EP3391026A1 - Verfahren zum nachweis von partikeln in einer probe, nachweisvorrichtung und mikrofluidisches system zum untersuchen einer probe - Google Patents

Verfahren zum nachweis von partikeln in einer probe, nachweisvorrichtung und mikrofluidisches system zum untersuchen einer probe

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EP3391026A1
EP3391026A1 EP16825719.4A EP16825719A EP3391026A1 EP 3391026 A1 EP3391026 A1 EP 3391026A1 EP 16825719 A EP16825719 A EP 16825719A EP 3391026 A1 EP3391026 A1 EP 3391026A1
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EP
European Patent Office
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magnetic field
detection
particles
sample
particle
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16825719.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas BRETTSCHNEIDER
Jochen Hoffmann
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3391026A1 publication Critical patent/EP3391026A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54313—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals the carrier being characterised by its particulate form
    • G01N33/54326—Magnetic particles
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/74—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables of fluids
    • G01N27/745—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables of fluids for detecting magnetic beads used in biochemical assays
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N15/1031—Investigating individual particles by measuring electrical or magnetic effects
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    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • G01N33/54373—Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
    • G01R33/1269—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids of molecules labeled with magnetic beads
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N2015/1006—Investigating individual particles for cytology

Definitions

  • the invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims.
  • the subject of the present invention is also a computer program.
  • particles to be detected in a sample can be detected in particular by magnetic detection of magnetic detection particles which can bind with the particles to be detected.
  • a binding state of the detection particles can be detected, which can be related to a fluctuation of the detected magnetic field.
  • a process time or duration for the examination of samples or for the detection of particles can be shortened.
  • a qualitative and additionally or alternatively a quantitative detection of particles can be provided.
  • at least one detection particle needs to be added to a sample so that material costs can also be reduced.
  • Westentabelaborsysteme or lab-on-chip systems are simplified. According to embodiments of the present invention, it may also be possible to detect individual particles. Detection according to embodiments of the present invention may be conducted without contact and without optically transparent access to the sample. Furthermore, material selection among electrical dielectrics for such lab-on-chip systems can be increased.
  • a method for the detection of particles in a sample is presented, the method having the following features:
  • Reading in a measurement signal comprising at least one detected property of at least one subset of the sample
  • Magnetic field represents, from an interface to at least one
  • Magnetic field sensor wherein the sample of magnetic detection particles are added, which are adapted to bind to the particles to be detected;
  • the sample may be a liquid sample or a sample in a liquid state.
  • the sample can be arranged in a container and optionally stirred.
  • the container may be formed as a vessel or a channel, wherein the sample can optionally be moved through the container.
  • Fluctuation strength can be a fluctuation range of the measurement signal
  • a magnetic particle is bound to a particle to be detected, in particular a biological particle such as a cell, without, for example, undergoing a complicated immunoassay workflow.
  • a method of detecting particles in the form of cells may be used for microfluidic lab-on-chip medical diagnostic systems.
  • Binding state can be determined as unbound, if the fluctuation strength is in a first range of values.
  • the binding state in the step of determining, can be determined as bound to a particle to be detected, if the fluctuation intensity lies in a second value range which represents lower fluctuation strengths than the first value range.
  • the fluctuation strength of an unbound detection particle may be greater than the fluctuation strength of a detection particle bound to a particle to be detected.
  • Binding state can be reliably determined and thus an accurate and reliable detection of a presence or absence of detected particles is made possible. Also, in the step of reading a measurement signal can be read, the one
  • Strength of the magnetic field and additionally or alternatively represents a direction of the magnetic field over time offers the advantage that an accuracy of a detection of the at least one
  • the method may include a step of adding a predefined amount of the magnetic detection particles to the sample.
  • the detection particles may be contained in a liquid, solution or the like.
  • Such an embodiment offers the advantage that a concentration of the detection particles in the sample can be accurately adjusted. Also in this case, for example, the concentration of the detection particles in the sample can be adjusted so that in each case a detection particle is in the region of the magnetic field sensor in order to increase a measurement accuracy.
