-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen von Flüssigkeiten in einem Mikrokanal.
-
Unter anderem in der biotechnologischen, chemischen und biologischen Anwendung werden mikrofluide Flüssigkeitsströme durch Kapillaren geleitet. Dabei werden ein oder mehrere Flüssigkeitsströme in einen Mikrokanal geleitet, die meist laminare Strömungen ausbilden und die miteinander vermischt werden sollen. Dies geschieht nach dem Stand der Technik mit sich in dem Mikrokanal befindlichen Magnetpartikeln, die durch Anlegen von wechselnden magnetischen Feldern quer zur Strömungsrichtung bewegt werden und so für eine Querdurchmischung sorgen. Weiterhin gibt es Anordnungen, in denen eine oder mehrere Flüssigkeitsströme parallel in einen Mikrokanal eingeleitet werden, und an die genannten Magnetpartikel Moleküle gebunden sind, welche mit Inhaltsstoffen der Flüssigkeiten in Kontakt gebracht werden sollen, um in eine chemische Wechselwirkung der gebundenen Moleküle mit den entsprechenden in der Flüssigkeit befindlichen Moleküle zu treten. Durch Anlegen von wechselnden magnetischen Feldern können die mit den Molekülen beaufschlagten Magnetpartikel quer zur Strömungsrichtung des Flüssigkeitsstroms oder der Flüssigkeitsströme bewegt werden, so dass die Wechselwirkung der an der Oberfläche der Magnetpartikel haftenden Moleküle mit den Bestandteilen der Flüssigkeit nicht rein diffussionskontrolliert erfolgt, sondern, dass sie durch die ständige Bewegung immer wieder mit wechselnden Volumenelementen der umgebenden Flüssigkeit in Kontakt treten. Dadurch wird die Wechselwirkung der an die Magnetpartikel gebundenen Moleküle mit den Flüssigkeitsbestandteilen kinetisch begünstigt.
-
Zu diesen Zwecken sind nach dem Stand der Technik unterschiedliche Vorrichtungen bekannt.
-
Die Veröffentlichung „Spinning magnetic trap for automated microfluidic assay systems” von Jasenka Verbarg et. al. in The Royal Society of Chemistry 2012 zeigt eine Vorrichtung, bei der die sich in der strömenden Flüssigkeit befindenden Magnetpartikel von einem rotierenden Permanentmagneten bewegt werden, der sich unterhalb des Strömungskanals befindet. Die Anordnung der rotierenden Permanentmagneten hat zur Folge, dass die Magnetpartikel auf dem Boden des Mikrokanals schleifen und in der Bewegung gehemmt werden. Außerdem wird die Oberfläche der Magnetpartikel mechanisch beansprucht, was zur Folge hat, dass daran gebundene Moleküle, welche mit den Inhaltsstoffen der Flüssigkeiten in Wechselwirkung treten sollen, abgelöst oder beschädigt werden können.
-
In der Veröffentlichung „Flow-orthogonal bead oscillation in a microfluidic chip with a magnetic anisotropic flux-guide array” von Stijn van Pelt et. al. in Biomed Microdevices (2011) 13: 353–339 wird eine Vorrichtung gezeigt, bei der die Magnetpartikel durch Magnetspulen mit wechselnden Feldern bewegt werden. Durch die Verwendung von elektrischen Spulen kommt es zu Wärmeentwicklung, welche sich störend auf die biologischen oder chemischen Reaktionssysteme auswirkt. Des Weiteren können bei der Verwendung von Elektromagneten ungewünschte Effekte durch magnetische Hysterese auftreten.
-
Das Patent
DE 10 2009 005 925 B4 offenbart eine Vorrichtung zur Handhabung von Biomolekülen mittels magnetischen Partikel, die eine Affinität zu den Biomolekülen aufweisen mit einer Kanalstruktur, die zur Erzeugung einer Mehrphasenströmung ausgelegt ist und zumindest einem Magnetkraftelement, das relativ zur Kanalstruktur bewegbar ist.
-
Die
EP 1 658 890 B1 offenbart eine mikrofluidische Vorrichtung mit einem Mikrokanal mit mehreren Elektromagneten.
