindestens einem Einlass und mindestens zwei Auslässen besteht. Wie in 1 zu erkennen ist, weisen die Kavitäten der Reaktionsstufen einen größeren Kanaldurchmesser als die Eingänge und Ausgänge derselben auf, so dass dort die Flussgeschwindigkeit einer Strömung verringert sein kann, wodurch magnetische Partikel einfacher zu einer Seite der Kavität gezogen werden können. Dadurch kann eine Aufkonzentrierung magnetischer Partikel erreicht werden, die dann die Reaktionsstufe durch einen der Ausgänge, der näher bei dem rotierbaren Permanentmagneten angeordnet ist, nämlich den zweiten Ausgang, verlassen, während der Großteil einer jeweiligen Pufferlösung mit eventuellen Verunreinigungen durch den anderen Auslass, der von dem rotierbaren Permanentmagneten weiter entfernt ist, nämlich jeweils den ersten Ausgang, die Reaktionsstufen verlässt.In the illustrated embodiment, three reaction stages are integrated into a microfluidic system, wherein the reaction stages each consist of a cavity with at least one inlet and at least two outlets. As in 1 As can be seen, the cavities of the reaction stages to a larger channel diameter than the inputs and outputs thereof, so that there the flow velocity of a flow can be reduced, whereby magnetic particles can be drawn easily to one side of the cavity. As a result, a concentration of magnetic particles can be achieved, which then leave the reaction stage through one of the outlets, which is located closer to the rotatable permanent magnet, namely the second outlet, while the majority of each buffer solution is contaminated by the other outlet, that of the rotatable permanent magnet is further away, namely in each case the first output, leaves the reaction stages.

Im Betrieb wird eine Probenlösung in den Einlass 22 eingespült. Die Probenlösung weist an den magnetischen Partikeln angekoppelte Biomoleküle in einer ersten Pufferlösung auf. Durch das Einspülen wird eine Strömung der Probenlösung in die erste Reaktionsstufe 30 bewirkt, wo die magnetischen Partikel 60 durch den rotierenden Permanentmagneten 10 radial nach innen und somit in den zweiten Ausgang 33 abgelenkt werden. Von dort wird die partikelgebundene Probe zum Eingang 41 der zweiten Reaktionsstufe 40 geleitet, wie durch einen Pfeil 62 angedeutet ist. Der Rest der ersten Pufferlösung sowie Verunreinigungen verlassen die erste Reaktionsstufe 30 über den ersten Ausgang 32, siehe Pfeil 64, der mit einem Abfallbehälter (nicht gezeigt) verbunden sein kann.In operation, a sample solution is introduced into the inlet 22 flushed. The sample solution has biomolecules coupled to the magnetic particles in a first buffer solution. Injecting causes a flow of the sample solution into the first reaction stage 30 causes where the magnetic particles 60 through the rotating permanent magnet 10 radially inwards and thus into the second exit 33 to get distracted. From there, the particle-bound sample becomes the entrance 41 the second reaction stage 40 directed, as by an arrow 62 is indicated. The remainder of the first buffer solution and impurities leave the first reaction stage 30 over the first exit 32 , See arrow 64 which may be connected to a waste container (not shown).

Eine zweite Pufferlösung 24 wird in den zweiten Einlass 24 eingespült, siehe Pfeil 66, so dass sich in der zweiten Reaktionsstufe 40 eine Laminarströmung der über den ersten Eingang 41 einströmenden Suspension mit der partikelgebundenen Probe und der über den zweiten Eingang 42 einströmenden zweiten Pufferlösung ausbildet, wie durch die gestrichelte Linie 68 angedeutet ist. Durch den rotierenden zentralen Permanentmagneten 10 werden die magnetischen Partikel 60 über die Phasengrenze in die zweite Pufferlösung gezogen und in den zweiten Ausgang 44 gelenkt. Die partikelgebundene Probe verlässt somit die zweite Reaktionsstufe 40 in der zweiten Pufferlösung über den zweiten Ausgang 44. Die erste Pufferlösung sowie mögliche Verunreinigungen verlassen die zweite Reaktionsstufe über den ersten Ausgang 43, wie durch einen Pfeil 70 in 1 angedeutet ist.A second buffer solution 24 gets into the second inlet 24 washed in, see arrow 66 , so that in the second reaction stage 40 a laminar flow over the first inlet 41 inflowing suspension with the particulate bound sample and via the second inlet 42 inflowing second buffer solution, as shown by the dashed line 68 is indicated. By the rotating central permanent magnet 10 become the magnetic particles 60 pulled across the phase boundary in the second buffer solution and in the second output 44 directed. The particle-bound sample thus leaves the second reaction stage 40 in the second buffer solution via the second outlet 44 , The first buffer solution as well as possible impurities leave the second reaction stage via the first outlet 43 as if by an arrow 70 in 1 is indicated.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass an der Phasengrenze zwischen den zwei Pufferlösungen ein geringfügiges Mischen durch Diffusion stattfinden kann. It should be noted at this point that slight diffusion mixing may occur at the phase boundary between the two buffer solutions.

Die partikelgebundene Probe in der zweiten Pufferlösung strömt entlang des Mikrokanals, der den zweiten Ausgang 44 der zweiten Reaktionsstufe mit dem ersten Eingang 51 der dritten Reaktionsstufe verbindet. In den dritten Einlass 26 wird eine dritte Pufferlösung eingespült, und in den vierten Einlass 28 wird eine vierte Pufferlösung eingespült, so dass die Strömung der partikelgebundenen Probe in der zweiten Pufferlösung zwischen der Strömung der dritten Pufferlösung und der vierten Pufferlösung ist. Die zweite Pufferlösung kann Ethanol aufweisen, das sich aufgrund der hygroskopischen Eigenschaften des Ethanol, schnell mit der dritten und vierten Pufferlösung vermischen kann und es kann sich wieder eine Laminarströmung ausbilden, wie durch eine gestrichelte Linie 82 angedeutet ist. Die vierte Pufferlösung, die von der bezüglich der dritten Pufferlösung gegenüberliegenden Seite eingespült wird, dient dazu, Ethanol aus der zweiten Pufferlösung aufzunehmen und somit die Ethanolkonzentration im Eluat, das die dritte Reaktionsstufe 50 über den zweiten Ausgang 55 desselben verlässt, zu verringern. In der dritten Reaktionsstufe 50 bewirkt wiederum die Rotation des Permanentmagneten 10, dass die magnetischen Partikel aus der zweiten Pufferlösung in ein Pufferlösungsgemisch, das die dritte Pufferlösung aufweist, gebracht und in den zweiten Ausgang 55 der dritten Reaktionsstufe 50 gelenkt wird. Der Ausgang 55 ist mit einem Mikrokanal 80 fluidisch gekoppelt, über den die gereinigte Probe an den magnetischen Partikeln einer weiterführenden Echtzeitanalyse zugeführt werden kann.The particulate bound sample in the second buffer solution flows along the microchannel, which is the second exit 44 the second reaction stage with the first input 51 the third reaction stage connects. In the third inlet 26 a third buffer solution is flushed in and into the fourth inlet 28 a fourth buffer solution is purged so that the flow of the particle-bound sample in the second buffer solution is between the flow of the third buffer solution and the fourth buffer solution. The second buffer solution may include ethanol which, due to the hygroscopic properties of the ethanol, may rapidly mix with the third and fourth buffer solutions and may again form a laminar flow, such as a dashed line 82 is indicated. The fourth buffer solution, which is flushed in from the side opposite the third buffer solution, serves to take up ethanol from the second buffer solution and thus the ethanol concentration in the eluate, which is the third reaction stage 50 over the second exit 55 of the same leaves, decrease. In the third reaction stage 50 in turn causes the rotation of the permanent magnet 10 in that the magnetic particles from the second buffer solution are brought into a buffer solution mixture comprising the third buffer solution and into the second exit 55 the third reaction stage 50 is steered. The exit 55 is with a microchannel 80 fluidly coupled, via which the purified sample can be supplied to the magnetic particles of a further real-time analysis.

Die zweite Pufferlösung und die vierte Pufferlösung können die dritte Reaktionsstufe 50 über den zweiten Ausgang 54 verlassen, wie durch einen Pfeil 84 angedeutet ist.The second buffer solution and the fourth buffer solution may be the third reaction stage 50 over the second exit 54 leave as if by an arrow 84 is indicated.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird somit eine Steuerung der Position der magnetischen Partikel an einer Mehrzahl von Abschnitten der Kanalstruktur 20, die radial entlang eines Rotationsweges des rotierenden Magneten 10 verteilt sind, erreicht. Mit anderen Worten wird die Position der magnetischen Partikel in jeder der ersten, zweiten und dritten Reaktionsstufe durch den einzelnen rotierenden Permanentmagneten 10 gesteuert.Thus, in the illustrated embodiment, control of the position of the magnetic particles at a plurality of portions of the channel structure 20 radially along a rotation path of the rotating magnet 10 distributed. In other words, the position of the magnetic particles in each of the first, second, and third reaction stages becomes the single rotating permanent magnet 10 controlled.

