DE102019210697A1

DE102019210697A1 - Lab-on-Chip-System mit mindestens einem funktionalisierten Abschnitt

Info

Publication number: DE102019210697A1
Application number: DE102019210697.8A
Authority: DE
Inventors: Hannah Bott
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2021-01-21
Also published as: WO2021013595A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lab-on-Chip-System (1) mit mindestens einem funktionalisierten Abschnitt (14, 41, 51), der zur Anhaftung von Probenbestandteilen (32) eingerichtet ist, wobei der funktionalisierte Abschnitt (14, 41, 51) eine definierte Länge und/oder eine definierte Fläche aufweist, um eine quantifizierbare Isolation von Probenbestandteilen (32) zu ermöglichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lab-on-Chip-System mit mindestens einem funktionalisierten Abschnitt sowie ein Verfahren zur Verwendung des Lab-on-Chip-Systems. Insbesondere werden dabei ein mikrofluidisches System und ein mikrofluidischer Prozess zur quantitativen on-Chip Isolation von Probenmaterial angegeben.
Stand der Technik
Mikrofluidische Systeme erlauben das Analysieren von kleinen Probenmengen mit einer hohen Sensitivität. Die Automatisierung, Miniaturisierung und Parallelisierung der Prozesse erlaubt zudem eine Reduktion von händischen Schritten, sowie eine Verminderung von dadurch verursachten Fehlern.
Daraus ergibt sich die Möglichkeit, eine Patienten-Probe, wie zum Beispiel Blut, direkt am Point-of-care zu untersuchen und auszuwerten. Dabei sollte eine schnelle Probenanalyse angestrebt werden, ohne komplizierte und zeitintensive Arbeitsschritte, die von geschultem Personal in Zentrallaboren ausgeführt werden müssten. Dies kann durch ein Lab-on-Chip-(LoC-)System realisiert werden. LoC-Systeme werden für verschiedene Anwendungen eingesetzt. In einem Netzwerksystem von Kanälen und Kammern auf mikrofluidischer Basis können die verschiedenen Problemstellungen bearbeitet und unterschiedliche Abläufe programmiert werden. Bei der Konzipierung eines LoC-Systems ist es unter anderem gewünscht, die Isolation der Analyten aus der Probe zu ermöglichen, die in die Eingabekammer des Chips, dem sogenannten World-to-chip Interface, gegeben wird. Die Proben können hierbei komplexe Multikomponentenfluide, wie zum Beispiel Blut, Urin, Atemkondensat oder Liquor sein.
Blut ist beispielsweise in vielen in-vitro Diagnostiktest das Trägermaterial der zu analysierenden Probe. Um das entsprechenden Probenmaterial für die Analyse aus dem Blut zu isolieren, werden im herkömmlichen Laborbetrieb gewöhnlich mehrere, manuelle Aufreinigungsschritte durchgeführt. Dazu gehört die Lyse von Zellen im Ausgangsmaterial, die Anbindung des Probenmaterials, wie z.B. DNA, an einen Filter, sowie das Waschen und Eluieren des isolierten Probenmaterials. Insbesondere wird bei der Aufreinigung in der Regel auch die vorhandene Probemenge bestimmt, indem die Anzahl an Zellen gemessen wird. Dies ist insbesondere durchzuführen, wenn für die anschließende Nachweisreaktion eine definierte Probenmenge benötigt wird, um eine quantitative Aussage treffen zu können. Außerdem ist es so auch möglich die Konzentration an Probe durch Verdünnung in den Bereich einer vorgegebenen Ausgangskonzentration zu bringen.
Eine Anforderung an ein LoC-System ist es daher, die Schritte zur Aufreinigung einer Probe in das mikrofluidische Netzwerk zu integrieren. Oft ist dazu jedoch ein Re-Design der mikrofluidischen Komponenten notwendig. Eine universelle Plattform für verschiedene Anwendungen ist somit mit hohen Entwicklungskosten verbunden. Mögliche Lösungen, um dieses Problem zu umgehen, sind eine teilweise Oberflächenfunktionalisierung des Systems, eine angepasste Fluidführung und der Einsatz unterschiedlicher Fluidphasen. Hierdurch können mehrstufige, dynamische Verfahren, zum Beispiel zur Isolation von Probenmaterial, auf einem LoC-System integriert werden.
Offenbarung der Erfindung
Hier vorgeschlagen wird ein LoC-System mit mindestens einem funktionalisierten Abschnitt, der zur Anhaftung von Probenbestandteilen (insbesondere Probenmolekülen) eingerichtet ist, wobei der funktionalisierte Abschnitt eine definierte Länge und/oder eine definierte Fläche aufweist, um eine quantifizierbare Isolation von Probenbestandteilen (insbesondere Probenmolekülen) zu ermöglichen.
Bei dem LoC-System handelt es sich in der Regel um ein mikrofluidisches System, insbesondere zur Aufnahme und/oder Aufbereitung einer (Patienten- )Probe. Anwendung finden entsprechende mikrofluidische Systeme insbesondere zur Handhabung und/oder Verarbeitung einer Probe (unmittelbar) am sogenannten „Point-of-Care“.
Der mindestens eine funktionalisierte Abschnitt weist eine (vor-)definierte Länge und eine (vor-)definierte Fläche auf. Der funktionalisierte Abschnitt kann vorzugsweise mit einer Schicht von Oberflächenmolekülen bzw. Adhäsionsmolekülen versehen sein. Die Oberflächenmoleküle bzw. Adhäsionsmoleküle sind in der Regel dazu vorgesehen und eingerichtet (gezielt) die zu isolierenden Probenmoleküle in dem Abschnitt festzuhalten.
