EP2462454A1 - Diagnostiksystem - Google Patents

Diagnostiksystem

Info

Publication number
EP2462454A1
EP2462454A1 EP10737854A EP10737854A EP2462454A1 EP 2462454 A1 EP2462454 A1 EP 2462454A1 EP 10737854 A EP10737854 A EP 10737854A EP 10737854 A EP10737854 A EP 10737854A EP 2462454 A1 EP2462454 A1 EP 2462454A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
magnetic
magnetic beads
movement
beads
liquid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10737854A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Zilch
Sonya Faber
Wilhelm Gerdes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2462454A1 publication Critical patent/EP2462454A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502761—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip specially adapted for handling suspended solids or molecules independently from the bulk fluid flow, e.g. for trapping or sorting beads or physically stretching molecules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/06—Fluid handling related problems
    • B01L2200/0673—Handling of plugs of fluid surrounded by immiscible fluid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/043—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces magnetic forces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502769—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements
    • B01L3/502784—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/0098—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor involving analyte bound to insoluble magnetic carrier, e.g. using magnetic separation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T436/00—Chemistry: analytical and immunological testing
    • Y10T436/25—Chemistry: analytical and immunological testing including sample preparation

Definitions

  • the invention relates to microfluidic systems for sample analysis.
  • the invention relates to a device for transporting magnetic beads on a micro-fluidic card, a microfluidic card for insertion into a
  • Reagents and buffer fluids are stored, which are pumped during the test procedure in the cartridge or the microfluidic card.
  • the required fluidic interfaces between the device and the cartridge or the microfluidic card can lead to contamination that strongly influences the diagnostic information.
  • Liquid region in a second liquid portion of a microfluidic card according to the features of the independent claims specified.
  • the described embodiments relate equally to the device, the microfluidic card and the method.
  • Magnetic Beads
  • the term magnetic beads is used for magnetic nanoparticles and microparticles and refers to substrates in which smaller magnetic particles are embedded.
  • both the specified device and the specified method can in principle be used for a wide variety of sizes and shapes of the magnetic beads.
  • the magnetic beads can, for. B. in spherical form, elliptical shape or polygonal shape. However also any other forms are not excluded. It is possible, all other things being equal, that very small magnetic beads (eg ⁇ 100 nm) are more difficult to control by external magnetic fields in the reagent liquids due to their low magnetic susceptibility than comparatively larger magnetic beads.
  • the effect may play a role in that, compared with smaller magnetic beads, there is a smaller specific surface area for attachment of functional groups.
  • a size of the magnetic beads is selected, which size is optimum with respect to the combination of the active surface and the magnetic properties of the beads.
  • the magnetic beads may have a diameter selected from a range of 100 nm to 5 ⁇ m, preferably the diameter may be 1 ⁇ m.
  • the invention encompasses that a wide variety of shapes of the magnetic beads and various forms of the nanoparticles embedded therein can be used. For example, rod-shaped, wire-shaped,
  • magnetic beads and / or nanoparticles are used.
  • spherical beads have certain advantages from a hydrodynamic point of view.
  • the term magnetic beads is not intended to imply any limitation.
  • the magnetic beads may have a density which is greater, less than or equal to the density of water. It is also possible that the density of the beads is greater than, less than or equal to the density of other reagent fluid used within the fluid areas of the micro fluidic card.
  • the density of the beads can thereby significantly by the choice of the carrier material and the proportion of magnetic particles (ex.
  • Magnetite content in the bead. It is thus possible to choose a combination of magnetic beads and reagent liquids in which the particles are present at the bottom of the liquid region, float within the liquid or collect on the surface of the reagent liquid.
  • these magnetic beads may be paramagnetic or ferromagnetic in nature, preferably paramagnetic beads with the lowest possible remanence and good dispersion properties can be used since these at
  • the commonly used ferrites may include transition metals such as Mn, Co, Zn, Cu and Ni among others.
  • transition metals such as Mn, Co, Zn, Cu and Ni among others.
  • they can be based on particles of pure metals such as Fe and Co, alloys such as CoPt 3 , CoPt, FePt, etc.
  • Magnetite (Fe 3 O 4 , precise Fe ⁇ (Fe i ⁇ ) 2 ⁇ 4 ) and maghemite (Fe 2 O 3 ) are suitable for the described application particularly well, since they have a high saturation magnetization (80 - 100 A x n ⁇ g '1 ).
  • other forms of crystallization than those heretofore and in the following should not be explicitly understood as limitations. The use of other crystal forms is possible.
  • Magnetic support materials which constitute the magnetic beads, can be formed by embedding the separate magnetic particles into natural (eg polysaccharides such as dextran, sepharose, polypeptides such as poly-L-aspartate, poly-L-glutamate, polylactides such as poly-P, L-lactide ) or synthetic polymer matrices (eg polyvinyl alcohol, polystyrene (derivatives), poly (met) acrylates (PMMA and PHEMA) and -acrylamides, polypyrroles, polyesters, poly-epsilon-caprolactam, etc. and
  • natural eg polysaccharides such as dextran, sepharose, polypeptides such as poly-L-aspartate, poly-L-glutamate, polylactides such as poly-P, L-lactide
  • synthetic polymer matrices eg polyvinyl alcohol, polystyrene (derivatives), poly (met) acrylates (P
  • Copolymers also with natural polymers) or by inorganic
  • Coatings for example, SiO 2 , Au, carbon
  • small particles for example ferrofluids
  • core-shell particles Another possibility is in the
  • both polymers and SiO 2 -coated magnetic particles may be suitable for being equipped with different functionalities.
  • At the SiO 2 layer (coating) can be z.
  • B. connect functionalized chloro or alkoxysilanes.
  • polymerization initiators eg for the ATRP
  • ATRP ATRP
  • These magnetic beads are usually polymer particles with polymerized iron oxide particles or silica coated iron oxide particles.
  • Magnetite content can for example assume a value between 10% and 90%, but may also be deviating values. Depending on the structure, content of magnetizable particles (total magnetisability) and
  • the magnetic beads can be used for various applications. For example, in the field of life science and diagnostics, the purification of nucleic acids, the affinity purification of recombinant proteins or other biomolecules and cell separation with
  • Antibody-coated magnetic beads are an exemplary field of application of the present invention. This can be done manually and / or automated.
  • magnetic beads with, for example, carboxy or amino functionalities can be used for custom covalent immobilization of ligands (e.g., streptavidin, protein A, antibodies, lectins, enzymes such as trypsin, benzonase).
  • ligands e.g., streptavidin, protein A, antibodies, lectins, enzymes such as trypsin, benzonase.
  • liquid area in the context of
  • the present invention will be understood to mean a depression within a microfluidic card intended to receive desired reagent liquids.
  • the term also encompasses a region of the microfluidic map defined analogously to droplet formation on a surface, for example by different surface tensions, in which a certain amount of the corresponding reagent liquid has formed. This example of a liquid region is thus not present in a depression.
  • the term liquid region can also be used
  • Reagent fluid independent of the structure or the relief of
  • microfluidic card extends at this point.
  • liquid region can also consist of two or more phases.
  • one or more organic and one or more aqueous phases can be within one
  • Liquid area present In the case where in the context of the invention a state is described in which the magnetic beads float on the surface of the reagent liquid, the term liquid region comprises a liquid phase and a gaseous phase.
  • Positioning device is a regulating and control device which changes the magnetic field gradient, for example by driving a magnetic field string such that a relative movement between the magnetic beads and the receiving device (and thus also between the magnetic beads and the microfluidic card, as this placed in the receiving device during operation is) is generated.
  • a relative movement between the magnetic beads and the receiving device and thus also between the magnetic beads and the microfluidic card, as this placed in the receiving device during operation is
  • Positioning device can generate the relative movement. There may be a movement of the magnetic device, a movement of the microfluidic card, a
  • the term contactless shall be construed as meaning that there is no contact between the magnetic beads and the magnetic means in the liquid of the respective liquid region.
  • the magnetic or the magnetic device does not dip into the liquid areas for transport, but causes at least one component of the movement from outside of the
  • Liquid area contactless by means of magnetic forces A contact of the magnetic beads to the magnetic device, after being from the first
  • a magnet device may be any device which has a
  • This device may be selected from the group consisting of
  • Permanent magnet combination of a permanent magnet and a
  • Electromagnet a pair each consisting of a combination of a
  • Permanent magnets and an electromagnet a permanent magnet with a
  • Modulation coil is reduced as well as any combination thereof. Further components for generating the magnetic field gradient may also be present.
  • continuous barrier or continuous mechanical barrier represents a clear demarcation to valves.
  • a ceiling plate it is also possible to use an adhesive film which does not stick to the locations over which the beads slide or on which the beads come into contact with the film. It can also be used at these locations additional membranes or be provided per se adhesive-free points in the film.
  • the device has a receiving device for receiving the microfluidic card to be used, a positioning device and a magnetic device. Furthermore, the positioning device for generating a relative movement between the magnetic beads to be transported and the receiving device is designed such that
  • One direction is to generate a magnetic field gradient on the microfluidic card to be used for the relative movement of the magnetic beads to be transported relative to at least one
  • Movement component of the relative movement executed.
  • the magnetic device is spaced from the receiving device in such a way that the relative movement of the magnetic beads to be transported out of the first liquid region takes place without contact with respect to the at least one movement component.
  • the "via” is to be understood in such a way that a barrier which extends perpendicularly to the plane of the microfluidic card can be exceeded by means of the device according to the invention by contactless lifting of the magnetic beads by means of magnetic forces.
  • the magnetic device can simultaneously provide a homogeneous and inhomogeneous field, which are superimposed so that the desired
  • Magnetic field gradient for generating magnetic forces is generated on the beads on the microfluidic card. These magnetic forces, which act on the magnetic beads, are utilized to contactlessly lift the magnetic beads out of the reagent liquid of the first liquid region and to transport them over the mechanical barrier of the microfluidic card. By means of a modulation of the magnetic field gradient, these are then again given contactlessly into the second liquid region.
  • this modulation of the magnetic field gradient could be generated in that an electrical coil current of a modulation coil of the
  • Magnetic device is modulated such that results in the desired, previously described transport of the beads across the barrier away or is generated.
  • This modulation can be regulated and / or controlled by the positioning unit, for example.
  • This computer program can be, for example, the micro fluidic card to be used and / or the sample analysis to be used and / or the target molecule to be detected
  • the positioning device for the controllable and / or controllable modulation of the coil current of the modulation coil, which is located in the Magent will be executed.
  • the positioning device for generating this relative movement both a movement of the magnetic device as well as a movement of the micro-fluidic card (by means of a movement of the receiving device) or a combination of both by appropriate control and regulation
  • the positioning device generates a change or modulation of the magnetic field gradient in such a way that this desired relative movement occurs. In the process, this relative movement is ultimately generated between the magnetic beads and the two liquid regions which are located on the microfluidic card.
  • the relative movement exists due to the existing barrier of
  • micro fluidic map that is about to be overcome, from at least two vectorial vertical and at least one vectorial horizontal
  • the term spaced is to be understood such that, when the micro-fluidic card is in the inserted state, the magnetic device and the receiving device have no contact. Should be in one
  • Embodiment of the invention consist of a contact of the magnetic device and the receiving device, according to the invention, however, there is no contact between the magnetic device and the liquid region of the microfluidic card at any time of carrying out the transport of the magnetic beads.
  • the magnetic device which may for example also be designed as a magnetic field array, is integrated in the ceiling plate or bottom plate of a microfluidic card.
  • lines for controlling and controlling the magnetic field gradient for Bodent. Ceiling plate provided.
  • the invention relates to an analysis system for
  • the device may also comprise the microfluidic card, on which biological reactions can take place with the aid of multifunctional magnetic beads.
  • the positioning device can control the movement of the magnetic beads.
  • the microfluidic card can contain a sensor module with the aid of which the target molecules bound to the beads
  • multifunctional beads is in the context of the invention.
  • magnetic beads with different functions.
  • biological agents such as, for example, microbial pathogens
  • magnetic beads which carry on their surface molecules which specifically or non-specifically come into contact with surface structures or receptors of the pathogens.
  • monoclonal antibodies specific or protein A (non-specific)
  • nucleic acids DNA, RNA
  • silanes nucleic acid-binding surfaces
  • PCR polymerase chain reaction
  • covalently coupled oligonucleotides are used on the bead surface, which are elongated by means of polymerase in the presence of the target sequences and subsequently detected (for example, via corresponding
  • Oligonucleotides coupled to a microarray. Alternatively, the entire process chain of pathogen isolation, lysis and
  • Nuclein yarnreisolation via the amplification of specific sequences and their final detection with multifunctional beads done.
  • Different functionalities are located on the bead surface or are coupled within the matrix.
  • monoclonal antibodies and specific oligonucleotides may be coupled to the bead, which in
  • one or more modulatable magnetic devices can be positioned above and / or below the microfluidic card.
  • the magnetic devices can be modulated in such a way that a magnetic gradient is built up to the bottom or top plate of the microfluidic card, so that, depending on the state
  • the barrier should be designed in such a way that, by slightly tilting the microfluidic card, there is no mixing of the fluid areas due to "overflowing" of the fluid
  • the micro-fluidic card may for example be designed so that between the individual reaction chambers, in which is provided,
  • the device according to the invention makes it possible to transport magnetic beads from one reaction chamber or one liquid region to the next in the next, without having to resort to valve technology, the specified device can be used better in processes which have pronounced temperature differences.
  • PCR polymerase chain reaction
  • valves In the case of a polymerase chain reaction (PCR), in which such strong temperature differences occur, it may be disadvantageous to use systems with valves. These valves explicitly avoid the present invention.
  • the device according to the invention represents a more temperature-resistant micro fluidic analysis device, which offers a longer service life, accuracy for example in PCR processes.
  • the device is an improved technical means to
  • the device is a bio-chip with arrays of magnetoresistive magnetic field sensors that provide the
  • microfluidic card as a cost-effective disposable product based on environmentally friendly plastics with a completely new microfluidic concept and lyophilized, dry-stored Provide reagents. This ensures process integration and long shelf life of the kits at room temperature.
  • the device provides a non-contact bead control on the microfluidic card by external magnetic fields by means of a
  • Microfluidics provided which manages without controlling valves. This saves on components, and the complexity of the card and analyzer can be significantly simplified. This can lead to a mastery of the transfer of complex essays to the device and bring about cost-effective production of the system components.
  • the easy-to-use device allows the rapid detection of many biological parameters simultaneously, such as in genetic
  • this exemplary embodiment of the device according to the invention as well as any further exemplary embodiment of the device according to the invention can contain the microfluidic card.
  • these two elements form a system for transporting magnetic beads from a first fluid area to a second fluid area consisting of the device and the microfluidic card.
  • Magnetic field gradient is carried out such that are lifted by the modulation, the magnetic beads from the first liquid region and then lowered into the second liquid region.
  • microfluidic card can be realized in which no diffusion between the fluid areas due to the continuous mechanical barrier occurs.
  • Magnetic field gradient executed in such a way that by means of the magnetic field gradient in addition to a vertical component of motion of the relative movement and a horizontal component of movement of the relative movement can be generated.
  • the positioning device is designed such that it can control such a magnetic field gradient by controlling and / or regulating the
  • Magnetic device can generate.
  • a string of serially connected magnetic devices can be used.
  • a single magnet device which can generate a temporally and spatially variable magnetic field such that vertical movement of the magnetic beads out of the reaction chamber and the first fluid region results.
  • due to the change of the magnetic field due to the change of the magnetic field, a
  • Magnetic field gradient are changed so that the magnetic beads are lowered into the second liquid region.
  • the vertical movement of the magnetic beads out of the first fluid area is limited or stopped by a ceiling element of the microfluidic card.
  • a subsequent horizontal movement of the magnetic beads can then take place along the surface of this ceiling element.
  • the magnetic beads can be pulled over the ceiling element with the magnetic field.
  • the vertical movement takes place out of the first liquid area only up to a predefined height.
  • Liquid area is thus possible.
  • a device in which the magnetic device is designed as a modulatable magnetic device. It is selected from the group consisting of permanent magnet, combination of a permanent magnet and an electromagnet, a pair each consisting of a combination of a permanent magnet and a
  • Electromagnets a switchable series of different magnets and any combination thereof.
  • each of the above-mentioned magnetic devices is capable of
  • Combination can also be understood to mean a permanent magnet having an electrical modulation coil which controls the magnetization of the magnet
  • Magnetic field gradients are achieved by means of current regulation of the modulation coil. This can be regulated and controlled, for example, by the positioning device.
