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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Es ist beispielsweise bekannt, eine Diffusionskonstante eines Partikels unter Brownscher Bewegung mit Hilfe einer optischen Apparatur aus dessen Trajektorie zu bestimmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können nachzuweisende Partikel in einer Probe insbesondere dadurch nachgewiesen werden, dass magnetische Detektionspartikel, die mit den nachzuweisenden Partikeln eine Bindung eingehen können, magnetisch erfasst werden. Dabei kann insbesondere ein Bindungszustand der Detektionspartikel erkannt werden, der mit einer Fluktuation des erfassten Magnetfeldes in Bezug gesetzt werden kann.
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Vorteilhafterweise kann gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Prozesszeit oder Dauer zur Untersuchung von Proben bzw. zum Nachweis von Partikeln verkürzt werden. Auch kann ein qualitativer und zusätzlich oder alternativ ein quantitativer Nachweis von Partikeln erbracht werden. Ferner braucht einer Probe beispielsweise lediglich zumindest ein Detektionspartikel zugegeben werden, sodass auch Materialkosten reduziert werden können. Zudem kann eine Integrierbarkeit in sogenannte Westentaschenlaborsysteme bzw. Lab-on-Chip-Systeme vereinfacht werden. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann es auch ermöglicht werden, einzelne Partikel nachzuweisen. Nachweis bzw. Untersuchung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann kontaktfrei und ohne optisch transparenten Zugang zur Probe durchgeführt werden. Ferner kann eine Materialauswahl unter elektrischen Nichtleitern für solche Lab-on-Chip-Systeme vergrößert werden.
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Es wird ein Verfahren zum Nachweis von Partikeln in einer Probe vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Merkmale aufweist:
Einlesen eines Messsignals, das zumindest eine erfasste Eigenschaft eines sich mindestens durch eine Teilmenge der Probe hindurch erstreckenden Magnetfelds repräsentiert, von einer Schnittstelle zu mindestens einem Magnetfeldsensor, wobei der Probe magnetische Detektionspartikel zugegeben sind, die ausgebildet sind, um an die nachzuweisenden Partikel zu binden;
Ermitteln einer von den Detektionspartikeln abhängigen Fluktuationsstärke der zumindest einen Eigenschaft des Magnetfelds; und
Bestimmen eines Bindungszustands zumindest eines Detektionspartikels als ungebunden oder an ein nachzuweisendes Partikel gebunden in Abhängigkeit von der ermittelten Fluktuationsstärke, um die Partikel in der Probe nachzuweisen.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einer Vorrichtung oder einem Steuergerät implementiert sein. Bei der Probe kann es sich um eine flüssige Probe oder eine Probe in flüssigem Aggregatzustand handeln. Dabei kann die Probe in einem Behälter angeordnet sein und optional gerührt werden. Dabei kann der Behälter als ein Gefäß oder ein Kanal ausgeformt sein, wobei die Probe optional durch den Behälter hindurch bewegt werden kann. Die Fluktuationsstärke kann eine Schwankungsbreite des Messsignals repräsentieren.
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So kann beispielsweise mit Hilfe zumindest eines Magnetfeldsensors festgestellt werden, ob ein magnetisches Partikel an ein nachzuweisendes Partikel, insbesondere ein biologisches Partikel wie zum Beispiel eine Zelle, gebunden ist, ohne beispielsweise einen aufwendigen lmmunoassay-Workflow zu durchlaufen. Ein Verfahren zum Nachweis von Partikeln in Gestalt von Zellen kann für mikrofluidische Lab-on-Chip-Systeme zur medizinischen Diagnostik verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Bestimmens der Bindungszustand als ungebunden bestimmt werden, wenn die Fluktuationsstärke in einem ersten Wertebereich liegt. Dabei kann im Schritt des Bestimmens der Bindungszustand als an ein nachzuweisendes Partikel gebunden bestimmt werden, wenn die Fluktuationsstärke in einem zweiten Wertebereich liegt, der geringere Fluktuationsstärken als der erste Wertebereich repräsentiert. Die Fluktuationsstärke eines ungebundenen Detektionspartikels kann größer sein als die Fluktuationsstärke eines an ein nachzuweisendes Partikel gebundenen Detektionspartikels. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der Bindungszustand zuverlässig bestimmt werden kann und somit ein genauer und sicherer Nachweis eines Vorhandenseins oder Fehlens nachzuweisende Partikel ermöglicht wird.
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Auch kann im Schritt des Einlesens ein Messsignal eingelesen werden, das eine Stärke des Magnetfeldes und zusätzlich oder alternativ eine Richtung des Magnetfeldes über die Zeit repräsentiert. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Genauigkeit einer Erfassung des zumindest einen magnetischen Detektionspartikels bzw. einer dadurch bewirkten Magnetfeldänderung erhöht werden kann.
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Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Zugebens einer vordefinierten Menge der magnetischen Detektionspartikel zu der Probe aufweisen. Hierbei können die Detektionspartikel in einer Flüssigkeit, Lösung oder dergleichen enthalten sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Konzentration der Detektionspartikel in der Probe genau eingestellt werden kann. Auch kann hierbei beispielsweise die Konzentration der Detektionspartikel in der Probe so eingestellt werden, dass sich jeweils ein Detektionspartikel im Bereich des Magnetfeldsensors befindet, um eine Messgenauigkeit zu erhöhen.
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Dabei können im Schritt des Zugebens Detektionspartikel zugegeben werden, die ausgebildet sind, um an Antikörper und zusätzlich oder alternativ an Oberflächenproteine der nachzuweisenden Partikel zu binden. Hierbei können die nachzuweisenden Partikel biologische Partikel sein. Zusätzlich oder alternativ können im Schritt des Zugebens magnetische Detektionspartikel zu der Probe zugegeben werden. Somit können gemäß einer Ausführungsform die Detektionspartikel einen magnetischen Abschnitt und einen Bindungsabschnitt, insbesondere einen Antikörperabschnitt oder dergleichen, aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass beispielsweise Zellen oder Mikroorganismen spezifisch und zuverlässig nachgewiesen werden können. Im Falle von paramagnetischen Detektionspartikeln kann eine Erfassungsgenauigkeit weiter verbessert werden, wobei zusätzlich insbesondere eine Kalibrierung des mindestens einen Magnetfeldsensors und des Nachweisverfahrens ermöglicht oder erleichtert werden kann.
