DE102013100494A1

DE102013100494A1 - Verfahren zur Abtrennung von paramagnetischem Material aus Tropfen auf Anforderung sowie ein System zur Abtrennung von paramagnetischem Material aus Tropfen auf Anforderung

Info

Publication number: DE102013100494A1
Application number: DE201310100494
Authority: DE
Inventors: Paweí Dębski; Piotr Garstecki; Slawomir Jakiela
Original assignee: Instytut Chemii Fizycznej of PAN
Current assignee: Instytut Chemii Fizycznej of PAN
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2033-01-19
Also published as: DE102013100494B4; PL397837A1; PL219675B1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Abtrennung von paramagnetischem Material aus Tropfen auf Anforderung, umfassend die Verlagerung des das paramagnetische Material enthaltenden Tropfens in einem mikrofluidischen Kanal, gekennzeichnet dadurch, dass ein Elektromagnet in der Nähe des mikrofluidischen Kanals angebracht und elektrische Spannung an die Spule des Elektromagneten mindestens zum Zeitpunkt, wenn der Tropfen sich in der Nähe des Elektromagneten befindet, angelegt wird. Die Erfindung umfasst auch ein System zur Abtrennung von paramagnetischem Material aus Tropfen auf Anforderung, umfassend einen mikrofluidischen Kanal, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe des mikrofluidischen Kanals ein Elektromagnet angebracht ist.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Abtrennung von paramagnetischem Material aus Tropfen auf Anforderung sowie ein System zur Abtrennung von paramagnetischem Material aus Tropfen auf Anforderung. Dem Verfahren liegt die Teilung eines das paramagnetische Material enthaltenden Tropfens in zwei Tropfen zugrunde, wobei ein Tropfen vom paramagnetischen Material frei ist und einen größeren Teil des Anfangsvolumens des Tropfens enthält, und der andere Tropfen das paramagnetische Material enthält. Gegenstand der Erfindung ist auch ein zur solchen Teilung der Tropfen geeignetes Mikrofluidiksystem. Die Lösungen, die Gegenstand der Erfindung darstellen, können auch bei Herstellung von Assaysystemen unter Verwendung paramagnetischer Kugeln als Träger chemischer Stoffe den Einsatz finden.
Das paramagnetische Material (in der Form von Kugeln mit einem Durchmesser von einigen Mikrometern) kann als feste Phase bei den immunenzymatischen Nachweisverfahren, wie zum Beispiel ELISA-Verfahren (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay), zum Einsatz kommen. Die Ausnutzung der Eigenschaften der tropfenbasierten Mikrosysteme erlaubt es, die zur Durchführung dieser Analysen benötigte Zeit zu verkürzen sowie die Proben- und Reagenzienmenge zu reduzieren. Für eine effiziente Durchführung solcher Analysen ist es notwendig, die feste Phase, in diesem Fall die paramagnetischen Kugeln, einschließlich deren Abtrennung aus den Tropfen, handhaben zu können.
Die Mikrofluidiktechniken ermöglichen die Tropfen auf Anforderung zu erzeugen sowie die Tropfen mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen zu vereinigen. Dies ist also eine geeignete Plattform für die Durchführung der Assays auf vielen Proben, mit Vielzahl von Reagenzien und bei kleinem Verbrauch der Flüssigkeiten. Ein Problem stellt aber die Durchführung von Assays dar, die Verwendung eines Substrats in Tropfen benötigen. Weil die Tropfen in keinem Kontakt mit der Kanalwand stehen, kann die Kanalwand als Träger chemischer Substanzen nicht benutzt werden. Das feste Substrat muss deswegen von außen ins Tropfeninnere eingeführt werden. Aus der Veröffentlichung Anal. Chem., 2011, 83 (19), 7570–7576 ist die Benutzung ferromagnetischer Elemente (z. B. Eisenfeilspäne) im Tropfen und die Handhabung dieser Elemente mit einem Festmagneten bekannt. Ein wesentlicher Nachteil dieser Lösung ist, dass chemische Verbindungen (z. B. Eisenverbindungen), die hinsichtlich der durchzuführenden Untersuchungen und Analysen unerwünscht sind, im Tropfen vorhanden sind (z. B. im Blut).
