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Die Erfindung betrifft ein fluidisches Magnetpartikeltransportsystem für in einem Fluid suspendierte Magnetpartikel in einem Fluidkanal gemäß des ersten Patentanspruchs.
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Fluidische Magnetpartikeltransportsysteme der eingangs genannten Art dienen dem Transport von Magnetpartikeln in einem Fluid, vorzugsweise suspendiert in einer flüssigen Suspension. Im Gegensatz zu Pumpen erfolgt der Transport der Partikel nicht gemeinsam mit dem Fluid oder den restlichen Bestandteilen der Suspension, sondern selektiv. Die unmagnetischen Bestandteile des Fluids oder der Suspension werden folglich durch das fluidische Magnetpartikeltransportsystem nicht direkt, d. h. allenfalls über die Magnetpartikel beeinflusst.
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Ein selektiver Transport bestimmter Suspensionsbestandteile ist insbesondere in der Bioanalytik oder Biosynthese z. B. bei der Isolierung bestimmter Wirkstoffe von besonderer Bedeutung. Dabei werden bestimmte Moleküle einer Zielsubstanz an die Magnetpartikel gebunden und über ein fluidisches Kanal- oder Reaktionssystem zu einer nachfolgenden Synthese oder Analyse weitergeleitet. Alternativ lassen sich durch einen entsprechenden selektiven Transport auch allgemein eine Separation oder Vermischung von Partikeln in einem Fluid durchführen.
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In [1] wird beispielhaft ein selektives Transportsystem für Magnetpartikel in einem Fluid beschrieben. Dabei wird die Suspension mit Fluid und Partikeln in Kanälen oszillierend hin- und herbewegt, wobei nur bei den Teilbewegungen in eine Richtung ein Magnetfeld angeschalt wird. Damit werden bei dieser Teilbewegung die Magnetpartikel an den Kanalwandungen fixiert, während sie bei der entgegengesetzten Teilbewegung gemeinsam mit dem Fluid vorangetrieben werden.
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Der vorgenannte Transportvorgang erfordert somit eine oszillierende Bewegung der gesamten Suspension synchron zu der Magnetfeldumschaltung, was den Einsatzbereich erheblich eingrenzt.
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Ferner offenbart [2] ein selektives Transportsystem für magnetische Partikel in einer Suspension durch einen Kanal. Hierzu sind an der Kanalwandung beidseitig zum Kanal in axial abwechselnder Seitenanordnung schaltbare elektromagnetische Quellen angeordnet, die in die Suspension im Kanal einwirken. Zur selektiven Förderung der magnetischen Partikel im Kanal werden die Quellen in axialer Richtung nacheinander angesteuert, wobei ähnlich einer Lauflichtschaltung jeweils nur maximal eine magnetische Quelle aktiv ist. Die magnetischen Partikel sammeln sich jeweils an der Kanalwandung an der jeweils aktivierten Quelle, um beim nächsten Schaltvorgang durch die in axialer Förderrichtung folgende nunmehr aktivierte Quelle an der gegenüberliegenden Kanalwandung angezogen zu werden. Der Transportvorgang erfolgt dabei diskontinuierlich. Das Transportsystem zeichnet sich jedoch durch einen aufwendigen Aufbau mit einer Vielzahl von Elektromagneten aus, die nicht nur einzeln angesteuert werden, sondern in Summe eine Wärmequelle darstellen.
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Nachteilig bei den vorgenannten Transportsystemen ist auch, dass die Magnetpartikel beim Transport systembedingt wiederholt die Kanalwandungen fixiert werden, womit insbesondere die an den magnetischen Partikeln anheftende Substanzen ungewollt auch an die Kanalwandung übertragen werden.
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Davon ausgehend liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein fluidisches Magnettransportsystem für magnetische Partikel in einer Suspension in einem Kanal mit verbesserter Selektivität des Transportvorgangs sowie erhöhter Effizienz vorzuschlagen. Insbesondere soll auch eine Berührung der Kanalwandung durch die Partikel in der Suspension während des Transportvorgangs grundsätzlich reduzierbar sein.
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Die Aufgabe wird durch ein fluidisches Magnetpartikeltransportsystem mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Die auf diesen rückbezogene Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Verwendungen wieder.
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Die Erfindung betrifft ein fluidisches Magnetpartikeltransportsystem für in einem Fluid suspendierte Magnetpartikel in einem Fluidkanal. An dem Kanal sind eine Vielzahl von in den Fluidkanal einwirkenden ein- und ausschaltbaren magnetischen Quellen vorgesehen, die in axialer Fluidkanalrichtung an mindestens zwei gegenüberliegenden Seiten außerhalb des Fluidkanals in abwechselnder Reihenfolge angeordnet sind.
