DE102005051012B3

DE102005051012B3 - Vorrichtung zur Handhabung von biologischen Zellen bzw. Proben

Info

Publication number: DE102005051012B3
Application number: DE200510051012
Authority: DE
Inventors: Klaus Ackermann; Rüdiger Wilberg; Petra S. Dr. Dittrich; Joachim Priv.-Doz. Dr. Franzke; Andreas Prof. Dr. Manz
Original assignee: Leibniz Institut fuer Analytische Wissenschaften ISAS eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Analytische Wissenschaften ISAS eV
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2025-10-26

Abstract

Eine Vorrichtung zur berührungslosen Bewegung von kleinen, mit einer magnetischen Beschichtung versehenen, eine zu analysierende Probe tragenden, plättchenförmigen Trägern auf einer nichtmagnetischen Bodenplatte, wobei unterhalb der Bodenplatte wenigstens ein Magnet angeordnet ist, soll so weiterentwickelt werden, dass eine weitgehende Automatisierung bei möglichst einfachem Aufbau ermöglicht wird. DOLLAR A Dies wird dadurch erreicht, dass der wenigstens eine Magnet ein wechselstrombeaufschlagter miniaturisierter Elektromagnet (4) ist, welcher ein U-förmiges oder bügelförmiges Element aufweist, dessen Stegbereich (5) mit wenigstens einer Drahtwicklung (W) versehen ist und dessen freie Schenkel (6) zur Unterseite der Bodenplatte (1) gerichtet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Handhabung von biologischen Zellen bzw. Proben mit einem Reservoir mit einer nicht magnetischen Bodenplatte und mit kleinen, etwa 1 mm langen, mit einer magnetischen Beschichtung versehenen, eine zu analysierende Zelle bzw. Probe tragenden plättchenförmigen Trägern, wobei unterhalb der Bodenplatte zur berührungslosen Bewegung der plättchenförmigen Träger wenigstens ein Magnet angeordnet ist.

Im Rahmen des EU-Projektes CellPROM (Cell Programming by Nanoscaled Devices), dem größten integrierten Projekt im Themenbereich Nano-Biotechnologie, sind bis heute zwei unterschiedliche Konzepte zur Handhabung von Zellen entwickelt und vorgestellt worden. So ist einer Presseveröffentlichung des Fraunhofer-Institutes für Biomedizinische Technik IBMT (August 2005) im Internet unter http://www.ibmt.fraunhofer.de zu entnehmen, dass eines dieser beiden Konzepte auf magnetischen Targets basiert und es erlaubt, mittels flacher miniaturisierter Trägersubstrate adhärente Zellen zu manipulieren. Hierzu sollen mit Hilfe eines Magneten oder aus mit magnetischem Material beschichtetem Glas gefertigte Targets am Boden eines mit Flüssigkeit gefüllten Reservoirs bewegt werden. Die auf den Targets adhärierten Zellen sollen mit Hilfe eines Mikroskops beobachtet werden können. Aufgrund der daraus resultierenden kleinen Abmessungen der Targets müssen auch die Magneten kleine Abmessungen besitzen. Zwar sind kleine und auch starke Dauermagnete kommerziell erhältlich, jedoch stellen sich flächenförmige Targets senkrecht auf und verhindern damit die Beobachtung mittels Mikroskop. Um diese Targets dennoch mit der Oberfläche parallel zur Bodenfläche transportieren zu können, müßten U-förmige Dauermagnete verwendet werden.

Dies ist grundsätzlich möglich, allerdings ist das Loslassen bestimmter Targets nur möglich, wenn der Abstand zwischen dem Target und dem Magneten so weit vergrößert wird, dass das Feld keinen Einfluss mehr auf das Target hat. Eine Automatisierung eines derartigen Aufbaus wäre sehr kompliziert.