Die ersten Ausgänge 32, 43 und 54 der ersten, zweiten und dritten Reaktionsstufe können über jeweilige Kanäle bzw. Mikrokanäle, die in 1 angedeutet sind, mit einem Abfallbehälter oder mehreren Abfallbehältern fluidisch gekoppelt sein.The first exits 32 . 43 and 54 The first, second and third reaction stages may be connected via respective channels or microchannels, which may be in 1 are indicated to be fluidly coupled to a waste container or more waste containers.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist für jede benötigte Pufferlösung ein separater Einlass vorgesehen, wobei die Reaktionsstufen so ausgebildet sein können, dass sich Laminarströmungen ausbilden, damit sich die einzelnen Pufferlösungen nicht bzw. nur in einem definierten und sehr geringen Umfang mischen. Über die Phasengrenze dieser Laminarströmung können dann die magnetischen Partikel mittels Magnetophorese durch das zeitlich variierende Magnetfeld, das durch den rotierenden Permanentmagneten 10 erzeugt wird, gezogen werden. Auf diese Weise können die magnetischen Partikel jeweils in die optimale Umgebung für die jeweils auszuführenden Schritte gebracht werden, nämlich beispielsweise Binden der Biomoleküle, Entfernen von Verunreinigungen und/oder Lösen der Biomoleküle von den magnetischen Partikeln.In the described embodiment, a separate inlet is provided for each required buffer solution, wherein the reaction stages may be formed so that laminar flows form, so that the individual buffer solutions do not mix or only in a defined and very small extent. About the phase boundary of this laminar flow can then be the magnetic particles by means of magnetophoresis by the time-varying magnetic field by the rotating permanent magnet 10 is generated, pulled. In this way, the magnetic particles can each be brought into the optimum environment for the respective steps to be carried out, namely for example binding of the biomolecules, removal of impurities and / or release of the biomolecules from the magnetic particles.

Der rotierende Permanentmagnet erzeugt einen regelmäßigen Wechsel von starkem und schwachem Magnetfeld an den Orten der magnetischen Partikel, so dass diese einerseits durch die starken Felder effektiv über die Phasengrenze bewegt werden können und andererseits aufgrund der schwachen Felder nicht im Kanal immobilisiert werden. Somit ist eine exakte Abstimmung des Magnetfeldes auf ein solches, bei dem die magnetischen Partikel nicht an der Wand des Mikrokanals immobilisiert werden, jedoch noch ausreichend abgelenkt werden, um über die Phasengrenze in die nächste Puffer-Lösung überführt zu werden, nicht erforderlich, da durch den rotierenden Permanentmagneten ein zeitlich veränderliches Magnetfeld angelegt wird.The rotating permanent magnet generates a regular change of strong and weak magnetic field at the locations of the magnetic particles, so that they can be effectively moved on the one hand by the strong fields over the phase boundary and on the other hand are not immobilized in the channel due to the weak fields. Thus, an exact vote of the magnetic field to one in which the magnetic particles are not immobilized on the wall of the microchannel, but still be deflected sufficiently to be transferred over the phase boundary in the next buffer solution, not required because of the rotating permanent magnet is applied a time-varying magnetic field.

Zur Erzeugung des periodisch variierenden Magnetfeldes kann beispielsweise ein rotierender NdFeB-Permanentmagnet eingesetzt werden, der mittels eines Schrittmotors in eine gleichmäßige Rotation versetzt wird. Dadurch kann sich das Magnetfeld in den Mikrokanälen periodisch verändern, was die eingespülten magnetischen Partikel einerseits während der Phasen starker Felder zur Kanalwand zieht und andererseits die magnetischen Partikel während phasenschwacher Felder nicht an der Wand immobilisiert. Die Strömung der verschiedenen Flüssigkeiten, beispielsweise Pufferlösungen, durch die Mikrokanäle kann durch entsprechendes Pumpen der Flüssigkeiten in die jeweiligen Einlässe erreicht werden.To generate the periodically varying magnetic field, for example, a rotating NdFeB permanent magnet can be used, which is set in a uniform rotation by means of a stepping motor. As a result, the magnetic field in the microchannels can change periodically, which on the one hand draws the purged magnetic particles to the channel wall during the phases of strong fields and, on the other hand, does not immobilize the magnetic particles on the wall during phase-weak fields. The flow of the various liquids, for example buffer solutions, through the microchannels can be achieved by appropriately pumping the liquids into the respective inlets.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann ein Rotationskörper gesamt als Permanentmagnet ausgebildet sein. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann ein Rotationskörper magnetische Abschnitte und nicht magnetische Abschnitte aufweisen. Beispielsweise kann ein länglicher Rotationskörper an einem Ende oder beiden Enden desselben Permanentmagneten aufweisen. Wiederum alternativ könnte ein rotationssymmetrischer Rotationskörper vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer Scheibe, der sektionsweise magnetische Abschnitte aufweist, um ein zeitlich variierendes Magnetfeld in Fluidikstrukturen, in denen magnetische Partikel gesteuert werden sollen, zu erzeugen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen könnte das Magnetkraftelement einen oder mehrere rotierende Elektromagneten aufweisen.In embodiments of the invention, a rotating body may be formed entirely as a permanent magnet. In alternative embodiments, a rotating body may include magnetic portions and non-magnetic portions. For example, an elongated body of revolution at one or both ends of the same permanent magnet. Again, alternatively, a rotationally symmetrical rotation body could be provided, for example in the form of a A disc having portion-wise magnetic portions for generating a time-varying magnetic field in fluidic structures in which magnetic particles are to be controlled. In alternative embodiments, the magnetic force element could include one or more rotating electromagnets.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein Mikrofluidiksystem sein, bei dem ein DNA-Extraktions-Assay auf einem Polymerchip als ein Lab-on-a-Chip-System umgesetzt ist. Als Pufferlösungen können dabei solche eines handelsüblichen DNA-Extraktions-Kits verwendet werden, wobei zur Durchführung dieses Assays drei Reaktionsstufen sowie zumindest drei unterschiedliche Puffer-Lösungen erforderlich sind, wie dies beispielsweise Bezug nehmend auf 1 beschrieben wurde.An exemplary embodiment of a device according to the invention may be a microfluidic system in which a DNA extraction assay is implemented on a polymer chip as a lab-on-a-chip system. As buffer solutions, it is possible to use those of a commercially available DNA extraction kit, three reaction stages and at least three different buffer solutions being required for carrying out this assay, as is the case for example with reference to FIG 1 has been described.

Eine beispielhafte Implementierung, bei der entsprechende Kanalstrukturen durch eine Mikrofräse in Polycarbonat gefräst wurden, ist in 2 gezeigt. Die in 2 gezeigten Strukturen liefern im Wesentlichen die gleiche Funktionalität, wie sie oben Bezug nehmend auf 1 beschrieben wurde. Wie in 2 gezeigt sind, sind Mikrokanäle der Kanalstruktur des gezeigten Mikrofluidiksystems kreisförmig um ein zentrales Magnetkraftelement, bei dem es sich wiederum um einen rotierenden Permanentmagneten 10 handelt, angeordnet. Der rotierende Permanentmagnet 10 lenkt die magnetischen Partikel jeweils zum Zentrum hin ab, um die Position derselben in der Kanalstruktur zu steuern.An exemplary implementation in which corresponding channel structures have been milled by a microfiller into polycarbonate is in FIG 2 shown. In the 2 shown structures provide substantially the same functionality as described above 1 has been described. As in 2 are microchannels of the channel structure of the microfluidic system shown circular around a central magnetic force element, which in turn is a rotating permanent magnet 10 acts arranged. The rotating permanent magnet 10 deflects the magnetic particles toward the center, respectively, to control their position in the channel structure.

Über einen Mikrokanal 102 werden die Probe, magnetische Partikel, Lyse und ein Bindepuffer, der eine erste Pufferlösung darstellt, zugeführt, wie durch einen Pfeil 100 angedeutet ist. In einer ersten Reaktionsstufe werden die magnetischen Partikel durch die Wirkung des Permanentmagneten 10 aufkonzentriert und in einen Kanal 108 abgelenkt, während der Rest des Bindepuffers sowie Verunreinigungen in einen Abfallkanal 110 fließen. Die magnetischen Partikel sind in den 3a und 3b, die Vergrößerungen der Abschnitte X und Y in 2 darstellen, schematisch schraffiert dargestellt und mit dem Bezugszeichen 60 bezeichnet.Via a microchannel 102 For example, the sample, magnetic particles, lysis and a binding buffer which is a first buffer solution are supplied as indicated by an arrow 100 is indicated. In a first reaction stage, the magnetic particles become due to the action of the permanent magnet 10 concentrated and into a channel 108 distracted while the rest of the binding buffer as well as impurities in a waste channel 110 flow. The magnetic particles are in the 3a and 3b , the magnifications of sections X and Y in 2 represent, shown schematically hatched and with the reference numeral 60 designated.

