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
Aus der
Die
Auch kontinuierlich arbeitende Systeme zur Prozessierung von Biomolekülen sind aus dem Stand der Technik bekannt, siehe beispielsweise die
Andere bekannte Systeme, siehe beispielsweise die
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
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
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
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Die
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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:
Anhand der
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weist zu diesem Zweck ein Magnetkraftelement in Form eines rotierbaren Permanentmagneten
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
Im Betrieb wird eine Probenlösung in den Einlass
Eine zweite Pufferlösung
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
Die zweite Pufferlösung und die vierte Pufferlösung können die dritte Reaktionsstufe
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird somit eine Steuerung der Position der magnetischen Partikel an einer Mehrzahl von Abschnitten der Kanalstruktur
Die ersten Ausgänge
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
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
Eine beispielhafte Implementierung, bei der entsprechende Kanalstrukturen durch eine Mikrofräse in Polycarbonat gefräst wurden, ist in
Über einen Mikrokanal
Ein Waschpuffer, der eine zweite Pufferlösung darstellt, wird über einen Mikrokanal
Wie beschrieben wurde, werden in der zweiten Reaktionsstufe die magnetischen Partikel wieder in den Kanal
Unter Verwendung eines Mikrofluidiksystems, wie es Bezug nehmend auf die
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
Beispielsweise kann eine der Flüssigkeiten eine Suspension mit einer Pufferlösung und magnetischen Partikeln
Gemäß den
Alternativ können die Ströme auch zwischen zwei Zylindermänteln fließen, wie in den
Bei den Bezug nehmend auf die
Die
Die Kanalstruktur
Über die Einlasskanäle werden unterschiedliche Pufferlösungen eingebracht, wie durch Pfeile
Über den Einlass
Im Betrieb wird über den Einlass
In den Einlass
Ober den Einlass
Die
Wie in
Wie in
Wie in
Die
Gemäß
Eine Vorgehensweise, wie bezüglich der
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.
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