Eine andere bestehende Lösung ist die Verwendung paramagnetischer Kugeln als einen Träger chemischer Stoffe, der ein festes Substrat bietet. Bekannt sind Beispiele für die Durchführung der Assays oder für chemische Manipulationen unter Nutzung solcher Kugeln innerhalb der Tropfen. (Anal. Chem., 2010, 82 (1), 49–52 (Dupont), Anal. Chem. 2001, 73, 5896–5902). Ein wesentliches Problem dabei ist es, eine angemessene (am besten 100%-ige) Effizienz in der Handhabung der Kugeln zu erreichen. Eine der Lösungen ist es, den paramagnetischen Kugeln paramagnetische Feilspäne hinzuzufügen, wodurch die Kugeln aus Tropfen leichter herausgezogen werden können (Anal. Chem., 2011, 83 (19), 7570–7576). Ein Nachteil derartiger Lösung ist die Anwesenheit von Eisen in Tropfen, was die Ergebnisse der durchzuführenden Assays (z. B. Immunoassays) beeinflussen kann. Darüber hinaus werden in der obigen Lösung die Assays in Kapillaren mit rundem Querschnitt durchgeführt, was hinsichtlich praktischer Anwendungen unbequem ist, wo die Verwendung von in einem Chip aus PDMS/Polycarbonat ausgefrästen Kanälen mit rechteckigem Querschnitt ein besseres Verfahren darstellt.
Ein Problem, das sich aus dem Einsatz paramagnetischer Kugeln innerhalb der Tropfen ergibt, betrifft die Schwierigkeit, diese Kugeln ohne Eingriff aus den Tropfen abzutrennen. Um es zu durchzuführen, wurde in der Nähe des Kanals eine elektromagnetische Spule mit einem daran angeschlossenem elektrischem Signal angebracht. Bei einem geeigneten Signal werden paramagnetische Kugeln innerhalb des Tropfens gesammelt, und anschließend abgetrennt, wonach sie zum anderen Tropfen mit einem anderen Reagens übertragen werden können. Dieses Verfahren gewährleistet einen sehr hohen Abtrennungsgrad – über 99%. Bei manchen genauen Assays muss aber eine Abtrennung von 100% Kugeln gewährleistet werden. Darüber hinaus, erschwert die Verwendung des Kanals mit rechteckigem Querschnitt, der in typischen, bei Herstellung der Mikrofluidiksysteme zum Einsatz kommenden Werkstoffen, wie PDMS und Polycarbonat, verhältnismäßig einfach hergestellt werden kann, die Abtrennung der Kugeln wegen der Bewegung der Flüssigkeit innerhalb der Tropfen.
Die Lösung dieses Problems bietet ein System gemäß der vorliegenden Erfindung an, das mehr als 99,9% Kugeln aus Tropfen durch Anlegung eines elektrischen Signals an die Elektromagnetspule auf Anforderung herauszuziehen erlaubt, wobei die Spule in der Nähe des mikrofluidischen Kanals, der sich durch eine bevorzugte Ausformung auszeichnet, angebracht ist.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben unerwartet entdeckt, dass das Verfahren zur Abtrennung der paramagnetischen Kugeln auf Anforderung nicht nur in Kanälen mit rundem Querschnitt, sondern auch in Kanälen mit quadratischem Querschnitt möglich ist, die einfacher zur praktischen Verwendung m sog. Lab on a chip sind.
Die Erfinder der vorliegenden Lösung haben unerwartet bemerkt, dass durch Änderung der Kanalausformung durch Aufweitung des Kanals auf einem kurzen Abschnitt (vergleichbar mit dem Kanaldurchmesser) die Effizienz der Abtrennung von 90% auf über 99%, und vorzugsweise auf über 99,9% bei einem Kanal mit rundem Querschnitt steigt. Die Erfinder der vorliegenden Lösung haben ebenfalls unerwartet bemerkt, dass eine ähnliche Profilierung des Kanals mit quadratischem Querschnitt die Abtrennung der Kugeln mit einer Effizienz von über 99%, und vorzugsweise bis über 99,9%, ermöglicht.
Gemäß der Erfindung, zeichnet sich das Verfahren zur Abtrennung von paramagnetischem Material aus einem Tropfen auf Anforderung, umfassend die Verlagerung des das paramagnetische Material enthaltenden Tropfens in einem mikrofluidischen Kanal, dadurch aus, dass ein Elektromagnet in der Nähe des mikrofluidischen Kanals angebracht und elektrische Spannung an die Spule des Elektromagneten mindestens zum Zeitpunkt, wenn der Tropfen sich in der Nähe des Elektromagneten befindet, angelegt wird.
