DE102004062534A1

DE102004062534A1 - Mikroreaktor

Info

Publication number: DE102004062534A1
Application number: DE200410062534
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Franzreb; Tilmann Rogge
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2024-12-25
Also published as: EP1833608A1; DE102004062534B4; WO2006069627A1

Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung beinhaltet die Bereitstellung eines mikrofluidischen Systems, in dem Partikelfraktionen (Beads) seriell und gerichtet durch Kanäle und Reaktionskammern geführt werden können, ohne dass eine netto Fluidbewegung erfolgt. Dazu wird eine kleinskalige Fluidbewegung, die eine Bewegung der Partikel bewirkt, mit einer schaltbaren Krafteinwirkung (Sperrkraft) kombiniert, welche die Partikel fixiert. Die Vorrichtung findet Anwendung in der Bioanalytik oder chemischen Synthese.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Transport von mindestens einer magnetischen Partikelfraktion durch ein mikrofluidisches System gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.

Mikrofluidische Systeme sind zentrale Handlingsysteme für Fluide, wie Flüssigkeiten oder Gase, mit oder ohne Feststoffanteil in der Mikro- und Nanotechnologie und finden sich insbesondere im Bereich der Life Sciences oder Biomedizin, wo Nanoobjekte in Form großer Biomoleküle, wie z. B. Peptide oder Proteine, gehandhabt werden müssen [1]. Da eine direkte Handhabung solch kleiner Objekte selten möglich ist, wird im Bereich der Life Sciences häufig mit so genannten Beads gearbeitet. Beads sind Polymerkörper, meist Kugeln, an deren funktionalisierte Oberfläche z. B. DNA oder Proteine gebunden und so für eine Synthese oder Analyse handhabbar werden. In diesem wachsenden Markt werden schon heute kommerziell Geräte angeboten, mit denen Analysen mit Hilfe einzelner Beads vorgenommen werden [2]. Zudem existieren verschiedene auf Beads basierende Analyseverfahren bzw. -geräten, die einen hohen Grad an Parallelisierung aufweisen und mit Flüssigkeitsvolumen bis hinab zu 10 Mikrolitern arbeiten. Häufig werden zur gezielten Handhabung solcher Beads elektrische Felder [3] oder so genannte Laserpinzetten [4] [5] verwendet. Seltener werden in der Mikrotechnik magnetische Kräfte eingesetzt, da diese mikrotechnisch nur schwer zu erzeugen sind, wobei sich gerade magnetische Kräfte auf Grund der geringen Wechselwirkung mit biologischen Materialien und Prozessen besonders eignen [6].

Magnetische Beads werden heutzutage in der Biochemie standardmäßig verwendet und werden von etlichen kommerziellen Anbietern vertrieben (z. B. http://www.magneticmicrosphere.com/supply.htm). Solche Beads sind in der Regel superparamagnetisch und auch monodispers mit Durchmessern von 1 μm bis 10 μm erhältlich und werden zu Ana lyse und Synthesezwecken verwendet. Die Handhabung magnetischer Mikrobeads kann im größeren Maßstab mit Hilfe so genannter Hochgradienten-Magnetseparatoren erfolgen [7]. Im Falle kleinerer Volumina erfolgt eine Abtrennung bzw. Fixierung magnetischer Mikrobeads in der Regel durch einfache Permanentmagnete auf Seltenerdbasis. Diese Vorgehensweise ist jedoch recht unflexibel und benötigt zum Lösen der Fixierung immer bewegliche Komponenten, die eine räumliche Trennung zwischen Reaktionsgefäß mit Magnetbeads und Permanentmagnet erlauben. Wesentlich flexibler ist dagegen eine Vorgehensweise, bei der die Magnetbeads in den Einflussbereich weichmagnetischer Strukturen gebracht werden. Zur Fixierung der Magnetbeads werden die Strukturen über ein äußeres Magnetfeld aufmagnetisiert. Zum Lösen muss lediglich das äußere Magnetfeld abgeschaltet werden, d.h. es ist keinerlei bewegliche Komponente notwendig. Ein entsprechender Aufbau wurde zur Abtrennung von Magnetbeads aus so genannten Mikrotiterplatten entwickelt und patentiert [ DE 10 057 396 ].