-
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der Wärmeeinflüsse vermindert oder ausgeschaltet werden können und andererseits eine mechanische Beanspruchung der Magnetpartikel, ggf. mit darauf befindlichen Molekülen, verhindert wird. Unerwünschte Effekte durch magnetische Hysterese sollen unterbunden werden.
-
Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
-
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es nunmehr möglich, mechanische Beanspruchungen der Magnetpartikel, die ggf. mit Molekülen beaufschlagt sind, zu verhindern und thermische Einflüsse oder Einflüsse durch Hysterese durch Elektromagneten auszuschalten.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Im Folgenden soll die Erfindung in ihrer allgemeinen Form nicht einschränkend beschrieben werden.
-
Erfindungsgemäß befindet sich mindestens ein Mikrokanal zwischen zwei Halterungen zur Aufnahme von jeweils mindestens einem Permanentmagnet.
-
Der Mikrokanal oder die Mikrokanäle können parallel zu der Ebene, auf der sich die Permanentmagnete auf der Halterung befinden, ausgerichtet sein.
-
Der Mikrokanal oder die Mikrokanäle sind vorzugsweise in einem Chip angeordnet, welcher auf der einen Seite mindestens einen Flüssigkeitseinlass und an der gegenüberliegenden Seite mindestens einen Flüssigkeitsaustritt hat. In diesem Mikrokanal sind permanentmagnetische Partikel eingebracht, die so dimensioniert sind, dass sie sich quer zu Längsrichtung, also der Flussrichtung bewegen können. Typische Querschnitte für Mikrokanäle sind 50 × 200 μm2 bis 200 × 1000 μm2. Der Durchmesser der magnetischen Partikel kann beispielsweise zwischen 1 μm und 100 μm liegen. Diese Angaben sind beispielhaft aber nicht beschränkend.
-
Bei den Halterungen zur Aufnahme von mindestens einem Permanentmagnet handelt es sich um Mittel zur Aufnahme eines Permanentmagneten, welche eine Bewegung der Permanentmagnete aus der Flussebene des Flüssigkeitsstroms heraus ermöglichen.
-
Dazu sind die Halterungen mit Antriebsmitteln verbunden, welche eine Bewegung der Permanentmagnete aus der Ebene des Flüssigkeitsstroms heraus ermöglichen.
-
Hierzu kann die Halterung beispielsweise senkrecht zur durch den Mikrokanal vorgegebenen Flussrichtung herausgehoben und wieder abgesenkt werden. Dies kann beispielsweise durch Mittel zum Anheben und Absenken erfolgen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Halterung eine Anordnung, bei der die Teile, welche die Permanentmagnete aufnehmen, um eine Achse rotieren.
-
Vorzugsweise bilden die Achsen beider Halterungen eine gemeinsame gedachte Verbindungslinie, so dass sie eine gemeinsame Rotationsachse definieren. Dabei können die beiden Halterungen gemeinsam an einer Rotationsachse angebracht sein, oder jede Halterung rotiert um eine eigene Rotationsachse. Dadurch wird eine Rotation der beiden Halterungen auf parallelen Rotationsebenen ermöglicht.
-
Die Permanentmagnete, die sich in den beiden Halterungen befinden, durchlaufen bei der Rotation die Flussebene des Mikrokanals, in dem sich die Magnetpartikel befinden.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Halterungen Walzen bzw. Scheiben, an die die Permanentmagnete angebracht sind. Dies hat den Vorteil, dass eine besonders störungsfreie Rotation, ohne Unwucht, ermöglicht wird.
-
Beispielsweise können die Walzen Hohlräume, bzw. Öffnungen aufweisen, in die Permanentmagnete eingelagert werden können. Es können jedoch auch Befestigungselemente an der Halterung, wie beispielsweise Klemmen, vorhanden sein, die die Permanentmagnete aufnehmen können.
-
Vorzugsweise sind auf jeder Halterung n Permanentmagnete in äquidistantem Winkelabstand angeordnet, so dass sie einen Winkel von 360°/n einschließen.
-
Weiterhin bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Permanentmagnete der beiden Halterungen auf Lücke, beispielsweise um 360°/2n zueinander versetzt angeordnet sind.
-
Grundsätzlich kann jede Anzahl n von Permanentmagneten auf der Halterung angebracht sein. Auf den beiden Halterungen können beispielsweise jeweils ein Permanentmagnet angeordnet sein (n = 1), welcher um 180° zu dem der anderen Halterung versetzt angeordnet ist.