  • a device in which the positioning device is designed such that it is capable of generating the relative movement by generating one of the elements selected from the group consisting of movement of the magnetic device, movement of the microfluidic card, variation of one or more
  • Magnetic field gradients for vertical movement of the magnetic beads variation of one or more magnetic field gradients for horizontal movement of the magnetic beads, variation of one or more magnetic field gradients for vertical and horizontal movement of the magnetic beads, and each
  • Movement component carried out by the magnetic field gradient, and the positioning is carried out for generating the horizontal movement component by means of a movement which is selected from the group consisting of translation of the magnetic device, translation of the microfluidic card, horizontal movement of the magnetic beads, which by means of a series of different magnetic devices is generated and any combination thereof.
  • Magnetic field device designed to generate both a vertical and a horizontal movement of the magnetic beads, whereby the transport of the magnetic beads from the first liquid region in the second
  • the positioning device is designed such that it
  • Magnetic device can control accordingly.
  • Positioning device executed, the relative movement based on a
  • the positioning device by means of digital data, for example, which contain the distribution of the liquid area.
  • the positioning device selects an appropriate measure with which it generates or regulates and controls the relative movement.
  • the device has a modulation device which is designed for the mixing of liquids in at least one of the two liquid regions.
  • the modulation device can also be embodied by the positioning device.
  • the magnetic beads can be held in place by the gradient, and the microfluidic card becomes one
  • a microfluidic card for introduction into a device according to one of the exemplary embodiments described in the foregoing and following is provided, which is suitable for transporting magnetic beads on the card.
  • the microfluidic card for introduction into a device according to one of the exemplary embodiments described in the foregoing and following is provided, which is suitable for transporting magnetic beads on the card.
  • Microfluidic card at least a first and a second liquid region, wherein the first and the second liquid region are each designed to be filled with a liquid and a target molecule.
  • the first and the second liquid region are separated by a mechanical barrier, which constitutes a continuous barrier.
  • the barrier can be designed such that the beads slide mechanically well in the desired manner on the surface of the barrier and not
  • the microfluidic card has a ceiling element and / or a base element and a magnetic device for providing a magnetic field gradient, the magnetic device being integrated in the ceiling element or the floor element.
  • the magnetic device has a modulation coil, wherein the first and the second liquid region each for filling with a liquid and a
  • Target molecule are carried out, wherein the first and the second liquid portion are separated by a mechanical barrier.
  • the mechanical barrier is a continuous barrier and the magnetic device is designed to modulate the magnetic field gradient such that the magnetic beads are lifted out of the first fluid area and then lowered into the second fluid area.
  • the microfluidic card which can be connected via, for example, electrical lines to a positioning device as described above, it is possible by Magentfeldgradientenmodulation to cause a horizontal and vertiakale movement of the beads, which raises them over the continuous mechanical barrier.
  • the beads can be lifted out of the plane of the liquid areas with such a card and be lowered again after performing a parallel horizontal movement in the plane of the liquid areas, for example in the second liquid area.
  • the lifting and lowering as traveled and described below was contactless.
  • the microfluidic card has a sensor device, wherein the sensor device is designed for the detection of a magnetic bead.
  • magnetoresistive magnetic field sensors are present on or in the microfluidic card, which are the highly sensitive quantitative
  • a sensor device may be, for example, a Hall probe or specially designed for biological applications GMR and TMR sensor arrays (Giant or Tunnel Magneto
  • Resistance sensors are used, with which the magnetic beads can be detected highly sensitive and -parallel.
  • Both one and more target molecules may be coupled to the magnetic beads, which in turn may be coupled to a few to several thousand of sensor arrays, e.g. to a CMOS sensor array, connect.
  • the local magnetic field possibly after magnetization by, for example, an external homogeneous magnetic field
  • the sensor element can be detected by the sensor element by making a change in resistance at the sensor element, e.g. can be read and evaluated fully electrically.
  • the sensor device may be located z. B. in the penultimate or last liquid area of the microfluidic card.
  • special meandering or wave-shaped ones can be used
  • mikofluidische configurations of the chamber can be selected. Unbound beads can be placed in a waste or waste cell using external magnetic fields
  • the sensor device is selected from the group consisting of magnetoresistive chip, sensor utilizing the anisotropic magnetoresistive effect, sensor utilizing the giant magnetoresistive effect, sensor utilizing the colossal magnetoresistive effect, sensor utilizing magnetic flux
  • Tunnel resistance piezo sensor, capacitive sensor, electrochemical sensor, optical sensor, CCD chip and any combination thereof.
  • the microfluidic card has a floor element and a ceiling element.
  • the bottom element in the accommodated state of the micro-fluidic card is arranged substantially parallel to and below the liquid regions.
  • the ceiling element is arranged substantially parallel to and above the liquid regions in the accommodated state of the microfluidic card.
  • the ceiling element is designed such that there is an upper boundary for a vertical
  • the ceiling element is designed such that it represents a guide for a horizontal component of movement of the relative movement of the magnetic beads.
  • microfluidic card contains a bottom element and / or a ceiling element.
  • the microfluidic card can be embodied such that the base element and / or the ceiling element is structurally separate from the plane of the microfluidic card, in which the
  • This third level can be provided, for example, by a main card body of the microfluidic card.
  • the microfluidic card is in this case made two or three pieces.
  • the respective existing element, the floor and / or Deckenelemt be releasably attached to the main card body.
  • both the ceiling element and the bottom element can be designed as a plate.
  • an adhesive film which does not stick to the locations over which the beads slide and come into contact, for example by applied membranes.
  • the use of adhesive-free points is also possible.
  • such ceiling element can be used as a guide for transporting the magnetic beads parallel to the microfluidic card.
  • the microfluidic card has a separate magnetizable body for placement in one of the two fluid areas and for the magnetic binding of the magnetic beads.
  • An advantage of this embodiment is to present one or more magnetizable spheres or other shaped bodies in the reaction chambers (eg, a steel ball) and thus to reduce the minimum magnetic field strength needed to transport the beads.
  • the material must be such that there is no magnetization without external magnetic field, that is, the body is so non-magnetic that the magnetic beads do not bind to the separate magnetizable body. Otherwise, the magnetic beads without the intervention of the external magnetic field (the outer
  • Magnetic field gradients are attracted to the sphere.
  • the separate magnetizable body is characterized by the presence of the outer
  • Magnetic field magnetizes, so that the magnetic beads are attracted.
  • the body with the attached functionalized beads is from the first
  • Liquid area (in the next reaction chamber) moves. After switching off the external magnetic field, which for example by removing the
  • Permanent magnets or can be done by switching off the electric solenoid, the beads collected on the separate magnetizable body again dissolve and go into the reagent.
  • a steel ball can be used as a separate magnetizable body.
  • a method for transporting a target molecule to be detected by means of magnetic beads from a first liquid region into a second liquid region of a microfluidic card comprises the steps of inserting a microfluidic card having at least a first liquid region and a second liquid region into a receiving device, wherein the first liquid region and the second liquid region are separated by a mechanical barrier. Furthermore, the mechanical barrier is a continuous barrier. As a further step, the method includes transferring magnetic beads into the first liquid region, generating a magnetic field gradient by a magnetic device in such a way that the magnetic field gradient on the
  • Microfluidic card extends to the movement of the magnetic beads, generating a relative movement between the magnetic beads to be transported and the receiving device, wherein at least one component of movement of the relative movement is generated by means of the magnetic field gradient.
  • the transporting of the magnetic beads out of the first liquid region by means of the at least one movement component, and wherein the transporting of the magnetic beads by means of the at least one movement component takes place without contact.
  • a closed system in which all reagents are, which are necessary for example nucleic acid and protein diagnostics.
  • findings can be made available earlier, especially in time-critical diseases.
  • the inventive method is able to dispense with expensive and error-prone microfluidic control steps. This can reduce system costs for the user.
  • the method comprises the steps of regulating a current of a modulation coil for modulation of the magnetic field gradient such that the modulation removes the magnetic beads from the first liquid region without contact and subsequently lowers them into the second liquid region without contact.
  • control and / or regulation of the current of the modulation coil can be carried out by the positioning device. This can also be done, for example, on the basis of a computer program stored in the positioning device, in which correspondingly different current intensities are predetermined as a function of the time for the modulation coil.
  • the modulation of the gradient is done by enlargements and
  • this exemplary embodiment has the further method steps of first varying the generated magnetic field gradient such that the first vertical movement component is caused, whereby the magnetic beads are lifted out of the first liquid region.
  • Another step is to generate the horizontal component of motion such that the magnetic beads are moved horizontally and relative to the microfluidic card, with which the magnetic beads are above the second
  • Another step is the second variation of the generated magnetic field gradient such that the second vertical one
  • Movement component is caused, whereby the magnetic beads are lowered into the second liquid area.
  • the generation of a corresponding movement along the orientation and direction of this is with the causation of a movement component
  • the horizontal movement component can be generated such that the magnetic beads either slide over the mechanical barrier in physical contact or that they are guided along a ceiling element along.
  • the method comprises the following steps: placing a separate magnetizable body in the first fluid region, magnetizing the separate magnetizable body, binding the magnetic beads to the separate magnetizable body, wherein the relative movement in addition to the magnetic beads and the separate
  • a paramagnetic ball can be presented in the reaction chambers of the micro-fluidic card.
  • the method further comprises the step of "removing the magnetic field gradient" such that the separate magnetisable body loses magnetization and releases the bound magnetic beads into the second liquid region.
  • the method furthermore comprises the step of modulating a field strength of the magnetic field gradient in such a way that a mixing of the liquid takes place by means of the magnetic beads in one of the two liquid regions.
  • This modulation can be done for example by the positioning or by an additional modulation device. This will be a
  • Bead movement such as a vortex movement generated, which are caused by the modulating controlling the external magnetic fields or the magnetic field gradient.
  • the method comprises the step of: "concluding the detection of the target molecules located on the magnetic beads by means of a magnetic sensor located in the last liquid region".
  • Sensor elements of the magnetic sensor specific capture molecules for example, oligonucleotides, monoclonal antibodies, haptens, zinc finger proteins, etc. coupled, which can interact with the target molecules located on the bead in interaction.
  • the beads bind to the corresponding points (spots) of the magnetic sensor. Due to the change of locally acting magnetic fields above the sensor element, which change is caused by the magnetic bead, a detection of the bound beads by means of the
  • magnetoresistive sensor element possible. This can be done via a change in resistance at the respective sensor element, resulting in a change in the current flow at a constant voltage at
  • Sensor design incorporates CMOS logic underneath the sensor layers that allow the signals to be amplified, digitized and multiplexed directly on a microchip. In this way, the realization of thousands of tiny sensor elements (sensor array) in a small area (10 mm 2 - 1 cm 2 ) possible, which can detect individual bound beads and deliver a digital signal via a serial interface to a reader.
  • the method further comprises the step: "Generation of the liquid areas with water after flooding of chambers equipped with dry reagents".
  • the method further comprises the step of generating a movement of the magnetic beads by modulation of the magnetic field gradient such that the dissolution of the dry-stored reagents in a solvent within the liquid areas is accelerated.
  • the positioning device to change the magnetic field gradient by current modulation in the modulation coil such that the desired movement of the beads is generated within a liquid region and the resolution is accelerated.
  • horizontal and / or vertical components of motion can be generated.
  • 1 to 5 show schematic, two-dimensional representations of a device for transporting magnetic beads on micro fluidic card according to various embodiments of the invention.
  • FIG. 6 shows a schematic, two-dimensional representation of a flowchart which represents a method according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a device 100 for transporting magnetic beads 101 from a first liquid region 102 into a second liquid region 103 of a micro-fluidic card 104 to be used
  • Target molecule of the magnetic detection of a magnetic bead can be used.
  • a receiving device 105 for receiving the micro-fluidic card is shown.
  • the receiving device can be designed both for mechanical support and for movement and positioning of the microfluidic card relative to the magnetic device 107.
  • two positioning devices 106 are shown above and below the micro-fluidic card, each of which controls and controls a magnetic device 107, which is also located above and below the microfluidic card, with regard to their movement and the generation of the magnetic field gradient.
  • the magnetic field gradient is shown symbolically at 110.
  • the two magnetic devices 107 shown in FIG. 1 are exemplified as a combination of a permanent magnet and an electromagnet 114.
  • the device 100 and the micro-fluidic card 104 form a system for transporting the magnetic beads 101 by the modulation of the
  • a movement of the respective magnetic device is shown with the arrows 121. This may, if desired, be controlled by the positioning means two-dimensionally along the plane which the micro-fluidic card 107 spans.
  • a memory device 124 it is possible, within a memory device 124, to digitally specify the geometric distribution of the fluid areas of a respective microfluidic card. Subsequently, the positioning on the basis of
  • Magnetic devices 107 is generated, is so controlled and controlled and modulated so that ultimately the desired relative movement 108 between the magnetic beads to be transported and the receiving device is generated. It is in the large number of possible ways of generating the relative movement between the magnetic beads to be transported and the
  • Receiving device always the transport of the beads via the continuous mechanical barrier 109, which may be part of the micro fluidic card, core aspect of the present invention.
  • FIG. 1 shows two movement components 111 of the relative movement 108. It is a vertical movement component 112 and a horizontal movement component
  • Movement component 113 of the relative movement 108 shown.
  • the magnetic beads 101 are lifted out of the first liquid region 102 in the vertical direction, and by means of a movement of the magnetic devices along the arrows 121, the horizontal movement component 111 is generated. With this, the magnetic beads are placed over the second liquid region 103. Thereafter, downward movement of the magnetic beads along the vertical direction is generated into the reagent liquid of the second liquid region. This downward movement is generated by means of a modulation of the magnetic field gradient, which is also regulated and controlled by the positioning devices 106.
  • FIG. 1 a separate magnetisable body 120 is shown in FIG. 1, which serves for the magnetic bonding or binding of the beads.
  • the body can be made, for example, as a magnetizable ball made of steel, which is presented in the reaction chamber.
  • the material must be such that there is no magnetization without an external magnetic field, ie the sphere is entirely nonmagnetic. Slight deviations are possible. Otherwise, the magnetic beads would be attracted to the sphere without the intervention of an external magnetic field.
  • the magnetic bead transport should only take place when the external magnetic field is switched on.
  • the steel ball is magnetized, so that the magnetic beads are attracted.
  • the steel ball with the attached functionalized beads becomes due to the first liquid region 102 and the second liquid region 103
  • the required external magnetic field is less than without the steel ball to ensure the required transport of the magnetic beads.
  • Liquid portion 103 Liquid portion 103.
  • an important aspect of this embodiment of the invention is that at no time of transport, mechanical contact is made between, firstly, the beads and the magnetic means, and secondly, between the magnetic means and the liquid portions. In this sense, the transport is contactless.
  • a magnetic transport of the beads can be realized in a contactless manner, without diffusion occurring between the individual fluid regions of the microfluidic card.
  • Reagents in a solvent within the liquid areas is accelerated.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of the invention, in which a device 100 for transporting the magnetic beads 101 from a first liquid region 102 into a second liquid region 103 of FIG
  • micro fluidic card 104 is shown.
  • the relative movement 108 between the magnetic beads to be transported and the receiving device 105 is generated in that the positioning device 106 via control and control lines 200 causes the receiving device 105 to move the micro-fluidic card 104 along the arrows 122 shown.
  • the magnet devices 107 as well as in FIG. 1 are designed as a combination of a permanent magnet and a modulation coil. It can the
  • Modulation coil can be used to variably the magnetization of the
  • Magnetic devices 107 slides on the ceiling element 118 of the micro fluidic card or on the bottom member 119 along.
  • Transports of the beads is formed and secondly also during the entire transport of the beads no contact between the magnetic beads and the magnet is formed.
  • the magnet device it is also possible, if desired, for the magnet device to be integrated in, for example, the ceiling element 118. Although mechanical contact between the magnetic beads and the magnet would then exist for this embodiment, in this as well as in any other case
  • Embodiment of the invention a contact between the magnetic device and the liquids in the fluid areas 102 and 103 avoided. It is also possible that the micro fluidic card is also only one
  • FIG. 3 shows a device 100 for transporting magnetic beads via a barrier 109, which has the microfluidic card 104 between the first and second fluid areas 102 and 103.
  • Fig. 3 shows that during the transport of the magnetic beads, the mechanical barrier by a
  • transporting magnetic bead provides a higher potential energy to overcome this barrier easily by means of another generated translation can.