  • detection particles can be added, which are adapted to antibody and additionally or alternatively to
  • the particles to be detected can be biological particles.
  • magnetic detection particles may be added to the sample.
  • Detection particles have a magnetic portion and a binding portion, in particular an antibody portion or the like. Such an embodiment offers the advantage that, for example, cells or microorganisms can be detected specifically and reliably. In the case of paramagnetic detection particles, a
  • Detection accuracy can be further improved, in addition in particular a calibration of the at least one magnetic field sensor and the
  • Verification process allows or can be facilitated.
  • the method may include a step of generating the magnetic field.
  • the measurement signal read in in the step of reading in may represent at least one property of the generated magnetic field.
  • Magnetic field are generated. Additionally or alternatively, in the step of generating a magnetic field can be generated, which is designed to at least Immobilize detection particles adjacent to the at least one magnetic field sensor.
  • a rotation of the detection particles can be prevented by a homogeneous magnetic field and thus a detection accuracy can be increased, wherein by a magnetic holding the detection particles in a flowing sample a more accurate
  • Detection can be performed on individual detection particles.
  • the immobilization may cause a detection particle relative to a
  • Magnetic field sensor can be positioned exactly.
  • the method may include a step of circulating the sample with the added detection particles.
  • the step of circulating before, during and additionally or alternatively after detecting the at least one property of the magnetic field can be executed.
  • the sample can be circulated using a pump or a stirrer.
  • the sample may be used between determining the
  • Binding state of a first detection particle and determining the binding state of a second detection particle are circulated.
  • the sample may be circulated continuously, with time intervals between determining the binding state different
  • Detection particles can be shortened and low-frequency signal components can be filtered out of the measurement signal. Such an embodiment offers the advantage that the binding state of detection particles
  • the device may comprise at least one computing unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading sensor signals from the sensor or for outputting data or control signals to the sensor Actuator and / or at least one
  • the arithmetic unit may be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the memory unit is a flash memory, an EPROM or a
  • the magnetic storage unit can be.
  • the communication interface can be designed to read or output data wirelessly and / or by line, wherein a communication interface that can read or output line-bound data, for example, electrically or optically read this data from a corresponding data transmission line or output in a corresponding data transmission line.
  • a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon.
  • the device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software.
  • the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • Device a control of at least one magnetic field sensor and additionally or alternatively at least a portion of a microfluidic system.
  • the device can, for example, sensor signals such as
  • the device may be configured to respond to the measurement signal, to the determined fluctuation intensity and additionally or alternatively, to generate and provide or output at least one drive signal to the determined binding state.
  • the activation takes place via actuators such as pumps, stirrers and additionally or alternatively devices for generating a magnetic field.
  • a microfluidic system for assaying a sample comprising: an embodiment of the above-mentioned detection device; and an interface for coupling to the at least one magnetic field sensor, wherein the measurement signal is transferable via the interface to the detection device.
  • the detection device according to one embodiment mentioned above can advantageously be used to detect the particles when the sample is examined.
  • the interface can be designed to produce a releasable mechanical and additionally or alternatively signal-transmissible connection between the microfluidic system and the at least one magnetic field sensor.
  • the microfluidic system may have a microfluidic channel in which the sample may be feasible.
  • the detection device and additionally or alternatively the interface may be arranged adjacent to the microfluidic channel.
  • the microfluidic system can be designed as a so-called west pocket laboratory (LoC, lab on chip, laboratory on a chip).
  • LoC west pocket laboratory
  • the interface may be designed to be the at least one
  • the wall of the microfluidic channel may be elastic, wherein the interface may be formed to the Wall of the microfluidic channel to deform by the at least one magnetic field sensor.
  • Detection accuracy can be further increased because a distance between the sample and the at least one magnetic field sensor can be minimized.
  • the microfluidic system may comprise at least one magnetic field sensor which may be removably coupled or coupleable to the interface.