Ein Waschpuffer, der eine zweite Pufferlösung darstellt, wird über einen Mikrokanal 106 zugeführt, wie durch einen Pfeil 104 angedeutet ist. An einer Mündungsstelle 112 münden die Kanäle 108 und 106 in einen Kanal 114, wobei die über die Kanäle 106 und 108 zugeführten Puffer eine Laminarströmung in dem Kanal 114 bilden. Durch die Wirkung des zeitlich variierenden Magnetfelds, das durch die rotierenden Permanentmagneten erzeugt wird, werden die magnetischen Partikel zusammen mit der an denselben haftenden Probe über die Phasengrenze zwischen dem Bindepuffer und dem Waschpuffer in den Waschpuffer gezogen. Der Kanal 114 verzweigt sich dann wiederum in einen Abfallkanal 116 und einen Probenkanal 118, in den die magnetischen Partikel aufgrund des zeitlich variierenden Magnetfelds abgelenkt werden. Die Überführung der magnetischen Partikel und somit auch der Probe zu der zweiten Reaktionsstufe erfolgt somit mit einer minimalen Menge der ersten Pufferlösung, die mit der zweiten Pufferlösung noch vor der zweiten Reaktionsstufe eine Laminarströmung ausbildet.A wash buffer, which is a second buffer solution, is passed through a microchannel 106 fed, as by an arrow 104 is indicated. At an estuary 112 the canals open 108 and 106 into a canal 114 where the over the channels 106 and 108 supplied buffer laminar flow in the channel 114 form. By virtue of the time-varying magnetic field generated by the rotating permanent magnets, the magnetic particles, together with the sample adhering to them, are drawn across the phase boundary between the binding buffer and the wash buffer into the wash buffer. The channel 114 then branches again into a waste channel 116 and a sample channel 118 in which the magnetic particles are deflected due to the time-varying magnetic field. The transfer of the magnetic particles and thus also the sample to the second reaction stage thus takes place with a minimal amount of the first buffer solution, which forms a laminar flow with the second buffer solution before the second reaction stage.

Wie beschrieben wurde, werden in der zweiten Reaktionsstufe die magnetischen Partikel wieder in den Kanal 118 abgelenkt und aufkonzentriert. In dem Kanal 118 gelangen die magnetischen Partikel in die dritte Reaktionsstufe, wie durch einen Pfeil 120 in 3b angedeutet ist. In der dritten Reaktionsstufe werden wiederum sowohl eine dritte Pufferlösung über einen Mikrokanal 122 als auch eine vierte Pufferlösung über einen Mikrokanal 124 zugeführt, die durch Pfeile 123 und 125 in den 2 und 3b angedeutet ist. Die dritten und vierten Pufferlösungen werden wiederum von entgegengesetzten Seiten zugegeben. Das im Waschpuffer enthaltene Ethanol mischt sich schnell mit diesen beiden Puffern und es bildet sich eine Laminarströmung aus. Durch das Mischen des Ethanol mit der vierten Pufferlösung verringert sich die Ethanolkonzentration auf der Seite der dritten Pufferlösung, so dass nachfolgend eine Echtzeit-PCR-Analyse des Eluats, das die dritte Reaktionsstufe über einen Mikrokanal 130 verlässt, erfolgen kann. Der dritte Puffer stellt dabei einen Elutionspuffer dar, während der vierte Puffer einen Verdünnungspuffer darstellt. Die magnetischen Partikel werden durch das zeitlich variierende Magnetfeld, das durch den rotierenden Permanentmagneten 10 erzeugt wird, in der dritten Reaktionsstufe aus der zweiten Pufferlösung über die Phasengrenze in die vierte Pufferlösung gezogen und in den Mikrokanal 130 gelenkt. Die restlichen Pufferlösungen verlassen die dritte Reaktionsstufe über einen Mikrokanal 132 beispielsweise in ein Abfallbehältnis.As has been described, in the second reaction stage, the magnetic particles re-enter the channel 118 distracted and concentrated. In the channel 118 the magnetic particles enter the third reaction stage, as indicated by an arrow 120 in 3b is indicated. In the third reaction stage, in turn, both a third buffer solution via a microchannel 122 as well as a fourth buffer solution via a microchannel 124 fed by arrows 123 and 125 in the 2 and 3b is indicated. The third and fourth buffer solutions are again added from opposite sides. The ethanol contained in the washing buffer mixes quickly with these two buffers and it forms a laminar flow. By mixing the ethanol with the fourth buffer solution, the ethanol concentration on the side of the third buffer solution decreases, so that subsequently, a real-time PCR analysis of the eluate containing the third reaction stage via a microchannel 130 leaves, can take place. The third buffer represents an elution buffer, while the fourth buffer represents a dilution buffer. The magnetic particles are generated by the time-varying magnetic field generated by the rotating permanent magnet 10 is generated, drawn in the third reaction stage from the second buffer solution across the phase boundary in the fourth buffer solution and into the microchannel 130 directed. The remaining buffer solutions leave the third reaction stage via a microchannel 132 for example, in a waste container.

Unter Verwendung eines Mikrofluidiksystems, wie es Bezug nehmend auf die 2, 3a und 3b beschrieben wurde, wurde erfolgreich eine Extraktion genomischer E. coli DNA durchgeführt. Hierzu wurde die DNA mit einem handelsüblichen DNA-Extraktions-Kit aus E. coli DH5αZ1 unter Verwendung des dargestellten Mikrofluidiksystems aufgereinigt. Die Pufferlösungen des Kits wurden der Reihenfolge des Protokolls nach durch die einzelnen Einlässe in das Mikrofluidiksystem kontinuierlich mit einer Flussrate von 2 μl/s injiziert. Als Magnetkraftelement wurde ein NdFeB-Permanentmagnet unterhalb des Mikrofluidiksystems positioniert und mit einem Schrittmotor in Rotation mit einer Frequenz von einem Hertz versetzt. Das Eluat wurde gesammelt und anschließend außerhalb des Mikrofluidiksystems erfolgreich mittels einer Echtzeit-PCR analysiert. Die Analyse zeigte, dass PCR-Inhibitoren ausreichend verdünnt bzw. komplett aus dem Eluat entfernt wurden.Using a microfluidic system, as referenced in U.S. Pat 2 . 3a and 3b was described, an extraction of genomic E. coli DNA was successfully performed. For this purpose, the DNA was purified with a commercial DNA extraction kit from E. coli DH5αZ1 using the microfluidic system shown. Kit buffer solutions were injected sequentially through the individual inlets into the microfluidic system at a flow rate of 2 μl / s in order of protocol. As a magnetic force element, an NdFeB permanent magnet was positioned below the microfluidic system and rotated by a stepping motor at a frequency of one hertz. The eluate was collected and subsequently analyzed successfully outside the microfluidic system using real-time PCR. The Analysis showed that PCR inhibitors were sufficiently diluted or completely removed from the eluate.