  • Fig. 3 describes by means of the round arrows 303, which describe the relative movement between the transporting magnetic beads and the receiving device (not shown here), that also transport of the beads is possible, in which neither contact of the beads on the ceiling element 118 of the microfluidic Map still has to be done at the barrier 109.
  • the round arrows 303 describe the relative movement between the transporting magnetic beads and the receiving device (not shown here), that also transport of the beads is possible, in which neither contact of the beads on the ceiling element 118 of the microfluidic Map still has to be done at the barrier 109.
  • the magnetic devices 107 whose magnetic field gradients are caused by modulation for at least the vertical component of motion can be moved along the arrows 121 relative to the microfluidic card.
  • 3 further shows a sensor device 117, which is integrated into the micro-fluidic card. This can be embodied, for example, as a Hall sensor, which makes a highly sensitive quantitative detection more minute
  • This magnetic field change can be generated by individual magnetic beads.
  • the sensor device for example, as
  • FIG. 3 also shows that a first phase 301, which is liquid, is provided in the microfluidic card, above which a gas phase 302 is located.
  • the magnetic beads go through during a
  • Transport process via the mechanical barrier 109 first a liquid, then a gaseous and then again a liquid phase.
  • the liquid phase consist of several liquid phases, for example of an organic and an aqueous phase.
  • FIG. 4 shows a device 100 with which magnetic beads 101 can be transported and positioned without contact on a microfluidic card 104 in several dimensions.
  • the two magnet devices 107 shown generate a magnetic field gradient with which a first vertical movement of the beads out of the first fluid region 102 can be generated.
  • a second horizontal movement component 113 of the magnetic beads 101 is generated.
  • These are bound to a separate magnetizable body 120 in this embodiment.
  • the exemplary embodiments by means of the combination of modulation of the magnetic field gradient and translation of at least one magnetic device 107 with respect to the microfluidic card 104 generates desired dynamics of the magnetic beads here.
  • a modulation of the magnetic field gradient (not shown here) can be used in order to generate a lowering of the magnetic beads 101 into the second liquid region 103.
  • the second lower magnetic device 107 can be retightened to the height of the first magnetic device. This is shown with the lower arrow 121.
  • FIG. 5 shows a device 100 which, in addition to a micro-fluidic card 104, has a switchable series 115 of different magnetic devices 107.
  • the magnetic devices are each shown by way of example as a combination of a permanent magnet and an electrical modulation coil in this embodiment.
  • above and below the micro-fluidic card is a part of a pair of magnetic devices.
  • the magnetic beads 101 bind to a separate magnetizable body 120 and this as
  • Transport bus can be used.
  • the magnetic beads pass from liquid phases 301 into gaseous regions 302, after which they are subsequently discharged again into, for example, the second liquid region 103 into an aqueous or, for example, organic solution.
  • FIG. 6 shows a flow chart illustrating a method according to another embodiment of the invention.
  • the method comprises as essential method steps the following method steps: Insertion of a microfluidic card with at least a first liquid region and a second liquid region into a receiving device, which step is designated by SlO.
  • Step S20 designates the transfer of magnetic beads into the first liquid region
  • step S30 designates the step of generating a magnetic field gradient by a magnetic device such that the magnetic field gradient on the microfluidic card extends to move the magnetic beads.
  • the generation of a relative movement between the magnetic beads to be transported and the receiving device is indicated by step S40.
  • at least one movement component of the relative movement is generated by means of the magnetic field gradient.
  • Step S50 denotes transporting the magnetic beads from the first one
  • Liquid area out by means of at least one component of movement In this case, the transport of the magnetic beads by means of the at least one movement component takes place without contact.
  • Fig. 6 shows the above-mentioned method steps further steps that can be applied both before, between and after the previously mentioned method steps.
  • step S1 the generation of the liquid regions can follow water after flooding of chambers equipped with dry reagents.
  • step S2 a device on the micro fluidic card, wherein the device may contain the target molecule and the magnetic beads, which are transported by magnetic forces in the first liquid region of the card. It is not crucial for the core aspect of the invention how the beads and the target molecules enter the microfluidic card. In other words, any method by which the beads are placed should be able to be combined with the present invention.
  • a magnetizable separate body for example a
  • the separate magnetizable body is magnetized prior to transport by means of the magnetic field gradient provided by the magnetic devices.
  • step S31 Due to the magnetism of the magnetic beads, they bind within, for example, the first liquid region on the separate previously magnetized bodies during step S32.
  • a first variation of the generated magnetic field gradient is applied during the process. If the variation is such as to cause the first vertical component of motion, thereby lifting the magnetic beads out of the first liquid region.
  • Process step S51 Furthermore, the horizontal movement component is generated such that the magnetic beads are moved horizontally and relative to the microfluidic card, whereby the magnetic beads on the second
  • Liquid region are positioned, which is indicated by the step S52.
  • the method step S53 describes a second variation of the generated
  • Movement component is caused, whereby the magnetic beads are lowered into the second liquid area.
  • the magnetic field gradient can subsequently be eliminated by means of step S54 in such a way that the separate magnetisable body loses magnetization and releases the bound magnetic beads into the second liquid region.
  • a final detection of the target molecules located on the magnetic beads can take place with the aid of a magnetic sensor located in the last liquid region during step S70.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungsfreien Steuerung magnetischer Beads auf einer mikrofluidischen Karte durch externe Magnetfelder, ohne aufwändige Mechanik oder Hydraulik verwenden zu müssen. Aufgrund einer Modulation eines Magnetfeldgradienten werden magnetische Beads aus verschiedenen Reaktionskammern der mikrofluidischen Karte in einem ersten Schritt kontaktlos angehoben. Mittels einer Translationsbewegung oder einer Variation oder Modulation des Magnetfeldgradienten wird in einem zweiten Schritt ein horizontaler Transport der magnetischen Beads über eine mechanische Barriere der mikrofluidischen Karte möglich. In einem dritten Schritt kann mittels einer weiteren Modulation eines Magnetfeldgradienten ein Absenken der magnetischen Beads in einen gewünschten weiteren Flüssigkeitsbereich erreicht werden.

Description

DIAGNOSTIKSYSTEM
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft mikrofluidische Systeme zur Probenanalyse. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Transport magnetischer Beads auf einer mikro fluidischen Karte, eine mikrofluidische Karte zur Einführung in eine
Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Transport von magnetischen Beads auf einer mikro fluidischen Karte.
TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND
Um die Befunde insbesondere bei zeitkritischen Erkrankungen früher verfügbar machen zu können, wird eine Reihe von Diagnostiksystemen für die Vor-Ort- Analyse (Point of Care Systeme) von Patientenproben entwickelt. Diese basieren meist auf mikro fluidischen Karten, die sämtliche Reagenzien für eine
Probenaufbereitung, Zielmolekülisolation und Detektion beinhalten.
Die heute für Nukleinsäure- und Proteindiagnostik zur Verfügung stehenden Systeme zur dezentralen Nutzung im Point of Care Bereich weisen eine Vielzahl von mechanischen und fluidischen Komponenten auf. Die Komplexität macht die Systeme teuer und meist sehr wartungsanfällig. Ein weiteres Problem liegt in der Systempartitionierung. In der Regel werden im wieder verwendbaren Gerät
Reagenzien und Pufferflüssigkeiten gelagert, die während der Testdurchführung in die Cartridge bzw. die mikrofluidische Karte gepumpt werden. Durch die dafür erforderlichen fluidischen Schnittstellen zwischen Gerät und Cartridge bzw. der mikrofluidische Karte kann es zu Kontaminationen kommen, die die diagnostischen Aussagen stark beeinflussen.
Bisherige Systeme weisen aufwendige und fehleranfällige mikrofluidische
Steuerungen auf. Daraus ergeben sich ebenso hohe Systemkosten für den Anwender, sowohl für den Analyzer als auch für die Cartridge bzw. für die mikrofluidische Karte.
Weiterhin arbeiten bisher gängige Systeme mit technisch fehleranfälligen und teilweise komplex zu steuerenden Ventillösungen, um die einzelnen
Reaktionskammern voneinander zu trennen, so dass keine Diffusion zwischen den Kammern stattfinden kann. Dabei werden zusätzlich externe Steuergeräte benötigt, um diese Ventile in der gewünschten Reihenfolge zu bedienen. Beispielsweise kommen Quetschventile zum Einsatz, bei welchen ein mechanisch bewegter Stift auf das Ventil presst.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Probenanalyse anzugeben.
Es ist eine Vorrichtung zum Transport magnetischer Beads von einem ersten Flüssigkeitsbereich in einen zweiten Flüssigkeitsbereich einer mikrofluidischen Karte, eine mikrofluidische Karte sowie ein Verfahren zum Transport eines zu detektierenden Zielmoleküls mittels magnetischer Beads von einem ersten
Flüssigkeitsbereich in einen zweiten Flüssigkeitsbereich einer mikrofluidischen Karte gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche angegeben.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen gleichermaßen die Vorrichtung, die mikrofluidische Karte und das Verfahren.
Es sei daraufhingewiesen, dass im Kontext der vorliegenden Erfindung die folgenden Definitionen und Abkürzungen benutzt werden. Magnetische Beads:
Im Kontext der vorliegenden Erfindung wird der Begriff magnetische Beads für magnetische Nano- und Mikropartikel verwendet und bezeichnet Trägermaterialien in die kleineren magnetischen Partikel eingebettet sind. Dabei kann sowohl die angegebene Vorrichtung als auch das angegebene Verfahren prinzipiell für verschiedenste Größen und Formen der magnetischen Beads angewendet werden. Die magnetischen Beads können z. B. in sphärischer Form, elliptischer Form oder polygoner Form vorliegen. Jedoch sind auch beliebige andere Formen nicht ausgeschlossen. Dabei ist es möglich, ceteris paribus, dass sehr kleine magnetische Beads (z. B. < 100 nm) sich aufgrund ihrer geringen magnetischen Suszeptibilität schwerer durch externe Magnetfelder in den Reagenzflüssigkeiten steuern lassen, als vergleichsweise größere magnetische Beads. Weiterhin kann der Effekt bei zunehmender Größe der magnetische Beads (z.B. bei einer Größe > 5μm) eine Rolle spielen, dass im Vergleich zu kleineren magnetischen Beads eine geringere spezifischen Oberfläche zur Anlagerung funktioneller Gruppen vorliegt. Mit anderen Worten kann es als Aspekt der vorliegenden Erfindung angesehen werden, dass eine Größe der magnetischen Beads gewählt wird, welche Größe ein Optimum hinsichtlich der Kombination aus der aktiven Oberfläche und den magnetischen Eigenschaften der Beads darstellt. Beispielsweise können die magnetischen Beads einen Durchmesser aufweisen, der ausgewählt aus einem Bereich von lOOnm bis 5μm, vorzugsweise kann der Durchmesser lμm betragen. Jedoch sind andere Durchmesser oberhalb, unterhalb und innerhalb dieses Wertebereichs möglich. Weiterhin umfasst die Erfindung, dass verschiedenste Formen der magnetischen Beads und verschiedenste Formen der darin eingebetteten Nanopartikel verwendet werden können. Beispielsweise können stäbchenförmige, drahtförmige,
röhrenförmige, membranförmige, irregulär förmige und ellipsoidförmige
magnetische Beads und/oder Nanopartikel verwendet werden.
Dabei ist das zuvor gesagte beispielhaft an Nanopartikel erklärt, erstreckt sich jedoch explizit auch auf Partikel, welche in die magnetischen Beads integriert werden, die jedoch eine andere Größe aufweisen. Weiterhin kann sich die Erfindung beispielsweise zu Nutze machen, dass
kugelförmige Beads aus hydrodynamischer Sicht gewisse Vorteile aufweisen.
Hinsichtlich der Dichte der magnetischen Beads soll der Begriff magnetische Beads keine Einschränkung implizieren. Beispielsweise können die magnetischen Beads eine Dichte aufweisen, welche größer, kleiner oder gleich der Dichte von Wasser ist. Ebenso ist es möglich, dass die Dichte der Beads größer, kleiner oder gleich der Dichte anderer verwendeter Reagenzflüssigkeit innerhalb der Flüssigkeitsbereiche der mikro fluidischen Karte ist. Die Dichte der Beads kann dabei maßgeblich durch die Wahl des Trägermaterials und dem Anteil an Magnetpartikeln (bsp.
Magnetitgehalt) im Bead beeinflusst werden. Es ist somit möglich, eine Kombination aus magnetischen Beads und Reagenzflüssigkeiten zu wählen, bei welcher die Partikel auf dem Grund des Flüssigkeitsbereichs vorliegen, schwimmend innerhalb der Flüssigkeit vorliegen oder sich an der Oberfläche der Reagenzflüssigkeit sammeln.
Auch hinsichtlich der Materialien der magnetischen Beads sind vielerlei
Ausführungsformen im Sinne der vorliegenden Erfindung möglich. Insgesamt können diese magnetischen Beads paramagnetischer oder ferromagnetischer Natur sein, wobei bevorzugt paramagnetische Beads mit möglichst geringer Remanenz und guten Dispersionseigenschaften zum Einsatz kommen können, da diese bei
Entfernung eines externen Magnetfeldes nicht zur Aggregation neigen. Es können als magnetische Materialien Eisenoxide zum Einsatz kommen, die im Allgemeinen durch die Formel FexOyHz (z.B. z=0) beschrieben werden können.
Neben Eisen können die häufig eingesetzten Ferrite Übergangsmetalle wie Mn, Co, Zn, Cu und Ni unter anderen enthalten. Beispielsweise können sie auf Partikeln aus reinen Metallen wie Fe und Co, Legierungen wie CoPt3, CoPt, FePt etc., bzw.
oxidischen Phasen wie Gamma-Fe2θ3, FeO, NiO und insbesondere den Spinellen Fe3O4 oder allgemein M11M11^O4 (M = Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Mg, Zn etc.) basieren. Magnetit (Fe3O4, präziser Feπ(Feiπ)2θ4) und Maghemit (Fe2O3 ) eigenen sich für die beschriebene Anwendung besonders gut, da diese eine hohe Sättigungsmagnetisierung aufweisen (80 - 100 A x nÄg'1). Dabei sollen andere Kristallisierungsformen als die bisher und im Nachfolgenden genannten explizit nicht als Einschränkung verstanden werden. Die Verwendung anderer Kristallformen ist möglich.
Magnetische Trägermaterialien, welche die magnetischen Beads darstellen, können durch Einbettung der davon separaten magnetischen Partikel in natürliche (z.B. Polysacharide wie Dextran, Sepharose, Polypeptide wie PoIy-L- Aspartat, PoIy-L- Glutamat, Polylaktide wie PoIy-P, L-laktid) oder synthetische Polymermatrices (z.B. Polyvinylalkohol, Polystyrol(derivate), Poly(met)acrylate (PMMA und PHEMA) und -acrylamide, Polypyrrole, Polyester, Poly-epsilon-caprolactam, etc. und
Copolymere auch mit natürlichen Polymeren) oder durch anorganische
Beschichtungen (zum Beispiel SiO2, Au, Carbon) gewonnen werden. Bei der Incapsulierung von Magnetpartikeln können entweder kleine Partikel (zum Beispiel Ferrofluide) homogen in der Trägermatrix verteilt oder größere in Form von Kern- Schale-Partikeln aufgebaut werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der
Infiltration von (organischen / anorganischen) porösen Materialien durch sehr kleine magnetische Nanopartikel oder Lösungen von Fe2+ und anderen Metallionen (zum Beispiel Fe3+, Co3+, Ni2+, Mn2+, etc.) und der anschließenden Bildung der magnetischen Partikel (zum Beispiel Ferrite) in der Matrix. Insbesondere bei Matrix- dispergierten Partikeln („Polymerbeads") kann die Größe der Beads (beispielsweise bis 5μm) nichts mit der Größe der enthaltenen Magnetpartikel zu tun
(oft nur einige nm) haben, was sich durch die Messung der Magnetisierungskurve bestätigen lassen kann (kleine Partikel zeigen dann eine enge Hysterese).
Als Bead-Oberflächen können sich sowohl Polymere als auch Siθ2-beschichtete Magnet-Partikel dazu eignen, mit unterschiedlichen Funktionalitäten ausgestattet zu werden. An die SiO2-Schicht (Coating) lassen sich z. B. funktionalisierte Chlor- oder Alkoxysilane anbinden. Auf diese Weise können auch Polymerisationsinitiatoren (z.B. für die ATRP) an die Partikel gekoppelt werden, um typische Kern-Schale Partikel mit magnetischem Kern und einer Polymerschale zu erzeugen.