-
Es können auch jeweils 2 Permanentmagnete um jeweils ca. 90° versetzt zueinander angeordnet sein. Ebenso sind Anordnungen mit jeweils 3 Permanentmagneten um jeweils 60° versetzt, 4 Permanentmagnete um jeweils 45° versetzt und so weiter möglich. Die Abstände müssen nicht genau äquidistant sein, jedoch ist dies im Interesse der Gleichförmigkeit der Frequenz und Amplitude des wechselnden Magnetfeldes, durch das der Flüssigkeitsstrom läuft, vorteilhaft.
-
Vorzugsweise sind jeweils gleichartige Pole der Permanentmagnete, die auf den beiden Halterungen angebracht sind, zum Mikrokanal hin ausgerichtet. Diese antiparallele Ausrichtung der Permanentmagnete hat den Vorteil, dass die Ausrichtung der magnetischen Felder einen höheren Feldstärkegradienten im Mikrokanal bewirken.
-
Jedoch können auch entgegengesetzte Pole zum Mikrokanal hin ausgerichtet sein.
-
Hierdurch ergibt sich eine periodische Bewegung der Magnetpartikel im Mikrokanal von links (l) nach rechts (r), und zurück (l, r, l, r, l, r, l, r), quer zur Flussrichtung der Flüssigkeit im Mikrokanal.
-
Die Anzahl der Permanentmagnete in einer Halterung steht im Zusammenhang mit der Rotationsgeschwindigkeit der Halterung.
-
Insbesondere ist eine schrittweise Rotation der Halterungen in Intervallen sinnvoll, da so immer ein Magnet in der optimalen Position am Mikrokanal positioniert ist. Es handelt sich dann um eine diskontinuierliche Rotation. Hierzu können die Halterungen an eine Intervallschaltung angeschlossen sein.
-
Vorzugsweise verfügen die Halterungen über Antriebsmittel, welche beide Halterungen auf der Höhe der Flussebene in die gleiche Rotationsrichtung bezüglich der Flussrichtung des Flüssigkeitsstromes antreiben. Es ist jedoch auch ein gegenläufiger Antrieb denkbar.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung betrifft die Erfindung eine alternierende Anordnung von n – 1 Mikrokanälen oder n – 1 Mikrokanalanordnungen bestehend aus mindestens zwei Mikrokanälen und n Magnethalterungen. In dieser seriellen Anordnung sind wiederum alle Unterkombinationen an vorrichtungsgemäßen Ausgestaltungen möglich. Auf diese Weise kann ein serieller Betrieb von parallel laufenden Verfahren ermöglicht werden.
-
In einer weiteren Ausgestaltung können zwei Mikrokanäle, die sich zwischen zwei Halterungen mit den Permanentmagneten befinden, übereinander angeordnet sein, sodass sie sich jeweils in Positionen befinden, in denen die Permanentmagnete sind. Dadurch wird die Vorrichtung, wie bei der seriellen Anordnung besonders effektiv, da mehr Mikrokanäle gleichzeitig eingesetzt werden können, die übereinander angeordnet sind. Es können auch mehrere Flussebenen mit Mikrokanälen übereinander angeordnet sein, die bei der Drehung der Halterung einem magnetischen Feld ausgesetzt sind, das durch übereinander positionierte Permanentmagnete erzeugt wird. Übereinander positioniert ist hier so zu verstehen, dass die Permanentmagnete verschiedener Ebenen dabei seitlich zueinander versetzt angeordnet sein können.
-
Diese Ausgestaltung kann in jeder Unterkombination mit anderen Vorrichtungsmerkmalen ausgeführt sein.