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Zudem kann das Verfahren einen Schritt des Erzeugens des Magnetfeldes aufweisen. Hierbei kann das im Schritt des Einlesens eingelesene Messsignal zumindest eine Eigenschaft des erzeugten Magnetfeldes repräsentieren. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass durch das zumindest eine Detektionspartikel bewirkte Fluktuationen des erzeugten Magnetfeldes zuverlässig und genau registriert werden können.
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Dabei kann im Schritt des Erzeugens ein homogenes Magnetfeld als das Magnetfeld erzeugt werden. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des erzeugen ein Magnetfeld erzeugt werden, das ausgebildet ist, um zumindest ein Detektionspartikel benachbart zu dem mindestens einen Magnetfeldsensor zu immobilisieren. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass durch ein homogenes Magnetfeld eine Rotation der Detektionspartikel unterbunden und so eine Nachweisgenauigkeit erhöht werden kann, wobei durch ein magnetisches Festhalten der Detektionspartikel auch in einer strömenden Probe ein genauer Nachweis an einzelnen Detektionspartikeln durchgeführt werden kann. Ferner kann durch die Immobilisierung ein Detektionspartikel relativ zu einem Magnetfeldsensor exakt positioniert werden.
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Auch kann das Verfahren einen Schritt des Umwälzens der Probe mit den zugegebenen Detektionspartikeln aufweisen. Hierbei kann der Schritt des Umwälzens vor, während und zusätzlich oder alternativ nach einem Erfassen der zumindest einen Eigenschaft des Magnetfeldes ausführbar sein. Dabei kann die Probe unter Verwendung einer Pumpe oder eines Rührers umgewälzt werden. Insbesondere kann die Probe zwischen einem Bestimmen des Bindungszustandes eines ersten Detektionspartikels und einem Bestimmen des Bindungszustandes eines zweiten Detektionspartikels umgewälzt werden. Alternativ kann die Probe kontinuierlich umgewälzt werden, wobei Zeitintervalle zwischen dem Bestimmen des Bindungszustandes unterschiedlicher Detektionspartikel verkürzt sein können und niederfrequente Signalanteile aus dem Messsignal herausgefiltert werden können. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der Bindungszustand von Detektionspartikeln nacheinander bestimmt werden kann und zusätzlich oder alternativ eine Gesamtdauer des Nachweises gesenkt werden kann.
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Es wird auch eine Nachweisvorrichtung vorgestellt, die eingerichtet ist, um Schritte einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens in entsprechenden Einheiten auszuführen.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft somit ferner eine Nachweisvorrichtung bzw. Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch die Nachweisvorrichtung bzw. Vorrichtung eine Steuerung mindestens eines Magnetfeldsensors und zusätzlich oder alternativ zumindest eines Teilabschnittes eines mikrofluidischen Systems. Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise auf Sensorsignale wie die Messsignale zugreifen. Die Vorrichtung kann ausgebildet sein, um ansprechend auf das Messsignal, auf die ermittelte Fluktuationsstärke und zusätzlich oder alternativ auf den bestimmten Bindungszustand zumindest ein Ansteuersignal zu erzeugen und bereitzustellen oder auszugeben. Die Ansteuerung erfolgt über Aktoren wie Pumpen, Rührer und zusätzlich oder alternativ Einrichtungen zum Erzeugen eines Magnetfeldes.
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Es wird ferner ein mikrofluidisches System zum Untersuchen einer Probe vorgestellt, das folgende Merkmale aufweist:
eine Ausführungsform der vorstehend genannten Nachweisvorrichtung; und
eine Schnittstelle zum Koppeln mit dem mindestens einen Magnetfeldsensor, wobei das Messsignal über die Schnittstelle an die Nachweisvorrichtung übertragbar ist.
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In Verbindung mit dem mikrofluidischen System kann die Nachweisvorrichtung nach einer vorstehend genannten Ausführungsform vorteilhaft eingesetzt werden, um beim Untersuchen der Probe die Partikel nachzuweisen. Die Schnittstelle kann ausgebildet sein, um eine wieder lösbare mechanische und zusätzlich oder alternativ signalübertragungsfähige Verbindung zwischen dem mikrofluidischen System und dem mindestens einen Magnetfeldsensor herzustellen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das mikrofluidische System einen mikrofluidischen Kanal aufweisen, in dem die Probe führbar sein kann. Hierbei kann die Nachweisvorrichtung und zusätzlich oder alternativ die Schnittstelle benachbart zu dem mikrofluidischen Kanal angeordnet sein. Insbesondere kann das mikrofluidische System als ein sogenanntes Westentaschenlabor (LoC, Lab on Chip; Labor auf einem Chip) ausgeführt sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Untersuchung der Probe mit Nachweis der Partikel kostengünstig, platzsparend und reproduzierbar durchgeführt werden kann.
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Dabei kann die Schnittstelle ausgebildet sein, um den zumindest einen Magnetfeldsensor in Kontakt mit einer Wand des mikrofluidischen Kanals anzuordnen oder zu bewegen. Hierbei kann die Wand des mikrofluidischen Kanals elastisch sein, wobei die Schnittstelle ausgebildet sein kann, um die Wand des mikrofluidischen Kanals durch den zumindest einen Magnetfeldsensor zu verformen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Erfassungsgenauigkeit weiter gesteigert werden kann, da ein Abstand zwischen der Probe und dem zumindest einen Magnetfeldsensor minimiert werden kann.