Vorzugsweise, hat der mikrofluidische Kanal eine Mulde, das heißt einen Abschnitt, in dem die Querschnittfläche des Kanals vergrößert ist, und der Elektromagnet in der Nähe dieser Mulde angebracht wird.
Vorzugsweise, hat die Mulde eine Länge von 50% bis 200% der Breite des mikrofluidischen Kanals, vorzugsweise von 75% bis 100% der Breite des mikrofluidischen Kanals.
Vorzugsweise, hat die Mulde eine Breite von 25% bis 100% der Breite des mikrofluidischen Kanals, vorzugsweise von 25% bis 50% der Breite des mikrofluidischen Kanals.
Vorzugsweise, ist die Mulde symmetrisch zu dem mikrofluidischen Kanal gelegen.
Vorzugsweise, wird der Elektromagnet in der Mitte der Mulde angebracht.
Vorzugsweise, ist der Querschnitt des mikrofluidischen Kanals ein Kreis, ein Rechteck oder ein Quadrat.
Vorzugsweise, wird ein Elektromagnet mit rundem Ferritkern mit einem Durchmesser von 1,2 mm und 500 Kupferwindungen mit einem Durchmesser von 0,4 mm verwendet.
Die Erfindung umfasst auch ein System zur Abtrennung von paramagnetischem Material aus Tropfen auf Anforderung, umfassend einen mikrofluidischen Kanal, das sich dadurch auszeichnet, dass in der Nähe des mikrofluidischen Kanals ein Elektromagnet angebracht ist.
Vorzugsweise, im erfindungsgemäßen System, hat der mikrofluidische Kanal eine Mulde, das heißt einen Abschnitt, in dem die Querschnittfläche des Kanals vergrößert ist, und der Elektromagnet in der Nähe dieser Mulde angebracht wird.
Vorzugsweise, im erfindungsgemäßen System, hat die Mulde eine Länge von 50% bis 200% der Breite des mikrofluidischen Kanals, vorzugsweise von 75% bis 100% der Breite des mikrofluidischen Kanals.
Vorzugsweise, im erfindungsgemäßen System, hat die Mulde eine Breite von 25% bis 100% der Breite des mikrofluidischen Kanals, vorzugsweise von 25% bis 50% der Breite des mikrofluidischen Kanals.
Vorzugsweise, im erfindungsgemäßen System, ist die Mulde symmetrisch zu dem mikrofluidischen Kanal gelegen.
Vorzugsweise, im erfindungsgemäßen System, ist der Elektromagnet in der Mitte der Mulde angebracht.
Vorzugsweise, im erfindungsgemäßen System, ist der Querschnitt des mikrofluidischen Kanals ein Kreis, ein Rechteck oder ein Quadrat.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße System ein Elektromagnet mit rundem Ferritkern mit einem Durchmesser von 1,2 mm und 500 Kupferwindungen mit einem Durchmesser von 0,4 mm.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1–4 Aufnahmen, die aufeinanderfolgende Stufen des erfindungsgemäßen Trennverfahrens der paramagnetischen Kugeln aus dem Tropfen, gemäß Beispiel 1, darstellen;
5–8 Aufnahmen, die aufeinanderfolgende Stufen des erfindungsgemäßen Trennverfahrens der paramagnetischen Kugeln aus dem Tropfen, gemäß Beispiel 2, darstellen;
9 eine schematische Darstellung eines Abschnitts des mikrofluidischen Kanals mit quadratischem Querschnitt zusammen mit der Zeichnung des Querschnittes – gemäß Beispiel 1;
10 eine schematische Darstellung eines Abschnitts des mikrofluidischen Kanals mit rundem Querschnitt zusammen mit der Querschnittszeichnung – gemäß Beispiel 2;
11 Effizienz der Abtrennung paramagnetischer Kugeln in Abhängigkeit von den Profilierungsabmessungen für den Kanal mit quadratischem Querschnitt 800 × 800 μm², und
12 Effizienz der Abtrennung paramagnetischer Kugeln in Abhängigkeit von den Profilierungsabmessungen für den Kanal mit rundem Querschnitt mit einem Durchmesser von 740 μm.