Kritischer Punkt bei der Arbeit mit biochemischen Stoffen in der Bio- und Pharmaforschung sind die hohen Kosten der zum Teil durch aufwendige Syntheseverfahren hergestellten Substanzen. Die eigentlichen Untersuchungen erfordern nur geringe Materialmengen wie neue Analyseverfahren zeigen (z. B. Genechip^®, der Fa. Affymetrix, www.affymetrix.com), jedoch ist eine sparsame Handhabung dieser Stoffe schwierig. Mikrofluidische Systeme bieten sich auf Grund ihres geringen Totvolumens für die Arbeit mit solchen Stoffen an. Dieser Vorteil vermindert sich jedoch, wenn zur Einbringung eines neuen Stoffes in das mikrofluidische System, das System komplett gespült werden muss.

Aufgabe der Erfindung ist daher, die Bereitstellung eines mikrofluidischen Systems, in dem Partikelfraktionen (Beads) seriell und gerichtet durch Kanäle und Reaktionskammern geführt werden ohne dass eine Nettobewegung des Fluids erfolgt.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.

Stofftransport in fluidischen Systemen erfolgt gewöhnlich über die Bewegung des Fluids, mit dem darin enthaltene Stoffe zu verschiedenen Orten bewegt werden.

Der Stofftransport innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt nicht wie üblich durch das strömende Fluid, sondern durch den Transport der Beads nach dem Prinzip einer „fluidischen Ratsche". Durch Erzeugung einer Sperrkraft während der Bewegung des Fluids, können die Beads fixiert werden.

Ratsche ist die Bezeichnung für eine Vorrichtung z. B. Werkzeug bei dem eine Sperrvorrichtung nur eine Bewegungsrichtung (Freilauf) zulässt, in Gegenrichtung sperrt sie und bewegt einen Gegenstand z. B. Schraube oder Gurt. Die Bewegungsrichtungen können umkehrbar sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung beinhaltet, die Bereitstellung eines mikrofluidischen Systems, in dem Partikelfraktionen (Beads) seriell und gerichtet durch Kanäle und Reaktionskammern geführt werden können, ohne dass eine größerskalige Fluidbewegung erfolgt. Dazu wird eine kleinskalige Fluidbewegung, die eine Bewegung der Partikel bewirkt, mit einer schaltbaren Krafteinwirkung (Sperrkraft) kombiniert, welche die Partikel fixiert zumindest aber die Bewegungsgeschwindigkeit der Partikel deutlich vermindert. Die Fluidbewegung kann dabei mechanisch oder auch elektrisch (z. B. Elektroosmose) erzeugt werden. Die Sperrkraft kann erzeugt werden durch magnetischer Felder, die auf magnetische Beads wirken, durch elektrische Felder, die aufgrund der Dielektrizitätszahlunterschiede von Fluid und Partikeln (Dielektrophorese, Elektrostatik) wirken, durch optische Felder, die entsprechend der Laserpinzette aus Brechungseffekten Kräfte generieren, aurch elektrochemisch induzierte Oberflächenkräfte, die an die Beadoberflächen ankoppeln.

Ein Aktor erzeugt eine periodische, kleinskalige Vor- und Rückbewegung (Freilauf) des Fluids in dem Kanalsystem. Durch Erzeugung eines inhomogenen Magnetfeldes (Sperrvorrichtung) während der Rückbewegung des Fluids, können die Beads während der Rückbewegung fixiert werden. Aufgrund der Fixierung während der Rückbewegung des Fluids und der Lösung der Fixierung während der Vorwärtsbewegung resultiert eine gerichtete Bewegung der Beads durch das Kanalsystem, ohne dass eine Nettobewegung des Fluids erfolgt. Die Bewegungsrichtungen können umgekehrt werden.