Aus WO 92/10754 A1 ist ein Analyseapparat mit mit einer magnetischen Beschichtung versehenen, eine zu analysierende Probe tragenden plättchenförmigen Trägern auf einer nichtmagnetischen Bodenplatte bekannt, wobei die plättchenförmigen Träger mittels eines unterhalb der Bodenplatte angeordneten Elektromagneten berührungslos bewegt werden können.

Aus US 2 144 835 und US 2 092 927 sind Vorrichtungen zur berührungslosen Bewegung von plattenförmigen Trägern bekannt, welche Ausstellungsstücke tragen. Mit der aus der US 2 144 835 bekannten Vorrichtung werden Schaufensterpuppen bewegt, die Vorrichtung gemäß US 2 092 927 ist zur Bewegung kleinerer, zum Verkauf bestimmter Objekte vorgesehen.

Aus US 6 571 934 B1 und aus US 6 355 491 B1 sind weitere Vorrichtungen zur Bewegung von Probenträgern bei der automatischen Analyse mit Hilfe von Magneten bekannt. Aus US 6 075 924 ist eine Vorrichtung zur Bewegung kleiner Plättchen bekannt, die insbesondere im Bereich der Halbleiterfertigung Anwendung findet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vorrichtung so weiterzuentwickeln, dass eine weitgehende Automatisierung bei möglichst einfachem Aufbau ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der wenigstens eine Magnet ein wechselstrombeaufschlagter miniaturisierter Elektromagnet ist, welcher ein U-förmiges oder bügelförmiges Element aufweist, dessen Stegbereich mit wenigstens einer Drahtwicklung versehen ist und dessen freie Schenkel zur Unterseite der Bodenplatte gerichtet sind.

Erfindungsgemäß wird somit wenigstens ein wechselstrombeaufschlagter miniaturisierter Elektromagnet eingesetzt, der beispielsweise aus einem Transformatorenblech hergestellt wird, das so bearbeitet wird, dass es eine Art Hufeisenform bildet. Befindet sich ein oberhalb der Bodenplatte des Reservoirs angeordneter Träger oberhalb der beiden Schenkel des Elektromagneten, schließt die magnetische Beschichtung des Trägers die Magnetfeldlinien des etwa U-förmigen Elektromagneten. Der Elektromagnet wird mit einem Wechselstrom beaufschlagt, um eine ungewünschte Magnetisierung des Trägers zu vermeiden. Für einen Transport der auf der Oberseite des Trägers angeordneten, adhärierten Zellen wird der Träger mit Hilfe des Magneten relativ zur Bodenplatte verschoben. Durch einfache Beendigung der Wechselstromzufuhr kann der Träger gezielt positioniert werden.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Abstand der freien Schenkel in etwa der Länge der Träger entspricht. Dadurch werden die Magnetfeldlinien des Elektromagneten weitgehend vollständig geschlossen, der Abstand der beiden Enden des Magneten beträgt z.B. 1 mm.

Der wenigstens eine Elektromagnet kann verschiebbar unterhalb der Bodenplatte angeordnet sein, alternativ kann auch die Bodenplatte relativ zum Elektromagneten verschiebbar angeordnet sein.

In ganz besonders bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass unterhalb der Bodenplatte eine Vielzahl von Elektromagneten stationär angeordnet und getrennt voneinander mit Wechselstrom beaufschlagbar sind. Durch sukzessive Beauf schlagung der einzelnen Elektromagneten mit Wechselstrom ist es dann gezielt möglich, den Träger in der gewünschten Richtung zu bewegen. Diese Elektromagneten können nicht nur unterhalb der Bodenplatte des eigentlichen Reservoirs angeordnet sein, sondern auch unterhalb von Zu- oder Abführkanälen, aus denen oder in die dann der jeweilige Träger transportiert bzw. verschoben werden kann.

Die einzelnen Elektromagneten können grundsätzlich beliebig angeordnet sein, nach einer ersten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Elektromagneten parallel zueinander angeordnet sind.