-
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, einen Flüssigkeitsstrom, vorzugsweise einen mikrofluiden Strom quer zur Fließrichtung zu durchmischen ohne dass durch einen Elektromagnetbetrieb bedingte Wärme in den Flüssigkeitsstrom eintreten kann und ohne, dass die zur Durchmischung eingesetzten Partikel Reibungsverluste an der Wand des Mikrokanals erfahren. Parallele laminare Strömungen können durchmischt werden. Im Falle der Beaufschlagung der Magnetpartikel mit Molekülen, die mit Bestandteilen der strömenden Flüssigkeit wechselwirken sollen, wird der Kontakt zwischen den an der Oberfläche anhaftenden Molekülen und Flüssigkeitsbestandteilen verbessert. Die eingesetzten Magnetpartikel werden mechanisch weniger oder gar nicht beansprucht und eventuell daran angebrachte Substanzen werden nicht abgerieben. Die Halterungen mit den Permanentmagneten können leicht parallel zueinander angeordnet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zu allen bekannten Zwecken, in denen Flüssigkeitsströme in Querrichtung gemischt werden sollen oder in denen ein Kontakt mit auf den Magnetpartikeln angebrachten Substanzen herbeigeführt werden können, verwendet werden. Beispielhaft, aber nicht beschränkend, können folgende Verfahren genannt werden. Enzymreaktor, Separationstechnik, Analyse fluoreszierender Reagenzien, Durchmischung für Zellkulturen oder mikrobielle Kultivierungen.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in allen Unterkombinationen ihrer Merkmale zum Durchmischen und als biologischer Enzymreaktor eingesetzt werden.
-
Figurenbeschreibung:
-
Es zeigt:
-
1: Eine Darstellung eines Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung
-
2: Eine schematische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung
-
3a, b: Eine schematische Draufsicht auf eine Halterung mit einem Magneten, der sich in der Position des Mikrokanals befindet.
-
4: Eine Darstellung einer Halterung mit 4 Permanentmagneten
-
5: Eine Darstellung einer Halterung mit 4 Magneten, bei der sich ein Permanentmagnet in der Position des Mikrokanals 6 befindet.
-
6: Eine spezielle Ausführungsform, bei der 2 Mikrokanäle übereinander gestapelt sind.
-
1 zeigt einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den Teilabbildungen 1 und 2 in denen Permanentmagnete 1, 1a in unterschiedlichen Positionen angeordnet sind. Der Permanentmagnet 1 befindet sich in einer Halterung 2 in Form einer Walze, die den Permanentmagneten 1 aufnimmt. Die Halterung 2 hat vier Öffnungen 3, 3a, 3b, 3c, in die Permanentmagnete aufgenommen werden können und die in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Durchtrittsöffnung für eine Rotationsachse. Auf Höhe der unteren Öffnung 3b befindet sich ein mikrofluidischer Glaschip 5, welcher in dem Ausschnitt darüber vergrößert dargestellt ist. In ihm befindet sich ein Mikrokanal 6 mit zwei Flüssigkeitszugängen 7, 7a, die jeweils eine Trennwand 8, 8a für Teilströme aufweisen. In dem Mikrokanal befinden sich Magnetpartikel 9. Auf der anderen Seite des Mikrokanals 6 ist ein Permanentmagnet 1a frei schwebend ohne die dazugehörige Halterung 2a abgebildet, um eine Einsicht in die Vorrichtung zu gewährleisten. Dabei ist der Permanentmagnet 1a gegenüber dem Permanentmagnet 1 der ersten Halterung 2 um 180° versetzt angeordnet.
-
2 zeigt zwei Halterungen 2, zwischen denen sich ein Mikrokanal 6 mit Magnetpartikeln 9 befindet, in schematischer Form.
-
In den 3a und 3b haben die Vorrichtungsmerkmale dieselben Bezugszeichen, wie in 1. In den beiden Figuren wird die Position der Magnetpartikel 9 im Mikrokanal 6 in Abhängigkeit davon dargestellt, an welcher Seite sich gerade der Permanentmagnet befindet.
-
4 zeigt eine Halterung 2 mit vier Permanentmagneten 1, 1a, 1b, 1c sowie eine Durchtrittsöffnung 4 für eine Rotationsachse bzw. Rotationswelle.
-
5 zeigt dieselben Vorrichtungsmerkmale mit den gleichen Bezugszeichen, wie in 4 bei der zusätzlich der Verlauf eines Mikrokanals 6 dargestellt ist.
-
6 zeigt dieselben Vorrichtungsmerkmale mit den gleichen Bezugszeichen, wie in 5 bei der neben dem Mikrokanal 6 ein weiterer Mikrokanal 6a dargestellt ist, der oberhalb des Mikrokanals 6 in einer Ebene verläuft, die die Position eines anderen Permanentmagneten 1 durchläuft.