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Auch kann das mikrofluidische System zumindest einen Magnetfeldsensor aufweisen, der mit der Schnittstelle abnehmbar gekoppelt oder koppelbar sein kann. Dabei kann der zumindest eine Magnetfeldsensor beispielsweise als ein eindimensionaler Magnetfeldsensor oder als ein dreidimensionaler Magnetfeldsensor ausgeführt sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein genauer Nachweis von Partikeln einerseits mit einfachen und kostengünstigen Mitteln durch einen eindimensionalen Sensor erreicht werden kann und andererseits eine Sicherheit bei der Detektion des Bindungszustands durch Einsatz eines dreidimensionalen Sensors weiter erhöht werden kann.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines mikrofluidischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Nachweis von Partikeln gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3 ein Diagramm von Magnetfeldstärken über der Zeit;
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4 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils eines mikrofluidischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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5 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils eines mikrofluidischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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Zunächst werden Grundlagen für Ausführungsbeispiele und Hintergründe der Untersuchung von Proben und des Nachweises von Partikeln erläutert. In der analytischen Chemie beispielsweise werden sogenannte Bioassays eingesetzt, um Substanzen wie Proteine, DNS-Moleküle (DNS, Desoxyribonukleinsäure) oder Zellen, beispielsweise Pathogene, Körperzellen oder zirkulierende Tumorzellen (CTCs, Circulating Tumor Cells), z. B. für diagnostische Zwecke nachzuweisen. Zum Nachweis von Zellen werden zum Beispiel häufig sogenannte lmmunoassays eingesetzt. Hierbei werden Detektionsantikörper genutzt, welche an ein bestimmtes Oberflächenprotein einer Zelle binden. Um die von den Detektionsantikörpern gebundenen Zellen zu erkennen, werden fluoreszierende Sonden oder magnetische Partikel, sogenannte Nachweisantikörper, eingesetzt, die entweder an den Detektionsantikörper oder an ein anderes Oberflächenprotein der Zelle binden. Ist der Detektionsantikörper an einer Oberfläche immobilisiert, können die Nachweisantikörper und damit auch die nachzuweisenden Zellen lokalisiert und detektiert werden, es handelt sich um einen sogenannten Sandwich-lmmunoassay. Immunoassays gibt es in vielfältigen Abwandlungen hiervon. Herkömmliche Immunoassays umfassen beispielsweise eine Abfolge von vielen Teilschritten, z. B. Zugabe Probe, Waschen (Überschuss entfernen), Zugabe Detektionsantikörper, Waschen, Zugabe Nachweisantikörper mit Sonde, Waschen, Nachweis. Solche lmmunoassays können aufwendig in der Durchführung sein. Das Endergebnis ist eine Information dahin gehend, ob die Sonden (z. B. magnetischen Partikel) an die nachzuweisenden Zellen gebunden haben oder nicht. Weiterhin kann optional bestimmt werden, wie viele Sonden an Zellen gebunden haben, um eine Konzentrationsbestimmung zu ermöglichen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines mikrofluidischen Systems 100 zum Untersuchen einer Probe 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Probe 102 enthält nachzuweisende Partikel 104. Ferner sind der Probe 102 magnetische Detektionspartikel 106 zugegeben. Die magnetischen Detektionspartikel sind ausgebildet, um an die nachzuweisenden Partikel 104 zu binden bzw. eine chemische, physikalische oder physikochemische Bindung mit den nachzuweisenden Partikeln 104 einzugehen.
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Das mikrofluidische System 100 weist eine Schnittstelle 110 und eine Nachweisvorrichtung 120 auf. Die Schnittstelle 110 ist ausgebildet, um eine Kopplung mit zumindest einem Magnetfeldsensor 130 zu ermöglichen. Anders ausgedrückt ist die Schnittstelle 110 mit zumindest einem Magnetfeldsensor 130 koppelbar ausgeformt. Die Kopplung zwischen der Schnittstelle 110 und dem zumindest einen Magnetfeldsensor 130 erfolgt hierbei mechanisch und/oder signalübertragungsfähig. Über die Schnittstelle 110 ist ein Messsignal 115 von einem mit der Schnittstelle 110 gekoppelten Magnetfeldsensor 130 an die Nachweisvorrichtung 120 übertragbar.
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In der Darstellung von 1 ist ein Magnetfeldsensor 130 mit der Schnittstelle 110 gekoppelt gezeigt. Dabei ist der Magnetfeldsensor 130 mit der Schnittstelle 110 abnehmbar gekoppelt. Der Magnetfeldsensor 130 ist ausgebildet, um zumindest eine Eigenschaft eines Magnetfeldes zu erfassen, das sich mindestens durch eine Teilmenge der Probe 102 hindurch erstreckt. Die zumindest eine Eigenschaft des Magnetfeldes ist hierbei insbesondere eine Stärke und/oder Richtung des Magnetfeldes über die Zeit. Ferner ist der Magnetfeldsensor 130 ausgebildet, um das Messsignal 115 bereitzustellen oder auszugeben. Das Messsignal 115 repräsentiert die zumindest eine erfasste Eigenschaft des Magnetfeldes.
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Die Nachweisvorrichtung 120 ist ausgebildet, um die nachzuweisenden Partikel 104 bzw. die Partikel 104 in der Probe 102 nachzuweisen. Dazu weist die Nachweisvorrichtung 120 eine Einleseeinrichtung 121, eine Ermittlungseinrichtung 122 und eine Bestimmungseinrichtung 123 auf. Die Nachweisvorrichtung 120 ist ausgebildet, um ansprechend auf das Messsignal 115 und/oder unter Verwendung des Messsignals 115 nachzuweisen, ob die Partikel 104 in der Probe 102 vorhanden sind oder nicht.
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Die Einleseeinrichtung 121 der Nachweisvorrichtung 120 ist ausgebildet, um das Messsignal 115 von der Schnittstelle 110 zu dem Magnetfeldsensor 130 einzulesen. Ferner ist die Einleseeinrichtung 121 ausgebildet, um das eingelesene Messsignal 115 an die Ermittlungseinrichtung 122 auszugeben oder der Ermittlungseinrichtung 122 bereitzustellen. Die Einleseeinrichtung 121 ist signalübertragungsfähig mit der Ermittlungseinrichtung 122 verbunden.
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Die Ermittlungseinrichtung 122 ist ausgebildet, um unter Verwendung des Messsignals 115 eine Fluktuationsstärke der durch das Messsignal 115 repräsentierten zumindest einen Eigenschaft des Magnetfeldes zu ermitteln. Die Fluktuationsstärke ist hierbei von den Detektionspartikeln 106 abhängig. Anders ausgedrückt ist die Fluktuationsstärke des Messsignals 115 bzw. der durch das Messsignal 115 repräsentierten zumindest einen Eigenschaft des Magnetfeldes von einem Vorhandensein zumindest eines Detektionspartikels 106 in dem Magnetfeld abhängig.