Diese magnetischen Beads sind meist Polymerpartikel mit einpolymerisierten Eisenoxidpartikeln oder Eisenoxidpartikel mit Silicabeschichtung. Der
Magnetitgehalt kann dabei beispielsweise einen Wert zwischen 10 % und 90% annehmen, kann aber auch davon abweichende Werte betragen. Je nach Aufbau, Gehalt an magnetisierbaren Partikeln (Gesamtmagnetisierbarkeit) und
Funktionalisierung können die magnetischen Beads für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise sind im Bereich Life Science und Diagnostik die Aufreinigung von Nukleinsäuren, die Affinitätsreinigung von rekombinanten Proteinen oder anderen Biomolekülen und die Zellseparation mit
Antikörperbeschichteten magnetischen Beads ein exemplarisches Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung. Die kann dabei manuellen und / oder automatisierten erfolgen. Darüber hinaus könne magnetische Beads mit beispielsweise Carboxy- oder Amino- Funktionalitäten für anwenderspezifische kovalente Immobilisierungen von Liganden (z.B. Streptavidin, Protein A, Antikörper, Lectine, Enzyme wie Trypsin, Benzonase) eingesetzt werden.
Flüssigkeitsbereich:
Vorzugsweise soll unter dem Begriff Flüssigkeitsbereich im Kontext der
vorliegenden Erfindung eine Vertiefung innerhalb einer mikrofiuidischen Karte verstanden werden, die zur Aufnahme gewünschter Reagenzflüssigkeiten vorgesehen ist. Jedoch umfasst der Begriff auch ein analog zur Tropfenbildung auf einer Oberfläche definierte Bereich der mikrofiuidischen Karte z.B. durch unterschiedliche Oberflächenspannungen, in dem sich eine gewisse Menge der entsprechenden Reagenzflüssigkeit gebildet hat. Dieses Beispiel eines Flüssigkeitsbereichs liegt damit nicht in einer Vertiefung vor. Mit anderen Worten kann unter dem Begriff Flüssigkeitsbereich auch ein
zusammenhängendes räumliches Gebiet verstanden werden, in dem sich die
Reagenzflüssigkeit unabhängig von der Struktur oder dem Relief der
mikrofluidischen Karte an dieser Stelle erstreckt.
Weiterhin kann der Flüssigkeitsbereich auch aus zwei oder mehreren Phasen bestehen. Beispielsweise ist es möglich, dass gleichzeitig eine oder mehrere organische und eine oder mehrere wässrige Phasen innerhalb eines
Flüssigkeitsbereichs vorliegen. Für den Fall, dass im Kontext der Erfindung ein Zustand beschrieben wird, bei welchem die magnetischen Beads an der Oberfläche der Reagenzflüssigkeit schwimmen, so umfasst der Begriff Flüssigkeitsbereich eine flüssige Phase und eine gasförmige Phase.
Po sitioniereinrichtung :
Darunter kann sowohl eine Einrichtung verstanden werden, welche mittels mechanischer Bewegungen die mikrofluidische Karte und die Magneteinrichtung relativ zueinander positioniert. Weiterhin ist es auch möglich, dass die
Positioniereinrichtung eine Regel- und Steuereinrichtung darstellt, welche den Magnetfeldgradienten beispielsweise durch Ansteuerung eines Magnetfeldstrings derart verändert, dass eine Relativbewegung zwischen den magnetischen Beads und der Aufnahmeeinrichtung (und damit auch zwischen den magnetischen Beads und der mikrofluidischen Karte, da diese in der Aufnahmeeinrichtung im Betrieb platziert ist) erzeugt wird. Prinzipiell gibt es mehrere Möglichkeiten, wie die
Positioniereinrichtung die Relativbewegung erzeugen kann. Es kann eine Bewegung der Magneteinrichtung, eine Bewegung der mikrofluidischen Karte, eine
Kombination aus den erstgenannten Möglichkeiten, eine Veränderung des auf die magnetischen Beads wirkenden Magnetfeldgradienten und eine Kombination aus den vorgenannten Möglichkeiten sein. Dabei ist es möglich, dass sie mit Hilfe von Steuerung- und Regelungstechnik die erforderlichen Bewegungen bzw.
Veränderungen des Magnetfeldgradienten verursacht. Kontaktlos:
Im Kontext der vorliegenden Erfindung soll der Begriff kontaktlos, falls nicht explizit anderweitig definiert, dahingehend ausgelegt werden, dass kein Kontakt zwischen den magnetischen Beads und der Magneteinrichtung in der Flüssigkeit des jeweiligen Flüssigkeitsbereichs besteht. Mit anderen Worten taucht der Magnet- bzw. die Magneteinrichtung zum Transport nicht in die Flüssigkeitsbereiche ein, sondern verursacht zumindest eine Komponente der Bewegung von außerhalb des
Flüssigkeitsbereiches mittels magnetischer Kräfte kontaktlos. Ein Kontakt der magnetischen Beads zu der Magneteinrichtung, nachdem sie aus dem ersten
Flüssigkeitsbereich herausgehoben wurden ist jedoch nicht explizit ausgeschlossen.
Magneteinrichtung :
Eine Magneteinrichtung kann jedwede Vorrichtung sein, welche einen
Magnetfeldgradienten für den im Vorangegangenen und im Nachfolgenden beschriebenen Transport der magnetischen Beads bereitstellt.
Diese Einrichtung kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus
Permanentmagnet, Kombination aus einem Permanentmagneten und einem
Elektromagneten, ein Paar jeweils bestehend aus einer Kombination aus einem
Permanentmagneten und einem Elektromagneten, ein Permanentmagnet mit einer
Modulationsspule, bei der die Magnetisierung des Permanentmagneten durch die
Modulationsspule reduziert wird sowie jede Kombination daraus. Weiter Bauteile zur Erzeugung des Magnetfeldgradienten können ebenso vorhanden sein.
Durchgehende Barriere:
Der Begriff durchgehende Barriere bzw. durchgehende mechanische Barriere stellt eine deutliche Abgrenzung zu Ventilen dar. Mit anderen Worten ist es im Kontext der vorliegenden Erfindung einer Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitsbereich nicht möglich durch die Barriere hindurch zu gelangen, ohne dass zuvor eine substantielle Zerstörung der Materie bzw. eine geometrische Veränderung der Barriere stattgefunden hat.
Deckenelement, Bodenelement:
Darunter kann sowohl eine Deckenplatte bzw. eine Bodenplatte, aber auch der Einsatz von mehr oder weniger elastischen Folien und Einwegprodukten mit dem Ziel, die mikrofluidische Karte nach oben und unten räumlich zu begrenzen, verstanden werden. Alternativ zu einer Deckenplatte kann auch eine Klebefolie verwendet werden, die an den Stellen, über welche die Beads gleiten bzw. an welchen die Beads mit der Folie in Kontakt kommen, nicht klebt. Es können auch an diesen Stellen zusätzliche Membranen verwendet werden oder per se klebemittelfreie Stellen in der Folie vorgesehen sein.
Gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist eine Vorrichtung zum
Transport magnetischer Beads von einem ersten Flüssigkeitsbereich in einen zweiten Flüssigkeitsbereich einer einzusetzenden mikrofluidischen Karte zur Detektion eines Zielmoleküls angegeben. Dabei weist die Vorrichtung eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme der einzusetzenden mikrofluidischen Karte, eine Positioniereinrichtung und eine Magneteinrichtung auf. Weiterhin ist die Positioniereinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen den zu transportierenden magnetischen Beads und der Aufnahmeeinrichtung derart ausgeführt, dass durch die
Relativbewegung die zu transportierenden magnetischen Beads über eine
durchgehende mechanische Barriere zwischen dem ersten und dem zweiten
Flüssigkeitsbereich der einzusetzenden mikrofluidischen Karte hinweg
transportierbar sind. Eine Richtung ist zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten auf der einzusetzenden mikrofluidischen Karte zur Relativbewegung der zu transportierenden magnetischen Beads bezüglich wenigstens einer
Bewegungskomponente der Relativbewegung ausgeführt. Die Magneteinrichtung ist derart von der Aufhahmeeinrichtung beabstandet, dass die Relativbewegung der zu transportierenden magnetischen Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich heraus bezüglich der wenigstens einen Bewegungskomponente kontaktlos erfolgt.
Mittels dieser Vorrichtung kann ein magnetischer Transport der Beads in
kontaktloser Art und Weise realisiert werden, ohne dass Diffusion zwischen den einzelnen Flüssigkeitsbereichen der mikrofluidischen Karte auftritt. Dies stellt einen zentralen Vorteil der vorliegenden Erfindung dar.
Dabei ist das„über" derart zu verstehen, dass mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Barriere, welche sich senkrecht zur Ebene der mikrofluidischen Karte erstreckt, durch kontaktlose Anhebung der magnetischen Beads mittels magnetischer Kräfte überschritten werden kann.
Dabei kann die Magneteinrichtung gleichzeitig ein homogenes und ein inhomogenes Feld bereitstellen, welche überlagert werden, so dass der gewünschte
Magnetfeldgradient zur Erzeugung magnetischer Kräfte auf die Beads auf der mikrofluidischen Karte erzeugt ist. Diese magnetischen Kräfte, welche auf die magnetischen Beads wirken, werden ausgenutzt, um die magnetischen Beads aus der Reagenzflüssigkeit des ersten Flüssigkeitsbereichs kontaktlos herauszuheben und über die mechanische Barriere der mikrofluidischen Karte zu transportieren. Mittels einer Modulation des Magnetfeldgradienten werden diese anschließend wieder kontaktlos in den zweiten Flüssigkeitsbereich hineingegeben.
Beispielsweise könnte diese Modulation des Magnetfeldgradienten dadurch erzeugt werden, dass ein elektrischer Spulenstrom einer Modulationsspule der
Magneteinrichtung derart moduliert wird, dass sich der gewünschte, vorangegangen beschriebene Transport der Beads über die Barriere hinweg ergibt beziehungsweise erzeugt wird. Diese Modulation kann beispielsweise durch die Positioniereinheit geregelt und /oder gesteuert werden.
Weiterhin kann beispielsweise ein Computerprogramm innerhalb der
Positioniereinrichtung dazu abgelegt sein. Dieses Computerprogramm kann beispeilsweise auf die einzusetzende mikro fluidische Karte und/oder auf die anzuwendende Probenanalyse und/oder das zu detektierende Zielmolekül
abgestimmt sein.
Beispielsweise kann in diesem Computerprogramm die Sequenz oder der
Stromverlauf über die Zeit gespeichert sein, der in einer Modulationsspule fließen soll, um die gewünschte Bewegung und/oder der gewünschte Transport der Beads zu erreichen.
Mit anderen Worten kann in diesem Fall die Positioniereinrichtung zur steuer- und/oder regelbaren Modulation des Spulenstroms der Modulationsspule, die sich in der Magenteinrichtung befindet ausgeführt sein.
Dabei kann die Positioniereinrichtung zur Erzeugung dieser Relativbewegung sowohl eine Bewegung der Magneteinrichtung sowie auch eine Bewegung der mikro fluidischen Karte (mittels einer Bewegung der Aufnahmeeinrichtung) oder eine Kombination aus beidem durch entsprechende Regelung und Steuerung
herbeiführen. Jedoch ist es auch möglich, dass die Positioniereinrichtung eine Änderung oder Modulation des Magnetfeldgradienten in der Art erzeugt, dass es zu dieser gewünschten Relativbewegung kommt. Dabei wird diese Relativbewegung letztlich zwischen den magnetischen Beads und den beiden Flüssigkeitsbereichen, welche sich auf der mikrofluidischen Karte befinden, erzeugt. Die Relativbewegung besteht aufgrund der existierenden Barriere der
mikro fluidischen Karte, die gerade überwunden werden soll, aus zumindest zwei vektoriellen vertikalen und zumindest einer vektoriellen horizontalen
Bewegungskomponente. Dabei ist ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass mittels der Fernwirkung der magnetischen Kräfte zwischen der
Magneteinrichtung und den magnetischen Beads diese kontaktlos aus dem ersten Flüssigkeitsbereich herausgehoben werden.
Dabei ist der Begriff beabstandet derart zu verstehen, dass, wenn sich die mikro fluidische Karte im eingesetzten Zustand befindet, die Magneteinrichtung und die Aufnahmeeinrichtung keinen Kontakt aufweisen. Sollte in einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung jedoch ein Kontakt der Magneteinrichtung und der Aufnahmeeinrichtung bestehen, so liegt gemäß der Erfindung aber zu keinem Zeitpunkt der Durchführung des Transports der magnetischen Beads ein Kontakt zwischen der Magneteinrichtung und den Flüssigkeitsbereich der mikrofluidischen Karte vor.
Der Begriff„bezüglich wenigstens einer Bewegungskomponente" schließt weiterhin nicht aus, dass das magnetische Feld auch als Ursache aller benötigten, vektoriellen Bewegungskomponenten genutzt werden kann. Dies wird im Folgenden anhand des Beispiels in Serie durchschaltbarer Magneteinrichtung beschrieben werden.
Weiterhin ist es möglich, dass die Magneteinrichtung, die beispielsweise auch ein Magnetfeld Array ausgeführt sein kann, in die Deckenplatte oder Bodenplatte einer mikrofluidischen Karte integriert ist. Durch die Vorrichtung werden in diesem Fall Leitungen zur Regelung und Steuerung des Magnetfeldgradienten für die Bodenbzw. Deckenplatte bereitgestellt.
Mit anderen Worten bezieht sich die Erfindung auf ein Analysesystem zur
Anwendung beispielsweise in der medizinischen Point of Care Analytik. Dabei kann die Vorrichtung auch die mikrofluidische Karte umfassen, aufweicher biologische Reaktionen mit Hilfe multifunktioneller magnetischer Beads stattfinden können. Ebenso kann die Positioniereinrichtung die Bewegung der magnetischen Beads kontrollieren. Weiterhin kann die mikrofluidische Karte ein Sensormodul enthalten, mit Hilfe dessen die an den Beads gebundenen Zielmoleküle
nachgewiesen werden können.
Dabei ist der Begriff multifunktionelle Beads im Kontext der Erfindung
folgendermaßen zu verstehen: Es handelt sich dabei um magnetische Beads mit unterschiedlichen Funktionen. So werden für eine Isolation von biologischen Agenzien, wie beispielsweise mikrobieller Erreger, magnetische Beads verwendet, die auf ihrer Oberfläche Moleküle tragen, die spezifisch oder unspezifisch mit Oberflächenstrukturen oder Rezeptoren der Erreger in Kontakt treten. Hierzu können beispielsweise monoklonale Antikörper (spezifisch) oder Protein A (unspezifisch) verwendet werden. Bei der Isolation von Nukleinsäuren (DNA, RNA) aus den lysierten Erregern kommen in aller Regel Nukleinsäure-bindende Oberflächen (Silane) zum Einsatz. Vor dem Nachweis spezifischer Sequenzen kann eine so genannte PCR-on-a-Bead (PCR=Polymerase Kettenreaktion) zum Einsatz kommen. Hierbei werden an die Beadoberfläche kovalent gekoppelte Oligonukleotide verwendet, die mithilfe von Polymerase in Anwesenheit der Zielsequenzen elongiert und nachfolgend detektiert werden (beispielsweise über korrespondierende
Oligonukleotide, die an einem Microarray gekoppelt vorliegen). Alternativ kann die gesamte Prozesskette von der Erregerisolation, der Lysierung und
Nucleinsäureisolation, über die Amplifikation spezifischer Sequenzen und deren endgültigem Nachweis mit multifunktionellen Beads erfolgen. Dabei befinden sich unterschiedliche Funktionalitäten auf der Beadoberfläche oder sind nach innerhalb der Matrix gekoppelt. So können beispielsweise sowohl monoklonale Antikörper als auch spezifische Oligonukleotide am Bead gekoppelt vorliegen, die in
unterschiedlichen Phasen der Prozesskette zum Einsatz kommen. Dabei können ein oder mehrere modulierbare Magneteinrichtungen über und/oder unter der mikrofluidischen Karte positioniert sein. Die Magneteinrichtungen können so moduliert werden, dass ein Magnetgradient zur Boden- bzw. zur Deckenplatte der mikrofluidischen Karte aufgebaut wird, so dass sich je nach Zustand die
magnetischen Beads innerhalb der Flüssigkeit des ersten und/oder zweiten
Flüssigkeitsbereichs nach oben oder unten bewegen. Beispielsweise kann durch eine seitliche Verschiebung der Magneten oder alternativ durch eine Verschiebung der mikrofluidischen Karte neben der Auf- und Abwärtsbewegung der magnetischen Beads auch eine seitliche Bewegung der Beads erzeugt werden. Die Barriere sollte so ausgestaltet werden, dass durch leichtes Kippen der mikrofluidischen Karte keine Durchmischung der Flüssigkeitsbereiche aufgrund eines "Überlaufens" der
Flüssigkeiten stattfindet.