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Im laufenden Betrieb werden die magnetischen Partikel jeweils von einer der aktiven, d. h. eingeschalteten magnetischen Quelle im Fluid angezogen. Dabei werden die aktiven Quellen bei Erreichen der magnetischen Partikel wieder deaktiviert, d. h. ausgeschaltet und zugleich durch Umschaltung jeweils die nächst folgenden magnetischen Quellen auf einer vorzugsweise anderen Kanalseite aktiviert. Die magnetischen Partikel werden folglich durch diese Umschaltung vor einem Erreichen einer magnetischen Quelle durch eine magnetische Feldumschaltung auf die jeweils folgende Quelle auf diese umgelenkt.
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Vorzugsweise findet im Rahmen einer möglichen Ausführung die Umschaltung bereits vor Erreichen der magnetischen Partikel der Wandung dann statt, wenn die ersten magnetischen Partikel die Hauptwirkungsrichtung der folgenden Quelle kreuzen, bis auf unter 10%, bevorzugt 5% des Fluidkanalsdurchmessers nahe kommen oder die ersten magnetischen Partikel oder eine maximale Konzentration an magnetischen Partikeln sich im Bereich der Hauptwirkungsrichtung der folgenden Quelle befindet. Die Konzentrationen lassen sich bei ansonsten transparenter Suspension z. B. optisch durch Extinkitonsmessungen mittels eines Laserstrahls durch den Kreuzungspunkt zwischen den Hauptwirkungsrichtungen zweier aufeinander folgender magnetischer Quellen erfassen und, sofern nicht Erfahrungswerte nutzbar sind, für die Festlegung und/oder Steuerung der Umschaltungen oder die Umschaltfrequenz heranziehen.
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Basierend auf der vorgenannten Vorgehensweise lassen sich magnetische Partikel im Fluidkanal bei jeder Umschaltung von jeweils einer zur jeweils folgenden, auf einer gegenüberliegender Fluidkanalseite angeordneten magnetischen Quelle weiterreichen und damit selektiv durch den Fluidkanal transportieren, ohne dass es zu einer Berührung der Kanalwandungen kommt. Für die Umschaltung der magnetischen Quellen sind Mittel für die Umschaltung zumindest von einer zu einer anderen magnetischen Quelle vorgesehen.
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Eine wesentliche Merkmalskombination der Erfindung liegt in der Gruppenbildung der Quellen pro Seite um den Fluidkanal, kombiniert mit einer synchronen gruppenweise Ansteuerung der magnetischen Quellen sowie des Merkmals, dass die magnetischen Quellen eine schräg zum Fluidkanal ausgerichtete magnetische Hauptwirkungsrichtung aufweisen, wobei die Hauptwirkungsrichtungen aller Quellen nicht nur eine in den Fluidkanal weisende radiale magnetische Feldkomponente, sondern vorzugsweise auch eine axial zum Fluidkanal gerichtete magnetische Feldkomponente aufweisen. Die axiale ausgerichtete Feldkomponente ermöglicht eine bessere axiale Transporteffizienz der Partikel im Fluidkanal.
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Die Mittel zur Umschaltung umfassen vorzugsweise Mittel für eine Wechselschaltung für die magnetischen Quellen, wobei die magnetischen Quellen einer Gruppe jeweils gemeinsam und gegen die Quellen mindestens einer anderen Gruppe wechselgeschaltet werden.
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Vorzugsweise weisen die axial ausgerichteten Feldkomponenten aller Quelle in ein und die gleiche Richtung. Weiter bevorzugt weisen die Hauptwirkungsrichtungen aller magnetischen Quellen je Gruppe, weiter bevorzugt auch alle Quellen insgesamt jeweils einen einheitlichen, d. h. gleichen Winkel zum Fluidkanal auf, was wiederum die bevorzugte gleichmäßige Förderung in axialer Richtung zugute kommt.
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Die mit den magnetischen, vorzugsweise magnetischen Partikeln zu transportierenden Zielmoleküle in der Suspension werden vorzugsweise reversibel auf den Partikeloberflächen immobilisiert. Im Einfluss eines Magnetfelds der vorgenannten magnetischen Quellen erfolgt eine selektive Bewegung und damit ein Transport der Partikel im Fluid. Dabei folgen die Transportrichtungen der Partikel bei ansonsten strömungsfreier Suspension der vektoriell ermittelbaren Summe der jeweilig angreifenden magnetischen Einzelkräfte.