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Die Bestimmungseinrichtung 123 ist signalübertragungsfähig mit der Ermittlungseinrichtung 122 verbunden. Die Bestimmungseinrichtung 120 ist ausgebildet, um in Abhängigkeit von der durch die Ermittlungseinrichtung 122 ermittelten Fluktuationsstärke einen Bindungszustand zumindest eines Detektionspartikels 106 in dem Magnetfeld als ungebunden oder an ein nachzuweisendes Partikel 104 gebunden zu bestimmen. Anhand des bestimmten Bindungszustandes des zumindest einen Detektionspartikels 106 können die Partikel 104 in der Probe 102 qualitativ und/oder quantitativ nachgewiesen werden.
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Beispielsweise ist die Bestimmungseinrichtung 123 ausgebildet, um den Bindungszustand als ungebunden zu bestimmen, wenn die ermittelte Fluktuationsstärke in einem ersten Wertebereich liegt. Ferner ist die Bestimmungseinrichtung 123 ausgebildet, um den Bindungszustand als an ein nachzuweisendes Partikel 104 gebunden zu bestimmen, wenn die ermittelte Fluktuationsstärke in einem zweiten Wertebereich liegt. Dabei repräsentiert der zweite Wertebereich geringere Fluktuationsstärken als der erste Wertebereich. Somit entspricht eine geringere Fluktuationsstärke bzw. eine Fluktuationsstärke in dem zweiten Wertebereich einem gebundenen Zustand des Detektionspartikels 106, wobei eine höhere Fluktuationsstärke bzw. eine Fluktuationsstärke in dem ersten Wertebereich einem ungebundenen Zustand des Detektionspartikels 106 entspricht.
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Das mikrofluidische System 100 weist gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ferner einen mikrofluidischen Kanal 140 auf. Der mikrofluidische Kanal 140 ist ausgeformt, um die Probe 102 an dem Magnetfeldsensor 130 vorbei zu leiten. Somit ist die Probe 102 bei der Darstellung in 1 in dem mikrofluidischen Kanal 140 beinhaltet oder angeordnet.
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Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schnittstelle 110 mit dem angekoppelten Magnetfeldsensor 130 benachbart zu der Probe 102 bzw. zu dem mikrofluidischen Kanal 140 angeordnet. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist zusätzlich oder alternativ die Nachweisvorrichtung 120 benachbart zu der Probe 102 bzw. zu dem mikrofluidischen Kanal 140 angeordnet. Optional ist die Schnittstelle 110 ausgebildet, um den Magnetfeldsensor 130 in Kontakt mit einer Wand des mikrofluidischen Kanals 140 anzuordnen oder zu bewegen.
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Beispielsweise enthält die Probe 102 biologisches Material, wobei die nachzuweisenden Partikel 104 biologische Partikel sind, insbesondere Zellen, organische Moleküle oder dergleichen. Hierbei sind die Detektionspartikel 106 ausgebildet, um an Antikörper und/oder Oberflächenproteine der nachzuweisenden Partikel 104 zu binden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Detektionspartikel 106 zusätzlich oder alternativ als paramagnetische Detektionspartikel 106 ausgeführt sein.
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Das mikrofluidische System 100 weist gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Erzeugungseinrichtung 150 zum Erzeugen des Magnetfeldes auf. Insbesondere ist die Erzeugungseinrichtung 150 ausgebildet, um ein homogenes Magnetfeld zu erzeugen. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Erzeugungseinrichtung 150 ausgebildet, um ein Magnetfeld zu erzeugen, in dem zumindest ein Detektionspartikel 106 benachbart zu dem Magnetfeldsensor 130 immobilisierbar ist.
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Ferner weist das mikrofluidische System 100 gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine optionale Umwälzeinrichtung 160 auf. Die Umwälzeinrichtung 160 ist ausgebildet, um die Probe 102 zu bewegen bzw. umzuwälzen, insbesondere innerhalb des mikrofluidischen Kanals 140. Die Umwälzeinrichtung 160 ist beispielsweise als eine Pumpe oder ein Rührer ausgeführt.
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Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Nachweisvorrichtung 120 signalübertragungsfähig mit der Erzeugungseinrichtung 150 und der Umwälzeinrichtung 160 verbunden. Hierbei ist die Nachweisvorrichtung 120 ausgebildet, um zumindest ein Ansteuersignal 170 an die Erzeugungseinrichtung 150 und/oder die Umwälzeinrichtung 160 auszugeben. Somit sind die Erzeugungseinrichtung 150 und/oder die Umwälzeinrichtung 160 zumindest unter anderem durch das Ansteuersignal 170 von der Nachweisvorrichtung 120 ansteuerbar.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Nachweis von Partikeln in einer Probe gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 200 zum Nachweis ist in Verbindung mit der Nachweisvorrichtung aus 1 oder einer ähnlichen Nachweisvorrichtung ausführbar. Auch ist das Verfahren 200 zum Nachweis in Verbindung mit dem mikrofluidischen System aus 1 oder einem ähnlichen mikrofluidischen System ausführbar.
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Das Verfahren 200 zum Nachweis weist einen Schritt 210 des Einlesens eines Messsignals von einer Schnittstelle zu mindestens einem Magnetfeldsensor auf. Dabei repräsentiert das Messsignal zumindest eine erfasste Eigenschaft eines sich mindestens durch eine Teilmenge der Probe hindurch erstreckenden Magnetfelds. Der Probe sind magnetische Detektionspartikel zugegeben, die ausgebildet sind, um an die nachzuweisenden Partikel zu binden.
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In einem bezüglich des Schrittes 210 des Einlesens nachfolgend ausführbaren Schritt 220 des Ermittelns wird bei dem Verfahren 200 eine von den Detektionspartikel abhängige Fluktuationsstärke der zumindest einen Eigenschaft des Magnetfelds ermittelt. Ferner wird in einem Schritt 220 des Bestimmens daraufhin in Abhängigkeit von der im Schritt 220 des Ermittelns ermittelten Fluktuationsstärke ein Bindungszustand zumindest eines Detektionspartikels als ungebunden oder an ein nachzuweisendes Partikel gebunden bestimmt.