Dabei kann die mikro fluidische Karte beispielsweise so gestaltet sein, dass sich zwischen den einzelnen Reaktionskammern, in welchen vorgesehen ist,
Flüssigkeitsbereiche auszubilden, Barrieren befinden, die diese fluidisch voneinander trennen. Dabei vermeidet die vorliegende Erfindung komplizierte und fehleranfällige Ventiltechnik zwischen den Reaktionskammern und respektive zwischen den Flüssigkeitsbereichen. Um die magnetischen Beads zwischen den
Reaktionskammern zu transportieren, müssen die Barrieren überwunden werden. Dies geschieht durch Anheben der Beads unter Modulation des
Magnetfeldgradienten. Der nach oben wirkende Gradient wirkt gegen die
Gravitationskraft und wirkt in Richtung der Auftriebskraft der Beads, welche sie innerhalb der Reagenzflüssigkeit erfahren. Eine im Vergleich zur mikrofluidischen Karte Horizontalbewegung der magnetischen Beads kann auf verschiedene bereits oben beschriebene Weise erzeugt werden. Dadurch wird die Positionierung der magnetischen Beads über der nächsten Reaktionskammer, also über dem zweiten Flüssigkeitsbereich erreicht. Abschließend wird die Richtung des Gradienten nach unten moduliert, so dass die Beads von der Deckelplatte wieder durch die Flüssigkeit in Richtung der Bodenplatte transportiert werden. Anschließend kann, falls gewünscht, eine weitere Modulation des Magnetfeldes derart erfolgen, dass die Beads innerhalb der Reaktionsflüssigkeit des zweiten Flüssigkeitsbereichs, derart bewegt werden, dass eine Durchmischung erzeugt wird.
Da die erfindungsgemäße Vorrichtung es ermöglicht, magnetische Beads von einer Reaktionskammer bzw. einem Flüssigkeitsbereich hebenderweise in den nächsten zu transportieren, ohne auf Ventiltechnik zurückgreifen zu müssen, ist die angegebene Vorrichtung besser in Prozessen einsetzbar, welche starke Temperaturunterschiede aufweisen. Im Falle einer Polymerase-Kettenreaktion (PCR), bei welcher solche starken Temperaturunterschiede auftreten, kann es nachteilig sein, Systeme mit Ventilen zu benutzen. Diese Ventile vermeidet die vorliegende Erfindung explizit. Somit stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine temperaturresistentere mikro fluidische Analysevorrichtung dar, die eine höhere Lebensdauer, Genauigkeit beispielsweise in PCR-Prozessen bietet.
Damit stellt die Vorrichtung ein verbessertes technisches Mittel dar, um
multifunktionelle Partikel, die sich zur kombinierten Molekülaufreinigung, einer Multiplex-PCR-Reaktion On Beads und On Chip Hybridisierung für viele biologische Parameter eignen zu untersuchen. Dadurch kann eine erhöhte
Prozessintegration und erhöhte biologische Parameterzahl erreicht werden.
In Kombination mit der mikro fluidischen Karte stellt die Vorrichtung einen Bio chip mit Arrays aus magnetoresistiven Magnetfeldsensoren dar, die den
hochempfindlichen quantitativen Nachweis winziger Magnetfeldänderungen erlauben, die von einzelnen magnetischen Beads erzeugt werden. Dies kann eine höhere Sensitivität und Parallelität erlauben, als bisher mittels des Standes der Technik erzielbar ist. Weiterhin ist es möglich, die mikrofluidische Karte als kostengünstiges Einwegprodukt auf Basis umweltfreundlicher Kunststoffe mit einem völlig neuartigen mikrofluidischen Konzept und lyophilisierten, trocken gelagerten Reagenzien bereitzustellen. Dies gewährleistet eine Prozessintegration und lange Lagerungsmöglichkeit der Kits bei Raumtemperatur.
Mit anderen Worten bietet die Vorrichtung eine berührungsfreie Beadsteuerung auf der mikrofluidischen Karte durch externe Magnetfelder mittels eines
energiesparenden Analyzers, der ohne aufwendige Mechanik oder Hydraulik auskommt. Dadurch kann eine hochgradige Miniaturisierung und eine
kostengünstige Herstellung ermöglicht werden. Ebenso wird eine einfache
Mikrofluidik bereitgestellt, welche ohne steuernde Ventile auskommt. Dadurch werden Komponenten eingespart, und die Komplexität der Karte und des Analyzers kann signifikant vereinfacht werden. Dies kann zu einer Beherrschung des Transfers komplexer Essays auf die Vorrichtung führen und eine kostengünstige Herstellung der Systemkomponenten mit sich bringen.
Die einfach zu bedienende Vorrichtung erlaubt die schnelle Detektion vieler biologischer Parameter gleichzeitig, wie beispielsweise bei genetischen
Prädispositionen Krebs und verschiedene Erregertypen (zum Beispiel HIV, Bakterien und Parasiten). Dadurch kann unter anderem speziell geschultes Personal eingespart werden. Aufgrund der universell und individuell funktionalisierbaren Magnetbeads eröffnet sich ein breitgefächertes Anwendungsfeld für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Neben medizinischen Anwendungen wie proteomischen, genomischen und mikrobiologischen Tests erstreckt sich dieses weiter auf umweltanalytische Tests bis hin zu beispielsweise Qualitätsmanagement.
Dabei kann dieses Ausfürhungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wie auch jedes weitere Ausführungsbeispiel der erfϊndungsgemäßen Vorrichtung die mikrofluidische Karte enthalten. In diesem Fall bilden diese beiden Elemente ein System zum Transport magnetischer Beads von einem ersten Flüssigkeitsbereich in einen zweiten Flüssigkeitsbereich bestehend aus der Vorrichtung und der mikrofluidischen Karte.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die
Magneteinrichtung eine Modulationsspule auf, wobei die Positioniereinrichtung mittels Stromregulierung der Modulationsspule zur Modulation des
Magnetfeldgradienten derart ausgeführt ist, dass durch die Modulation die magnetischen Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich herausgehoben und anschließend in den zweiten Flüssigkeitsbereich abgesenkt werden.
Damit kann ein kontaktloser magentischer Transport von Beads in einer
mikrofluidischen Karte realisiert werden, bei der keinerlei Diffusion zwischen den Flüssigkeitsbereichen auf Grund der durchgehenden mechanischen Barriere auftritt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der
Magnetfeldgradient derart ausgeführt, dass mittels des Magnetfeldgradienten neben einer vertikalen Bewegungskomponente der Relativbewegung auch eine horizontale Bewegungskomponente der Relativbewegung erzeugt werden kann.
Mit anderen Worten ist die Positioniereinrichtung derart ausgeführt, dass sie solch einen Magnetfeldgradienten durch Steuerung und/oder Regelung der
Magneteinrichtung erzeugen kann. Dabei kann beispielsweise auch ein String von seriell geschalteten Magneteinrichtungen verwendet werden. Jedoch ist es auch möglich, eine einzelne Magneteinrichtung zu verwenden, die ein zeitlich und räumlich veränderliches Magnetfeld derart erzeugen kann, dass eine vertikale Bewegung der magnetischen Beads aus der Reaktionskammer und dem ersten Flüssigkeitsbereich heraus entsteht. Darüber hinaus kann aufgrund der Veränderung des Magnetfeldes eine
Horizontalbewegung der magnetischen Beads von der herausgehobenen Position über dem ersten Flüssigkeitsbereich zu einer zweiten Position über dem zweiten Flüssigkeitsbereich erzeugt werden. Diese Horizontalbewegung verläuft parallel zur Ebene, welche durch die mikrofluidische Karte gebildet wird. Anschließend kann beispielsweise durch eine weitere Modulation der Magneteinrichtung der
Magnetfeldgradient derart verändert werden, dass die magnetischen Beads in den zweiten Flüssigkeitsbereich abgesenkt werden.
Dabei ist es in diesem und auch in jedem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung möglich, dass die Vertikalbewegung der magnetischen Beads heraus aus dem ersten Flüssigkeitsbereich durch ein Deckenelement der mikrofluidischen Karte begrenzt bzw. gestoppt wird. Eine anschließende Horizontalbewegung der magnetischen Beads kann dann entlang der Oberfläche dieses Deckenelements erfolgen. Mit anderen Worten können die magnetischen Beads bei laufendem Kontakt zu dem Deckenelement mit dem Magnetfeld über das Deckenelement herübergezogen werden. Nach Erreichen der Position oberhalb des zweiten Flüssigkeitsbereiches werden die magnetischen Beads in diesen Bereich abgesenkt. Falls gewünscht, ist es jedoch auch möglich, dass die Vertikalbewegung aus dem ersten Flüssigkeitsbereich heraus lediglich bis in eine vordefinierte Höhe erfolgt. Es muss also nicht zwingend ein Kontakt zwischen den magnetischen Beads und einer oberen Begrenzung wie dem Deckenelement erfolgen, wie später in Fig. 3 beschrieben wird. Ein vollständig kontaktloses Überführen aus dem ersten Flüssigkeitsbereich in den zweiten
Flüssigkeitsbereich ist somit möglich.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Vorrichtung angegeben, bei der die Magneteinrichtung als eine modulierbare Magneteinrichtung ausgeführt ist. Sie ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Permanentmagnet, Kombination aus einem Permanentmagneten und einem Elektromagneten, einem Paar jeweils bestehend aus einer Kombination aus einem Permanentmagneten und einem
Elektromagneten, einer durchschaltbaren Serie verschiedener Magneten und jeder Kombination daraus.
Dabei ist jede der oben genannten Magneteinrichtungen in der Lage, den
gewünschten Magnetfeldgradienten zum Transport von magnetischen Beads, wie bereits beschrieben, zu erzeugen.
Unter Kombination kann dabei auch ein Permanentmagnet mit einer elektrischen Modulationsspule verstanden werden, welche die Magnetisierung des
Permanentmagneten reduziert. Eine entsprechende Modulation des
Magnetfeldgradienten wird dabei mittels der Stromregulierung der Modulationsspule erreicht. Dies kann beispielsweise von der Positioniereinrichtung geregelt und gesteuert werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Vorrichtung angegeben, bei welcher die Positioniereinrichtung derart ausgeführt ist, dass sie in der Lage ist, die Relativbewegung durch Erzeugung eines der Elemente zu erzeugen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Bewegung der Magneteinrichtung, Bewegung der mikrofluidischen Karte, Variation eines oder mehrerer
Magnetfeldgradienten zur vertikalen Bewegung der magnetischen Beads, Variation eines oder mehrerer Magnetfeldgradienten zur horizontalen Bewegung der magnetischen Beads, Variation eines oder mehrerer Magnetfeldgradienten zur vertikalen und zur horizontalen Bewegung der magnetischen Beads und jede
Kombination daraus. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die
Relativbewegung eine im Vergleich zu einer mikrofluidischen Karte vertikale Bewegungskomponente und eine horizontale Bewegungskomponente auf. Weiterhin ist die Positioniereinrichtung zur kontakt losen Erzeugung der vertikalen
Bewegungskomponente mittels des Magnetfeldgradienten ausgeführt, und die Positioniereinrichtung ist zur Erzeugung der horizontalen Bewegungskomponente mittels einer Bewegung ausgeführt, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Translation der Magneteinrichtung, Translation der mikrofluidischen Karte, horizontaler Bewegung der magnetischen Beads, welche mittels Durchschaltung einer Serie verschiedener Magneteinrichtungen erzeugt wird und jeder Kombination daraus.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die
Magnetfeldeinrichtung zur Erzeugung sowohl einer vertikalen als auch einer horizontalen Bewegung der magnetischen Beads ausgeführt, wodurch der Transport der magnetischen Beads von dem ersten Flüssigkeitsbereich in den zweiten
Flüssigkeitsbereich vollständig mittels des Magnetfeldgradienten ermöglicht wird. Weiterhin ist die Positioniereinrichtung derart ausgeführt, dass sie die
Magneteinrichtung entsprechend steuern kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die
Positioniereinrichtung ausgeführt, die Relativbewegung auf Basis einer
geometrischen Verteilung der Flüssigkeitsbereiche auf der mikrofluidischen Karte zu erzeugen.
Mit anderen Worten, es ist möglich, die Positioniereinrichtung beispielsweise mittels digitaler Daten, welche die Verteilung des Flüssigkeitsbereichs beinhalten bzw. angeben, zu versorgen. Aufgrund der bereitgestellten Information wählt die Positioniereinrichtung eine angemessene Maßnahme, mit welcher sie die Relativbewegung erzeugt bzw. regelt und steuert.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung eine Modulationseinrichtung auf, welche zur Durchmischung von Flüssigkeiten in zumindest einem der beiden Flüssigkeitsbereiche ausgeführt ist.
Dabei kann die Modulationseinrichtung auch durch die Positioniereinrichtung ausgeführt sein. Erstens können die magnetischen Beads mittels des Gradienten an ihrer Position gehalten werden und die mikrofluidische Karte wird zu einer
Bewegung angeregt, was zu der gewünschten Durchmischung führt. Zweitens ist es auch möglich, die mikrofluidische Karte fest zu positionieren beispielsweise durch die Modulationseinrichtung und eine Modulation des Gradienten in gewünschter Frequenz und Amplitude derart zu generieren, dass die Beads eine Wirbelbewegung in dem gewünschten Flüssigkeitsbereich vollziehen. Dies führt aufgrund der Reibung zwischen den magnetischen Beads und der Flüssigkeit zu Durchmischung der Flüssigkeit.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine mikrofluidische Karte zur Einführung in eine Vorrichtung gemäß einem der im Vorangegangenen und Nachfolgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele angegeben, welche zum Transport magnetischer Beads auf der Karte geeignet ist. Dabei weist die
mikrofluidische Karte zumindest einen ersten und einen zweiten Flüssigkeitsbereich auf, wobei der erste und der zweite Flüssigkeitsbereich jeweils zur Befüllung mit einer Flüssigkeit und einem Zielmolekül ausgeführt sind. Dabei sind der erste und der zweite Flüssigkeitsbereich durch eine mechanische Barriere getrennt, welche eine durchgehende Barriere darstellt. Dabei kann die Barriere derart ausgeführt sein, dass die Beads mechanisch in gewünschter Weise gut auf der Oberfläche der Barriere gleiten und nicht
hängenbleiben. Es kann eine bestimmte vordefinierte Oberflächenrauhigkeit für die Barriere vorliegen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die mikrofluidische Karte ein Deckenelement und/oder ein Bodenelement und eine Magneteinrichtung zur Bereitstellung eines Magnetfeldgradienten auf, wobei die Magneteinrichtung in das Deckenelement oder das Bodenelement integriert ist. Weiterhin weist die Magneteinrichtung eine Modulationsspule auf, wobei der erste und der zweite Flüssigkeitsbereich jeweils zur Befüllung mit einer Flüssigkeit und einem
Zielmolekül ausgeführt sind, wobei der erste und der zweite Flüssigkeitsbereich durch eine mechanische Barriere getrennt sind.
Dabei stellt die mechanische Barriere eine durchgehende Barriere dar und die Magneteinrichtung ist zur Modulation des Magnetfeldgradienten derart ausgeführt, dass die magnetischen Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich herausgehoben und anschließend in den zweiten Flüssigkeitsbereich abgesenkt werden.
Mittels dieser mikro fluidischen Karte, die über beispielsweise elektrische Leitungen an eine Positioniereinrichtung wie sie im Vorangegangenen beschrieben wurde angeschlossen werden kann, ist es möglich durch Magentfeldgradientenmodulation eine horizontale und vertiakale Bewegung der Beads zu veranlassen, die sie über die durchgehend mechanische Barriere hebt. Mit anderen Worten können die Beads mit einer solchen Karte aus der Ebene der Flüssigkeitsbereiche herausgehoben werden und nach der Durchführung einer parallelen Horizontalebewegung in die Ebene der Flüssigkeitsbereiche, beispielsweise in den zweiten Flüssigkeitsbereich wieder abgesenkt werden. Dabei erfolgt das Anheben und Absenken wie bereist und nachfolgend beschrieben wurde kontaktlos. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die mikrofluidische Karte eine Sensoreinrichtung auf, wobei die Sensoreinrichtung zur Detektion eines magnetischen Beads ausgeführt ist.