Zur Herstellung der Kanalstruktur eignen sich alle Verfahren, die es erlauben, Kanäle bzw. Mikrokanäle zu formen, wie z. B. Fräsen, Prägen, Spritzguss, Tiefziehen und/oder Ätzen. Geeignete Materialien können zur Herstellung verwendet werden, wie z. B. Polycarbonate, Polymere, Kunststoffe, Keramiken, Halbleitermaterialien, Gläser, Metalle und dergleichen. Die in dem Trägerkörper geformten Mikrokanäle können anschließend verschlossen, d. h. gedeckelt, werden. Auch hier stehen unterschiedlichste Möglichkeiten zur Verfügung, wie z. B. Lösungsmittelbonden, thermisches Bonden, Klebeverbindungen oder das Aufkleben einer selbstklebenden Klebefolie. Der Vorteil derartiger Methoden liegt in dem Potential, Mikrofluidiksysteme, beispielsweise in der Form von Chips, als kostengünstige Einmalartikel in hohen Stückzahlen fertigen zu können.For the production of the channel structure, all methods that allow to form channels or micro channels, such as. As milling, embossing, injection molding, deep drawing and / or etching. Suitable materials can be used for the preparation, such as. As polycarbonates, polymers, plastics, ceramics, semiconductor materials, glasses, metals and the like. The microchannels formed in the carrier body can then be closed, i. H. be capped. Again, there are a variety of options available, such. As solvent bonding, thermal bonding, adhesive bonds or sticking a self-adhesive film. The advantage of such methods lies in the potential to be able to manufacture microfluidic systems, for example in the form of chips, as cost-effective disposable items in large numbers.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Position magnetischer Partikel in Pufferlösungsströmungen zwischen zwei Platten gesteuert wird, ist in den 4a und 4b gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Kanalstruktur 201 durch zwei Platten 201 und 202 definiert, die mit einem Abstand zwischen denselben aneinander befestigt sind, wie in 4b zu erkennen ist. Zwischen den beiden Platten 201 und 202 existiert somit ein Fluidbereich, der nach innen geschlossen sein kann und äußere Auslässe aufweisen kann. In der oberen Platte 201 sind vier Einlässe für vier verschiedene Flüssigkeiten vorgesehen, von denen zwei in 4b mit den Bezugszeichen 206 und 208 versehen sind. Flüssigkeiten, wie z. B. Pufferlösungen, können in die Einlässe injiziert werden, so dass sich laminare Flüsse nach außen zu den äußeren Auslässen, von denen zwei in 4b mit den Bezugszeichen 207 und 209 bezeichnet sind, ergeben, wie durch Pfeile 210 angedeutet ist. Vier unterschiedliche Flüssigkeiten bzw. Pufferlösungen P1, P2, P3, P4 sind in 4a dargestellt.An alternative embodiment of the invention in which the position of magnetic particles in buffer solution flows between two plates is controlled is shown in FIGS 4a and 4b shown. In this embodiment, a channel structure 201 through two plates 201 and 202 defined, which are secured together with a distance between them, as in 4b can be seen. Between the two plates 201 and 202 Thus, there is a fluid region which may be closed inwardly and may have external outlets. In the upper plate 201 There are four inlets for four different liquids, two of which are in 4b with the reference numerals 206 and 208 are provided. Liquids, such. For example, buffer solutions can be injected into the inlets so that laminar flows out to the outer outlets, two of which are in 4b with the reference numerals 207 and 209 are indicated, as indicated by arrows 210 is indicated. Four different liquids or buffer solutions P1, P2, P3, P4 are in 4a shown.

Beispielsweise kann eine der Flüssigkeiten eine Suspension mit einer Pufferlösung und magnetischen Partikeln 60 sein, die in einen der Einlässe eingebracht wird. Ein rotierbares Magnetkraftelement 212 ist vorgesehen, beispielsweise in Form einer Scheibe 214, an deren äußeren Enden ein oder mehrere Permanentmagneten 216 angeordnet sind. Das Magnetkraftelement rotiert unterhalb der Kanalstruktur, so dass die Kanalstruktur mit einem zeitlich variierenden Magnetfeld beaufschlagt wird, um die Position der magnetischen Partikel 60 in der Kanalstruktur 200 zu steuern. Dadurch können die magnetischen Partikel beispielsweise nacheinander durch die vier Pufferlösungen bewegt werden, wie durch einen Pfeil 218 in 4a angedeutet ist.For example, one of the liquids may be a suspension with a buffer solution and magnetic particles 60 be inserted in one of the inlets. A rotatable magnetic force element 212 is provided, for example in the form of a disc 214 , at the outer ends of which one or more permanent magnets 216 are arranged. The magnetic force element rotates below the channel structure, so that the channel structure is subjected to a time-varying magnetic field to the position of the magnetic particles 60 in the canal structure 200 to control. As a result, the magnetic particles can be sequentially moved through the four buffer solutions, such as an arrow 218 in 4a is indicated.

Gemäß den 4a und 4b fließen somit Strömungen zwischen zwei parallelen Platten, wobei die magnetischen Partikel durch ein Magnetfeld senkrecht zu den Strömungen geführt werden.According to the 4a and 4b Thus, flows flow between two parallel plates, wherein the magnetic particles are guided by a magnetic field perpendicular to the currents.

Alternativ können die Ströme auch zwischen zwei Zylindermänteln fließen, wie in den 5a und 5b dargestellt ist. Eine Kanalstruktur 250 ist durch einen inneren Zylindermantel 251 und einen äußeren Zylindermantel 252 gebildet. Vier Einlässe, von denen zwei in 5b mit den Bezugszeichen 254 und 256 bezeichnet sind, sind vorgesehen, durch die vier Pufferlösungen P1 bis P4 in die Kanalstruktur 250 eingebracht werden können, so dass sich in der Kanalstruktur vier laminare Ströme (angedeutet durch Pfeile 262) von den Einlässen 254, 256 zu Auslässen, von denen zwei mit den Bezugszeichen 258 und 260 bezeichnet sind, ergeben. Mit einer der Pufferlösungen können magnetische Partikel 60 in die Kanalstruktur eingebracht werden, die sich mit den laminaren Strömen durch die Kanalstruktur bewegen können. Die Position der magnetischen Partikel kann durch zumindest ein rotierbares Magnetkraftelement, das innerhalb des inneren Zylindermantels 251 angeordnet ist, gesteuert werden, so dass die magnetischen Partikel wiederum durch mehrere der Pufferlösungen bewegt werden können. Alternativ oder zusätzlich können ein oder mehrere äußere Magnetkraftelemente 272, 274 vorgesehen sein, die um den äußeren Zylindermantel 252 bewegt werden können, wie durch Pfeile 276 angedeutet ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel können die magnetischen Partikel senkrecht zu den Strömungen geführt werden, wie durch einen Pfeil 278 angedeutet ist.Alternatively, the streams may also flow between two cylinder jackets, as in FIGS 5a and 5b is shown. A channel structure 250 is through an inner cylinder jacket 251 and an outer cylinder jacket 252 educated. Four inlets, two of which are in 5b with the reference numerals 254 and 256 are designated are provided by the four buffer solutions P1 to P4 in the channel structure 250 can be introduced so that in the channel structure four laminar streams (indicated by arrows 262 ) from the inlets 254 . 256 to outlets, two of which are denoted by the reference numerals 258 and 260 are designated result. With one of the buffer solutions can magnetic particles 60 be introduced into the channel structure, which can move with the laminar flows through the channel structure. The position of the magnetic particles may be defined by at least one rotatable magnetic force element within the inner cylinder shell 251 is arranged to be controlled, so that the magnetic particles in turn can be moved through more of the buffer solutions. Alternatively or additionally, one or more outer magnetic force elements 272 . 274 be provided, which is around the outer cylinder jacket 252 can be moved, as by arrows 276 is indicated. Also in this embodiment, the magnetic particles can be guided perpendicular to the flows, as by an arrow 278 is indicated.

Bei den Bezug nehmend auf die 4a, 4b, 5a und 5b beschriebenen Ausführungsbeispielen werden die magnetischen Partikel durch das zeitlich variierende Magnetfeld radial geführt.With reference to the 4a . 4b . 5a and 5b described embodiments, the magnetic particles are guided radially by the time varying magnetic field.

Die 6a und 6b zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Mehrzahl von Magnetkraftelementen 300, die auf einem Förderband 302 angeordnet ist, translatorisch relativ zu einer Kanalstruktur 302 bewegbar ist, um ein zeitlich variierendes Magnetfeld in der Kanalstruktur zu bewirken. Zu diesem Zweck ist die Mehrzahl von Magnetkraftelementen auf einem Förderband 304 angeordnet, das über zwei Achsen 304 und 306 läuft, von denen zumindest eine antreibbar sein kann, um das Förderband 304 mit den Magnetkraftelementen 300 entlang einer Kanalstruktur 310 zu bewegen, wie durch einen Pfeil 312 angedeutet ist. Eine identische Struktur mit Magnetkraftelementen 300', einem Förderband 304' und Achsen 306' und 308' ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel unterhalb der Kanalstruktur 302 vorgesehen. Alternativ könnte nur eine der Strukturen vorgesehen sein.The 6a and 6b show an embodiment in which a plurality of magnetic force elements 300 on a conveyor belt 302 is arranged, translational relative to a channel structure 302 is movable to cause a time-varying magnetic field in the channel structure. For this purpose, the plurality of magnetic force elements on a conveyor belt 304 arranged, over two axes 304 and 306 running, of which at least one can be driven to the conveyor belt 304 with the magnetic force elements 300 along a canal structure 310 to move, as by an arrow 312 is indicated. An identical structure with magnetic force elements 300 ' , a conveyor belt 304 ' and axes 306 ' and 308 ' is below the channel structure in the embodiment shown 302 intended. Alternatively, only one of the structures could be provided.