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Durch Ausführen der Schritte des Verfahrens 200 lassen sich die Partikel in der Probe qualitativ und/oder quantitativ nachweisen. Hierbei sind der Schritt 210 des Einlesens, der Schritt 220 des Ermittelns und der Schritt 230 des Bestimmens wiederholbar bzw. wiederholt ausführbar, beispielsweise für eine Mehrzahl von Detektionspartikeln nacheinander.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 200 zum Nachweis einen Schritt 240 des Zugebens einer vordefinierten Menge der magnetischen Detektionspartikel zu der Probe auf. Der Schritt 240 des Zugebens ist hierbei vor dem Schritt 210 des Einlesens ausführbar. Dabei können im Schritt 240 des Zugebens Detektionspartikel zugegeben werden, die ausgebildet sind, um an Antikörper und/oder Oberflächenproteine der nachzuweisenden Partikel zu binden, wenn die nachzuweisenden Partikel biologische Partikel sind. Zusätzlich oder alternativ können im Schritt 240 des Zugebens paramagnetische Detektionspartikel zu der Probe zugegeben werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 200 zum Nachweis einen Schritt 250 des Erzeugens auf, wobei das Magnetfeld erzeugt wird. Der Schritt 250 des Erzeugens ist hierbei vor dem Schritt 210 des Einlesens ausführbar. Lediglich beispielhaft ist der Schritt 250 des Erzeugens zwischen dem Schritt 240 des Zugebens und dem Schritt 210 des Einlesens ausführbar. Hierbei repräsentiert das im Schritt 210 des Einlesens eingelesene Messsignal zumindest eine Eigenschaft des im Schritt 250 des Erzeugens erzeugten Magnetfelds. Dabei wird optional im Schritt 250 des Erzeugens ein homogenes Magnetfeld als das Magnetfeld erzeugt. Zusätzlich oder alternativ wird im Schritt 250 des Erzeugens ein Magnetfeld erzeugt, das ausgebildet ist, um zumindest ein Detektionspartikel benachbart zu dem mindestens einen Magnetfeldsensor zu immobilisieren.
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Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 200 zum Nachweis einen Schritt 260 des Umwälzens der Probe mit den zugegebenen Detektionspartikeln auf. Der Schritt 260 des Umwälzens ist beispielsweise durch Rühren oder Pumpen der Probe umsetzbar. Dabei ist der Schritt 260 des Umwälzens optional vor dem Schritt 210 des Einlesens, parallel zu dem Schritt 210 des Einlesens, dem Schritt 220 des Ermittelns und dem Schritt 230 des Bestimmens, nach dem Schritt 230 des Bestimmens und/oder zwischen dem Schritt 230 des Bestimmens und einer nachfolgenden Durchführung des Schrittes 210 des Einlesens ausführbar.
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3 zeigt ein Diagramm von Magnetfeldstärken über der Zeit. Dabei ist an einer mit x beschrifteten Abszissenachse des Diagramms die Zeit aufgetragen, insbesondere in beliebigen Einheiten, wobei an einer mit y beschrifteten Ordinatenachse des Diagramms gemessene Magnetfeldstärken aufgetragen sind, die in Messsignalen repräsentiert sind. Bei den Messsignalen handelt es sich um mögliche Messsignale, die in der Nachweisvorrichtung aus 1 oder einer ähnlichen Nachweisvorrichtung bzw. dem mikrofluidischen System aus 1 oder einem ähnlichen mikrofluidischen System erzeugt, verwendet bzw. verarbeitet werden.
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Ein erster Graph 304 repräsentiert ein erstes Messsignal mit einer ersten Schwankungsbreite bzw. Fluktuationsstärke. Der erste Graph 304 repräsentiert ein Messsignal für ein an ein nachzuweisendes Partikel gebundenes Detektionspartikel. Dabei weist der erste Graph 304 eine geringe Fluktuationsstärke auf, d. h. die Änderungen des Signals innerhalb eines Zeitschritts sind gering.
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Ein zweiter Graph 306 repräsentiert ein zweites Messsignal mit einer zweiten Schwankungsbreite bzw. Fluktuationsstärke. Der zweite Graph 306 repräsentiert ein Messsignal für ein sich frei bewegendes Detektionspartikel ohne Bindung zu einem nachzuweisenden Partikel. Dabei weist der zweite Graph 306 eine hohe Fluktuationsstärke auf, d. h. die Änderungen des Signals innerhalb eines Zeitschritts sind hoch bzw. höher als bei dem ersten Graphen 304.
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Da sich Partikel frei in einer Flüssigkeit bewegen, vollziehen diese einen erratischen Pfad aufgrund von Stößen mit Flüssigkeitsmolekülen (Brownsche Bewegung). Ist eine Position eines Partikels über die Zeit rt bekannt, so ergibt sich für das mittlere Verschiebungsquadrat ohne äußere Kräfte ((rt+Δt – rt)2) = 2fD0Δt, (1) wobei f die Anzahl an Dimensionen, D0 den Diffusionskoeffizienten und Δt die Zeitspanne angibt, die zwischen der Messung der beiden Positionen rt+Δt und rt vergangen ist. Für ein sphärisches Partikel ist der Diffusionskoeffizient D0 umgekehrt proportional zum Radius des Partikels.
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Im Folgenden sei der Proportionalitätsfaktor 2 f D0 der Gleichung (1) allgemein als Fluktuationsstärke Φr bezeichnet.
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Zusätzlich zur Translation erzeugen die Stöße mit den Flüssigkeitsmolekülen eine erratische Rotation des Partikels.
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Bewegt sich ein magnetisches Partikel, wie das Detektionspartikel aus 1 bzw. 2, durch eine Flüssigkeit innerhalb eines Gefäßes, an deren Wand ein beispielsweise eindimensionaler Magnetfeldsensor, z. B. Hall-Sensor, AMR oder GMR Magnetometer, MEMS-Sensor oder SQUID, angebracht ist, so wird die gemessene Magnetfeldstärke über die Zeit fluktuieren. Ursache hierbei ist ein sich verändernder Abstand zwischen Partikel und Magnetfeldsensor und eine Änderung der Richtung des Magnetfelds aufgrund einer Rotation des Partikels. Aus der Messung der Feldstärke über die Zeit lässt sich analog zu Gleichung (1) eine Fluktuationsstärke ΦB bestimmen. Die Fluktuationsstärke ΦB ist umso höher, je kleiner das Partikel ist. Anders ausgedrückt wird die Fluktuationsstärke ΦB abnehmen, wenn das magnetische Detektionspartikel an ein nachzuweisendes Partikel, beispielsweise eine nachzuweisende Zelle oder dergleichen, gebunden ist, da sich das magnetische Detektionspartikel und das nachzuweisende Partikel gemeinsam durch die Probe bzw. die Flüssigkeit bewegen.