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Im Rahmen der Erfindung erfolgt eine Weitergabe der magnetischen Partikel vom magnetischen Feld einer Quelle zu dem der nächsten Quelle einer anderen Gruppe auf einer anderen Seite des Kanals, wobei sich ein Zick-Zack-ähnlicher Transportweg ausbildet. Vorzugsweise weisen die magnetischen Quellen zueinander eine gruppenweise versetzt und gegenüberliegende Anordnung auf, wobei die Quellen in axialer Richtung weiter bevorzugt im gleichen Abstand zueinander positioniert sind.
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Vorzugsweise ist der Kanal geradlinig und weist einen konstanten Durchströmungsquerschnitt auf.
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Vorzugsweise sind alle magnetischen Quellen je Gruppe gleichartig oder identisch gestaltet und zum Fluidkanal angeordnet. Ferner sind sie in einer Reihe mit einem vorzugsweise konstanten Abstand zueinander angeordnet. Weiter bevorzugt sind die genannten Abstände und Ausbildung bei allen, insbesondere bei gegenüberliegenden Gruppen identisch.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit den folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1 eine prinzipielle Aufsicht des fluidischen Magnetpartikeltransportsystems mit geradlinig verlaufenden Fluidkanal sowie
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2 eine prinzipielle Aufsicht des fluidischen Magnetpartikeltransportsystems mit schlangenförmig verlaufenden Fluidkanal.
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Beide Figuren zeigen Ausführungsbeispiele mit einem Fluidkanal 1 mit einer Vielzahl von in den Fluidkanal einwirkenden und direkt an der Fluidkanalwandungen 2 angeordneten magnetischen Quellen 3, die wiederum in zwei Gruppen 4 und 5 beidseitig am Fluidkanal aufgeteilt sind. Die Hauptwirkungsrichtungen 6 der Quellen 3 weisen durch die Fluidkanalwandungen in das Innere des mit der Suspension gefüllten Fluidkanals 1. Die Hauptwirkungsrichtungen 6 der Quellen 3 vorzugsweise je Gruppe 4 oder 5 spannen mit den Kanalwandungen 2 vorzugsweise einen jeweils einheitlichen Winkel α bzw. β auf. Sie durchdringen die Kanalwandung 2 an jeweiligen Durchdringungsbereichen 7, wobei die magnetischen Quellen 3 vorzugsweise direkt an den Außenflächen der Kanalwandung 2 angeordnet sind. In den Ausführungsbeispielen sind die Winkel α und β gleich, wobei die Hauptwirkungsrichtungen vorzugsweise auf die gegenüber liegenden Durchdringungsbereichen 7 jeweiligen benachbart vorgeschalteten Quelle 3 an der Fluidkanalwandung 2 gerichtet ist. Ferner ist in den Figuren die axiale Transportrichtung 9 der magnetischen Partikel wiedergegeben.
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Während 1 eine erste Ausführungsform mit einem geraden Fluidkanal 1 zeigt, folgt der Verlauf des Fluidkanals der zweiten Ausführungsform gem. 2 den Hauptwirkungsrichtungen 6 der magnetischen Quellen 3. Durch letztgenannte Gestaltung vermeidet man in vorteilhafter Weise größere Magnetfeldinhomogenitäten und damit auch Bereiche mit geringer magnetischer Feldstärke (Totvolumina) im Fluidkanal. Damit wird nicht nur der Reagenzienverbrauch reduziert, sondern auch ein effizienterer und schnellerer Transport von magnetischen Partikeln in der Suspension unterstützt.
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Die Kanalwandungen sind zur Vermeidung von remanenten Magnetisierungseffekten wie z. B. von dauermagnetischer Anheftung einzelner Partikel aus einem nicht magnetisierbaren Material, vorzugsweise Kunststoff oder Glas hergestellt. Zur Vermeidung einer Einwirkung von Restmagnetismen auf die Kanalinnenwandung weist die Kanalwandung eine Mindestwandstärke von 10%, bevorzugt 15% der Kanalbreite auf. Sie sind wie in beispielsweise 1 dargestellt über die axiale Erstreckung der magnetischen Quellen 3 konstant oder weisen, wie 2 beispielhaft dargestellt, eine variierende Wandstärke auf. Vorzugsweise ist die Wandstärke – wie auch in 2 dargestellt – in den Projektionsbereichen 7 vorzugsweise aller magnetischen Quellen 3 gleich.