Bei den Probenbestandteilen handelt es sich insbesondere um Probenbestandteile bestimmter Art bzw. Sorte, die gezielt aus der Probe isoliert werden sollen. Bei den Probenbestandteilen kann es sich beispielsweise um Probenmoleküle (bestimmter Art bzw. Sorte) handeln. In der Regel handelt es sich bei den Probenbestandteilen um Probenmoleküle, die gezielt aus der Probe isoliert werden sollen. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei den Probenbestandteilen um Zellen handeln.
Insbesondere wenn in der Schicht eine definierte bzw. bekannte Dichte von Oberflächenmolekülen bzw. Adhäsionsmolekülen enthalten ist, kann bei in der Regel ebenfalls definierter bzw. bekannter Schichtdicke (und/oder definiertem bzw. bekanntem Schichtvolumen) aus der definierten Länge bzw. Fläche des funktionalisierten Abschnitts (direkt) auf die (weitestgehend exakte) Anzahl an Oberflächenmolekülen bzw. Adhäsionsmolekülen in dem Abschnitt rückgeschlossen werden. Damit dient der funktionalisierte Abschnitt mit seiner definierten Länge/Fläche mit anderen Worten insbesondere zur Bestimmung der (insbesondere maximal isolierbaren und/oder zu isolierenden) Zellanzahl.
Hiermit wird in vorteilhafter Weise eine automatisierte und gleichzeitig quantifizierbare Aufreinigung einer Probe in einem LoC-System ermöglicht. Die Probe kann zudem in ein anderes Medium mit bekanntem Volumen überführt werden. Die genannten Schritte können dabei entweder bereits im World-to-chip Interface, i.e. in der Probeneingabekammer, erfolgen oder im sich daran anschließenden Teil des mikrofluidischen Systems stattfinden.
Ein besonders vorteilhafter Aspekt des hier angegebenen LoC-Systems liegt in der definierten Oberflächenbeschichtung eines vorgegebenen Bereichs des LoC-Systems, und/oder dem Einsatz unterschiedlicher Fluidphasen und einer geeigneten Fluidführung dieser Phasen. Die Oberflächenbeschichtung kann dabei mit Adhäsionsmolekülen, die die zu separierenden Probenmoleküle spezifisch anbinden können, gebildet sein. Als Fluidphasen können neben der Probenflüssigkeit inerte Fluide als Waschpuffer eingesetzt werden und/oder Trägerreagenzien, die die angebundenen Probenmoleküle ablösen oder im Falle von Zellen diese lysieren können. Eine geeignete Fluidführung ist dabei in der Regle abhängig vom Diffusionskoeffizienten der zu separierenden Probenmoleküle und kann demnach so eingestellt werden, dass genug Partikel zur funktionalisierten Oberfläche diffundieren und dort angebunden werden können, sodass diese mit Probenmolekülen gesättigt werden kann.
Ein Vorteil des hier beschriebenen Ansatzes eines funktionalisierten Abschnitts definierter Länge und/oder Fläche (zur Bestimmung der Zellanzahl) ist, dass dieser universell in vielen mikrofluidischen Systemen anwendbar ist. Insbesondere wenn ein funktionalisierbarer Kanalabschnitt vorhanden ist, durch den die Probe und verschiedene Reagenzien gepumpt werden können.
Der beschriebene Ansatz eines funktionalisierten Abschnitts definierter Länge und/oder Fläche kann auf einer bereits bestehenden LoC-Plattform angewendet werden. Somit kann das Funktionsspektrum erweitert werden, ohne dass der Kern der Fluidik oder der Herstellungsprozess des Chips angepasst werden müssen.
In dem mindestens einen funktionalisierten Abschnitt können eine oder mehrere (voneinander verschiedene) Oberflächenbeschichtungen vorgesehen sein. Insbesondere durch einen Einsatz von unterschiedlichen Oberflächenbeschichtungen, die unterschiedliche Analyten spezifisch binden, können mehrere Proben auf demselben Chip simultan isoliert und prozessiert werden.
Weiterhin ist denkbar, dass die Kanaloberflächen des gesamten fluidischen Systems punktuell funktionalisiert und/oder zur Prozessierung der Fluide genutzt werden können. Bereiche, die zur späteren Analyse unberührt bleiben sollten, können dabei ausgespart werden.
Darüber hinaus kann auch eine sequentielle Prozessierung der vorgelagerten Reagenzien, Fluide und des Lyophilisats auf dem LoC vorteilhaft realisiert werden. Dies kann die Zugabe der benötigten Komponenten zum passenden Zeitpunkt ermöglichen.
Mit dem hier vorgeschlagenen Ansatz kann weiterhin die Gefahr des Zerfalls von fragilem Probenmaterial vorteilhaft verringert werden. Dies insbesondere, da Schritte zur Probenaufbereitung auf dem LoC integriert werden können und somit die zeitintensiven, händischen off-Chip-Schritte entfallen können.
Weiterhin kann die Isolation des Probenmaterials für viele Proben vorteilhaft standardisiert werten. Differierende Schritte können on-Chip, bzw. in der Probeneingabekammer durchgeführt werden. Dadurch kann für viele verschiedene LoC-Anwendungen vorteilhaft erreicht werden, dass keine zusätzliche Schulung des Personals notwendig ist.
Insbesondere ermöglichst die Funktionalisierung eines definierten Kanalbereichs bei einer saturierten Anbindung von Probenmaterial die Quantifizierung der isolierten Probe. Insbesondere für quantitative Analysen ist dies ein erheblicher Vorteil, da on Chip keine aufwändigen Zählschritte implementiert werden müssen.