  • the at least one magnetic field sensor may, for example, be a one-dimensional magnetic field sensor or a three-dimensional one
  • Such an embodiment offers the advantage that an accurate detection of particles on the one hand can be achieved by simple and inexpensive means by a one-dimensional sensor and on the other hand a security in the detection of the binding state by using a three-dimensional sensor can be further increased.
  • a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the above
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a microfluidic system according to an embodiment
  • FIG. 2 is a flowchart of a method for detecting particles according to an embodiment
  • Fig. 5 is a schematic sectional view of a part of a microfluidic system according to an embodiment.
  • bioassays are used to detect substances such as proteins, DNA molecules (DNA, deoxyribonucleic acid) or cells, for example pathogens, body cells or circulating
  • CTCs Circulating Tumor Cells
  • B. Circulating Tumor Cells
  • detection antibodies are used which bind to a specific surface protein of a cell.
  • fluorescent probes or magnetic particles so-called
  • Detection antibodies are used, which bind either to the detection antibody or to another surface protein of the cell. If the detection antibody immobilized on a surface, the detection antibodies and thus also the cells to be detected can be located and detected, it is a so-called sandwich immunoassay. Immunoassays are available in a variety of variations. For example, conventional immunoassays include a sequence of many substeps, e.g. B. adding sample,
  • Immunoassays can be expensive to carry out.
  • the end result is information as to whether or not the probes (eg, magnetic particles) have bound to the cells to be detected. Furthermore, can optionally determine how many probes have bound to cells to allow for concentration determination.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a microfluidic system 100 for examining a sample 102 according to an exemplary embodiment.
  • the sample 102 contains particles 104 to be detected. Further, the sample 102
  • Detection particles are designed to bind to the particles 104 to be detected or to enter into a chemical, physical or physicochemical bond with the particles 104 to be detected.
  • the microfluidic system 100 has an interface 110 and a
  • the interface 110 is designed to enable a coupling with at least one magnetic field sensor 130.
  • the interface 110 is coupled with at least one magnetic field sensor 130.
  • the coupling between the interface 110 and the at least one magnetic field sensor 130 takes place here mechanically and / or signal transmission capability.
  • a measurement signal 115 from a magnetic field sensor 130 coupled to the interface 110 can be transmitted to the detection device 120.
  • a magnetic field sensor 130 is shown coupled to the interface 110.
  • the magnetic field sensor 130 is detachably coupled to the interface 110.
  • the magnetic field sensor 130 is configured to detect at least one property of a magnetic field that extends through at least a portion of the sample 102.
  • the at least one property of the magnetic field is in this case in particular a strength and / or direction of the magnetic field over time.
  • the magnetic field sensor 130 is configured to provide or output the measurement signal 115.
  • the measuring signal 115 represents the at least one detected characteristic of the magnetic field.
  • the detection device 120 is designed to detect the particles 104 to be detected or the particles 104 in the sample 102.
  • the detection device 120 has a read-in device 121, a Detection device 122 and a determination device 123.
  • the detection device 120 is designed to detect, in response to the measurement signal 115 and / or using the measurement signal 115, whether the particles 104 are present in the sample 102 or not.
  • the read-in device 121 of the detection device 120 is designed to read in the measurement signal 115 from the interface 110 to the magnetic field sensor 130. Furthermore, the read-in device 121 is designed to output the read measurement signal 115 to the determination device 122 or to provide it to the determination device 122. The read-in device 121 is connected to the detection device 122 in a signal-transmitting manner.
  • the determination device 122 is designed to use the measurement signal 115 to determine a fluctuation intensity of the at least one property of the magnetic field represented by the measurement signal 115.
  • Fluctuation strength is dependent on the detection particles 106.
  • the fluctuation intensity of the measurement signal 115 or the at least one property of the magnetic field represented by the measurement signal 115 is dependent on the presence of at least one detection particle 106 in the magnetic field.
  • the determination device 123 is signal-transmitting with the
  • the determination device 120 is designed to determine a binding state of at least one of the binding forces as a function of the fluctuation intensity determined by the determination device 122
  • Detection particle 106 in the magnetic field as unbound or bound to a detected particle 104 to determine. Based on the
  • determined binding state of the at least one detection particle 106, the particles 104 in the sample 102 can be detected qualitatively and / or quantitatively.