In den nachstehend beschriebenen nichteinschränkenden Beispielen und Untersuchungen wurden Mikrofluidiksysteme aus Polycarbonat und Tropfen aus demineralisiertem Wasser verwendet. Als Trägerflüssigkeit wurde Hexadecan mit Zusatz von 0,5% Tensid benutzt. Die verwendeten paramagnetischen Kugeln waren aus Eisenoxid hergestellt und hatten einen Durchmesser von 1 oder 3 μm.
Beispiel 1
In einem der bevorzugten Ausführungsbeispiele umfasst das Verfahren zur Abtrennung von paramagnetischen Kugeln aus Tropfen in einem Mikrofluidiksystem die Verwendung eines Elektromagneten mit Ferritkern, der in einem kurzen Abstand (kürzer als 1 mm) von der Wand eines in Polycarbonatplatte ausgefrästen Kanals mit quadratischem Querschnitt angebracht ist. Der Kanal weist Querschnittsabmessungen 800 × 800 μm² auf, mit zusätzlicher Aufweitung auf 800 × 1200 μm² auf einer Länge von 600 μm. 1 zeigt einen Kanalabschnitt aus dem im Beispiel verwendeten Mikrofluidiksystem. Die Aufweitung des Kanals auf einem 600 μm langen Abschnitt ist erkennbar.
Wenn ein Tropfen mit der Suspension paramagnetischer Kugeln sich in der Nähe des Elektromagneten befindet, wird ein elektrischer Impuls dem Elektromagneten zugeführt, der ein magnetisches Feld mit ausreichender Stärke erzeugt, um die paramagnetischen Kugeln mit einer Kraft anzuziehen, die stärker als die Oberflächenspannung an der Wasser-Hexadecan-Grenzfläche ist. 2 zeigt die Tropfen mit den paramagnetischen Kugeln im Kanal. Die Kugeln werden mit dem Elektromagneten an eine Stelle zusammengezogen.
Die herausgezogenen Kugeln, zusammen mit einer geringen Flüssigkeitsmenge aus dem Tropfen, werden innerhalb des Kanals gehalten bis der nächste Tropfen ankommt. 3 zeigt die abgetrennten paramagnetischen Kugeln im Kanal. Nach Ankommen des nächsten Tropfens wird die Stromzufuhr zum Elektromagneten gestoppt, damit die Kugeln freigelassen werden und sich im gesamten Tropfenvolumen frei bewegen können. 4 zeigt paramagnetische Kugeln, die zum nächsten Tropfen freigelassen wurden. Das Verfahren kann mehrmals wiederholt werden, zum Beispiel bei Verwendung in den immunenzymatischen Verfahren vom ELISA-Typ.
Beispiel 2
In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren zur Abtrennung von paramagnetischen Kugeln aus dem Tropfen in einem Mikrofluidiksystem die Verwendung eines Elektromagneten mit Ferritkern, der in einem kurzen Abstand (kürzer als 1 mm) von der Wand einer Polyethylen-Kapillare mit rundem Querschnitt angebracht ist. Der Kanal weist einen runden Querschnitt mit einem Durchmesser von 740 μm auf, mit zusätzlicher Aufweitung auf 1200 μm auf einer Länge von 1000 μm. 5 zeigt einen Kapillarenabschnitt aus dem im Beispiel verwendeten Mikrofluidiksystem. Die Aufweitung der Kapillare auf einem 1000 μm langen Abschnitt ist erkennbar.
Wenn ein Tropfen mit der Suspension paramagnetischer Kugeln sich in der Nähe des Elektromagneten befindet, wird ein elektrischer Impuls dem Elektromagneten zugeführt, der ein magnetisches Feld mit ausreichender Stärke erzeugt, um die paramagnetischen Kugeln mit einer Kraft anzuziehen, die stärker als die Oberflächenspannung an der Wasser Hexadecan-Grenzfläche ist. 6 zeigt die Tropfen mit den paramagnetischen Kugeln in der Kapillare. Die Kugeln werden mit dem Elektromagneten an eine Stelle zusammengezogen.