Alternativ können die Elektromagnete auch gitterförmig angeordnet sein und eine Matrix bilden.

Um den Herstellungsaufwand für die Elektromagneten zu verringern ist ferner vorteilhaft vorgesehen, dass der wenigstens eine Elektromagnet von einer Mikrotransformatorspule gebildet ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Diese zeigen jeweils in schematischer Darstellung in:
1 eine komplette Vorrichtung mit einem Elektromagneten,
2 eine mögliche Matrixanordnung mehrerer Elektromagneten,
3a bis 3c alternative Ausgestaltungen des Elektromagneten,
4 eine weitere Ausgestaltung einer aus mehreren Elektromagneten gebildeten Matrix,
5 eine mögliche Anordnung der Elektromagneten unter einem Zuführ- oder Abführkanal und
6 in perspektivischer Ansicht einen Elektromagneten in Form einer Mikrotransformatorspule.
Eine Vorrichtung zur Handhabung von biologischen Zellen bzw. Proben weist zunächst ein mit Flüssigkeit gefülltes Reservoir auf, von dem in 1 ausschnittsweise nur eine beispielsweise aus Glas bestehende nichtmagnetische Bodenplatte 1 dargestellt ist. Oberhalb dieser Bodenplatte 1 ist beispielhaft ein kleiner plättchenförmiger Träger 2 der Vorrichtung angeordnet, der unterseitig eine magnetische Beschichtung 3 aufweist, die beispielsweise aus Nickel besteht. Alternativ kann der Träger 2 auch vollständig aus einem magnetischen Material bestehen. Auf diesem flächenförmigen Träger 2 ist oberseitig eine nicht dargestellte, zu analysierende Probe angeordnet, worauf es im Einzelnen nicht näher ankommt.
Um den Träger 2 relativ zur Bodenplatte 1 berührungslos bewegen zu können, weist die Vorrichtung darüber hinaus einen beim Ausführungsbeispiel nach 1 allgemein mit 4 bezeichneten wechselstrombeaufschlagten miniaturisierten Elektromagneten auf. Dieser Elektromagnet 4 umfasst ein U-förmiges Element mit einem zur Bodenfläche 1 parallelen Stegbereich 5 und zwei quer zur Bodenplatte 1 gerichteten Schenkeln 6, die etwa 1 mm voneinander beabstandet sind, wobei deren Außenabstand in etwa der Länge des Trägers 2 entspricht. Der Stegbereich 5 ist mit einer Drahtwicklung W versehen, deren Enden an eine nicht dargestellte Wechsel stromquelle angeschlossen sind. Unterhalb des Stegbereiches 5 weist der Magnet 4 noch einen stegförmigen Ansatz 7 auf.
Bei einem etwa 1 mm langen und 100 μm dicken Träger 2 und einer etwa 850 μm dicken Bodenplatte 1 und einem Abstand der beiden Schenkel 6 des Magneten 4 von 1 mm weist der Elektromagnet 4 z.B. 50 Wicklungen auf und wird mit einem Wechselstrom von 0,7 A beaufschlagt. Bei der Strombeaufschlagung des Elektromagneten 4 schließt die magnetische Beschichtung 3 des Trägers 2 oberhalb des Elektromagneten 4 die Magnetfeldlinien des U-förmigen Elektromagneten 4. Durch die Wechselstrombeaufschlagung wird eine Magnetisierung des Trägers 2 bzw. seiner Beschichtung 3 vermieden. Für eine Bewegung bzw. einen Transport der auf der Oberseite des Trägers 2 adhärierten Zellen wird die Bodenplatte 1 unter dem Träger 2 verschoben oder umgekehrt.
Wie 2 zeigt, kann die Vorrichtung besonders bevorzugt auch eine Vielzahl von unterhalb der Bodenplatte 1 stationär angeordneten Elektromagneten 4 aufweisen, deren Nordpole mit N und deren Südpole mit S bezeichnet sind. Zur Bewegung bzw. zum Transport eines Trägers 2 wird der Träger 2 von einem zum anderen Elektromagneten dadurch transportiert, dass sukzessive die Stromzufuhr eines Elektromagneten ausgestellt und des jeweils benachbarten eingeschaltet wird und so weiter.