  • the determination device 123 is designed to be the
  • Fluctuation strength is in a first range of values. Furthermore, the
  • Determining means 123 adapted to the binding state as on Particle 104 to be detected bound to determine if the determined fluctuation strength is in a second range of values.
  • the second value range represents lower fluctuation strengths than the first value range.
  • a lower fluctuation strength or a fluctuation strength in the second value range corresponds to a bound state of the
  • Detection particle 106 wherein a higher fluctuation strength or a fluctuation strength in the first value range corresponds to an unbound state of the detection particle 106.
  • the microfluidic system 100 has according to the one shown in FIG.
  • Embodiment further comprises a microfluidic channel 140.
  • the microfluidic channel 140 is shaped to receive the sample 102 at the
  • the interface 110 with the coupled magnetic field sensor 130 is arranged adjacent to the sample 102 or to the microfluidic channel 140.
  • the detection device 120 is arranged adjacent to the sample 102 or to the microfluidic channel 140.
  • the interface 110 is configured to accommodate the
  • Magnetic field sensor 130 in contact with a wall of the microfluidic channel 140 to arrange or move.
  • the sample 102 contains biological material, wherein the particles 104 to be detected are biological particles, in particular cells, organic molecules or the like.
  • the detection particles 106 are designed to bind to antibodies and / or surface proteins of the
  • the detection particles 106 may additionally or alternatively be designed as paramagnetic detection particles 106.
  • the microfluidic system 100 has a generating device 150 for generating the magnetic field.
  • the generating device 150 is designed to generate a homogeneous magnetic field.
  • the generating device 150 is designed to be a
  • the microfluidic system 100 has an optional circulation device 160.
  • Recirculation device 160 is configured to agitate or circulate sample 102, particularly within microfluidic channel 140.
  • Recirculation device 160 is configured, for example, as a pump or stirrer.
  • Detection device 120 signal transmitting capable connected to the generating device 150 and the circulating device 160.
  • Detection device 120 signal transmitting capable connected to the generating device 150 and the circulating device 160.
  • Detection device 120 formed to at least one drive signal 170 to the generating device 150 and / or the circulation device 160th
  • FIG. 2 shows a flow diagram of a method 200 for the detection of
  • the method 200 for detection can be carried out in conjunction with the detection device from FIG. 1 or a similar detection device. Also, the method 200 may be practiced for detection in conjunction with the microfluidic system of FIG. 1 or a similar microfluidic system.
  • the method 200 for detection comprises a step 210 of reading in a measurement signal from an interface to at least one magnetic field sensor.
  • the measurement signal represents at least one detected property of at least one subset of the sample extending therethrough Magnetic field.
  • Added to the sample are magnetic detection particles which are designed to bind to the particles to be detected.
  • step 220 of the determination which can subsequently be carried out with respect to the step 210 of the read-in, in the method 200 one of the
  • a binding state becomes at least one depending on the fluctuation intensity determined in the step 220 of the determination
  • Detection particles as unbound or bound to a detected particle determined.
  • the particles in the sample can be qualitatively and / or quantitatively detected.
  • the read-in step 210, the determination step 220, and the determination-determining step 230 are repeatably executable, for example, for a plurality of detection particles n in succession.
  • the method 200 for detecting comprises a step 240 of adding a predefined amount of magnetic
  • step 240 of the addition is executable before the step 210 of the read-in.
  • detection particles which are designed to bind to antibodies and / or surface proteins of the particles to be detected if the particles to be detected are biological particles can be added in step 240 of the adding.
  • paramagnetic particles which are designed to bind to antibodies and / or surface proteins of the particles to be detected if the particles to be detected are biological particles can be added in step 240 of the adding.
  • paramagnetic particles which are designed to bind to antibodies and / or surface proteins of the particles to be detected if the particles to be detected are biological particles can be added in step 240 of the adding.
  • paramagnetic particles which are designed to bind to antibodies and / or surface proteins of the particles to be detected if the particles to be detected are biological particles can be added in step 240 of the adding.