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4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Teils eines mikrofluidischen Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das mikrofluidische System 100 entspricht hierbei dem mikrofluidischen System aus 1 oder einem ähnlichen mikrofluidischen System, wobei in der Darstellung von 4 lediglich ein Teilabschnitt des mikrofluidischen Systems auf detailliertere Weise verglichen mit 1 gezeigt ist. Das mikrofluidische System 100 weist gemäß dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel einen polymeren Mehrschichtaufbau auf.
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So ist in 4 von dem mikrofluidischen System 100 der Magnetfeldsensor 130, der mikrofluidische Kanal 140, eine Haltevorrichtung 410 zum Halten des Magnetfeldsensors 130, ein erstes Polymersubstrat 441 mit dem mikrofluidischen Kanal 140, ein zweites Polymersubstrat 442, eine Polymermembran 444 und eine Aussparung 445 bzw. ein Aussparungsabschnitt 445 in dem zweiten Polymersubstrat 442 gezeigt.
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Die Schnittstelle zum Koppeln mit dem Magnetfeldsensor 130 ist hierbei als ein Teil der Haltevorrichtung 410 ausgeführt, der in 4 nicht explizit dargestellt ist. Alternativ kann die Haltevorrichtung 410 die Schnittstelle repräsentieren.
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Anders ausgedrückt zeigt 4 einen Querschnitt durch einen Mehrschichtaufbau des mikrofluidischen Systems 100, bestehend aus zwei Polymersubstraten 441 und 442, welche durch eine flexible Polymermembran 444 voneinander getrennt sind. In dem ersten Polymersubstrat 441 verläuft der mikrofluidische Kanal 140. In dem zweiten Polymersubstrat 442 ist der Aussparungsabschnitt 445 ausgeformt, sodass in diesem Bereich die Polymermembran 444 frei steht bzw. freiliegt. An der Haltevorrichtung 410 ist der Magnetfeldsensor 130 befestigt.
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Zur Durchführung einer Untersuchung einer Probe bzw. zum Nachweis von Partikeln in einer Probe, beispielsweise gemäß dem Verfahren aus 2 oder einem ähnlichen Verfahren, wird die Haltevorrichtung 410 in Richtung des Mehrschichtaufbaus geschoben, insbesondere in den Aussparungsabschnitt 445 hinein, bis der Magnetfeldsensor 130 Kontakt zur Polymermembran 444 hat.
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5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Teils eines mikrofluidischen Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Hierbei entspricht das mikrofluidische System 100 in 5 dem mikrofluidischen System aus 4 bzw. entspricht die Darstellung in 5 der Darstellung aus 4 mit Ausnahme dessen, dass der an der Haltevorrichtung 410 befestigte Magnetfeldsensor 130 in 5 in Kontakt mit der Polymermembran 444 angeordnet bzw. bewegt ist.
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Gemäß dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Magnetfeldsensor 130 dabei in die Polymermembran 444 gedrückt, sodass die Polymermembran 444 verformt wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Magnetfeldsensor 130 einen vollen Kontakt zur Polymermembran 444 hat und damit nah an einer Probe liegt, wenn diese durch den mikrofluidischen Kanal 140 geleitet wird.
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Unter Bezugnahme auf 1, 4 bzw. 5 werden nachfolgend Beispiele für Größen, Materialien und Abmessungen dargelegt.
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Ein Erfassungsintervall oder Messintervall Δt kann beispielsweise 1 Mikrosekunde bis 100 Millisekunden, insbesondere 100 Mikrosekunden bis 10 Millisekunden betragen. Eine Messdauer pro Partikel kann bei Ausführungsbeispielen ohne Umwälzung bzw. Fluss 10 Sekunden bis 10 Minuten, bei Ausführungsbeispielen mit Umwälzung bzw. Fluss, d. h. einer Aufenthaltsdauer des Detektionspartikels 106 im Detektionsbereich des Magnetfeldsensors 130, beispielsweise 500 Millisekunden bis 30 Sekunden betragen. Eine Feldstärke eines homogenen Magnetfelds kann beispielsweise 10 Mikrotesla bis 1000 Millitesla, insbesondere 500 Mikrotesla bis 500 Millitesla betragen. Ein Durchmesser der magnetischen Detektionspartikel 106 kann beispielsweise 100 Nanometer bis 100 Mikrometer, insbesondere 500 Nanometer bis 10 Mikrometer betragen.
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Materialbeispiele für die Polymersubstrate 441 und 442 umfassen Polymere, insbesondere Thermoplaste, z. B. PC, PP, PE, PMMA, COP, COC, wobei für die Polymermembran 444 beispielsweise Elastomere, thermoplastische Elastomere, Thermoplaste, Heißklebefolien oder dergleichen verwendet werden können.
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Eine Dicke der Polymersubstrate 441 und 442 kann beispielsweise 0,1 Millimeter bis 10 Millimeter, insbesondere 1 Millimeter bis 3 Millimeter betragen. Eine Dicke der Polymermembran 444 kann beispielsweise 5 Mikrometer bis 500 Mikrometer, insbesondere 50 Mikrometer bis 150 Mikrometer betragen. Querschnittsabmessungen des mikrofluidischen Kanals 140 können 10 mal 10 Quadratmikrometer bis 3 mal 3 Quadratmillimeter, insbesondere 100 mal 100 Quadratmikrometer bis 1 mal 1 Quadratmillimeter betragen.
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Unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 werden nachfolgend Ausführungsbeispiele, Grundlagen und Vorteile zusammenfassend und/oder mit anderen Worten erläutert.