Superparamagnetische Partikel werden in ein fluidisches Kanalsystem eingebracht. Solange keine anderen Kräfte auf diese Partikel wirken, werden diese Partikel mit jeder Bewegung des Fluids im Kanalsystem mitgeführt. Wird bei einer periodischen Fluidbewegung eine Bewegungsrichtung der Partikel gesperrt kommt es zu einem Transport der Partikel in eine Richtung. Das umgebende Fluid wird durch diese periodische Bewegung nur um den Volumenbetrag der Partikel in umgekehrter Richtung bewegt. Die periodische Bewegung des Fluids führt ansonsten zu keiner wesentlichen Vermischung, da in kleinsten Kanalsystemen eine turbulente Mischung nur extrem schwer zu erreichen ist. Das Volumen der Reaktionskammern ist äußerst gering, wodurch die benötigte Menge an Reaktanden sehr gering ist. Es werden Kanalabmessungen von einigen Mikrometern und Volumina der Reaktionskammern im Nanoliterbereich erreicht.

Magnetische Kräfte

Um eine Beadbewegung nach dem Prinzip einer fluidischen Ratsche zu erzeugen müssen ausreichend große magnetische Kräfte erzeugt werden und geeignete magnetische Beads zu Verfügung stehen.

Die magnetische Sperrkraft auf die superparamagnetischen Partikel sollte vorzugsweise im Bereich von 10–100 pN liegen. Wobei sich die magnetische Kraft auf die Partikel zum einem aus dem Volumen sowie der Suszeptibilität der Partikel und zum an deren aus dem Produkt aus Feldstärke mal Gradient des Magnetfeldes ergibt. Während die erreichbaren Feldstärken sich auf den Bereich von wenigen Tesla beschränken, können durch weichmagnetische Mikrostrukturen auf kurze Distanzen sehr hohe Feldgradienten erzeugt werden.

Die magnetische Haltekraft wird durch unmittelbar an den Fluidbereich grenzende, weichmagnetische Mikrostrukturen erreicht, die ein extern erzeugtes Magnetfeld verzerren. Die kleinsten, lateralen Abmessungen dieser Strukturen sollten dabei etwa dem Durchmesser der verwendeten Beads entsprechen, während die vertikalen Abmessungen das drei bis zehnfache betragen sollte. Die Herstellung erfolgt nach der Resiststrukturierung mit Maskentechnik durch Aufgalvanisieren. Anschließend werden die Strukturen mit Kunststoff eingegossen. Der Kunststoff erfüllt dabei zwei Funktionen. Zum einen werden entsteht dadurch eine ebene Oberfläche, welche die Beadbewegung nicht beeinträchtigt. Zum anderen dient der Kunststoff als Bondpartner für das Gehäuseteil mit den fluidischen Kanalstrukturen.

Beispielhafte Herstellung einer weichmagnetischen Mikrostruktur

1. Auf Substrat (Silizium oder Glas) Galvanikstartschicht abscheiden
2. Resist aufschleudern und strukturieren
3. NiFe-Galvanik
4. Siegelschicht aufschleuder

Wesentlich für den Einsatz von magnetischen Kräften in Mikrometerabmessungen ist die Erzeugung von stark inhomogenen Magnetfeldern, es ist gezeigt das schon ohne weichmagnetische Mikrostrukturen die >10pN für 4 μm Partikel erreicht werden können [9]. Durch den Einsatz von weichmagnetischen Mikrostrukturen können die Partikel noch deutlich kleiner oder das Hintergrundmagnetfeld schwächer sein.

Geeignet sind dazu u. a. weichmagnetische Strukturen aus Permalloy (80%Ni und 20%Fe). So können etwa Permalloy-Säulen mit einem Durchmesser von 5 μm und einer Höhe von 90 μm durch Röntgenlithographie und Galvanik mit einer Sättigungsmagnetisierung von 0,93 T hergestellt werden [10].

Fluidisches System

Der fluidische Transport von Partikeln durch Kanäle und entlang von Oberflächen wird schon seit vielen Jahrzehnten untersucht und ist eingehend beschrieben [11].