Beispielsweise sind magnetoresistive Magnetfeldsensoren auf oder in der mikrofluidischen Karte vorhanden, die den hochempfindlichen quantitativen
Nachweis winziger Magnetfeldänderungen erlauben, die von einzelnen magnetischen Beads erzeugt werden. Dies erlaubt eine höhere Sensitivität und Parallelität gegenüber den bisher benutzten Messverfahren. Als Sensoreinrichtung kann beispielsweise eine Hallsonde oder speziell für biologische Anwendungen konzipierte GMR und TMR Sensorarrays sein (Giant bzw. Tunnel Magneto
Resistance Sensoren) eingesetzt werden, mit welcher die magnetischen Beads hochempfindlich und -parallel detektiert werden können. An den magnetischen Beads können sowohl ein als auch mehrere Zielmoleküle gekoppelt sein, die wiederum an einige wenige bis mehrere tausend von Sensorfeldern, z.B. an ein CMOS-Sensorarray, anbinden können. Nach Anbindung der magnetischen Beads an die Sensoroberfläche kann das lokale Magnetfeld (ggf. nach Magnetisierung durch z.B. ein äußeres homogenes Magnetfeld) des Beads vom dem Sensorelement detektiert werden, indem es sich durch eine Widerstandsänderung am Sensorelement bemerkbar macht, die z.B. vollelektrisch ausgelesen und ausgewertet werden kann.
Die Sensorvorrichtung befindet kann sich dabei z. B. im vorletzten oder letzten Flüssigkeitsbereich der mikrofluidischen Karte befinden. Um die magnetischen Beads an die einzelnen Positionen der auf dem Sensor befindlichen Fängermoleküle (Spots) zu transportieren könne spezielle mäander- oder wellenförmige
mikofluidische Ausgestaltungen der Kammer gewählt werden. Nicht gebundene Beads können mithilfe von externen Magnetfeldern in eine Abfall- oder
Sammelkammer (in diesem Fall als letzten Flüssigkeitsbereich) transportiert werden, in der sie die magnetoresistive Messung nicht mehr beeinflussen können. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Sensoreinrichtung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus magnetoresistivem Chip, Sensor mit Ausnutzung des anisotropen magnetoresistiven Effekts, Sensor mit Ausnutzung des gigantischen magnetoresistiven Effekts, Sensor mit Ausnutzung des kolossalen magnetoresistiven Effekts, Sensor mit Ausnutzung des magnetischen
Tunnelwiderstandes, Piezo-Sensor, kapazitiver Sensor, elektrochemischer Sensor, optischer Sensor, CCD-Chip und jede Kombination daraus.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die mikrofluidische Karte ein Bodenelement und ein Deckenelement auf. Dabei ist das Bodenelement im aufgenommenen Zustand der mikro fluidischen Karte im Wesentlichen parallel zu und unterhalb der Flüssigkeitsbereiche angeordnet. Das Deckenelement hingegen ist im aufgenommenen Zustand der mikrofluidischen Karte im Wesentlichen parallel zu und oberhalb der Flüssigkeitsbereiche angeordnet. Dabei ist das Deckenelement derart ausgeführt, dass es eine obere Begrenzung für eine vertikale
Bewegungskomponente der Relativbewegung der magnetischen Beads aus zumindest einem Flüssigkeitsbereich der mikrofluidischen Karte heraus darstellt. Weiterhin ist das Deckenelement derart ausgeführt, dass es eine Führung für eine horizontale Bewegungskomponente der Relativbewegung der magnetischen Beads darstellt.
Dabei ist es auch möglich, dass die mikrofluidische Karte ein Bodenelement und/oder ein Deckenelement enthält.
Weiterhin kann die mikrofluidische Karte gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel derart ausgeführt sein, dass das Bodenelement und/oder das Deckenelement baulich getrennt von der Ebene der mikrofluidischen Karte ist, in der die
Flüssigkeitsbereiche liegen. Diese dritte Ebene kann beispielsweise durch einen Hauptkartenkörper der mikrofluidische Karte bereitgestellt werden. Somit ist die mikrofluidische Karte in diesem Fall zwei- oder dreistückig ausgeführt.
Dabei kann das jeweils vorhandene Element, das Boden- und/oder Deckenelemt, lösbar an dem Hauptkartenkörper angebracht sein.
Dabei kann sowohl das Deckenelement als auch das Bodenelement als Platte ausgeführt sein. Alternativ kann auch eine Klebefolie verwendet werden, die an den Stellen, über welche die Beads gleiten und mit ihr in Kontakt kommen, nicht klebt, beispielsweise durch aufgebrachte Membranen. Der Einsatz klebemittelfreier Stellen ist ebenfalls möglich. Wie in der folgenden Figur 2 zu sehen ist, kann solches Deckenelement als Führung zum Transport der magnetischen Beads parallel zur mikrofluidischen Karte benutzt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die mikrofluidische Karte einen separaten magnetisierbaren Körper zur Platzierung in einem der beiden Flüssigkeitsbereiche und zur magnetischen Bindung der magnetischen Beads auf.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, eine oder mehrere magnetisierbare Kugeln oder andersartig geformte Körper in den Reaktionskammern vorzulegen (beispielsweise eine Stahlkugel) und damit das Minimum an Magnetfeldstärke, die für den Transport der Beads benötigt wird zu reduzieren. Das Material muss dabei so geartet sein, dass ohne äußeres Magnetfeld keine Magnetisierung vorliegt, das heißt der Körper derart unmagnetisch ist, dass die magnetischen Beads nicht an den separaten magnetisierbaren Körper binden. Andernfalls würden die magnetischen Beads ohne die Einschaltung des äußeren Magnetfeldes (des äußeren
Magnetfeldgradienten) von der Kugel angezogen werden. Der magnetische
Beadtransport soll erst dann erfolgen, wenn das äußere Magnetfeld eingeschaltet wird. Der separate magnetisierbare Körper wird durch die Präsenz des äußeren
Magnetfeldes magnetisiert, so dass die magnetischen Beads angezogen werden. Der Körper mit den anhaftenden funktionalisierten Beads wird von dem ersten
Flüssigkeitsbereich (in der ersten Reaktionskammer) in den zweiten
Flüssigkeitsbereich (in die nächste Reaktionskammer) bewegt. Nach Abschaltung des äußeren Magnetfeldes, was beispielsweise durch das Entfernen des
Permanentmagneten bzw. durch die Abschaltung der elektrischen Magnetspule geschehen kann, lösen sich die an dem separaten magnetisierbaren Körper gesammelten Beads wieder und gehen in die Reagenzflüssigkeit. Beispielsweise kann als separater magnetisierbarer Körper eine Stahlkugel verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein System
angegeben, das aus einer Vorrichtung gemäß einem zuvor oder nachfolgend genannten Ausführungsbeispeil der Erfindung und einer mikrofluidischen Karte gemäß einem zuvor oder nachfolgend genannten Ausführungsbeispeil der Erfindung besteht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Transport eines zu detektierenden Zielmoleküls mittels magnetischer Beads von einem ersten Flüssigkeitsbereich in einen zweiten Flüssigkeitsbereich einer mikrofluidischen Karte angegeben. Dabei weist das Verfahren die Schritte Einsetzen einer mikrofluidischen Karte mit zumindest einem ersten Flüssigkeitsbereich und einem zweiten Flüssigkeitsbereich in eine Aufnahmeeinrichtung auf, wobei der erste Flüssigkeitsbereich und der zweite Flüssigkeitsbereich durch eine mechanische Barriere getrennt sind. Weiterhin ist die mechanische Barriere eine durchgehende Barriere. Als weiteren Schritt beinhaltet das Verfahren Überführen von magnetischen Beads in den ersten Flüssigkeitsbereich, Erzeugen eines Magnetfeldgradienten durch eine Magneteinrichtung derart, dass sich der Magnetfeldgradient auf der
mikrofluidischen Karte erstreckt zur Bewegung der magnetischen Beads, Erzeugen einer Relativbewegung zwischen den zu transportierenden magnetischen Beads und der Aufhahmeeinrichtung, wobei zumindest eine Bewegungskomponente der Relativbewegung mittels des Magnetfeldgradienten erzeugt wird. Als weiterer Schritt des Verfahrens ist das Transportieren der magnetischen Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich heraus mittels der zumindest einen Bewegungskomponente, und wobei das Transportieren der magnetischen Beads mittels der zumindest einen Bewegungskomponente kontaktlos erfolgt.
Mittels dieses Verfahrens kann ein magnetischer Transport der Beads in kontaktloser Art und Weise realisiert werden, ohne dass Diffusion zwischen den einzelnen Flüssigkeitsbereichen der mikrofluidischen Karte auftritt. Dies stellt einen zentralen Vorteil der vorliegenden Erfindung dar.
Dabei kann überführen auch einführen, einbringen oder platzieren der magnetischen Beads in den ersten Flüssigkeitsbereich bedeuten.
Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein geschlossenes System verwendet werden, in welchem sich sämtliche Reagenzien befinden, die für die beispielsweise Nukleinsäure- und Proteindiagnostik notwendig sind. Damit können Befunde insbesondere bei zeitkritischen Erkrankungen früher verfügbar gemacht werden. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren in der Lage, auf aufwendige und fehleranfällige mikrofluidische Steuerungsschritte zu verzichten. Dies kann die Systemkosten für den Anwender verringern.
Mit anderen Worten wird eine berührungsfreie Beadsteuerung möglich, bei der keine aufwendige Mechanik oder Hydraulik verwendet werden muss. Auf eine aufwendige Ventilsteuerung kann gemäß diesem Verfahren gänzlich verzichtet werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren die Schritte auf Regulieren eines Stroms einer Modulationsspule zur Modulation des Magnetfeldgradienten derart, dass durch die Modulation die magnetischen Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich kontaktlos herausgehoben und anschließend in den zweiten Flüssigkeitsbereich kontaktlos abgesenkt werden.
Beispielsweise kann das Steuern und/oder Regeln des Stroms der Modulationsspule durch die Positioniereinrichtung erfolgen. Dies kann beispielsweise auch auf Basis eines in der Positioniereinrichtung gespeicherten Computerprogramms erfolgen, in dem entsprechend verschiedene Stromstärken in Abhängigkeit von der Zeit für die Modulationsspule vorgegeben sind.
Dabei erfolgt die Modulation des Gradienten durch Vergrößerungen und
Verringerungen des Spulenstroms in der Modulationsspule.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die
Relativbewegung eine im Vergleich zur mikrofluidischen Karte erste vertikale Bewegungskomponente, eine zweite vertikale Bewegungskomponente und eine horizontale Bewegungskomponente auf. Dabei weist dieses Ausführungsbeispiel die weiteren Verfahrensschritte erstes Variieren des erzeugten Magnetfeldgradienten derart auf, dass die erste vertikale Bewegungskomponente verursacht wird, wodurch die magnetischen Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich herausgehoben werden. Weiterer Schritt ist das Erzeugen der horizontalen Bewegungskomponente derart, dass die magnetischen Beads horizontal und relativ zu der mikrofluidischen Karte bewegt werden, womit die magnetischen Beads über dem zweiten
Flüssigkeitsbereich positioniert werden. Ein weiterer Schritt ist das zweite Variieren des erzeugten Magnetfeldgradienten derart, dass die zweite vertikale
Bewegungskomponente verursacht wird, wodurch die magnetischen Beads in den zweiten Flüssigkeitsbereich abgesenkt werden. Dabei ist mit der Verursachung einer Bewegungskomponente die Erzeugung einer entsprechenden Bewegung entlang der Orientierung und Richtung dieser
Bewegungskomponente gemeint. Dabei kann die horizontale Bewegungskomponente derart erzeugt werden, dass die magnetischen Beads entweder über die mechanische Barriere in physischem Kontakt herübergleiten oder auch, dass sie entlang eines Deckenelements entlang geführt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren die folgenden Schritte auf: Platzieren eines separaten magnetisierbaren Körpers in dem ersten Flüssigkeitsbereich, Magnetisieren des separaten magnetisierbaren Körpers, Binden der magnetischen Beads an den separaten magnetisierbaren Körper, wobei die Relativbewegung neben den magnetischen Beads auch den separaten
magnetisierbaren Körper umfasst.
Beispielsweise kann also eine paramagnetische Kugel in den Reaktionskammern der mikro fluidischen Karte vorgelegt werden. Als Vorteil kann dabei gesehen werden, dass das erforderliche äußere Magnetfeld geringer ist als ohne den separaten magnetisierbaren Körper, um die magnetischen Beads transportieren zu können.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren weiterhin den Schritt auf: "Beseitigen des Magnetfeldgradienten" derart, dass der separate magnetisierbare Körper eine Magnetisierung verliert und die gebundenen magnetischen Beads in den zweiten Flüssigkeitsbereich freigibt.
Nach Abschaltung des äußeren Magnetfeldes bzw. des Magnetfeldgradienten, was beispielsweise durch das Entfernen des Permanentmagneten bzw. durch Abschaltung des Spulenstroms einer Magnetspule geschehen kann, lösen sich die an der
Stahlkugel gesammelten magnetischen Beads wieder und gehen in die Lösung der Reagenzflüssigkeit. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin den Schritt Modulieren einer Feldstärke des Magnetfeldgradienten derart, dass eine Durchmischung der Flüssigkeit mittels der magnetischen Beads in einem der beiden Flüssigkeitsbereiche erfolgt.
Dieses Modulieren kann beispielsweise durch die Positioniereinrichtung oder durch eine zusätzliche Modulationseinrichtung erfolgen. Dadurch wird eine
Beadbewegung, beispielsweise eine Wirbelbewegung, erzeugt, welche durch das modulierende Steuern des äußeren Magnetfelder bzw. des Magnetfeldgradienten hervorgerufen werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren den Schritt auf: "Abschließen des Nachweisens der an den magnetischen Beads befindlichen Zielmoleküle mit Hilfe eines im letzten Flüssigkeitsbereich befindlichen Magnetsensors".
Für diese finale Detektion von Zielmolekülen mittels der Detektion magnetischer Beads können aufgrund der Sensitivität bis hin zu geringsten Magnetfeldänderungen sehr geringe Konzentrationen von Zielmolekülen nachgewiesen werden, die am magnetischen Bead gebunden vorliegen. Dazu werden an den einzelnen
Sensorelementen des Magnetsensors spezifische Fängermoleküle (beispielsweise Oligonukleotide, monoklonale Antiköper, Haptene, Zinkfingerproteine etc.) angekoppelt, die mit den an den Bead befindlichen Zielmolekülen in Interaktion treten können. Dadurch binden die Beads an die korrespondierenden Stellen (Spots) des Magnetsensors. Aufgrund der Änderung lokal wirkendender Magnetfelder oberhalb des Sensorelements, welche Änderung durch das magnetische Bead verursacht wird, ist eine Detektion der gebundenen Beads mit Hilfe des
magnetoresistiven Sensorelements möglich. Diese kann über eine Widerstandänderung am jeweiligen Sensorelement erfolgen, die sich in einer Änderung der Stromflusses bei konstanter Spannung am
Sensorelement bemerkbar macht (im Fall der amperometrischen Messung). Diese Stromänderung kann messtechnisch erfasst werden. Eine besondere
Sensorausführung beinhaltet eine CMOS-Logik unterhalb der Sensorschichten mithilfe derer die Signale direkt auf einem Mikrochip verstärkt, digitalisiert und gemultiplexed werden können. Auf diese Weise ist die Realisierung tausender winziger Sensorelemente (Sensorarray) auf geringer Fläche (10 mm2 - 1 cm2) möglich, die einzelne gebundene Beads erfassen und ein digitales Signal über eine serielle Schnittstelle an ein Auslesegerät liefern können.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren weiterhin den Schritt auf: "Erzeugung der Flüssigkeitsbereiche mit Wasser nach Flutung von mit Trockenreagenzien bestückten Kammern".
Mit anderen Worten ist es mit diesem Verfahrensschritt möglich lyophilisierte, trocken gelagerten Reagenzien in der mikro fluidischen Karte bereitzustellen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren weiterhin den Schritt auf Erzeugung einer Bewegung der magnetischen Beads durch Modulation des Magnetfeldgradienten derart, dass das Auflösen der trocken gelagerten Reagenzien in einem Lösungsmittel innerhalb der Flüssigkeitsbereiche beschleunigt wird.