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Bei dem Verfahren 200 zum Nachweis von Partikeln 104 bzw. Zellen werden magnetische Detektionspartikel 106 eingesetzt, welche im Fall von Immunoassays durch eine Immunreaktion spezifisch an nachzuweisende Zellen bzw. Partikel 104 binden. Nach Zugabe der Detektionspartikel 106 in die Probe 102 wird der Magnetfeldsensor 130 genutzt, um die Stärke und/oder Richtung des Magnetfelds über die Zeit von zumindest einem Detektionspartikel 106 in zumindest einer räumlichen Dimension zu bestimmen. Aus dem aufgenommenen Messsignal 115 wird im nächsten Schritt 220 die Fluktuationsstärke ermittelt. Die Fluktuationsstärke für ein Detektionspartikel 106 ohne Bindung zu einer Zelle bzw. einem Partikel 104 unterscheidet sich von der eines Detektionspartikels 106 mit Bindung zu einer Zelle bzw. einem Partikel 104. Damit ist es möglich, das Vorhandensein der nachzuweisenden Zellen bzw. Partikel 104 über die Fluktuationsstärke zu bestimmen.
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Das mikrofluidische System 100 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel als ein polymerer Mehrschichtaufbau ausgeführt, welcher eine Schnittstelle 110 zu dem beispielsweise einen Magnetfeldsensor 130 aufweist. Der Magnetfeldsensor 130 kann in oder benachbart zu einer Ansteuerungseinheit für das Lab-on-Chip-System bzw. mikrofluidische System 100 angeordnet sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren zum Nachweis folgende Schritte auf:
Bereitstellen einer Probe 102 in einem Probengefäß;
Bereitstellen eines Magnetfeldsensors 130 in der Nähe des Probengefäßes, insbesondere in Kontakt mit der Wand des Probengefäßes;
Zugeben 240 von magnetischen Detektionspartikeln 106, beispielsweise suspendiert in einer Flüssigkeit, wobei die Detektionspartikel 106 an die nachzuweisenden Zellen bzw. Partikel 104 binden, beispielsweise mit Antikörpern;
Messen bzw. Erfassen der Magnetfeldstärke über die Zeit; Berechnen bzw. Ermitteln 220 der Fluktuationsstärke ΦB, wie beispielsweise mit Bezug auf 3 beschrieben; und
Bestimmen 230 des Bindungszustands aus der Fluktuationsstärke.
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Die Konzentration der magnetischen Detektionspartikel 106 wird dabei im Schritt 240 des Zugebens beispielsweise so gewählt, dass jeweils lediglich ein einzelnes Detektionspartikel 106 innerhalb einer Reichweite des Magnetfeldsensors 130 angeordnet ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird bei dem Verfahren 200 zum Nachweis nach der Messung eines Detektionspartikels 106 und Identifikation dessen Bindungszustandes der Schritt 260 des Umwälzens ausgeführt, sodass eine Umwälzung der Probe 102 erfolgt und ein anderes Detektionspartikel 106 gemessen werden kann. Die Umwälzung kann beispielsweise über einen Rührer oder durch externe/interne Pumpen erfolgen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein dreidimensionaler Magnetfeldsensor 130 verwendet. Damit ist es möglich, einen Rotationsanteil der Fluktuationsstärke zumindest teilweise von einem Translationsanteil zu separieren. Ein solches Ausführungsbeispiel hat insbesondere den Vorteil, dass der Bindungszustand über zwei separate Größen, d. h. Rotationsanteil und Translationsanteil, bestimmt werden kann und damit eine noch höhere Sicherheit bei der Detektion des Bindungszustands erreicht werden kann.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Probe 102 innerhalb der Reichweite des Magnetfeldsensors 130 zumindest während des Messvorgangs von einem homogenen Magnetfeld durchsetzt, erzeugt im Schritt 250 des Erzeugens z. B. über eine Helmholtz-Spulen-Anordnung. Auf diese Weise richten sich die magnetischen Momente der Detektionspartikel 106 innerhalb des homogenen Magnetfelds aus und eine Rotationsbewegung wird unterbunden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden im Schritt 240 des Zugebens paramagnetische Detektionspartikel 106 eingesetzt. Hierdurch wird das magnetische Moment der Detektionspartikel 106 in Kombination mit dem homogenen Magnetfeld ausgebildet. Dieses Ausführungsbeispiel hat insbesondere den Vorteil, dass die Detektionspartikel 106 in der Probe 102 außerhalb des homogenen Magnetfelds keine attraktive Wechselwirkung aufeinander ausüben und somit eine Koagulation der Detektionspartikel 106 verhindert wird.
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Die Tatsache, dass die Rotationsbewegung der Detektionspartikel 106 auf die vorstehend genannten Arten unterbunden wird, bringt den Vorteil, dass die gemessene Feldstärke H lediglich eine Funktion des Abstands d zum Magnetfeldsensor 130 ist. Ist diese Funktion bekannt, beispielsweise durch entsprechende Simulationen, lässt sich aus dem Messsignal H(t) 115 direkt eine Trajektorie d(t) der Detektionspartikel 106 ableiten. Mit Hilfe von Gleichung (1) kann damit aus der Trajektorie d(t) der Diffusionskoeffizient D0 und damit der Radius des Detektionspartikels 106 berechnet werden. Dies hat den Vorteil, dass als Messwert eine bekannte Größe, der Radius des freien bzw. ungebundenen Detektionspartikels 106, erhalten wird und damit beispielsweise eine exakte und zuverlässige Kalibrierung vorgenommen werden kann. Hierbei ist es günstig, zusätzlich zu berücksichtigen, dass der Diffusionskoeffizient D0 in der Nähe einer Wand nicht konstant ist, sondern vom Abstand zur Wand abhängt. Der Diffusionskoeffizient D0 beim Abstand z von der Wand kann aus der Trajektorie d(t) ermittelt werden, wenn für jeden Abstand z Gleichung (1) mit der Bedingung zstart = z ausgewertet wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass der Diffusionskoeffizient D0 und damit der Radius noch genauer ermittelt werden können.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Magnetfeldsensor 130 in Kontakt zu dem mikrofluidischen Kanal 140 angeordnet und die Probe 102 inklusive der magnetischen Detektionspartikel 106 wird durch den mikrofluidischen Kanal 140 gepumpt, beispielsweise durch externe oder mikrofluidisch integrierte Pumpen. Sobald ein Detektionspartikel 106 am Magnetfeldsensor 130 ein Messsignal 115 erzeugt, wird der Fluss gestoppt und der Bindungszustand des Detektionspartikels 106 ausgewertet. Anschließend wird der Vorgang für das nächste Detektionspartikel 106 wiederholt. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass der Bindungszustand jedes Detektionspartikels 106 genau einmal bestimmt werden kann. Zusätzlich kann das Detektionspartikel 106 genau über dem Magnetfeldsensor 130 positioniert werden, sodass ein hohes Messsignal 115 erzeugt werden kann. Außerdem erlaubt dies, die Anzahl an Detektionspartikeln 106 zu bestimmen, welche jeweils an eine nachzuweisende Zelle bzw. ein nachzuweisendes Partikel 104 gebunden haben und welche nicht. Auf diese Weise lässt sich eine Konzentration der nachzuweisenden Zellen bzw. Partikel 104 abschätzen.