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Einheitliche magnetische Quellen 3 mit einheitlichem Winkel α und β an einer einheitliche Wandstärke in den Projektionsbereichen 7 sind Voraussetzungen für eine einheitliche Magnetfeldentwicklung in der Suspension im Fluidkanal um die Hauptwirkungsrichtungen 6. Vorzugsweise liegen die Durchdringungsbereiche in axialer Richtung in einem einheitlichen Abstand D zueinander (1). Eine einheitliche Magnetfeldentwicklung ist für eine einheitliche Transportdynamik der magnetischen Partikel in der Suspension (Fluid) und damit für einen möglichst konstanten Partikelstrom sowie zur Vermeidung von Staus und anderen lokalen Konzentrationsspitzen sehr vorteilhaft.
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Die magnetischen Quellen umfassen in beiden Ausführungsbeispielen jeweils eine passive weichmagnetische Struktur, vorzugsweise die dargestellten zur Fluidkanal gerichteten Platten 8 (bevorzugt) oder andere schlanke Strukturen wie Nadeln der Stangen im Einfluss eines oder mehrerer Magnetfelder einer oder mehrerer nicht weiter dargestellten Magnetquellen. Die dargestellten Platten 8 bilden magnetisiert jeweils ein eigenes Magnetfeld aus und konzentrieren dieses insbesondere vor und hinter den Plattenenden. Die Hauptwirkungsrichtungen 6 dieses Magnetfeldes bilden eine Gerade mit den Platten oder den schlanken Strukturen bilden.
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Schlanke Strukturen lassen sich nur in Längsrichtung signifikant aufmagnetisieren, d. h. nur mit den parallel zu der Länge orientierten vektoriellen Anteilen der Magnetfeldlinien der zur Magnetisierung herangezogenen Magnetfelder. Dabei bilden sich konzentriert an den Spitzen der Strukturen um die Hauptwirkungsrichtung Magentfeldlinien aus.
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Die zur Magnetisierung der Platten herangezogenen Magnetquellen umfassen in einer Ausführungsform zwei, d. h. für jede Gruppe 4 oder 5 eigene getrennt ansteuerbare Elektromagnete unterschiedlicher Ausrichtung. Aus wirtschaftlichen und/oder platzlichen Gründen nutzen die Elektromagnete dabei in einer möglichen Ausführung ein und denselben weichmagnetischen Kern pro Magnetisierungsrichtung. Die Ausrichtung der einzelnen Elektromagneten orientiert sich an der jeweiligen Ausrichtung einer der Gruppen. Vorzugsweise sind sie zur Erzeugung von vorteilhaften parallel zu der Länge orientierten vektoriellen Anteilen der Magnetfeldlinien jeweils parallel zu den schlanken Strukturen orientiert. Dies umfasst grundsätzlich auch eine Bestückung jeder der schlanken Strukturen mit einer eigenen Magnetfeldspule, wobei die Struktur die Funktion des weichmagnetischen Kerns übernimmt. Die Mittel zur diskontinuierlichen oder zur allmählichen Umschaltung umfassen vorzugsweise eine elektrische Wechselschaltung zwischen den beiden Elektromagneten. Diese Ausführungsform weist vorteilhaft keine bewegten Teile auf.
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Alternativ umfassen die zur Magnetisierung der Platten herangezogenen Magnetquellen einen oder mehrere oszillierenden, vorzugsweise parallel zu ihrer Ausrichtung rotierende Permanent- oder Elektromagneten. Eine mögliche Ausführung umfasst eine parallel zu der Erstreckung der Quellen orientierten und um deren Orthogonalen drehenden Magnetquelle, wobei sich die jeweils vektoriell ergebenden Anteile der Magnetfeldlinien parallel zu den schlanken Strukturen in ihrem Betrag sinusförmig, d. h. oszillierend verhalten. Diese Ausführung weist zwar bewegliche Teile auf, ist aber seitens der Mittel zum Umschalten einfach über die Drehzahl in ihrer Wechselschaltfrequenz steuer- und regelbar.
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Bei beiden vorgenannten Ausführungen sind bei einer in 1 und 2 dargestellten planen Anordnung von zwei Gruppen 4 und 5 um einen Fluidkanal 1 vorzugsweise jeweils eine von zwei der vorgenannten Magnetquellen oberhalb bzw. unterhalb der planen Anordnung vorgesehen.