Die Partikelbewegung hängt dabei neben den geometrischen Größen und den wirkenden Oberflächenkräften von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ab, und lässt sich mit Kugeln [12] aber auch biologischen Einheiten wie Zellen gut realisieren [13]. Bilden sich bei der periodischen Fluidbewegung keine Turbulenzen, wird erwartet, dass der Stofftransport innerhalb des Fluids nicht deutlich größer als die Diffusionsgeschwindigkeit ist. Wie die umfangreiche Literatur im Bereich der Mikromischer zeigt [14] [8], ist auch das beabsichtigte Herbeiführen von Turbulenzen in mikrofluidischen Systemen schwer zu erreichen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erfüllt hierzu verschiedene Anforderungen. Die Fluidbewegung muss groß genug sein, um Partikel durch das Fluid zu bewegen. Dazu sind im Kanalsystem Strömungsgeschwindigkeiten von etwa 1–10 mm/s notwendig. Dabei hängt die Geschwindigkeit der Partikel in den Fluidkanälen von dem Verhältnis Kanalgröße zu Partikelgröße, der Fluidgeschwindigkeit, der Haftung der Partikel an den Kanalwänden und der Form der Partikel ab.

Die Fluidkanäle müssen so gestaltet sein, dass eine periodische Fluidbewegung innerhalb der fluidischen Strukturen sich gut ausbreiten kann. Wichtig ist dabei, dass das System hinreichend inkompressible ist und die Fluidbewegung nicht elastisch speichert. Da die Strömungsgeschwindigkeit und damit auch die Bewegung der Beads von dem Kanalquerschnitt abhängt, kann die Fließgeschwindigkeit auch innerhalb des Systems variiert werden. So kann eine Verbreiterung des Kanalquerschnittes im Bereich der Reaktionskammern die Aufenthaltsdauer verlängern. Das Befüllen der Reaktionskammern und das kontinuierlich Nachliefern von Reaktionsstoffen werden durch ein langsames Durchströmen der Reaktionskammern senkrecht zur Bewegungsrichtung der Beads gewährleistet. Dies ermöglicht auch das komplette auswechseln der Inhaltsstoffe einzelner Reaktionskammern.

Die fluidischen Kanäle sollten einen Querschnitt haben, der in etwa der Beadgröße entspricht. So sollte zum Beispiel, die Kanalbreite und Höhe bei einer Beadgröße von 4 μm: nicht größer als 10 μm sein. Strukturen mit diesen Abmessungen lassen sich sowohl photo- als auch röntgenlithographisch herstellen. Welches Verfahren am besten geeignet ist hängt von der erforderlichen Strukturqualität und den geeigneten Kunststoffen ab. Die Herstellung von Mikrostrukturen erfolgt auf vielfältige Weise: mit optischer Lithographie (SU8, Polyimid), durch Heißprägen (Formeinsatzherstellung durch LIGA-Verfahren oder Zerspanungstechnik) oder durch Röntgentiefen-Lithographie. Dadurch ist man in der Lage auch höchste Anforderung an Strukturabmessungen, bis in den Submikrometerbereich, Seitenwandrauhigkeiten mit optischer Qualität und Aspektverhältnisse von 20 und mehr zu realisieren.

Bonden

Eine durch das Fluid erzeugte Beadbewegung innerhalb des fluidischen Systems erfordert eine gute Ausbreitung der Fluidbewegung innerhalb des Fluidbereiches. Lufteinschlüsse oder Deformationen der Mikrostrukturen würden stören und müssen varmieden werden. Weiterhin führen Schwankungen der Kanalgeometrie zu Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit. Daher ist die Herstellung einer druckfesten Bondverbindung mit geringer Varianz der Bondbereichdicke wichtig. Für Kunststoffstrukturen eignen sich dazu Siegelverfahren bei denen dünne Siegelschichten durch Photodegradation (s. o.) oder Aufschleudern erzeugt und anschließend durch Druck und Wärme in einer entsprechenden Bondvorrichtung verbunden werden.