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Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Magnetfeld im Schritt 250 des Erzeugens so erzeugt werden, dass für das Detektionspartikel 106 ein Potentialtopf in der Nähe des Magnetfeldsensors 130 entsteht, d. h. im Sinne eines sogenannten Magnetic Tweezers. Auf diese Weise kann das Detektionspartikel 106 noch genauer in der Nähe des Magnetfeldsensors 130 gehalten werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Probe 102 im Schritt 260 des Umwälzens kontinuierlich durch den mikrofluidischen Kanal 140 gepumpt und die Messung der Detektionspartikel 106 während des Vorbeifließens am Magnetfeldsensor 130 durchgeführt. Dabei ist es vorteilhaft, vor der Auswertung des Messsignals 115 niederfrequente Anteile am Messsignal 115 zu verwerfen, die durch den veränderlichen Abstand zum Magnetfeldsensor 130 beim Vorbeifließen entstehen. Zusätzlich ist es sinnvoll, das Intervall Δt zwischen Messungen möglichst klein zu halten, um den Anteil des Signals zwischen zwei Messpunkten zu minimieren, der durch die konstante Relativbewegung zwischen Detektionspartikel 106 und Magnetfeldsensor 130 hervorgerufen wird. Um die aufgenommene Datenmenge pro Detektionspartikel 106 und damit die Genauigkeit der Messung zu erhöhen, kann die am Magnetfeldsensor 130 vorbeigeleitete Flüssigkeit bzw. Probe 102 zumindest ein zweites Mal an dem Magnetfeldsensor 130 vorbei geleitet werden. Damit lässt sich die Wahrscheinlichkeit bestimmen, dass ein Detektionspartikel 106 an eine nachzuweisende Zelle bzw. ein nachzuweisendes Partikel 104 gebunden hat. Über die bekannte Konzentration der Detektionspartikel 106 lässt sich damit auch die Konzentration der nachzuweisenden Zellen bzw. Partikel 104 ermitteln.
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Lab-on-Chip-Systeme bzw. mikrofluidische Systeme 100 weisen häufig Wegwerfteile auf, welche nur für eine Messung verwendet werden. Für die Anwendung des Verfahrens 200 zum Nachweis ist es daher vorteilhaft, den Magnetfeldsensor abnehmbar mit einem Wegwerfbauteil zu koppeln, also eine Schnittstelle 110 zu dem Magnetfeldsensor 130 anzubieten, welcher in einer Ansteuerungseinheit für das Lab-on-Chip-System angeordnet sein kann. So lassen sich Kosten für das Lab-on-Chip-System bzw. mikrofluidische System 100 reduzieren. Außerdem können aufwendigere und genauere Magnetfeldsensoren 130 eingesetzt werden.
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Der vorstehend genannte, aus vielen Schritten bestehende lmmunoassay-Workflow kann gemäß Ausführungsbeispielen verkürzt werden. Es entfallen beispielsweise alle Waschschritte und der Probe 102 braucht lediglich eine Substanz zugegeben werden, ein Puffer mit funktionalisierten magnetischen Detektionspartikeln 106. Hierdurch können Prozesszeiten und Materialkosten reduziert werden. Zusätzlich kann der verkürzte Workflow einfacher in Lab-on-Chip-Systeme bzw. mikrofluidische Systeme 100 integriert werden.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Nachweisverfahren brauchen lediglich wenige Sonden, wie beispielsweise magnetische Detektionspartikel 106 oder fluoreszenzmarkierte Moleküle, eingesetzt werden, um ein verwertbares Messsignal 115 zu erhalten. Das Verfahren 200 zum Nachweis ermöglicht es, den Bindungszustand eines einzelnen magnetischen Detektionspartikels 106 zu bestimmen. Hierdurch ist es möglich, eine einzelne Zelle bzw. ein einzelnes Partikel 104 nachzuweisen.
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Die Detektionsmethode des Verfahrens 200 zum Nachweis bzw. unter Verwendung der Nachweisvorrichtung 120 und des mikrofluidischen Systems 100 ist kontaktfrei und kommt ohne optisch transparenten Zugang aus. Da Magnetfelder nichtleitende Stoffe in der Regel ohne nennenswerte Dämpfung durchdringen, ergeben sich große Freiheiten in der Materialauswahl.
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Insbesondere ist es möglich, das Verfahren 200 zum Nachweis auch durch die Haut eines Patienten für magnetische Detektionspartikel 106 in einem Blutgefäß anzuwenden. Damit können einem Patienten magnetische Beads als Detektionspartikel 106 injiziert werden, deren Bindungszustand kontinuierlich überwacht werden kann, beispielsweise über einen Magnetfeldsensor 130 am Handgelenk, z. B. integriert in eine Smartwatch oder dergleichen. Dies kann beispielswiese zur Früherkennung von Krebs, Pathogenen, Viren oder zur Verlaufskontrolle von Therapien eingesetzt werden.
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Im Gegensatz zu Lab-on-Chip-Systemen mit Magnetfeldsensoren, welche direkt in Teile zur einmaligen Verwendung integriert sind, ermöglicht die Schnittstelle 110, einen beispielsweise im Ansteuerungssystem für das Lab-on-Chip-System 100 befindlichen Magnetfeldsensor 130 in direkter Nähe zur Probe 102 zu positionieren. Da der Magnetfeldsensor 130 mehrfach bzw. in mehreren mikrofluidischen Systemen 100 genutzt werden kann, können Kosten für ein Lab-on-Chip-System bzw. mikrofluidisches System 100 gesenkt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.