  • paramagnetic particles which are designed to bind to antibodies and / or surface proteins of the particles to be detected if the particles to be detected are biological particles can be added in step 240 of
  • Detection particles are added to the sample.
  • the method 200 for detecting comprises a step 250 of generating, wherein the magnetic field is generated.
  • the step 250 of generating is executable prior to the step 210 of the read-in.
  • the step 250 of generating between the step 240 of the admit and the step 210 of the read in is executable.
  • the measurement signal read in in step 210 of the read-in represents at least one property of that generated in step 250 of the generation Magnetic field.
  • a homogeneous magnetic field is generated as the magnetic field.
  • a magnetic field is generated that is configured to immobilize at least one detection particle adjacent to the at least one magnetic field sensor.
  • the method 200 for detecting comprises a step 260 of circulating the sample with the added detection particles.
  • the recirculation step 260 can be implemented, for example, by stirring or pumping the sample.
  • the step 220 of determining and determining step 230 Circulating optionally prior to the step 210 of reading in parallel to the step 210 of reading in, the step 220 of determining and determining step 230, after the step 230 of determining and / or between the step 230 of determining and subsequently performing the
  • Step 210 of reading in executable Step 210 of reading in executable.
  • Fig. 3 shows a diagram of magnetic field strengths over time.
  • the time is plotted on an abscissa axis of the diagram labeled x, in particular in arbitrary units, with an inscription labeled y
  • the measurement signals are possible measurement signals which are generated in the detection device from FIG. 1 or a similar detection device or the microfluidic system from FIG. 1 or a similar microfluidic system.
  • a first graph 304 represents a first measurement signal having a first fluctuation width.
  • the first graph 304 represents a measurement signal for a particle bound to a detected particle
  • the first graph 304 has a low
  • a second graph 306 represents a second measurement signal having a second fluctuation amount.
  • the second graph 306 represents a measurement signal for a freely moving detection particle without binding to a particle to be detected.
  • the second graph 306 has a high fluctuation strength, that is, the changes of the signal within one
  • Time steps are high and higher than in the first graph 304.
  • the proportionality factor 2 f Do of equation (1) is generally referred to as fluctuation strength ⁇ ⁇ .
  • a magnetic particle such as the detection particles of Fig. 1 and Fig. 2
  • a liquid within a vessel on the wall of an example one-dimensional magnetic field sensor, for.
  • Hall sensor As Hall sensor, AMR or GMR magnetometer, MEMS sensor or SQUID, is attached, the measured magnetic field strength will fluctuate over time. The reason for this is a changing distance between particle and magnetic field sensor and a change in the direction of the magnetic field due to a rotation of the particle.
  • a fluctuation strength ⁇ can be determined analogously to equation (1).
  • the fluctuation strength ⁇ is higher the smaller the particle is.
  • the fluctuation amount ⁇ will decrease as the magnetic detection particle binds to a particle to be detected, for example, a cell to be detected or the like is because the magnetic detection particle and the particle to be detected move together through the sample or the liquid.
  • Fig. 4 shows a schematic sectional view of a part of a
  • Microfluidic system 100 according to one embodiment.
  • the microfluidic system 100 here corresponds to the microfluidic system of FIG. 1 or a similar microfluidic system, wherein in the illustration of FIG. 4, only a partial section of the microfluidic system is shown in a more detailed manner compared to FIG.
  • the microfluidic system 100 has, according to the exemplary embodiment illustrated in FIG. 4, a polymeric multilayer structure.
  • the magnetic field sensor 130 the microfluidic channel 140
  • Magnetic field sensor 130 a first polymer substrate 441 with the microfluidic channel 140, a second polymer substrate 442, a polymer membrane 444 and a recess 445 and a recess portion 445 in the second polymer substrate 442 shown.
  • the interface for coupling with the magnetic field sensor 130 is in this case designed as a part of the holding device 410, which is not explicitly shown in FIG. 4.
  • the fixture 410 may represent the interface.