Die Kanalstruktur 302 weist einen Einlass 320 und einen Auslass 322 auf. Unterschiedliche Pufferlösungen können in verschiedene Bereiche der Kanalstruktur 302 eingebracht werden. Zu diesem Zweck sind vier Einlasskanäle 324, 326, 328 und 330 vorgesehen, die sich in jeweilige Einlassteilkanäle mit geringeren Flussquerschnitten verzweigen. Die Einlassteilkanäle münden dann in verschiedene Bereiche der Kanalstruktur. Gegenüber den Einlassteilkanälen münden Auslassteilkanäle in die Kanalstruktur 302. Die Auslassteilkanäle vereinigen sich, wie in 6a gezeigt ist, zu Auslasskanälen 332, 334, 336 und 338. The channel structure 302 has an inlet 320 and an outlet 322 on. Different buffer solutions can move to different areas of the channel structure 302 be introduced. There are four inlet channels for this purpose 324 . 326 . 328 and 330 provided, which branch into respective Einlasssteilkanäle with smaller flow cross-sections. The Einlasssteilkanäle then open into different areas of the channel structure. In contrast to the inlet part channels, outlet part channels open into the channel structure 302 , The outlet part channels unite, as in 6a is shown, to exhaust ducts 332 . 334 . 336 and 338 ,

Über die Einlasskanäle werden unterschiedliche Pufferlösungen eingebracht, wie durch Pfeile 340 angedeutet ist. Über die Auslasskanäle werden die Pufferlösungen ausgebracht, wie durch Pfeile 342 angedeutet ist. Durch diese Einlass- und Auslass-Kanalstrukturen bilden sich Laminarströme der jeweiligen Pufferlösungen in den verschiedenen Bereichen der Kanalstruktur 302 von den Einlassteilkanälen zu den Auslassteilkanälen.Different buffer solutions are introduced via the inlet channels, as indicated by arrows 340 is indicated. The buffer solutions are applied via the outlet channels, as indicated by arrows 342 is indicated. Through these inlet and outlet channel structures, laminar flows of the respective buffer solutions form in the different regions of the channel structure 302 from the inlet part passages to the outlet part passages.

Über den Einlass 320 kann eine Suspension, die eine Pufferlösung und magnetische Partikel 60 aufweist, in die Kanalstruktur eingebracht werden, wie durch einen Pfeil 344 angedeutet ist. Durch die Bewegung der Magnetkraftelemente 300 und 300' relativ zu der Kanalstruktur 302 können bei diesem Ausführungsbeispiel die magnetischen Partikel 60 definiert von links nach rechts bewegt werden und somit nacheinander den verschiedenen Pufferlösungen ausgesetzt werden.About the inlet 320 can be a suspension containing a buffer solution and magnetic particles 60 has to be introduced into the channel structure, as indicated by an arrow 344 is indicated. By the movement of the magnetic force elements 300 and 300 ' relative to the channel structure 302 In this embodiment, the magnetic particles 60 defined to be moved from left to right and thus be exposed sequentially to the various buffer solutions.

7 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels. Eine Kanalstruktur 400 weist Einlässe 402, 404, 406, 408, 410, 412 und 414 und Auslässe 416, 418, 420 und 422 auf. Die Kanalstruktur 400 weist ferner einen ersten Kanal 424, einen zweiten Kanal 426, einen dritten Kanal 428 und einen vierten Kanal 430 auf. Der erste Kanal 424 und der zweite Kanal 426 sind über einen ersten Verbindungskanal 432 verbunden, der zweite Kanal 426 und der dritte Kanal 428 sind über einen zweiten Verbindungskanal 434 verbunden, und der dritte Kanal 428 und der vierte Kanal 430 sind über einen vierten Verbindungskanal 436 verbunden. Die Verbindungskanäle 432, 434 und 436 sind, wie dargestellt ist, versetzt zueinander angeordnet. Ein Magnetkraftelement und eine Einrichtung zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem Magnetkraftelement und der Kanalstruktur 400 sind vorgesehen, um eine Relativbewegung, wie sie durch einen Pfeil 440 in 7 dargestellt ist, zu erzeugen. Das Magnetkraftelement und die Einrichtung zum Erzeugen einer Relativbewegung sind in 7 der Einfachheit halber nicht dargestellt. 7 shows a schematic representation for explaining a further embodiment. A channel structure 400 has inlets 402 . 404 . 406 . 408 . 410 . 412 and 414 and outlets 416 . 418 . 420 and 422 on. The channel structure 400 also has a first channel 424 , a second channel 426 , a third channel 428 and a fourth channel 430 on. The first channel 424 and the second channel 426 are via a first connection channel 432 connected, the second channel 426 and the third channel 428 are via a second connection channel 434 connected, and the third channel 428 and the fourth channel 430 are via a fourth connection channel 436 connected. The connection channels 432 . 434 and 436 are, as shown, offset from one another. A magnetic force element and means for generating a relative movement between the magnetic force element and the channel structure 400 are intended to make a relative movement, as indicated by an arrow 440 in 7 is shown to produce. The magnetic force element and the device for generating a relative movement are in 7 for the sake of simplicity not shown.

Im Betrieb wird über den Einlass 402 eine Probe 450 zugeführt, um eine Strömung 451 in dem Kanal 424 zu bewirken. Über den Einlass 404 wird ein Lyse-Puffer 452 zugeführt. Die Probe strömt entlang des Kanals 424, wobei durch den Lyse-Puffer eine Lyse der Probe erfolgt, die durch eine Heizung 454 unterstützt werden kann. Durch den Einlass 406, der optional ist, kann ein Reinigungspuffer 456 zugeführt werden. Durch den Einlass 408 werden magnetische Partikel 60 und ein Bindepuffer zugeführt, so dass in der lysierten Probe enthaltene Biomoleküle an den magnetischen Partikeln gebunden werden. Die magnetischen Partikel strömen durch den Kanal 424 und werden durch das Magnetfeld, das durch die Relativbewegung 440 erzeugt wird, in den Verbindungskanal 432 abgelenkt. Eluat 490 verlässt den Kanal 424 über den Auslass 416.In operation, over the inlet 402 a sample 450 fed to a flow 451 in the channel 424 to effect. About the inlet 404 becomes a lysis buffer 452 fed. The sample flows along the channel 424 , wherein by the lysis buffer lysis of the sample is carried out by heating 454 can be supported. Through the inlet 406 which is optional, can be a cleaning buffer 456 be supplied. Through the inlet 408 become magnetic particles 60 and a binding buffer so that biomolecules contained in the lysed sample are bound to the magnetic particles. The magnetic particles flow through the channel 424 and are caused by the magnetic field caused by the relative movement 440 is generated in the connection channel 432 distracted. eluate 490 leaves the channel 424 over the outlet 416 ,

In den Einlass 410 wird ein Waschpuffer 460 eingebracht, um eine Strömung 462 in dem Kanal 426 zu bewirken. Durch das erzeugte Magnetfeld gelangen die magnetischen Partikel in den Waschpuffer und werden entgegen der Strömungsrichtung des Waschpuffers entlang des Kanals 426 und in den Verbindungskanal 434 abgelenkt. Abfall verlässt den Kanal 426 über den Auslass 418. Über den Einlass 412 wird ein Trockenpuffer 470 zugeführt, um eine Strömung 472 in dem Kanal 428 zu bewirken. Durch das erzeugte Magnetfeld gelangen die magnetischen Partikel in den Trockenpuffer 470 und werden gegen die Strömungsrichtung des Trockenpuffers entlang des Kanals 428 und in den Verbindungskanal 436 abgelenkt. Abfall 459 verlässt den Kanal 428 über den Auslass 420.In the inlet 410 becomes a wash buffer 460 introduced to a flow 462 in the channel 426 to effect. Due to the generated magnetic field, the magnetic particles enter the wash buffer and are moved counter to the flow direction of the wash buffer along the channel 426 and in the connection channel 434 distracted. Waste leaves the canal 426 over the outlet 418 , About the inlet 412 becomes a dry buffer 470 fed to a flow 472 in the channel 428 to effect. The magnetic field causes the magnetic particles to enter the dry buffer 470 and are against the flow direction of the dry buffer along the channel 428 and in the connection channel 436 distracted. waste 459 leaves the channel 428 over the outlet 420 ,

Ober den Einlass 414 wird ein Eluierungspuffer 480 zugeführt, um eine Strömung 482 in dem Kanal 430 zu bewirken. Durch das erzeugte Magnetfeld gelangen die magnetischen Partikel in den Eluierungspuffer und werden mit der Strömungsrichtung des Eluierungspuffers und in einen Auslasskanal 484 abgelenkt. Abfall 459 verlässt den Kanal 430 über den Auslass 422.Above the inlet 414 becomes an elution buffer 480 fed to a flow 482 in the channel 430 to effect. Due to the generated magnetic field, the magnetic particles enter the elution buffer and become in the flow direction of the elution buffer and in an outlet channel 484 distracted. waste 459 leaves the channel 430 over the outlet 422 ,

Die 8a bis 8c zeigen schematisch, wie bei Ausführungsbeispielen der Erfindung durch eine Relativbewegung zwischen Magnetkraftelement 500 und Kanalstruktur 502 die Position von magnetischen Partikeln 60 in der Kanalstruktur 502 gesteuert werden kann. Das Magnetkraftelement nach einer Drehung ist jeweils mit dem Bezugszeichen 500' bezeichnet, während die Partikel an der dadurch bewirkten Position mit dem Bezugszeichen 60' bezeichnet sind. Die magnetischen Partikel 60 ordnen sich entlang der Magnetfeldlinien, die durch das Magnetkraftelement bewirkt werden, an, wodurch Partikelketten bzw. Partikelstäbchen gebildet werden. Durch eine Rotation des Magnetkraftelements 500 bewegen sich auch die Partikelkette bzw. Partikelstäbchen, wie in den 8a bis 8c gezeigt ist.The 8a to 8c show schematically, as in embodiments of the invention by a relative movement between the magnetic force element 500 and channel structure 502 the position of magnetic particles 60 in the canal structure 502 can be controlled. The magnetic force element after a rotation is denoted by the reference numeral 500 ' designated, while the particles at the position thereby effected by the reference numeral 60 ' are designated. The magnetic particles 60 arrange along the magnetic field lines caused by the magnetic force element, thereby forming particle chains or particle sticks. By a rotation of the magnetic force element 500 also move the particle chain or particle sticks, as in the 8a to 8c is shown.