Es kann auch vorgesehen sein, dass das Trägerreagenz, mit dem die Analyten von dem funktionalisierten Kanalabschnitt gelöst und zur Reaktionskammer transportiert werden, ein deutlich geringeres Volumen aufweist, als das ursprüngliche Volumen der zu analysierenden Probe. Somit kann nicht nur eine Isolierung der Analyten, sondern vorteilhaft auch eine Volumenreduktion stattfinden, was für viele mikrofluidische Analysen von Vorteil sein kann.
Weiterhin ist insbesondere auch eine Verdünnung des Probenmaterials möglich, insbesondere wenn ein größeres Volumen an Trägerreagenz verwendet wird. Darüber hinaus wird in vorteilhafter Weise für den vorgestellten Ansatz kein Filter auf dem Chip benötigt, dessen Einbau fertigungstechnisch und dessen Ansteuerung fluidisch eine Herausforderung bedeuten kann.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der funktionalisierte Abschnitt in einem Durchströmungskanal angeordnet ist. Der Durchströmungskanal beschreibt dabei in der Regel einen (mikrofluidischen) Kanal, der von der Probe durchströmbar ist.
In diesem Zusammenhang ist insbesondere vorgesehen, dass der Durchströmungskanal eine strömungstechnische Verbindung zwischen mindestens einem Eingabereservoir und mindestens einem Ausgabereservoir des LoC-Systems bildet. Bei dem Eingabereservoir kann es sich beispielsweise um eine Eingabekammer handeln, über welche die Probe in das (mikrofluidische) LoC-System eingebracht bzw. eingegeben werden kann. Bei dem Ausgabereservoir kann es sich um einen Auslass oder eine Prozessierungskammer des LoC-Systems handeln.
In diesem Zusammenhang kann weiterhin ein Querschnitt des Durchströmungskanals mindestens um den Faktor zehn (10) kleiner sein als ein Querschnitt des mindestens einen Eingabereservoirs und/oder des mindestens einen Ausgabereservoirs.
Insbesondere kann das LoC-System mindestens ein erstes Eingabereservoir und ein zweites Eingabereservoir sowie mindestens ein erstes Ausgabereservoir und mindestens ein zweites Ausgabereservoir aufweisen. Darüber hinaus kann das LoC-System weiter mindestens eine Ventilanordnung aufweisen, mit welcher die Eingabereservoire und/oder die Ausgabereservoire jeweils gezielt an den Durchströmungskanal angeschlossen werden können.
Bevorzugt ist, dass der funktionalisierte Abschnitt eine funktionalisierte Oberfläche mit adhäsiven Oberflächenmolekülen aufweist. Hierzu kann die funktionalisierte Oberfläche beispielsweise mit Adhäsionsmolekülen beschichtet sein, sodass dort Analyten anhaften können. Hierzu kann beispielsweise Fibronektin oder Poly-D-Lysin verwendet werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass entlang des Durchströmungskanals in einer Durchströmungsrichtung mindestens ein erster Abschnitt mit einer ersten funktionalisierten Oberfläche mit einer ersten Funktion und mindestens ein zweiter Abschnitt mit einer zweiten funktionalisierten Oberfläche mit einer zweiten Funktion angeordnet sind, wobei sich die erste Funktion und die zweite Funktion voneinander unterscheiden.
In diesem Zusammenhang kann auch vorgesehen sein, dass der Durchströmungskanal zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt mit einem Zwischenreservoir verbunden ist. Bei dem Zwischenreservoir kann es sich beispielsweise (wahlweise) um ein Eingabereservoir und/oder ein Ausgabereservoir handeln.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der funktionalisierte Abschnitt in einer Eingabekammer des LoC-System gebildet ist. Wenn mehrere funktionalisierte Abschnitte vorgesehen sind, kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass zumindest einer der dieser Abschnitte in der Eingabekammer gebildet ist.
Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Verfahren zur quantifizierbaren Isolation von Probenbestandteilen mit einem hier beschriebenen LoC-System vorgeschlagen, wobei eine Flussgeschwindigkeit einer Probe derart gewählt wird, dass ein anhaften von Probenbestandteilen in dem funktionalisierten Abschnitt begünstigt wird. Zur Begünstigung kann die Flussgeschwindigkeit beispielsweise so eingestellt werden, dass eine Mindestanzahl an Probenbestandteilen anhaften kann.
In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, wenn die Flussgeschwindigkeit derart gewählt wird, dass der funktionalisierte Abschnitt mit Probenbestandteilen gesättigt wird. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein Diffusionskoeffizient von Probenbestandteilen in der Probe bei der Bestimmung der Flussgeschwindigkeit berücksichtigt wird. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass ein Radius der Probenbestandteilen bei der Bestimmung der Flussgeschwindigkeit berücksichtigt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann zumindest einer der folgenden Parameter bei der Bestimmung der Flussgeschwindigkeit berücksichtigt oder für das Anhaften von Probenbestandteilen in dem funktionalisierten Abschnitt gezielt eingestellt werden:

- Visikosität der Probe,
- Temperatur der Probe.

Die im Zusammenhang mit dem LoC-System erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Verfahren auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigt schematisch:

1: ein erstes Beispiel für ein hier beschriebenes Lab-on-Chip-System,
2: einen möglichen mikrofluidischen Ablauf einer Probenaufreinigung mit dem System aus 1,
3: eine Detailansicht eines Durchströmungskanals für ein hier beschriebenes System,
4: ein zweites Beispiel für ein hier beschriebenes Lab-on-Chip-System, und
5: ein drittes Beispiel für ein hier beschriebenes Lab-on-Chip-System mit zugehörigem, beispielhaftem mikrofluidischem Ablauf.

1 zeigt schematisch ein erstes Beispiel für ein hier beschriebenes Lab-on-Chip-System 1. Das Lab-on-Chip-System 1 weist einen funktionalisierten Abschnitt 14 auf, der zur Anhaftung von Probenbestandteilen 32 eingerichtet ist, wobei der funktionalisierte Abschnitt 14 eine definierte Länge und/oder eine definierte Fläche aufweist, um eine quantifizierbare Isolation von Probenbestandteilen 32 zu ermöglichen.
Beispielhaft ist der funktionalisierte Abschnitt 14 in einem Durchströmungskanal 2 angeordnet. Zudem bildet der Durchströmungskanal 2 beispielsweise eine strömungstechnische Verbindung zwischen zwei Eingabereservoiren 10, 17 und zwei Ausgabereservoiren 15, 16 des Lab-on-Chip-Systems 1.
Es ist in 1 auch angedeutet, dass ein Querschnitt des Durchströmungskanals 2 mindestens um den Faktor 10 kleiner ist als ein Querschnitt des mindestens einen Eingabereservoirs 10, 17 und/oder des mindestens einen Ausgabereservoirs 15, 16.
Das Lab-on-Chip-System 1 gemäß 1 weist beispielhaft ein erstes Eingabereservoir 10 und ein zweites Eingabereservoir 17 sowie ein erstes Ausgabereservoir 15 und ein zweites Ausgabereservoir 16 auf. Zudem weist das Lab-on-Chip-System 1 eine Ventilanordnung 11 auf, mit welcher die Eingabereservoire 10, 17 und/oder die Ausgabereservoire 15, 16 jeweils gezielt an den Durchströmungskanal 2 angeschlossen werden können.
1 zeigt insbesondere mit anderen Worten insbesondere ein Grundbeispiel des vorgestellten Lab-on-Chip-Systems 1. Das System 1 hat ein Reservoir zur Probeneingabe 10, eine Pumpeinheit 11 sowie mindestens eine Reaktionskammer 15, eine Wastekammer 16 und eine Vorlagerungskammer 17. Der Zulauf zu den Kammern kann jeweils durch ein Ventil 12, 13 verschlossen werden. Zudem ist ein definierter Teil 14 des mikrofluidischen Kanalsystems funktionalisiert, das heißt die Kanaloberfläche wurde mit Adhäsionsmolekülen beschichtet, sodass dort Analyten anhaften können. Hierzu kann beispielsweise Fibronektin oder Poly-D-Lysin verwendet werden. Die Funktionalisierung des Kanalabschnitts wird hierbei beispielsweise so durchgeführt, dass die Fläche sowie die Konzentration der Adhäsionsmoleküle auf der Oberfläche auf die Anforderungen der Anwendung abgestimmt werden und bekannt sind.
2 zeigt schematisch einen möglichen mikrofluidischen Ablauf einer Probenaufreinigung mit dem System aus 1. Hierzu ist die 2 in die 2A bis 2E unterteilt, die einen beispielhaften Ablauf beschreiben.
In 2A wird eine Probe 20 ins Eingabereservoir 10 gegeben. In die Vorlagerungskammer 17 wird ein Trägermedium gegeben.
In 2B wird die Probe 20 durch den funktionalisierten Kanalbereich 14 in die Wastekammer 16 gepumpt. Hierbei wird die Flussgeschwindigkeit beispielhaft so eingestellt, dass die funktionalisierte Oberfläche vollständig mit Probenmolekülen gesättigt wird. Bestimmender Faktor für die maximale Flussgeschwindigkeit ist dabei insbesondere der Diffusionskoeffizient der zu separierenden Probe, der insbesondere neben dem hydrodynamischen Radius der Probenmoleküle auch von der Temperatur und der dynamischen Viskosität der Probenflüssigkeit abhängig ist. Wenn diese Parameter bekannt sind, kann die maximale Flussgeschwindigkeit bestimmt (z.B. modelliert) werden, ansonsten kann sie experimentell ermittelt werden, indem man die Aufreinigungseffizienzen bei verschiedenen Flussgeschwindigkeiten bestimmt.
Somit veranschaulicht 2 auch ein Verfahren zur quantifizierbaren Isolation von Probenbestandteilen 32 mit dem Lab-on-Chip-System, bei dem eine Flussgeschwindigkeit einer Probe 20 derart gewählt wird, dass ein Anhaften von Probenbestandteilen 32 in dem funktionalisierten Abschnitt begünstigt wird. Wie beschrieben kann die Flussgeschwindigkeit hierzu derart gewählt werden, dass der funktionalisierte Abschnitt 14 mit Probenbestandteilen 32 gesättigt wird. Dabei kann ein Diffusionskoeffizient von Probenbestandteilen 32 in der Probe 20 bei der Bestimmung der Flussgeschwindigkeit berücksichtigt wird. Zudem kann ein Radius der Probenbestandteilen 32 bei der Bestimmung der Flussgeschwindigkeit berücksichtigt wird. Weiterhin kann auch zumindest einer der folgenden Parameter bei der Bestimmung der Flussgeschwindigkeit berücksichtigt oder für das Anhaften von Probenbestandteilen 32 in dem funktionalisierten Abschnitt 14, 41, 51 gezielt eingestellt werden:

- Visikosität der Probe,
- Temperatur der Probe.