Dabei kann beispielsweise die Positioniereinrichtung den Magnetfeldgradienten durch Strommodulation in der Modulationsspule derart verändern, dass die gewünschte Bewegung der Beads innerhalb eines Flüssigkeitsbereichs erzeugt wird und die Auflösung beschleunigt wird. Dabei können horizontale und/oder vertikale Bewegungskomponenten erzeugt werden. Im Folgenden werden mit dem Verweis auf die Figuren bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Fig. 1 bis 5 zeigen schematische, zweidimensionale Darstellungen einer Vorrichtung zum Transport magnetischer Beads auf mikro fluidischen Karte gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Fig. 6 zeigt eine schematische, zweidimensionale Darstellung eines Flussdiagramms, welches ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
In der folgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen oder ähnlichen Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Transport magnetischer Beads 101 von einem ersten Flüssigkeitsbereich 102 in einen zweiten Flüssigkeitsbereich 103 einer einzusetzenden mikro fluidischen Karte 104. Diese kann zur Detektion eines
Zielmoleküls der magnetischen Detektion eines magnetischen Beads benutzt werden. Dabei ist eine Aufnahmeeinrichtung 105 zur Aufnahme der mikro fluidischen Karte gezeigt. Dabei kann die Aufnahmeeinrichtung sowohl zur mechanischen Halterung als auch zur Bewegung und Positionierung der mikrofluidischen Karte relativ zur Magneteinrichtung 107 ausgeführt sein. Weiterhin sind zwei Positioniereinrichtungen 106 ober- und unterhalb der mikro fluidischen Karte gezeigt, welche jeweils eine Magneteinrichtung 107, die sich ebenfalls jeweils oberhalb und unterhalb der mikrofluidischen Karte befinden, hinsichtlich ihrer Bewegung und der Erzeugung des Magnetfeldgradienten regeln und steuern. Der Magnetfeldgradient ist mit 110 symbolisch gezeigt. Dabei sind die in Fig. 1 gezeigten zwei Magneteinrichtungen 107 beispielhaft als eine Kombination aus einem Permanentmagneten und einem Elektromagneten 114 gezeigt. Jedoch wäre es in diesem und in anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung möglich auch nur eine Magenteinrichtung zu verwenden.
Dabei bilden die Vorrichtung 100 und die mikro fluidische Karte 104 ein System zum Transport der magnetischen Beads 101 durch die Modulation des
Magnetfeldgradienten.
Weiterhin ist mit den Pfeilen 121 eine Bewegung der jeweiligen Magneteinrichtung gezeigt. Diese kann, falls gewünscht, zweidimensional entlang der Ebene, welche die mikro fluidische Karte 107 aufspannt, durch die Positioniereinrichtungen 106 gesteuert werden.
Beispielsweise ist es möglich, innerhalb einer Speichereinrichtung 124, geometrische Verteilung der Flüssigkeitsbereiche einer jeweiligen mikrofluidischen Karte digital vorzugeben. Anschließend kann die Positioniereinrichtung auf Basis der
geometrischen Verteilung der Flüssigkeitsbereiche eine Relativbewegung zwischen der mikrofluidischen Karte 104 und den Magneteinrichtungen 107 verursachen. Aber auch eine Veränderung des Magnetfeldgradienten 110, welcher durch die
Magneteinrichtungen 107 erzeugt wird, ist derart steuerbar und regelbar und damit modulierbar, dass letztlich die gewünschte Relativbewegung 108 zwischen den zu transportierenden magnetischen Beads und der Aufnahmeeinrichtung erzeugt wird. Dabei ist bei der Vielzahl der möglichen Arten der Erzeugung der Relativbewegung zwischen den zu transportierenden magnetischen Beads und der
Aufnahmeeinrichtung stets der Transport der Beads über die durchgehende mechanische Barriere 109, die Teil der mikro fluidischen Karte sein kann, Kernaspekt der vorliegenden Erfindung.
Dabei zeigt Fig. 1 zwei Bewegungskomponenten 111 der Relativbewegung 108. Es ist eine vertikale Bewegungskomponente 112 und eine horizontale
Bewegungskomponente 113 der Relativbewegung 108 gezeigt. Mit anderen Worten werden die magnetischen Beads 101 aufgrund des Magnetfeldgradienten aus dem ersten Flüssigkeitsbereich 102 heraus in vertikaler Richtung gehoben, und mittels einer Bewegung der Magneteinrichtungen entlang der Pfeile 121 wird die horizontale Bewegungskomponente 111 erzeugt. Damit werden die magnetischen Beads über dem zweiten Flüssigkeitsbereich 103 platziert. Danach wird eine Abwärtsbewegung der magnetischen Beads entlang der vertikalen Richtung in die Reagenzflüssigkeit des zweiten Flüssigkeitsbereichs hinein erzeugt. Diese Abwärtsbewegung wird mittels einer Modulation des Magnetfeldgradienten erzeugt, welche auch durch die Positioniereinrichtungen 106 geregelt und gesteuert wird.
Es ist weiterhin ein separater magnetisierbarer Körper 120 in Fig. 1 gezeigt, welcher zur magnetischen Bindung bzw. Anbindung der Beads dient. Dabei kann der Körper beispielsweise als magnetisierbare Kugel aus Stahl gefertigt sein, welche in der Reaktionskammer vorgelegt wird. Das Material muss dabei so geartet sein, dass ohne äußeres Magnetfeld keine Magnetisierung vorliegt, das heißt die Kugel gänzlich unmagnetisch ist. Leichte Abweichungen davon sind jedoch möglich. Andernfalls würden die magnetischen Beads ohne die Einschaltung eines äußeren Magnetfeldes von der Kugel angezogen werden. Der magnetische Beadtransport soll erst dann erfolgen, wenn das äußere Magnetfeld eingeschaltet wird. Dabei wird die Stahlkugel magnetisiert, so dass die magnetischen Beads angezogen werden. Die Stahlkugel mit den anhaftenden funktionalisierten Beads wird infolge von dem ersten Flüssigkeitsbereich 102 und dem zweiten Flüssigkeitsbereich 103
transportiert. Auf diese vorteilhafte Weise ist das erforderliche äußere Magnetfeld geringer als ohne die Stahlkugel, um den erforderlichen Transport der magnetischen Beads zu gewährleisten. Nach Abschaltung des äußeren Magnetfeldes, oder auch nach Verringerung des äußeren Magnetfeldes, beispielsweise durch das Entfernen eines Permanentmagneten bzw. durch das Verringern oder Abschalten eines Stromes einer Magnetspule erreicht werden kann, lösen sich die an der Stahlkugel gesammelten Beads wieder und gehen in die Lösung des zweiten
Flüssigkeitsbereichs 103. Dabei ist ein wichtiger Aspekt dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung, dass zu keinem Zeitpunkt des Transports ein mechanischer Kontakt zwischen erstens den Beads und den Magneteinrichtungen und zweitens zwischen den Magneteinrichtungen und den Flüssigkeitsbereichen hergestellt wird. In diesem Sinne erfolgt der Transport kontaktlos.
Mittels dieser gezeigten Vorrichtung der Fig.1 kann ein magnetischer Transport der Beads in kontaktloser Art und Weise realisiert werden, ohne dass Diffusion zwischen den einzelnen Flüssigkeitsbereichen der mikrofluidischen Karte auftritt.
Zusätzlich könnte damit ein Verfahren durchgeführt werden bei dem die Erzeugung einer Bewegung der magnetischen Beads durch Modulation des
Magnetfeldgradienten derart erfolgt, dass das Auflösen trocken gelagerter
Reagenzien in einem Lösungsmittel innerhalb der Flüssigkeitsbereiche beschleunigt wird.
Dabei kann beispielsweise die Positioniereinrichtung den Magnetfeldgradienten durch Strommodulation in der Modulationsspule derart verändern, dass die gewünschte Bewegung der Beads innerhalb eines Flüssigkeitsbereichs erzuegt wird und die Auflösung beschleunigt wird. Dabei können horizontale und/oder vertikale Bewegungskomponenten erzeugt werden. Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung, bei welchem eine Vorrichtung 100 zum Transport der magnetischen Beads 101 von einem ersten Flüssigkeitsbereich 102 in einen zweiten Flüssigkeitsbereich 103 der
mikro fluidischen Karte 104 gezeigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Relativbewegung 108 zwischen den zu transportierenden magnetischen Beads und der Aufnahmeeinrichtung 105 dadurch erzeugt, dass die Positioniereinrichtung 106 über Regel- und Steuerleitungen 200 die Aufhahmeeinrichtung 105 veranlasst, die mikro fluidische Karte 104 entlang der gezeigten Pfeile 122 zu bewegen. Dabei sind die Magneteinrichtungen 107 ebenso wie in Fig. 1 als eine Kombination aus einem Permanentmagnet und einer Modulationsspule ausgeführt. Dabei kann die
Modulationsspule benutzt werden, um variabel die Magnetisierung des
Permanentmagneten zu reduzieren. Dabei ist es auch möglich, dass die
Magneteinrichtungen 107 auf dem Deckenelement 118 der mikro fluidischen Karte bzw. auf dem Bodenelement 119 entlang gleitet.
In diesem Fall bestünde ein direkter Kontakt zwischen der Magneteinrichtung und der mikrofluidischen Karte. Es ist jedoch für die gesamte Erfindung von
entscheidender Bedeutung, dass kein Kontakt erstens zwischen den
Magneteinrichtungen und den Flüssigkeitsbereichen während des gesamten
Transports der Beads entsteht und zweitens auch während des gesamten Transports der Beads kein Kontakt zwischen den magnetischen Beads und dem Magneten entsteht. Jedoch ist es auch möglich, falls gewünscht, dass die Magneteinrichtung in beispielsweise das Deckenelement 118 integriert ist. Für dieses Ausführungsbeispiel bestünde dann zwar ein mechanischer Kontakt zwischen den magnetischen Beads und dem Magneten, jedoch wird auch in diesem wie in jedem anderen
Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Kontakt zwischen der Magneteinrichtung und den Flüssigkeiten in den Flüssigkeitsbereichen 102 und 103 vermieden. Es ist weiterhin auch möglich, dass die mikro fluidische Karte auch nur ein
Bodenelement oder auch nur ein Deckenelement aufweist.
Weiterhin ist in diesem Ausfuhrungsbeispiel zu sehen, dass eine berührungsfreie Beadsteuerung durch externe Magnetfelder möglich ist, die ohne aufwändige Mechanik oder Hydraulik auskommt. Ebenso kann der Einsatz von fehleranfälligen Ventilen mittels der vorliegenden Erfindung vermieden werden.
Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Transport magnetischer Beads über eine Barriere 109, welche die mikrofluidische Karte 104 zwischen dem ersten und dem zweiten Flüssigkeitsbereich 102 und 103 aufweist. Fig. 3 zeigt, dass während des Transports der magnetischen Beads die mechanische Barriere durch eine
Veränderung der Höhe der magnetischen Beads im Vergleich zur Oberfläche der Karte 104 überschritten wird.
Mit anderen Worten wird mittels der magnetischen Kräfte jedem zu
transportierenden magnetischen Bead eine höhere potentielle Energie verschafft, um mittels einer weiteren erzeugten Translation diese Barriere problemlos überwinden zu können.
Fig. 3 beschreibt dabei mittels der runden Pfeile 303, welche die Relativbewegung zwischen den transportierenden magnetischen Beads und der Aufnahmeeinrichtung (hier nicht gezeigt) beschreiben, dass auch Transport der Beads möglich ist, bei dem weder ein Kontakt der Beads an dem Deckenelement 118 der mikrofluidischen Karte noch an der Barriere 109 erfolgen muss. Mit anderen Worten werden die
magnetischen Beads vollständig berührungsfrei von dem ersten Flüssigkeitsbereich 102 in den zweiten Flüssigkeitsbereich 103 der mikrofluidischen Karte gehoben. Dabei können die Magneteinrichtungen 107, deren Magnetfeldgradienten mittels Modulation für zumindest die vertikale Bewegungskomponente ursächlich sind, entlang den Pfeilen 121 relativ zur mikrofluidischen Karte bewegt werden. Fig. 3 zeigt weiterhin eine Sensoreinrichtung 117, welche in die mikro fluidische Karte integriert ist. Diese kann beispielsweise als ein Hallsensor ausgeführt sein, welcher einen hochempfindlichen quantitativen Nachweis winziger
Magnetfeldänderungen innerhalb des dritten Flüssigkeitsbereichs 303 erlaubt. Diese Magnetfeldänderung kann durch einzelne magnetische Beads erzeugt werden.
Weiterhin ist es möglich, dass die Sensoreinrichtung beispielsweise als
magnetoresistiver Chip, als Piezosensor, als kapazitiver Sensor, als elektrochemischer Sensor, als optischer Sensor oder auch als CCD-Chip ausgeführt ist. Fig. 3 zeigt auch, dass eine erste Phase 301, welche flüssig ist in der mikrofluidischen Karte bereitgestellt wird, oberhalb welcher sich eine Gasphase 302 befindet.
Mit anderen Worten durchlaufen die magnetischen Beads während eines
Transportvorgangs über die mechanische Barriere 109 erst eine flüssige, dann eine gasförmige und danach wieder eine flüssige Phase. Dabei ist es auch möglich, dass die flüssige Phase aus mehreren flüssigen Phasen, beispielsweise aus einer organischen und einer wässrigen Phase bestehen.
Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung 100, mit welcher magnetische Beads 101 in mehreren Dimensionen berührungsfrei auf einer mikrofluidischen Karte 104 transportiert und positioniert werden können. Die beiden gezeigten Magneteinrichtungen 107 erzeugen einen Magnetfeldgradienten, mit welchem eine erste vertikale Bewegung der Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich 102 heraus erzeugt werden kann. Mittels einer Bewegung 121 der Magneteinrichtung 107 relativ zur mikrofluidischen Karte wird eine zweite horizontale Bewegungskomponente 113 der magnetischen Beads 101 erzeugt. Diese sind in diesem Ausführungsbeispiel an einem separaten magnetisierbaren Körper 120 gebunden. Die Ausführungsbeispiele mittels der Kombination aus Modulation des Magnetfeldgradienten und Translation mindestens einer Magneteinrichtung 107 gegenüber der mikrofluidischen Karte 104 erzeugt hier gewünschte Dynamik der magnetischen Beads. Anschließend kann eine Modulation des Magnetfeldgradienten (hier nicht gezeigt) genutzt werden, um eine Absenkung der magnetischen Beads 101 in den zweiten Flüssigkeitsbereich 103 zu erzeugen. Anschließend kann, falls gewünscht, die zweite untere Magneteinrichtung 107 auf die Höhe der ersten Magneteinrichtung nachgezogen werden. Dies ist mit dem unteren Pfeil 121 gezeigt.
Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung 100, welche neben einer mikro fluidischen Karte 104 eine durchschaltbare Serie 115 verschiedener Magneteinrichtungen 107 aufweist.
Dabei sind in diesem Ausführungsbeispiel die Magneteinrichtungen jeweils beispielhaft als eine Kombination aus einem Permanentmagneten und einer elektrischen Modulationsspule gezeigt. Dabei befindet sich jeweils oberhalb und unterhalb der mikro fluidischen Karte ein Teil eines Paares an Magneteinrichtungen. Mittels dieser Konfiguration ist es möglich, durch eine entsprechende Ansteuerung der Magneteinrichtungen Magnetfeldgradienten so zu variieren, dass sowohl die vertikale als auch horizontale Bewegung der magnetischen Beads 123 verursacht wird. Mit anderen Worten kann es vermieden werden, eine bewegliche Mechanik zur Positionierung der Aufnahmeeinrichtung und / oder zur Positionierung der
Magneteinrichtungen verwenden zu müssen. Dies kann eine verbesserte
Miniaturisierung und Integration der Vorrichtung in andere Systeme bedeuten.
Dabei ist auch in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt, dass die magnetischen Beads 101 an einen separaten magnetisierbaren Körper 120 binden und dieser als
Transportbus benutzt werden kann. Dabei gehen die magnetischen Beads von flüssigen Phasen 301 in gasförmige Bereiche 302 über, wonach sie anschließend wieder in beispielsweise dem zweiten Flüssigkeitsbereich 103 in eine wässrige oder beispielsweise organische Lösung abgelassen werden.