Wie in 8a gezeigt ist, wandern ohne äußere Strömung in der Kanalstruktur 502 die magnetischen Partikel an der Wand entlang nach links, siehe Pfeil 506, bei einer Rotation des Magnetkraftelements im Uhrzeigersinn. Aufgrund des Verlaufs der Magnetfeldlinien findet ein Kippen der Partikelkette statt, Pfeil 507. As in 8a is shown migrating without external flow in the channel structure 502 the magnetic particles along the wall to the left, see arrow 506 , in a clockwise rotation of the magnetic force element. Due to the course of the magnetic field lines, tilting of the particle chain takes place, arrow 507 ,

Wie in 8b gezeigt ist, wandern ohne äußere Strömung in der Kanalstruktur 502 die magnetischen Partikel an der Wand entlang nach rechts, siehe Pfeile 508, bei einer Rotation des Magnetkraftelements gegen den Uhrzeigersinn. Wiederum findet ein Kippen 509 statt.As in 8b is shown migrating without external flow in the channel structure 502 the magnetic particles along the wall to the right, see arrows 508 during a rotation of the magnetic force element counterclockwise. Again, there is a tilt 509 instead of.

Wie in 8c gezeigt ist, verbleiben bei einer äußeren Strömung nach rechts, Pfeil 510, die magnetischen Partikel an ihrer Position im Kanal bei einer Rotation des Magnetkraftelements 500 im Uhrzeigersinn, wobei lediglich ein Verkippen 511 auftritt. Bei einer äußeren Strömung von links nach rechts würden die magnetischen Partikel bei einer Rotation des Magnetkraftelements gegen den Uhrzeigersinn schnell nach rechts wandern, da sie zusätzlich von der Strömung mitgetragen würden.As in 8c is shown, remain at an outer flow to the right, arrow 510 , the magnetic particles at their position in the channel during rotation of the magnetic force element 500 clockwise, with only a tilt 511 occurs. In the case of an external flow from left to right, the magnetic particles would rapidly move to the right in the case of a rotation of the magnetic force element in the counterclockwise direction, since they would additionally be carried along by the flow.

Die 9a und 9b zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem die Position kleinerer sekundärer superparamagnetischer Partikel 600, die eine Affinität zu Biomolekülen aufweisen, unter Mitwirkung größerer primärer superparamagnetischer Partikel 602, die nicht unbedingt eine Affinität zu Biomolekülen haben müssen, gesteuert wird. Dabei wird durch eine Relativbewegung zwischen einem Magnetkraftelement und einer Kanalstruktur (die beide in 9a und 9b nicht gezeigt sind) eine Bewegung und Magnetisierung des großen superparamagnetischen Partikels bewirkt, durch die wiederum die Position der sekundären Partikel 600, die durch die primären Partikel angezogen werden, gesteuert werden kann.The 9a and 9b show an alternative embodiment in which the position of smaller secondary superparamagnetic particles 600 which have an affinity for biomolecules, involving larger primary superparamagnetic particles 602 which does not necessarily have to have an affinity for biomolecules is controlled. It is characterized by a relative movement between a magnetic force element and a channel structure (both in 9a and 9b not shown) causes a movement and magnetization of the large superparamagnetic particle, which in turn causes the position of the secondary particles 600 which can be attracted by the primary particles can be controlled.

Gemäß 9a bewirkt das Magnetkraftelement eine langsame Bewegung des primären Partikels 602, so dass die sekundären Partikel 600 angezogen werden und keine Suspension der sekundären Partikel vorliegt. Gemäß 9b wird eine schnelle Bewegung, z. B. Drehung 604, des primären Partikels durch das Magnetkraftelement bewirkt, so das eine Suspendierung der sekundären Partikel stattfindet.According to 9a causes the magnetic force element a slow movement of the primary particle 602 so that the secondary particles 600 are attracted and there is no suspension of the secondary particles. According to 9b is a fast movement, z. B. Rotation 604 , causes the primary particle by the magnetic force element, so that takes place a suspension of the secondary particles.

Eine Vorgehensweise, wie bezüglich der 9a und 9b beschrieben wurde, kann vorteilhaft sein, da die kleineren sekundären Partikel eine größere spezifische Oberfläche für die Biomoleküle bieten. Ferner kann ein Vorteil dann erreicht werden, wenn sich kleinere Partikel nicht so gut senkrecht zu einer Strömung führen lassen. Größere Partikel lassen sich leichter senkrecht zu einer Strömung oder sogar gegen eine Strömung führen. Somit können kleinere Partikel unter Mitwirkung größerer Partikel entsprechend transportiert werden, wobei durch eine starke Bewegung der primären Partikel die kleinen Partikel in Suspension gebracht werden können, beispielsweise um besser in Kontakt mit Biomolekülen zu kommen.An approach, as regards the 9a and 9b may be advantageous because the smaller secondary particles provide a larger specific surface area for the biomolecules. Furthermore, an advantage can be achieved if smaller particles can not be guided so well perpendicular to a flow. Larger particles are easier to guide perpendicular to a flow or even against a flow. Thus, smaller particles can be transported in correspondence with larger particles, whereby by a strong movement of the primary particles, the small particles can be brought into suspension, for example in order to come into better contact with biomolecules.

Neben rotierenden Magnetkraftelementen, wie z. B. Permanentmagneten oder Elektromagneten, können somit Ausführungsbeispiele der Erfindung eine Bewegung eines oder mehrerer Magnetkraftelemente unter Verwendung eines Magnetförderbands bewirken. Dies ermöglicht die Realisierung beliebig geformter Trennstrecken. Bei alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung können beliebige Einrichtungen vorgesehen sein, die eine Relativbewegung zwischen einem oder mehreren Magnetkraftelementen und einer Kanalstruktur, entlang oder senkrecht zu der Kanalstruktur, ermöglichen, um diese mit einem zeitlich variierenden Magnetfeld zu beaufschlagen.In addition to rotating magnetic force elements, such. As permanent magnets or electromagnets, embodiments of the invention can thus cause a movement of one or more magnetic force elements using a magnetic conveyor belt. This allows the realization of arbitrarily shaped separation sections. In alternative embodiments of the invention, any means may be provided which allow relative movement between one or more magnetic force elements and a channel structure, along or perpendicular to the channel structure, to impose a time varying magnetic field on them.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wurden oben anhand einer DNA-Extraktion beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, dass die vorliegende Anmeldung auch zur Handhabung bzw. Prozessierung von Biomelekülen in anderen Anwendungsbereichen geeignet ist, wobei eine größere oder geringere Anzahl von Reaktionsstufen, in denen die Position von magnetischen Partikeln in einer Kanalstruktur gesteuert wird, vorgesehen sein können.Embodiments of the present invention have been described above with reference to DNA extraction. However, it will be appreciated that the present application is also useful for handling biomolecules in other applications, wherein a greater or lesser number of reaction stages in which the position of magnetic particles in a channel structure is controlled may be provided.

Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen vorteilhaft einen kontinuierlichen und automatisierten Betrieb eines Mikrofluidiksystems. Bisher gibt es noch kein System, das kontinuierlich Biomoleküle mittels Magnetophorese aufreinigen kann. Weiterhin ermöglichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Vielseitigkeit, da im Gegensatz zu bekannten Systemen Ausführungsbeispiele der Erfindung nicht auf eine spezielle Anwendung beschränkt sein müssen. Durch unterschiedliche Funktionalisierung der magnetischen Partikel lassen sich unterschiedliche Biomoleküle aufreinigen, ohne dass die Struktur verändert werden muss. Ebenso lassen sich unterschiedliche Puffer durch die einzelnen Einlässe injizieren, was mit der entsprechenden Funktionalisierung der magnetischen Partikel die Umsetzung unterschiedlicher Assays ermöglicht.Embodiments of the invention advantageously enable a continuous and automated operation of a microfluidic system. So far, there is no system that can continuously purify biomolecules by means of magnetophoresis. Furthermore, embodiments of the present invention allow versatility since, in contrast to known systems, embodiments of the invention need not be limited to a particular application. By different functionalization of the magnetic particles, different biomolecules can be purified without the structure having to be changed. Likewise, different buffers can be injected through the individual inlets, which allows the implementation of different assays with the corresponding functionalization of the magnetic particles.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können zur kontinuierlichen Aufreinigung von DNA, RNA oder Proteinen verwendet werden. Weiterhin können Immuno- und Zellbasierte Assays und Nachweise durchgeführt werden. Im Grunde lassen sich unter Verwendung der vorliegenden Erfindung alle biologischen Assays verwirklichen, bei denen die Zielsubstanz an magnetische Partikel gebunden oder transferiert werden kann. Hieraus ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, wie z. B. das Überwachen von Wachstum von Zellkulturen in Bioreaktoren, der biologischen Sicherheit von Trinkwasser sowie generell kontinuierliche Kontrollen auf molekularer Ebene.Embodiments of the present invention may be used for the continuous purification of DNA, RNA or proteins. Furthermore, immuno and cell based assays and assays can be performed. In fact, using the present invention, all biological assays can be realized in which the target substance can be bound or transferred to magnetic particles. This results in many applications, such. These include monitoring the growth of cell cultures in bioreactors, the biosafety of drinking water, and generally continuous controls at the molecular level.

Claims (22)