In 2C ist das Eingabereservoir 10 geleert. Ein Teil der Analyten aus dem Probenmaterial ist an der spezifisch adhäsiven Oberfläche des funktionalisierten Kanalbereichs 14 gebunden, wobei diese gesättigt ist, also alle adhäsiven Bindungsstellen mit Probenmolekülen besetzt sind. Das restliche Probenmaterial befindet sich in der Wastekammer 16. Gegebenenfalls kann der Kanal an dieser Stelle noch mit einem Waschpuffer gespült werden, der nicht angebundene Probenmoleküle entfernt und in die Wastekammer transportiert.
In 2D wird das Trägerreagenz 21 aus der Vorlagerungskammer 17 über den funktionalisierten Kanalbereich 14 in die Reaktionskammer für die Nachweisreaktion 15 gepumpt. Je nach Target und Adhäsionsprinzip kann dies ein Lysepuffer oder ein Lösemittel sein, der die Analyten wieder ablöst und in die Reaktionskammer transportiert.
In 2E wird das Trägerreagenz 21 vollständig aus der Vorlagerungskammer durch den funktionalisierten Kanalbereich 14 in die Reaktionskammer 15 gepumpt. Hierdurch wird ein definiertes Probenvolumen eingestellt. Durch die zuvor sichergestellte Sättigung der Anbindung von Analyten an die Oberfläche des funktionalisierten Kanalbereichs, ist nun die Konzentration an Probenmaterial in dem Trägerreagenz bekannt und es kann eine quantifizierbare Nachweisreaktion durchgeführt werden.
3 zeigt schematisch eine Detailansicht eines Durchströmungskanals 2 für ein hier beschriebenes System. Beispielhaft ist in 3 veranschaulicht, dass der funktionalisierte Abschnitt 14, 41 eine funktionalisierte Oberfläche mit adhäsiven Oberflächenmolekülen 31, 51 aufweisen kann. Auch in 3 sind mit den 3A bis 3E ein beispielhafter Ablauf gezeigt.
3 zeigt in diesem Zusammenhang die entsprechenden Detailansichten des funktionalisierten Kanalbereichs 14 aus den 2A bis 2E. In diesem Beispiel werden aus dem Ausgangsmaterial Zellen isoliert und lysiert, um eine genetische Analyse der DNA durchzuführen.
3A zeigt in Detailansicht 14 den funktionalisierten Kanalabschnitt 30. In diesem Bereich des mikrofluidischen Kanals ist die Kanalinnenfläche mit adhäsiven Oberflächenmolekülen 31 funktionalisiert.
In 3B wird die Probe 20 aus der Eingabekammer durch den mikrofluidischen Kanal mit dem funktionalisierten Abschnitt 14 in die Wastekammer gepumpt. Die in der Probe enthaltenen Zellen 32 sollen zur genetischen Analyse isoliert werden und werden von den adhäsiven Oberflächenmolekülen an der Kanaloberfläche gebunden.
In 3C ist gezeigt, dass bei ausreichender Konzentration an Analyten in der Probe die Oberfläche des funktionalisierten Kanalabschnitts nach dem Durchpumpen der Probenflüssigkeit mit Analyten gesättigt ist. In diesem Fall ist beispielsweise eine quantifizierbare Analyse möglich, da die Zellanzahl bekannt ist.