Mit Hilfe von Bondverfahren ist es möglich auch deutlich kleinere fluidische Strukturen als bisher mit typischen Kanalquerschnitten von 50 μm × 50 μm herzustellen.

Aktor

Für den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mindestens an einer Stelle mikrofluidische Aktorik notwendig. Zum einen muss eine periodische Fluidbewegungen erzeugt werden, und/oder erfordert die Arbeit mit geringsten Stoffmengen, zum Beispiel eine Dosiervorrichtungen mit schnellen Schaltzeiten. Für beide Aufgaben eignen sich zum Beispiel Piezoaktoren. So steht ein piezogetriebenes Mikroventil mit Schaltzeiten von weniger als 2 ms, dessen Aufbauprinzip [ DE 199 49 912 ] sich ebenfalls für die Erzeugung eines periodischen Hubes eignet, zur Verfügung.

Besondere Vorteile dieser Aktoren liegt in den kurzen Schaltzeiten (typischer Wert eine Millisekunde) und der großen dabei erzeugten Kraft. Die Einkopplung der mechanischen Bewegung in das System kann entweder direkt oder über Übersetzungssystem erfolgen. Alternativ können Aktoren über Druck-Feder-Systeme oder durch Wellen an elektrisch betriebene Motoren dargestellt werden.

Anschlusskonzept Fluidzuführung/Produktentnahme

Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfordert eine periodische Fluidbewegung, die nur effizient genutzt werden kann, wenn das System inkompressible ist und das Fluid nur am Ausgang eine frei bewegliche Grenzfläche besitzt (z. B. Gasblase). Dies erfordert starre Fluidzuführung oder hohe Strömungswiderstände im Fluidzuführungsbereich. Weiterhin ist jederzeit eine einfache Bead-Entnahme möglich. Dazu werden die Beads in mindestens einer Kammer gesammelt und bei Bedarf ausgeschwemmt.

Die Synthese von Proteinen, Peptiden u. a. gewinnt in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. Dabei ist nicht nur die kostengünstige Erzeugung großer Stoffmengen technisch interessant, sondern auch Methoden einer flexiblen Erzeugung kleiner Stoffmengen, die mit geringsten Mengen meist äußerst teurer Vorprodukte auskommen.

Die benötigten Stoffmengen betragen dabei nur wenige Nanogramm, so dass bereits für einen einfachen Prototyp des Biosynthesereaktors mit der Produktion ausreichender Substanzmengen zu rechnen ist. Hierdurch ist eine Qualifizierung und Quantifizierung der Synthesereaktion bei Variation der Prozessparameter möglich. Bei einer auf magnetischen Beads adaptierten Merrifield-Festphasensynthese (AMS) werden gezielt Peptide erzeugt. An mit spezifisch spaltbaren Abstandshaltern (Spacer) versehenen Beads welche an Ihrem Ende die Ausgangsmoleküle für die AMS tragen wird mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung die ANIS bis zur gewünschten Peptidlänge durchgeführt. Hierzu werden die Beads durch die einzelnen Reaktionsbereiche der Vorrichtung geführt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt für Zwecke bei denen nur kleine Stoffmengen benötigt werden, eine schnelle und Material sparende Synthese von komplexen Molekülen, zum Beispiel Peptide, Proteine, Oligonukleotide, DNA, Oligosaccharide oder RNA, deren Synthese durch sukzessive Einzelreaktionen erfolgt. Kleine Stoffmengen, jedoch in großer Variationsbreite, werden zum Beispiel im Rahmen der Wirkstofffindung und Entwicklung in der Pharmazeutik und Biomedizin benötigt.

Unter Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung, lässt sich die zur Sequenzierung von Proteinen oder DNA-Abschnitten benötigten Substanzenmengen und Zeiten weiter verringern. Hierzu werden die Proteine oder DNA-Abschnitte an Beads gebunden und im Verlauf der Passage verschiedener Reaktionskammern schrittweise analysiert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dabei durch zusätzliche Komponenten zur Detektion erweitert werden, wie z. B. magnetoelektrisch [16], durch (integrierte) optische Systeme [2] oder elektrochemisch [17].