Die herausgezogenen Kugeln, zusammen mit einer geringen Flüssigkeitsmenge, werden innerhalb der Kapillare gehalten bis der nächste Tropfen ankommt. 7 zeigt die abgetrennten paramagnetischen Kugeln in der Kapillare. Nach Ankommen des nächsten Tropfens wird die Stromzufuhr zum Elektromagneten gestoppt, damit die Kugeln freigelassen werden und sich im gesamten Tropfenvolumen frei bewegen können. 8 zeigt paramagnetische Kugeln, die zum nächsten Tropfen freigelassen wurden. Das Verfahren kann mehrmals wiederholt werden, zum Beispiel bei Verwendung in den immunenzymatischen Verfahren vom ELISA-Typ.
Die Effizienz der Abtrennung paramagnetischer Kugeln wurde in Abhängigkeit von den Abmessungen des quadratischen Kanals untersucht, was es ermöglichte, das optimale Design zu wählen (9 und 11). Eine ähnliche Analyse wurde für den Kanal mit rundem Querschnitt durchgeführt (10 und 12).
Danksagung
Die mit dem Erfindungsschutz verbundenen Gebühren wurden aus den Mitteln des Projekts NanOtechnology, Biomaterials and aLternative Energy Source for ERA integration FP7-REGPOT-CT-2011-285949-NOBLESSE finanziert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Anal. Chem., 2011, 83 (19), 7570–7576 [0003]
Anal. Chem., 2010, 82 (1), 49–52 (Dupont) [0004]
Anal. Chem. 2001, 73, 5896–5902 [0004]
Anal. Chem., 2011, 83 (19), 7570–7576 [0004]

Claims

Verfahren zur Abtrennung von paramagnetischem Material aus einem Tropfen auf Anforderung, umfassend die Verlagerung des das paramagnetische Material enthaltenden Tropfens in einem mikrofluidischen Kanal, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektromagnet in der Nähe des mikrofluidischen Kanals angebracht ist und elektrische Spannung an die Spule des Elektromagneten mindestens zum Zeitpunkt, wenn der Tropfen sich in der Nähe des Elektromagneten befindet, angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mikrofluidische Kanal eine Mulde hat, das heißt einen Abschnitt, in dem die Querschnittfläche des Kanals vergrößert ist, und der Elektromagnet in der Nähe dieser Mulde angebracht wird
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde eine Länge von 50% bis 200% der Breite des mikrofluidischen Kanals, vorzugsweise von 75% bis 100% der Breite des mikrofluidischen Kanals, hat.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde eine Breite von 25% bis 100% der Breite des mikrofluidischen Kanals, vorzugsweise von 25% bis 50% der Breite des mikrofluidischen Kanals, hat.
Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde symmetrisch zu dem mikrofluidischen Kanal gelegen ist.
Verfahren nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet in der Mitte der Mulde angebracht wird.
Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des mikrofluidischen Kanals ein Kreis, ein Rechteck oder ein Quadrat ist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektromagnet mit rundem Ferritkern mit einem Durchmesser von 1,2 mm und 500 Kupferwindungen mit einem Durchmesser von 0,4 mm verwendet wird.
System zur Abtrennung von paramagnetischem Material aus Tropfen auf Anforderung, umfassend einen mikrofluidischen Kanal, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe des mikrofluidischen Kanals ein Elektromagnet angebracht ist.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mikrofluidische Kanal eine Mulde hat, das heißt einen Abschnitt, in dem die Querschnittfläche des Kanals vergrößert ist, und der Elektromagnet in der Nähe dieser Mulde angebracht wird.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde eine Länge von 50% bis 200% der Breite des mikrofluidischen Kanals, vorzugsweise von 75% bis 100% der Breite des mikrofluidischen Kanals, hat.
System nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde eine Breite von 25% bis 100% der Breite des mikrofluidischen Kanals, vorzugsweise von 25% bis 50% der Breite des mikrofluidischen Kanals, hat.
System nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde symmetrisch zu dem mikrofluidischen Kanal gelegen ist.
System nach Anspruch 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet in der Mitte der Mulde angebracht ist.
System nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche von 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des mikrofluidischen Kanals ein Kreis, ein Rechteck oder ein Quadrat ist.
System nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche von 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Elektromagnet mit rundem Ferritkern mit einem Durchmesser von 1,2 mm und 500 Kupferwindungen mit einem Durchmesser von 0,4 mm umfasst.