Fig. 6 zeigt ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Dabei dient das Verfahren zum Transport eines zu detektierenden Zielmoleküls mittels magnetischer Beads von einem ersten Flüssigkeitsbereich in einen zweiten Flüssigkeitsbereich einer mikrofluidischen Karte. Dabei weist das Verfahren als wesentliche Verfahrensschritte die folgenden Verfahrensschritte auf: Einsetzen einer mikrofluidischen Karte mit zumindest einem ersten Flüssigkeitsbereich und einem zweiten Flüssigkeitsbereich in eine Aufnahmeeinrichtung, welcher Schritt mit SlO bezeichnet ist.
Dabei sind der erste und der zweite Flüssigkeitsbereich durch eine mechanische Barriere getrennt. Die mechanische Barriere ist eine durchgehende Barriere, welche kein Ventil aufweist. Schritt S20 bezeichnet das Überführen von magnetischen Beads in den ersten Flüssigkeitsbereich und der Schritt S30 bezeichnet den Schritt des Erzeugens eines Magnetfeldgradienten durch eine Magneteinrichtung derart, dass sich der Magnetfeldgradient auf der mikrofluidischen Karte zur Bewegung der magnetischen Beads erstreckt. Das Erzeugen einer Relativbewegung zwischen den zu transportierenden magnetischen Beads und der Aufnahmeeinrichtung ist mit dem Schritt S40 angegeben. Dabei wird zumindest eine Bewegungskomponente der Relativbewegung mittels des Magnetfeldgradienten erzeugt. Der Schritt S50 bezeichnet das Transportieren der magnetischen Beads aus dem ersten
Flüssigkeitsbereich heraus mittels der zumindest einen Bewegungskomponente. Dabei erfolgt das Transportieren der magnetischen Beads mittels der zumindest einen Bewegungskomponente kontaktlos.
Fig. 6 zeigt zu den bisher genannten Verfahrensschritten weitere Schritte, die sowohl vor, zwischen als auch nach den bisher genannten Verfahrensschritten angewendet werden können. Beispielsweise kann mittels des Schritt Sl das Erzeugen der Flüssigkeitsbereiche Wasser nach Flutung von mit Trockenreagenzien bestückten Kammern folgen. So ist es möglich, mittels des Schritt S2 eine Vorrichtung auf der mikro fluidischen Karte aufzubringen, wobei die Vorrichtung das Zielmolekül und die magnetischen Beads enthalten kann, die durch Magnetkräfte in den ersten Flüssigkeitsbereich der Karte transportiert werden. Dabei ist es für den Kernaspekt der Erfindung nicht entscheidend, wie die Beads und die Zielmoleküle in die mikrofluidische Karte gelangen. Mit anderen Worten soll jedes Verfahren, mit welchem die Beads platziert werden mit der vorliegenden Erfindung kombiniert werden können.
Weiterhin kann ein magnetisierbarer separater Körper, beispielsweise eine
Stahlkugel, in dem ersten Flüssigkeitsbereich mittels Schritt S21 platziert werden. Sowohl vor einem Transport der magnetischen Beads als auch nach einem solchen Transport ist es möglich, ein Modulieren einer Feldstärke des Magnetfeldgradienten derart anzuwenden, dass eine Durchmischung der Flüssigkeit mittels der
magnetischen Beads in einem der beiden Flüssigkeitsbereiche erfolgt. Dies ist mit den Schritten S22 und S 16 in Fig. 6 gezeigt. Dabei wird noch vor dem Transport mittels des die Magneteinrichtungen bereitgestellten Magnetfeldgradienten der separate magnetisierbare Körper magnetisiert. Dies beschreibt Schritt S31. Aufgrund des Magnetismus der magnetischen Beads binden diese innerhalb beispielsweise des ersten Flüssigkeitsbereiches an den separaten zuvor magnetisierten Körpern während des Schritts S32. Wird die Transportbewegung magnetischen Beads detaillierter betrachtet, so wird ein erstes Variieren des erzeugten Magnetfeldgradienten während des Verfahrens angewendet. Erfolgt das Variieren derart, dass die erste vertikale Bewegungskomponente verursacht wird, wodurch die magnetischen Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich herausgehoben werden. Dies beschreibt der
Verfahrensschritt S51. Weiterhin wird die horizontale Bewegungskomponente derart erzeugt, dass die magnetischen Beads horizontal und relativ zu der mikrofluidischen Karte bewegt werden, womit die magnetischen Beads über dem zweiten
Flüssigkeitsbereich positioniert werden, was mit dem Schritt S52 angegeben ist. Der Verfahrensschritt S53 beschreibt ein zweites Variieren des erzeugten
Magnetfeldgradienten. Dabei erfolgt das zweite Variieren derart, dass die zweite vertikale
Bewegungskomponente verursacht wird, wodurch die magnetischen Beads in den zweiten Flüssigkeitsbereich abgesenkt werden. Falls gewünscht, kann anschließend mittels des Schritts S54 der Magnetfeldgradient derart beseitigt werden, dass der separate magnetisierbare Körper eine Magnetisierung verliert und die gebundenen magnetischen Beads in den zweiten Flüssigkeitsbereich freigibt.
Nach einem oder mehrerer solcher vorbeschriebenen Transportbewegungen der magnetischen Beads kann während des Schritts S70 ein abschließendes Nachweisen der an den magnetischen Beads befindlichen Zielmoleküle mit Hilfe eines im letzten Flüssigkeitsbereich befindlichen Magnetsensors erfolgen.
Dabei sei explizit daraufhingewiesen, dass auch eine verschiedene Auswahl an Verfahrensschritten und auch eine andere Reihenfolge als hier beschrieben möglich ist, ohne den Kernbereich der Erfindung zu verlassen.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass„umfassend" und„aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei daraufhingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit dem Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele der Erfindung verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind explizit nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Vorrichtung ( 100) zum Transport magnetischer Beads (101) von einem ersten Flüssigkeitsbereich (102) in einen zweiten Flüssigkeitsbereich (103) einer einzusetzenden mikro fluidischen Karte (104) zur Detektion eines Zielmoleküls; die Vorrichtung aufweisend:
eine Aufnahmeeinrichtung (105) zur Aufnahme der einzusetzenden mikro fluidischen Karte;
eine Positioniereinrichtung (106);
eine Magneteinrichtung (107);
wobei die Positioniereinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung
(108) zwischen den zu transportierenden magnetischen Beads und der
Aufnahmeeinrichtung derart ausgeführt ist, dass durch die Relativbewegung die zu transportierenden magnetischen Beads über eine durchgehende mechanische Barriere
(109) zwischen dem ersten und dem zweiten Flüssigkeitsbereich der einzusetzenden mikrofluidischen Karte hinweg transportierbar sind;
wobei die Magneteinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten
(110) auf der einzusetzenden mikrofluidischen Karte zur Relativbewegung der zu transportierenden magnetischen Beads bezüglich wenigstens einer
Bewegungskomponente (111) der Relativbewegung ausgeführt ist; und
wobei die Magneteinrichtung derart von der Aufnahmeeinrichtung beabstandet ist, dass die Relativbewegung der zu transportierenden magnetischen Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich heraus bezüglich der wenigstens einen Bewegungskomponente kontaktlos erfolgt.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1;
wobei der Magnetfeldgradient derart ausgeführt ist, dass mittels des Magnetfeldgradienten neben einer vertikalen Bewegungskomponente (112) der Relativbewegung auch eine horizontale Bewegungskomponente (113) der
Relativbewegung erzeugt werden kann.
3. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2;
wobei die Magneteinrichtung als eine modulierbare Magneteinrichtung ausgeführt ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Permanentmagnet; Kombination aus einem Permanentmagneten und einem Elektromagneten (114); ein Paar jeweils bestehend aus einer Kombination aus einem Permanentmagneten und einem Elektromagneten; eine durchschaltbare Serie (115) verschiedener
Magneteinrichtungen, und jede Kombination daraus.
4. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche;
wobei die Positioniereinrichtung derart ausgeführt ist, dass sie in der Lage ist, die Relativbewegung durch Erzeugung eines der Elemente zu erzeugen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Bewegung der Magneteinrichtung (121), Bewegung der mikrofluidischen Karte (122), Variation eines oder mehrerer Magnetfeldgradienten zur vertikalen Bewegung der magnetischen Beads, Variation eines oder mehrerer Magnetfeldgradienten zur horizontalen Bewegung der magnetischen Beads, Variation eines oder mehrerer Magnetfeldgradienten zur vertikalen und zur horizontalen Bewegung der magnetischen Beads (123),
Durchschaltung einer Serie verschiedener Magneteinrichtungen, und jede
Kombination daraus.
5. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche;
wobei die Relativbewegung eine im Vergleich zu einer aufgenommenen mikrofluidischen Karte vertikale Bewegungskomponente und eine horizontale Bewegungskomponente aufweist;
wobei die Positioniereinrichtung zur kontaktlosen Erzeugung der vertikalen Bewegungskomponente mittels des Magnetfeldgradienten ausgeführt ist; und
wobei die Positioniereinrichtung zur Erzeugung der horizontalen
Bewegungskomponente mittels einer Bewegung ausgeführt ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Translation der Magneteinrichtung, Translation der mikro fluidischen Karte, horizontale Bewegung der magnetischen Beads, welche mittels Durchschaltung einer Serie verschiedener Magneteinrichtungen erzeugt wird, und jede Kombination daraus.
6. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche;
wobei die Magnetfeldeinrichtung zur Erzeugung sowohl einer vertikalen als auch einer horizontalen Bewegung der magnetischen Beads ausgeführt ist, wodurch der Transport der magnetischen Beads von dem ersten Flüssigkeitsbereich in den zweiten Flüssigkeitsbereich vollständig mittels des Magnetfeldgradienten ermöglicht wird; und
wobei die Positioniereinrichtung ausgeführt ist, die Magneteinrichtung entsprechend zu steuern.
7. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche;
wobei die Positioniereinrichtung ausgeführt ist, die Relativbewegung auf Basis einer geometrischen Verteilung der Flüssigkeitsbereiche auf der
mikrofluidischen Karte zu erzeugen.
8. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche; weiterhin aufweisend:
eine Modulationseinrichtung (116) zur Durchmischung von Flüssigkeiten in zumindest einem der beiden Flüssigkeitsbereiche.
9. Mikro fluidische Karte (104) zur Einführung in eine Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Transport magnetischer Beads auf der Karte; die mikrofluidische Karte aufweisend:
zumindest einen ersten Flüssigkeitsbereich (102) und einen zweiten
Flüssigkeitsbereich (103);
wobei der erste und der zweite Flüssigkeitsbereich jeweils zur Befüllung mit einer Flüssigkeit und einem Zielmolekül ausgeführt sind; wobei der erst und der zweite Flüssigkeitsbereich durch eine mechanische Barriere (109) getrennt sind; und
wobei die mechanische Barriere eine durchgehende Barriere darstellt.
10. Mikrofluidische Karte gemäß Anspruch 9; weiterhin aufweisend: eine Sensoreinrichtung (117 , 603);
wobei die Sensoreinrichtung zur Detektion eines magnetischen Beads ausgeführt ist.
11. Mikrofluidische Karte gemäß Anspruch 10,
wobei die Sensoreinrichtung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus magnetoresistiver Chip, Sensor mit Ausnutzung des anisotropen magnetoresistiven Effekts, Sensor mit Ausnutzung des gigantischen magnetoresistiven Effekts, Sensor mit Ausnutzung des kolossalen magnetoresistiven Effekts, Sensor mit Ausnutzung des magnetischen Tunnelwiderstandes, Piezosensor, kapazitiver Sensor,
elektrochemischer Sensor, optischer Sensor, CCD Chip, und jede Kombination daraus.
12. Mikrofluidische Karte gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11; die mikrofluidische Karte weiterhin aufweisend:
ein Deckenelement (118);
ein Bodenelement (119);
wobei das Bodenelement im aufgenommenen Zustand der mikro fluidischen Karte im Wesentlichen parallel zu und unterhalb der Flüssigkeitsbereiche angeordnet ist;
wobei das Deckenelement im aufgenommenen Zustand der
mikrofluidischen Karte im Wesentlichen parallel zu und oberhalb der
Flüssigkeitsbereiche angeordnet ist;
wobei das Deckenelement derart ausgeführt ist, dass es eine obere
Begrenzung für eine vertikale Bewegungskomponente der Relativbewegung der magnetischen Beads aus zumindest einem Flüssigkeitsbereich der mikrofluidischen Karte heraus darstellt; und
wobei das Deckenelement derart ausgeführt, dass es eine Führung für eine horizontale Bewegungskomponente der Relativbewegung der magnetischen Beads darstellt.
13. Mikro fluidische Karte gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, weiterhin aufweisend:
einen separaten magnetisierbaren Körper (120) zur Platzierung in einen der beiden Flüssigkeitsbereiche und zur magnetischen Bindung der magnetischen Beads.
14. Verfahren zum Transport eines zu detektierenden Zielmoleküls mittels magnetischer Beads (101) von einem ersten Flüssigkeitsbereich (102) in einen zweiten Flüssigkeitsbereich (103) einer mikrofluidischen Karte, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Einsetzen einer mikrofluidischen Karte mit zumindest einem ersten
Flüssigkeitsbereich und einem durch eine mechanische Barriere getrennten zweiten Flüssigkeitsbereich in eine Aufnahmeeinrichtung (SlO);
Überführen von magnetischen Beads in den ersten Flüssigkeitsbereich (S20);
Erzeugen eines Magnetfeldgradienten durch eine Magneteinrichtung derart, dass sich der Magnetfeldgradient auf der mikrofluidischen Karte erstreckt zur Bewegung der magnetischen Beads (S30);
Erzeugen einer Relativbewegung zwischen den zu transportierenden magnetischen Beads und der Aufnahmeeinrichtung (S40);
wobei zumindest eine Bewegungskomponente der Relativbewegung mittels des Magnetfeldgradienten erzeugt wird; und
Transportieren der magnetischen Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich heraus mittels der zumindest einen Bewegungskomponente (S50), wobei das Transportieren der magnetischen Beads mittels der zumindest einen
Bewegungskomponente kontaktlos erfolgt.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14;
wobei die Relativbewegung eine im Vergleich zur mikro fluidischen Karte erste vertikale Bewegungskomponente, eine zweite vertikale Bewegungskomponente und eine horizontale Bewegungskomponente aufweist;
das Verfahren weiterhin aufweisend die Schritte:
erstes Variieren des erzeugten Magnetfeldgradienten derart, dass die erste vertikale Bewegungskomponente verursacht wird, wodurch die magnetischen Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich herausgehoben werden (S51);
Erzeugen der horizontalen Bewegungskomponente derart, dass die magnetischen Beads horizontal und relativ zu der mikrofluidischen Karte bewegt werden, womit die magnetischen Beads über dem zweiten Flüssigkeitsbereich positioniert werden (S52); und
zweites Variieren des erzeugten Magnetfeldgradienten derart, dass die zweite vertikale Bewegungskomponente verursacht wird, wodurch die magnetischen Beads in den zweiten Flüssigkeitsbereich abgesenkt werden (S53).
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 und 15; das Verfahren weiterhin aufweisend die Schritte:
Platzieren eines separaten magnetisierbaren Körpers in dem ersten
Flüssigkeitsbereich (S21);
Magnetisieren des separaten magnetisierbaren Körpers mittels des von der Magneteinrichtung erzeugten Magnetfeldgradienten (S31);
Binden der magnetischen Beads an den separaten magnetisierbaren Körper (S32);
wobei die Relativbewegung neben den magentischen Beads auch den separaten magnetisierbaren Körper umfasst.
17. Verfahren gemäß Anspruch 16; das Verfahren weiterhin aufweisend den Schritt:
Beseitigen des Magnetfeldgradienten derart, dass der separate
magnetisierbare Körper eine Magnetisierung verliert und die gebundenen magnetischen Beads in den zweiten Flüssigkeitsbereich frei gibt (S54).
18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17; das Verfahren weiterhin aufweisend die Schritte:
Modulieren einer Feldstärke des Magnetfeldgradient derart, dass eine Durchmischung der Flüssigkeit mittels der magnetischen Beads in einem der beiden Flüssigkeitsbereiche erfolgt (S22, S60).
19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18; weiterhin aufweisend den Schritt:
abschließendes Nachweisen der an den magnetischen Beads befindlichen Zielmoleküle mithilfe eines im letzten Flüssigkeitsbereich befindlichen
Magnetsensors (S70).
20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, weiterhin aufweisend den Schritt:
Erzeugung der Flüssigkeitsbereiche mit Wasser nach Flutung von mit Trockenreagenzien bestückten Kammern (Sl).
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