Auch eine Kombination von Synthese, Reaktion und Analyse können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden. So können in einem ersten Bereich Moleküle synthetisiert werden, in einem darauf folgenden Bereich verschiedenen Substanzen ausgesetzt und anschließend diese direkt analysiert werden. Des Weiteren können Sensoren in die Reaktionskammern oder die Fluidkanäle eingebracht werden um die Reaktionen präziser zu steuern.

Die Erfindung sowie dessen Details werden im Folgenden beispielhaft an Ausführungsformen anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen
1 Systemelemente und Prinzip für magnetische Ratsche
2 Beispielhafte Mikrostruktur zur Erzeugung eines inhomogenen Magnetfelds
3 Beispielhafte Herstellung weichmagnetischer Mikrostrukturen
4 Beispielhafte Herstellung einer Fluidstruktur
5 Beispielhafte Herstellung einer Bondverbindung
6 Beispielhafter Aufbau einer erfindungsgemäßen Vor richtung
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der wesentlichen Elemente und das Prinzip einer fluidischen Ratsche. Mit einem Aktor 1 zur Erzeugung einer Fluidströmung 8 in den Fluidkanälen 6. Die Fluidströmung 8 bewegt die Beads 4. Ausgestattet mit einem Mischkammervolumen 3 und einem mikrostrukturiertem Weicheisenmagnetkern 2 zur Erzeugung einer magnetischen Sperrkraft. Abgeschlossen wird Vorrichtung mit einem Gehäuse 5. Je nach Bewegungsrichtung des Aktors 1 bewegt sich das Fluid 8 und mit Ihm die Beads 7. Wird die Sperrkraft ein geschaltet werden die Beads in Richtung Magnetstruktur fixiert 9.
2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung mit den Feldlinien 10 eines eingeschalteten inhomogenen Magnetfeldes, erzeugt durch einen Weicheisenmagnetkern 2 in Mikrosrtruktur der in Kunststoff 11 eingebettet ist. Die magnetischen Beads 4 werden aus dem Fluid gefüllten Kanal 6 Richtung 9 Magnetkern 12 fixiert.
3 zeigt beispielhaft die schematische Darstellung der Herstellung der weichmagnetischen Mikrostruktur, in dem auf Substrat auf Substrat 13 (zum Beispiel Silizium oder Glas) eine Galvanikstartschicht 16 abgeschieden wird, dann Resist 15 aufschleudert und strukturiert wird, danach erfolgt die Galvanik, mit zum Beispiel Permalloy (NiFe im Verhältnis (80/20) und das aufschleudern der Siegelschicht 14.
4 zeigt beispielhaft die schematische Herstellung einer mikrofluidischen Kanalstruktur 18. In das Substrat 13 werden Öffnungen 19 eingebracht, die der Fluidzuführung dienen. Diese Löcher können mechanisch (zum Beispiel Bohren, Lasern), nasschemisch oder auch durch reaktives Ionenätzen eingebracht werden. Die Grabenstrukturen entstehen durch die Strukturierung (Strippen) des auf dem Substrat aufgeschleuderten Resists (zum Beispiel SU8, PMMA, Polyimid).
5 zeigt das Bonden der Strukturen hergestellt in 3 und 4 durch Druck 20 und Wärme 20, dadurch entstehen die mikrofluidischen Kanalstrukturen 21.
6 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht aus einem mikrostrukturierten Magneten, einer mikrofluidischen Kanalstruktur, einem Aktor sowie aus fluidischen Anschlüssen.
Die Aufsicht auf dieses System zeigt die fluidischen Strukturen. Die zum Beadtransport 8 notwendige periodische Fluidbewegung 7 wird durch ein Aktor 1 erzeugt, der am Anfang des Fluidsystems befindet. Durch eine Öffnung 28 werden die Beads in das System eingebracht und nach dem fluidischen Ratschenprinzip [1] durch den mikrofluidischen Kanal bewegt. Eine Ausgleichkammer 24 am Ende der Fluidstruktur mit einem freien Flüssigkeitsspiegel ermöglicht die periodische Bewegung. In den Mischkammervolumen 25 kann die Aufenthaltszeit der Beads 4 durch die geometrische Form reguliert werden, wobei dort Säulenstrukturen die Beads 4 führen. Im letzten Mischkammervolumen 23 des Systems werden die Beads angesammelt und bei Bedarf ausgespült. In die Mischkammervolumen 25 werden senkrecht 27 zur Bewegungsrichtung die Reaktionsstoffe über die mikrofluidische Fluidführung zugeführt. Durch Einleitung 26 und Abzweigung 22 wird das Befüllen der Kammern erleichtert und auch eine kontinuierliche Regulierung der Stoffkonzentration ermöglicht.
Literaturverzeichnis