In 3D wird im Folgenden das Trägerreagenz 21 für das im funktionalisierten Kanalabschnitt 14 angebundene Target aus der Vorlagerungskammer in die Reaktionskammer gepumpt. Im diesem Fall beinhaltet die Trägerreagenz ein Lysemedium, sodass die angebundenen Zellen 33 beim Durchspülen lysiert werden und die DNA-Stränge 34 ins Trägermedium gelangen. Bei einer Sättigung der funktionalisierten Oberfläche mit Zellen ist nun die DNA-Menge und somit auch die Konzentration im Trägerreagenz bekannt. Wird im Verhältnis zum Ausgangsprobenmaterial ein deutlich geringeres Volumen an Trägerreagenz verwendet, findet neben der Isolation und Quantifizierung des Analyten auch eine Volumenreduktion statt, was für viele mikrofluidische Analysen von Vorteil sein kann.
In 3E bleiben die lysierten Zellen 35 an der Kanalwand zurück. Das Trägerreagenz mit DNA befindet sich in der Reaktionskammer und kann analysiert werden.
4 zeigt schematisch ein zweites Beispiel für ein hier beschriebenes Lab-on-Chip-System 1. Dabei sind beispielhaft entlang des Durchströmungskanals 2 in einer Durchströmungsrichtung mindestens ein erster Abschnitt 14 mit einer ersten funktionalisierten Oberfläche mit einer ersten Funktion und mindestens ein zweiter Abschnitt 41 mit einer zweiten funktionalisierten Oberfläche mit einer zweiten Funktion angeordnet, wobei sich die erste Funktion und die zweite Funktion voneinander unterscheiden.
Weiterhin ist in 4 beispielhaft veranschaulicht, dass der Durchströmungskanal 2 zwischen dem ersten Abschnitt 14 und dem zweiten Abschnitt 41 mit einem Zwischenreservoir 15 verbunden sein kann.
4 veranschaulicht insbesondere die Skalierbarkeit des Konzeptes für Proben die mehrere zu analysierende Targets enthalten. Dabei werden mehrere Kanalabschnitte nacheinander mit, für das Target selektiven, adhäsiven Oberflächenmolekülen funktionalisiert. Zwischen den funktionalisierten Kanalabschnitten befinden sich die Reaktionskammern für die Nachweisreaktion des jeweiligen Targets.
Ein beispielhafter fluidische Ablauf zur parallelen Prozessierung und Analyse mehrerer Targets aus einer Probe gliedert kann sich wie folgt gliedern:

(A) Die Probe aus der Eingabekammer 10 wird durch den mikrofluidischen Kanal mit den funktionalisierten Abschnitten 14, 41, ... in die Wastekammer 16 gepumpt. Dabei sind die Ventile zu den Reaktionskammern 12 geschlossen, die Ventile entlang des Kanals zur Wastekammer 13 geöffnet.
(B) Im Folgenden wird die Trägerreagenz für das im ersten Kanalabschnitt 14 angebundene Target aus der ersten Vorlagerungskammer 17 in die erste Reaktionskammer 15 gepumpt.
(C) Im nächsten Schritt wird die Trägerreagenz für das im zweiten Kanalabschnitt 41 angebundene Target aus der zweiten Vorlagerungskammer 40 in die zweite Reaktionskammer 42 gepumpt.
(D) Dieser Schritt kann x-mal wiederholt werden für weitere Targets werden jeweils eine Vorlagerungskammer, ein funktionalisierter Kanalabschnitt und eine Reaktionskammer hinzugefügt.
(E) Nun können die Proben analysiert werden und die Nachweisreaktionen in den jeweiligen Reaktionskammern stattfinden.