Vorrichtung zur Handhabung von Biomolekülen mittels magnetischer Partikel (60), die eine Affinität zu den Biomolekülen aufweisen, mit folgenden Merkmalen: einer Kanalstruktur (20; 200; 250; 302), die zur Erzeugung einer Mehrphasenströmung ausgelegt ist; zumindest einem Magnetkraftelement (10; 212; 270, 274, 276; 300, 300'), das relativ zu der Kanalstruktur (20; 200; 250; 302) bewegbar ist; und einer Einrichtung (12; 304, 306, 308) zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem zumindest einen Magnetkraftelement und der Kanalstruktur zum Beaufschlagen der Kanalstruktur (20) mit einem zeitlich variierenden Magnetfeld, um eine Position der magnetischen Partikel (60) in zumindest einem Kanalstrukturabschnitt (30, 40, 50) der Kanalstruktur (20) zu steuern und um die magnetischen Partikel über eine Phasengrenze der Mehrphasenströmung zu bewegen.Device for handling biomolecules by means of magnetic particles ( 60 ) which have an affinity for the biomolecules, having the following features: a channel structure ( 20 ; 200 ; 250 ; 302 ) designed to generate a multiphase flow; at least one magnetic force element ( 10 ; 212 ; 270 . 274 . 276 ; 300 . 300 ' ), which is relative to the channel structure ( 20 ; 200 ; 250 ; 302 ) is movable; and a facility ( 12 ; 304 . 306 . 308 ) for generating a relative movement between the at least one magnetic force element and the channel structure for acting on the channel structure ( 20 ) with a time-varying magnetic field to a position of the magnetic particles ( 60 ) in at least one channel structure section ( 30 . 40 . 50 ) of the channel structure ( 20 ) and to move the magnetic particles across a phase boundary of the multiphase flow. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Kanalstruktur eine Mehrzahl von separaten Einlässen zur Erzeugung der Mehrphasenströmung aufweist.The apparatus of claim 1, wherein the channel structure comprises a plurality of separate inlets for generating the multiphase flow. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Magnetkraftelement (10; 212; 270, 274, 276) ein rotierbares Magnetkraftelement zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfelds ist und bei der die Einrichtung zum Erzeugen einer Relativbewegung einen Drehgeber (12) aufweist.Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the magnetic force element ( 10 ; 212 ; 270 . 274 . 276 ) is a rotatable magnetic force element for generating a rotating magnetic field and in which the means for generating a relative movement, a rotary encoder ( 12 ) having. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Kanalstruktur (20) eine Mehrzahl von Kanalstrukturabschnitten (30, 40, 50) aufweist, die radial entlang eines Rotationswegs des rotierbaren Magnetkraftelements (10) verteilt sind, um die Position der magnetischen Partikel (60) in der Mehrzahl von Kanalstrukturabschnitten (30, 40, 50) zu steuern.Apparatus according to claim 3, wherein the channel structure ( 20 ) a plurality of channel structure sections ( 30 . 40 . 50 ) which extends radially along a rotational path of the rotatable magnetic force element ( 10 ) are distributed to the position of the magnetic particles ( 60 ) in the plurality of channel structure sections ( 30 . 40 . 50 ) to control. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die eine Mehrzahl von Magnetkraftelementen (300; 300') aufweist, wobei die Einrichtung zum Erzeugen einer Relativbewegung ein Förderband (304), das über Achsen (306, 308) bewegbar ist, aufweist, an dem die Mehrzahl von Magnetkraftelementen angebracht ist.Device according to claim 1 or 2, comprising a plurality of magnetic force elements ( 300 ; 300 ' ), wherein the means for generating a relative movement a conveyor belt ( 304 ), which has axes ( 306 . 308 ), on which the plurality of magnetic force elements is mounted. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das zumindest eine Magnetkraftelement einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten aufweist.Device according to one of claims 1 to 5, wherein the at least one magnetic force element comprises a permanent magnet or an electromagnet. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der zumindest ein Kanalstrukturabschnitt (30, 40, 50) zumindest einen Eingang (31, 41, 42, 51, 52) und zumindest zwei Ausgänge (32, 33, 43, 44, 54, 55) aufweist, wobei die magnetischen Partikel (60) durch das zeitlich variierende Magnetfeld in einen der Ausgänge (33, 44, 55) gesteuert werden.Device according to one of claims 1 to 6, wherein at least one channel structure section ( 30 . 40 . 50 ) at least one input ( 31 . 41 . 42 . 51 . 52 ) and at least two outputs ( 32 . 33 . 43 . 44 . 54 . 55 ), wherein the magnetic particles ( 60 ) by the time-varying magnetic field in one of the outputs ( 33 . 44 . 55 ) to be controlled. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der zwischen dem zumindest einen Eingang und zumindest einem Ausgang ein Kanalbereich mit größerem Kanalquerschnitt angeordnet ist.Apparatus according to claim 7, wherein between the at least one input and at least one output, a channel region is arranged with a larger channel cross-section. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der zumindest ein Kanalstrukturabschnitt einen ersten Eingang (41, 51) für eine erste Flüssigkeit, die die magnetischen Partikel (60) aufweist und einen zweiten Eingang (42, 52) für eine zweite Flüssigkeit aufweist, wobei die magnetischen Partikel durch das zeitlich variierende Magnetfeld aus der ersten Flüssigkeit in die zweite Flüssigkeit oder ein Gemisch, das die zweite Flüssigkeit aufweist, gebracht werden.Device according to one of Claims 1 to 8, in which at least one channel structure section has a first input ( 41 . 51 ) for a first liquid containing the magnetic particles ( 60 ) and a second input ( 42 . 52 ) for a second liquid, wherein the magnetic particles are brought by the time varying magnetic field from the first liquid into the second liquid or a mixture comprising the second liquid. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der Mikrokanal (20) folgende Merkmale aufweist: einen ersten Kanalstrukturabschnitt (30) mit einem Eingang (31) in fluidischer Kommunikation mit einem ersten Einlass (22) für eine erste Flüssigkeit, die die magnetischen Partikel (60) aufweist, und einem ersten und zweiten Ausgang (32, 33), wobei die magnetischen Partikel (60) durch das zeitlich variierende Magnetfeld in den zweiten Ausgang (33) des ersten Kanalstrukturabschnitts (30) gesteuert werden; einen zweiten Kanalstrukturabschnitt (40) mit einem ersten Eingang (41) in fluidischer Kommunikation mit dem zweiten Ausgang (33) des ersten Kanalstrukturabschnitts (30), einem zweiten Eingang (42) in fluidischer Kommunikation mit einem zweiten Einlass (24) für eine zweite Flüssigkeit, einem ersten Ausgang (43) und einem zweiten Ausgang (44), wobei die magnetischen Partikel (60) durch das zeitlich variierende Magnetfeld aus der ersten Flüssigkeit in die zweite Flüssigkeit und in den zweiten Ausgang (44) des zweiten Kanalstrukturabschnitts gesteuert werden; und einem dritten Kanalstrukturabschnitt (50) mit einem ersten Eingang (51) in fluidischer Kommunikation mit dem zweiten Ausgang (44) des zweiten Kanalstrukturabschnitts (40), einem zweiten Eingang in fluidischer Kommunikation mit einem dritten Einlass (26) für eine dritte Flüssigkeit, einem ersten Ausgang (54) und einem zweiten Ausgang (55), wobei die magnetischen Partikel (60) durch das zeitlich variierende Magnetfeld aus der zweiten Flüssigkeit in die dritte Flüssigkeit oder ein Gemisch, das die dritte Flüssigkeit aufweist, und den zweiten Ausgang (55) des dritten Kanalstrukturabschnitts (50) gesteuert werden.Device according to one of Claims 1 to 9, in which the microchannel ( 20 ) comprises the following features: a first channel structure section ( 30 ) with an input ( 31 ) in fluid communication with a first inlet ( 22 ) for a first liquid containing the magnetic particles ( 60 ) and a first and second output ( 32 . 33 ), the magnetic particles ( 60 ) by the time-varying magnetic field in the second output ( 33 ) of the first channel structure section ( 30 ) to be controlled; a second channel structure section ( 40 ) with a first input ( 41 ) in fluid communication with the second output ( 33 ) of the first channel structure section ( 30 ), a second input ( 42 ) in fluid communication with a second inlet ( 24 ) for a second liquid, a first outlet ( 43 ) and a second output ( 44 ), the magnetic particles ( 60 ) by the time-varying magnetic field from the first liquid in the second liquid and in the second output ( 44 ) of the second channel structure section; and a third channel structure section ( 50 ) with a first input ( 51 ) in fluid communication with the second output ( 44 ) of the second channel structure section ( 40 ), a second input in fluid communication with a third inlet ( 26 ) for a third fluid, a first outlet ( 54 ) and a second output ( 55 ), the magnetic particles ( 60 ) by the time-varying magnetic field from the second liquid in the third liquid or a mixture comprising the third liquid, and the second output ( 55 ) of the third channel structure section ( 50 ) to be controlled. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der der dritte Kanalstrukturabschnitt (50) einen dritten Eingang (53) in fluidischer Kommunikation mit einem vierten Einlass (28) für eine vierte Flüssigkeit aufweist, wobei der erste Eingang (51) des dritten Kanalstrukturabschnitts (50) zwischen dem zweiten und dritten Eingang (52, 53) des dritten Kanalstrukturabschnitts (50) angeordnet ist.Apparatus according to claim 10, wherein the third channel structure section ( 50 ) a third input ( 53 ) in fluid communication with a fourth Inlet ( 28 ) for a fourth liquid, wherein the first input ( 51 ) of the third channel structure section ( 50 ) between the second and third inputs ( 52 . 53 ) of the third channel structure section ( 50 ) is arranged. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei der die ersten Ausgänge (32, 43, 54) der ersten, zweiten und dritten Kanalstrukturabschnitte (30, 40, 50) in fluidischer Kommunikation mit einer oder mehreren Abfallstrukturen stehen.Apparatus according to claim 10 or 11, wherein the first outputs ( 32 . 43 . 54 ) of the first, second and third channel structure sections ( 30 . 40 . 50 ) are in fluid communication with one or more waste structures. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit einem Schritt des Erzeugens einer Relativbewegung zwischen dem zumindest einen Magnetkraftelement (10; 212; 270, 274, 276; 300, 300') und der Kanalstruktur (20; 200; 250; 302) zum Steuern der Position der magnetischen Partikel (60) in der Kanalstruktur, um die magnetischen Partikel über eine Phasengrenze einer Mehrphasenströmung zu bewegen.Method for operating a device according to one of Claims 1 to 12, with a step of generating a relative movement between the at least one magnetic force element ( 10 ; 212 ; 270 . 274 . 276 ; 300 . 300 ' ) and the channel structure ( 20 ; 200 ; 250 ; 302 ) for controlling the position of the magnetic particles ( 60 ) in the channel structure to move the magnetic particles across a phase boundary of a multiphase flow. Verfahren nach Anspruch 13, mit einem Schritt des Erzeugens einer Strömung einer Flüssigkeit, die die magnetischen Partikel (60) aufweist, und einer parallelen Strömung einer zweiten Flüssigkeit in der Kanalstruktur, wobei die magnetischen Partikel (60) durch das Bewegen des zumindest einen Magnetkraftelements (10; 212; 270, 274, 276; 300, 300') aus der ersten Flüssigkeit in die zweite Flüssigkeit gebracht werden.Method according to claim 13, comprising a step of generating a flow of a liquid containing the magnetic particles ( 60 ) and a parallel flow of a second liquid in the channel structure, wherein the magnetic particles ( 60 ) by moving the at least one magnetic force element ( 10 ; 212 ; 270 . 274 . 276 ; 300 . 300 ' ) are brought from the first liquid into the second liquid. Verfahren nach Anspruch 14, mit einem Schritt des Erzeugens einer Strömung einer dritten Flüssigkeit parallel zu einer Strömung der zweiten Flüssigkeit, die die magnetischen Partikel aufweist, in der Kanalstruktur (20), wobei die magnetischen Partikel (60) durch das Bewegen des zumindest einen Magnetkraftelements (10; 212; 270, 274, 276; 300, 300') aus der zweiten Flüssigkeit in die dritte Flüssigkeit oder ein Gemisch, das die dritte Flüssigkeit aufweist, gebracht werden.The method of claim 14 including a step of generating a flow of a third liquid parallel to a flow of the second liquid having the magnetic particles in the channel structure ( 20 ), the magnetic particles ( 60 ) by moving the at least one magnetic force element ( 10 ; 212 ; 270 . 274 . 276 ; 300 . 300 ' ) from the second liquid into the third liquid or a mixture comprising the third liquid. Verfahren nach Anspruch 15, mit einem Schritt des Erzeugens einer Strömung einer vierten Flüssigkeit parallel zu der Strömung der zweiten Flüssigkeit, die die magnetischen Partikel (60) enthält, und parallel zu der Strömung der dritten Flüssigkeit, wobei die Strömung der zweiten Flüssigkeit, die die magnetischen Partikel (60) enthält, zwischen den Strömungen der dritten und vierten Flüssigkeiten ist.The method of claim 15 including a step of generating a flow of a fourth liquid parallel to the flow of the second liquid containing the magnetic particles (10). 60 ), and parallel to the flow of the third liquid, the flow of the second liquid containing the magnetic particles ( 60 ) contains, between the flows of the third and fourth liquids. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem die erzeugten Strömungen zumindest teilweise laminar sind.A method according to any one of claims 13 to 16, wherein the generated flows are at least partially laminar. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem Strömungen unterschiedlicher Pufferlösungen in der Kanalstruktur erzeugt werden, wobei die magnetischen Partikel (60) durch das zeitlich variierende Magnetfeld abgelenkt werden, um sie den unterschiedlichen Pufferlösungen auszusetzen.Process according to one of Claims 13 to 17, in which flows of different buffer solutions are produced in the channel structure, the magnetic particles ( 60 ) are deflected by the time varying magnetic field to expose them to the different buffer solutions. Verfahren nach Anspruch 18, mit einem Schritt des Vorsehens eines separaten Einlasses (22, 24, 26, 28) für jede Pufferlösung, wobei die Strömungen unterschiedlicher Pufferlösungen kontinuierlich erzeugt werden.The method of claim 18, including a step of providing a separate inlet ( 22 . 24 . 26 . 28 ) for each buffer solution, whereby the flows of different buffer solutions are generated continuously. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei dem das Magnetkraftelement in einer Drehrichtung gedreht wird, so dass sich die magnetischen Partikel, die sich entlang der erzeugten Magnetfeldlinien ausrichten, in eine zu der Drehrichtung entgegengesetzte Richtung bewegen.A method according to any one of claims 13 to 19, wherein the magnetic force member is rotated in a rotational direction so that the magnetic particles which align along the generated magnetic field lines move in a direction opposite to the direction of rotation. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei dem durch das zeitlich variierende Magnetfeld, das durch die Relativbewegung erzeugt wird, die Position eines primären superparamagnetischen Körpers gesteuert wird, wodurch der primäre superparamagnetische Körper die Position sekundärer supermagnetischer Partikel, die eine Affinität zu Biomolekülen aufweisen, steuert.A method according to any one of claims 13 to 19, wherein the temporally varying magnetic field generated by the relative movement controls the position of a primary superparamagnetic body, whereby the primary superparamagnetic body is the position of secondary supermagnetic particles having an affinity for biomolecules , controls. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Durchführen eines Immunoassay, einer Nukleinsäurenextraktion oder einer kontinuierlichen DNA-Amplifikation.Use of a device according to any one of claims 1 to 12 for performing an immunoassay, a nucleic acid extraction or a continuous DNA amplification.
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