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1: Aktor
2: Weicheisenmagnetkern in Mikrostruktur
3: Reaktionskammer
4: Magnetischer Bead
5: Gehäuse
6: Mikrofluidischer Kanal gefüllt mit einem Fluid
7: Bewegungsrichtung der magnetischen Beads, abhängig von
: der Fluidströmung und der magnetischen Sperrkraft
8: Erzeugte, gerichtete Fluidströmung
9: Fixierungsrichtung der magnetischen Beads
10: Feldlinien
11: Kunstoff oder andere geeigneten Polymere
12: Fixierung in Richtung des Weicheisenmagnetkerns
13: Substrat
14: Siegelschicht
15: Resist
16: Galvanikschicht
17: Mikrostrukturierter Weicheisenmagnet
18: Mikrofluidischer Kanal
19: Öffnungen
20: Druck und/oder Wärme
21: Mikrofluidischer Kanal
22: Abzweigung
23: Mischkmmervolumen zum entnehmen der Beads
24: Öffnung als Ausgleichskammer
25: Mischkammervolumen
26: Einleitung
27: Transportrichtung der Reaktionsstoffe in der mikroflui
: dischen Fluidführung
28: Öffnungen zum Einbringen der Beads ins mikrofluidische
: System

Claims

Vorrichtung zum Transport von mindestens einer magnetischen Partikelfraktion durch ein mikrofluidisches System umfassend, a) Mindestens einem mikrofluidischem Kanal mit einem Fluid, umfassend die magnetische Partikelfraktion, b) Mittel zur Erzeugung einer Fluidströmung axial zum mikrofluidischem Kanal mit zwei Schaltstellungen entsprechend der beiden Fließrichtungen, c) hinzu schaltbares äußeres Magnetfeld im Kanal zur temporären Fixierung der magnetischen Partikelfraktionen, wobei in einem Betriebszustand ein zyklischer Wechsel der beiden Schaltstellungen erfolgt und wobei das Magnetfeld nur bei einer Schaltstellung hinzu geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der mikrofluidische Kanal in seiner vollen Länge an weichmagnetisches Material angrenzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das der mikrofluidische System ganz oder teilweise durch optische Lithographie, Heißprägen, Spritzguss oder durch Röntgen-Lithographie in ein Substrat eingearbeitet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrofluidische System formschlüssigen mit einer Deckplatte verschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatte mindestens zwei durch den mikrofluidischen Kanal miteinander verbundenen Öffnungen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel einen direkt auf das Fluid wirkenden Aktor umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor einen Piezo-Biegeaktor oder Druck-Feder-System umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen weiteren mikrofluidische Fluidführung aufweist, welche den mikrofluidischen Kanal unter Bildung eines Mischkammervolumens kreuzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mikrofluidische Kanal mindestens eine Einleitung oder Abzweigung für ein weiteres Fluid aufweist.
Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Durchführung einer Festphasensynthese an magnetischen Partikelfraktionen.
Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Bioanalytik mit auf mindestens einer magnetischen Partikelfraktion fixierten Biomolekülen.
Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomoleküle Proteine, Peptide, DNA, RNA oder Zellen, prokaryotisch oder eukaryotisch umfassen.
Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zur chemischen Analytik oder Produktion mit auf mindes tens einer magnetischen Partikelfraktion fixierten chemischen Reaktanten oder Katalysatoren.