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In 1 und 2 sind die Platten einer Gruppe treppenförmig angeordnet, wobei die Strukturen je Gruppe parallel zueinander ausgerichtet sind und zu den Strukturen der jeweils anderen Gruppe im rechten Winkel stehen. Auf diese Weise ist in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass die Magnetisierung der Strukturen der Quellen einer Gruppe genau dann maximal ist, wenn sie bei den Strukturen der jeweils anderen Gruppe minimal ist. In einem Magnetfeld einer sich drehenden vorgenannten Magnetquelle folgt die Magnetisierung der Quellen einem Sinusverlauf, wobei bei rechtwinklig zueinander angeordneten Gruppen die Magnetisierungskurven der beiden Gruppen zueinander gegenläufig ist. Zur Sicherstellung von vorteilhaften untereinander identischen oder ähnlichen geometrischen Verhältnissen bei der Einwirkung der magnetischen Quellen in den Fluidkanal betragen die Winkel α und β jeweils 45°.
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Die genannten Platten, Nadeln oder Stangen oder sonstigen schlanken Strukturen weisen ein Verhältnis von Länge zu Breite kleiner 5, bevorzugt kleiner 10 und weiter bevorzugt kleiner 20 auf.
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Ferner die Platten, Nadeln oder Stangen oder sonstigen schlanken Strukturen in ihrer Länge begrenzt. Vorzugsweise findet bei orthogonaler Ansicht der in 1 oder 2 dargestellten schlanken Strukturen keine Überlappung zu den benachbarten Strukturen der gleichen Gruppe statt, sodass die von den Magnetquellen ausgehenden Magnetfeldlinien idealerweise nur auf eine schlanke Struktur auftreffen und nur diese magnetisieren; eine Aufteilung auf zwei Strukturen findet damit nicht statt.
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Eine Fertigung eines bevorzugt mikrofluidischen Magnetpartikeltransportsystems gem. 1 oder 2 z. B. für Analysen oder Synthesen bevorzug im Labormaßstab (Forschung und Entwicklung) aus einem Vollmaterial ist wie folgt durchführbar:
- – Herstellung mit Röntgentiefenlithographische Strukturierungsverfahren (z. B. LIGA-Verfahren): Der Fluidkanal und die weichmagnetischen schlanken Strukturen werden in einem Bauteil aus einem Resist (z. B. POM, PMMA etc.) strukturiert. In einem ersten Belichtungsschritt werden an der Position der weichmagnetischen Strukturen lithographisch Kavitäten geschaffen und galvanisch mit einem weichmagnetischen Material, vorzugsweise auf Eisen-Nickel-Basis wieder aufgefüllt. Alternativ lassen sich auch fertige Strukturen in die Kavitäten einsetzen. Erst anschließend erfolgt die lithographische Herauslösung und Abdeckung des Fluidkanals sowie die Bestückung mit den genannten Magnetquellen.
- – Spangebende Einarbeitung von Vertiefungen für Kanal und magnetischen Quellen in ein Bauteil und bevorzugt Einsetzen der magnetischen Quellen in die dafür vorgesehenen Vertiefungen. Der Fluidkanal selbst wird durch eine rillenförmige und abgedeckte Vertiefung geschaffen.
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Alternativ wird der Fluidkanal durch einen separat in der Vertiefung oder Kavität eingesetzten und auswechselbaren Schlauch (bevorzugt aus Kunststoff oder einem Elastomer) gebildet. Durch beide genannten Fertigungsverfahren wird ein mikrostrukturiertes passives Bauteil geschaffen, das auch als Einwegteil einsetzbar nach z. B. einer Analyse oder Synthese preisgünstig entsorgbar ist.
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Literatur:
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[2] Joung J., Shen J., Grodzinski P.: Micropump Based an Alternation High- Gradient Magnetic Fields; IEEE Trans. Magn., Vo1. 36 (2000) No. 4, 2012–2014
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fluidkanal
- 2
- Fluidkanalwandung
- 3
- magnetische Quelle
- 4
- erste Gruppe
- 5
- zweite Gruppe
- 6
- Hauptwirkungsrichtung
- 7
- Durchdringungsbereich
- 8
- weichmagnetische Platte
- 9
- Transportrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004062535 A1 [0038]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Joung J., Shen J., Grodzinski P.: Micropump Based an Alternation High- Gradient Magnetic Fields; IEEE Trans. Magn., Vo1. 36 (2000) No. 4, 2012–2014 [0039]