5 zeigt schematisch ein drittes Beispiel für ein hier beschriebenes Lab-on-Chip-System mit zugehörigem, beispielhaftem mikrofluidischem Ablauf. Dabei ist der funktionalisierte Abschnitt 51 beispielhaft in einer Eingabekammer 10 des Lab-on-Chip-Systems 1 gebildet.
5 zeigt in diesem Zusammenhang insbesondere, wie das beschriebene mikrofluidische System und Verfahren auch direkt in einer Probeneingabekammer (eines Lab-on-Chip-Systems) implementiert werden kann. Hierzu kann als World-to-Chip bzw. Probeneingabekammer beispielsweise eine mikrofluidische Polykammer eingesetzt werden.
Durch die mikrofluidische Ansteuerung der Polykammer und das Unterschichtungsprinzip kann folgender, beispielhafter Ablauf gemäß den 5A bis 5G zur Isolation des Probenmaterials ermöglicht werden:
In 5A wird ein Probeneingabeadapter 50 mit zwei Kammern eingesetzt. In der Vorlagerungskammer 17 wird ein Trägermedium 21 vorgelagert, in der Eingabekammer 10 befindet sich ein Bereich 51, der mit adhäsiven Oberflächenmolekülen funktionalisiert ist.
In 5B wird die Probe 20 in das Eingabereservoir 10 gegeben.
In 5C wird die Probe 20 in den nachgelagerten Teil des mikrofluidischen Systems eingezogen, z. B. über einen peristaltischen Pumpmechanismus. Ein Teil 33 der Analyten aus der Probe wird von den adhäsiven Oberflächenmolekülen spezifisch gebunden.
In 5D ist die Eingabekammer 10 geleert, ein Teil 33 der Analyten aus dem Probenmaterial ist an der spezifisch adhäsiven Oberfläche des funktionalisierten Bereichs 51 gebunden. Das restliche Probenmaterial befindet sich in einer Wastekammer des mikrofluidischen Systems 1.
In 5E wird nun das Trägerreagenz 21 aus der Vorlagerungskammer 17 durch ein Unterschichtungsprinzip mit einer nicht-mischbaren Phase 52, z. B. Silikonöl, in die Eingabekammer 10 transferiert. Hierdurch kann erreicht werden, dass ein exaktes Volumen an Trägerreagenz in die Eingabekammer transferiert wird. Insbesondere kann hierdurch die Menge und Konzentration an Analyten exakt eingestellt werden, wenn die Menge an Analyten bei einer Sättigung der Anbindung von Analyten an die Oberfläche des funktionalisierten Bereichs bekannt ist.
In 5F befindet sich das Trägerreagenz 21 für das im funktionalisierten Bereich 51 angebundene Target in der Eingabekammer. Im diesem Fall beinhaltet die Trägerreagenz ein Lysemedium, sodass die angebundenen Zellen 33 lysiert werden und die DNA-Stränge 34 ins Trägermedium gelangen. Bei einer Sättigung der funktionalisierten Oberfläche mit Zellen ist nun die DNA-Menge und somit auch die Konzentration im Trägerreagenz bekannt. Wird im Verhältnis zum Ausgangsprobenmaterial ein deutlich geringeres Volumen an Trägerreagenz verwendet, findet neben der Isolation und Quantifizierung des Analyten auch eine Volumenreduktion statt, was für viele mikrofluidische Analysen von Vorteil sein kann.
In 5G bleiben die lysierten Zellen 35 auf dem funktionalisierten Bereich in der Eingabekammer zurück. Das Trägerreagenz mit DNA wird in das fluidische System eingezogen und kann analysiert werden.
Materialbeispiele für das mikrofluidische System sind insbesondere Polymere, wie beispielsweise Polycarbonat (PC), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polydimethylsiloxan (PDMS) oder thermoplastischen Elastomeren (TPE) wie Polyurethan (TPU) oder Styrol-Blockcopolymer (TPS), insbesondere gefertigt durch Hochdurchsatzverfahren wie Spritzgießen, Thermoformen, Stanzen, Laserdurchstrahlschweißen.
Die mikrofluidische Pumpvorrichtung und Ventile können beispielsweise durch die pneumatisch aktuierte Auslenkung einer Polymer-Membran in Aussparungen in einem Polymersubstrat realisiert werden, in dem sich weiterhin die mikrofluidischen Kanäle und Reaktionskammern befinden können.
Eine beispielhafte Dimensionierung des mikrofluidischen Systems kann wie folgt angegeben werden:

- Dicke der Polymersubstrate: 1 mm - 10 mm
- Dicke der Polymermembran: 100 µm - 300 µm
- Kanalquerschnitte: 100 × 100 µm² - 1 × 1 mm²
- Kammervolumina: 1 µl - 100 µl

Mögliche Probenflüssigkeiten sind insbesondere wässrige Lösungen, insbesondere für die Durchführung chemischer, biochemischer, medizinischer oder molekulardiagnostischer Analysen, z. B. Körperflüssigkeiten, Abstriche, Sekrete, Sputum oder Gewebeproben.
Bevorzugte Targets sind insbesondere in den Probenflüssigkeiten enthaltenes Probenmaterial, insbesondere humanen Ursprungs, z. B. Bakterien, Viren, bestimmte Zellen, wie z. B. zirkulierende Tumorzellen, zellfreie DNA, Proteine oder andere Biomarker.

Claims

Lab-on-Chip-System (1) mit mindestens einem funktionalisierten Abschnitt (14, 41, 51), der zur Anhaftung von Probenbestandteilen (32, 33) eingerichtet ist, wobei der funktionalisierte Abschnitt (14, 41, 51) eine definierte Länge und/oder eine definierte Fläche aufweist, um eine quantifizierbare Isolation von Probenbestandteilen (32, 33) zu ermöglichen.
Lab-on-Chip-System (1) nach Anspruch 1, der funktionalisierte Abschnitt (14, 41) in einem Durchströmungskanal (2) angeordnet ist.
Lab-on-Chip-System (1) nach Anspruch 2, wobei der Durchströmungskanal (2) eine strömungstechnische Verbindung zwischen mindestens einem Eingabereservoir (10, 17) und mindestens einem Ausgabereservoir (15, 16) des Lab-on-Chip-Systems (1) bildet.
Lab-on-Chip-System (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei ein Querschnitt des Durchströmungskanals (2) mindestens um den Faktor 10 kleiner ist als ein Querschnitt des mindestens einen Eingabereservoirs (10, 17) und/oder des mindestens einen Ausgabereservoirs (15, 16).
Lab-on-Chip-System (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Lab-on-Chip-System (1) mindestens ein erstes Eingabereservoir (10) und ein zweites Eingabereservoir (17) sowie mindestens ein erstes Ausgabereservoir (15) und mindestens ein zweites Ausgabereservoir (16) aufweist, sowie weiter mindestens eine Ventilanordnung (11), mit welcher die Eingabereservoire (10, 17) und/oder die Ausgabereservoire (15, 16) jeweils gezielt an den Durchströmungskanal (2) angeschlossen werden können.
Lab-on-Chip-System (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der funktionalisierte Abschnitt (14, 41) eine funktionalisierte Oberfläche mit adhäsiven Oberflächenmolekülen (31, 51) aufweist.
Lab-on-Chip-System (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei entlang des Durchströmungskanals (2) in einer Durchströmungsrichtung mindestens ein erster Abschnitt (14) mit einer ersten funktionalisierten Oberfläche mit einer ersten Funktion und mindestens ein zweiter Abschnitt (41) mit einer zweiten funktionalisierten Oberfläche mit einer zweiten Funktion angeordnet sind, wobei sich die erste Funktion und die zweite Funktion voneinander unterscheiden.
Lab-on-Chip-System (1) nach Anspruch 7, wobei der Durchströmungskanal (2) zwischen dem ersten Abschnitt (14) und dem zweiten Abschnitt (41) mit einem Zwischenreservoir (15) verbunden ist.
Lab-on-Chip-System (1) nach einem der vorhergehenden Abschnitte, wobei der funktionalisierte Abschnitt (51) in einer Eingabekammer (10) des Lab-on-Chip-Systems (1) gebildet ist.
Verfahren zur quantifizierbaren Isolation von Probenbestandteilen (32) mit einem Lab-on-Chip-Systems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Flussgeschwindigkeit einer Probe (20) derart gewählt wird, dass ein anhaften von Probenbestandteilen (32) in dem funktionalisierten Abschnitt (14, 41, 51) begünstigt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Flussgeschwindigkeit derart gewählt wird, dass der funktionalisierte Abschnitt (14, 41, 51) mit Probenbestandteilen (32) gesättigt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei ein Diffusionskoeffizient von Probenbestandteilen (32) in der Probe (20) bei der Bestimmung der Flussgeschwindigkeit berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei ein Radius der Probenbestandteilen (32) bei der Bestimmung der Flussgeschwindigkeit berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei zumindest einer der folgenden Parameter bei der Bestimmung der Flussgeschwindigkeit berücksichtigt oder für das Anhaften von Probenbestandteilen (32) in dem funktionalisierten Abschnitt (14, 41, 51) gezielt eingestellt wird: - Visikosität der Probe, - Temperatur der Probe.