In den 3a bis 3c sind drei Varianten der Ausführungsform des Elektromagneten 4 nach 1 dargestellt. Diese sind mit 4' bis 4'' bezeichnet. Bei der Ausführungsform nach 3a ist der stegförmige Ansatz 7' nicht symmetrisch bzw. im Zentrum des Stegbereiches 5' angeordnet, sondern am Rande fluchtend mit einem freien Schenkel 6'.
Bei der Ausführungsform nach 3b ist kein U-förmiges, sondern ein bügelförmiges Element 4'' vorgesehen, bei der Ausführungsform nach 3c ein offenes ringförmiges Element 4''' mit einem zentralen Stegbereich.
Wie 4 zeigt, kann alternativ zur Anordnung nach 2 die Vorrichtung auch eine Vielzahl von Elektromagneten beinhalten, die gitterförmig angeordnet sind. So werden beispielsweise zwei unterschiedliche Trafobleche A und B mit komplementär gestalteten Stegen A1 bzw. B1 und dazwischen angeordneten Wicklungen W verwendet und in der dargestellten Anordnung zusammengesetzt, so dass sich eine gitterförmige Elektromagnetmatrix bildet. Durch gezielte sukzessive Strombeaufschlagung der einzelnen Elektromagneten läßt sich ein Träger 2 dann gezielt in die jeweils gewünschte Richtung bewegen.
In 5 ist dargestellt, dass die Vorrichtung nicht nur unterhalb eines Reservoirs eingesetzt werden kann, sondern auch im Bereich von Zuführ- oder Abführkanälen K, unter denen unterhalb deren Bodenplatte jeweils Elektromagnete 4 geeignet angeordnet sind, die entsprechend nacheinander mit Wechselstrom beaufschlagt werden, um den jeweiligen Träger 2 in den gewünschten bzw. durch den gewünschten Kanal zu transportieren.
In 6 ist eine besondere Ausgestaltung des Elektromagneten der Vorrichtung dargestellt, dieser wird von einer an sich bekannten Mikrotransformatorspule 8 gebildet, die auf einer Platte 9 eine Mehrzahl von Windungen 10 trägt, die mit Wechselstrom beaufschlagt werden, innerhalb der Windungen 10 ist ein ferritischer Kern 11 angeordnet.

Claims

Vorrichtung zur Handhabung von biologischen Zellen bzw. Proben mit einem Reservoir mit einer nichtmagnetischen Bodenplatte und mit kleinen, etwa 1 mm langen, mit einer magnetischen Beschichtung versehenen, eine zu analysierende Zelle bzw. Probe tragenden plättchenförmigen Trägern, wobei unterhalb der Bodenplatte zur berührungslosen Bewegung der plättchenförmigen Träger wenigstens ein Magnet angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Magnet ein wechselstrombeaufschlagter miniaturisierter Elektromagnet (4) ist, welcher ein U-förmiges oder bügelförmiges Element aufweist, dessen Stegbereich (5) mit wenigstens einer Drahtwicklung (W) versehen ist und dessen freie Schenkel (6) zur Unterseite der Bodenplatte (1) gerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der freien Schenkel (6) in etwa der Länge der Träger (2) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Elektromagnet (4) verschiebbar unterhalb der Bodenplatte (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Bodenplatte (1) eine Vielzahl von Elektromagneten (4) stationär angeordnet und getrennt voneinander mit Wechselstrom beaufschlagbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagneten (4) parallel zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagneten (A, B) gitterförmig angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Elektromagnet von einer Mikrotransformatorspule (8) gebildet ist.