  • FIG. 4 shows a cross section through a
  • Multilayer structure of the microfluidic system 100 consisting of two polymer substrates 441 and 442 separated by a flexible polymer membrane 444.
  • the microfluidic channel 140 extends.
  • the second polymer substrate 442 is the
  • Polymer membrane 444 is exposed or exposed.
  • the magnetic field sensor 130 is attached to the holding device 410.
  • the holding device 410 is moved in the direction of the Multilayer structure pushed, in particular in the recess portion 445 in until the magnetic field sensor 130 has contact with the polymer membrane 444.
  • Fig. 5 shows a schematic sectional view of a part of a
  • Microfluidic system 100 corresponds to the microfluidic system from FIG. 4, or the illustration in FIG. 5 corresponds to the illustration from FIG. 4, with the exception that the microfluidic system attached to the holding device 410
  • Magnetic field sensor 130 is arranged in Fig. 5 in contact with the polymer membrane 444 or moved.
  • the magnetic field sensor 130 is pressed into the polymer membrane 444, so that the polymer membrane 444 is deformed. In this way, it can be achieved that the magnetic field sensor 130 has a full contact with the polymer membrane 444 and is thus close to a sample when it is passed through the microfluidic channel 140.
  • a detection interval or measuring interval Et may be 1
  • One measurement period per particle can be at
  • Magnetic field sensor 130 for example 500 milliseconds to 30 seconds.
  • a field strength of a homogeneous magnetic field can be, for example, 10 microtesla to 1000 millitesla, in particular 500 microtesla to 500 millitesla.
  • a diameter of the magnetic detection particles 106 may be, for example, 100 nanometers to 100 micrometers, especially 500
  • polymers for the polymer substrates 441 and 442 include polymers, especially thermoplastics, e.g. As PC, PP, PE, PMMA, COP, COC, wherein for the Polymeric membrane 444 can be used for example elastomers, thermoplastic elastomers, thermoplastics, hot-melt adhesive films or the like.
  • a thickness of the polymer substrates 441 and 442 may be, for example, 0.1 mm to 10 mm, in particular 1 mm to 3 mm.
  • a thickness of the polymer membrane 444 may be, for example, 5 microns to 500 microns, especially 50 microns to 150 microns.
  • magnetic detection particles 106 are used, which in the case of
  • Immunoassays by an immune reaction specifically bind to detectable cells or particles 104.
  • the magnetic field sensor 130 is used to determine the strength and / or direction of the magnetic field over time of at least one detection particle 106 in at least one spatial dimension. From the recorded measurement signal 115, the fluctuation intensity is determined in the next step 220.
  • the intensity of fluctuation for a detection particle 106 without binding to a cell or a particle 104 differs from that of a detection particle 106 bound to a cell or a particle 104.
  • the microfluidic system 100 is embodied as a polymeric multilayer structure which has an interface 110 to, for example, a magnetic field sensor 130.
  • the magnetic field sensor 130 can be arranged in or adjacent to a drive unit for the lab-on-chip system or microfluidic system 100.
  • the method for detecting comprises the following steps:
  • Add 240 of magnetic detection particles 106 for example, suspended in a liquid, wherein the detection particles 106 bind to the cells or particles 104 to be detected, for example, with
  • the concentration of the magnetic detection particles 106 is selected, for example, in step 240 of the addition so that in each case only a single detection particle 106 is arranged within a range of the magnetic field sensor 130.
  • the step 260 of the circulation is carried out so that a circulation of the sample 102 takes place and another detection particle 106 can be measured.
  • the circulation can take place for example via a stirrer or by external / internal pumps.
  • Magnetic field sensor 130 used. This makes it possible to at least partially separate a rotational component of the fluctuation intensity from a translation component.
  • Such an embodiment has the particular advantage that the binding state can be determined by means of two separate variables, ie rotational component and translation component, and thus an even higher level of certainty in the detection of the binding state can be achieved.
  • the sample 102 is within the
  • Range of the magnetic field sensor 130 at least during the measuring process of a homogeneous magnetic field interspersed, generated in step 250 of the generating z. B. via a Helmholtz coil arrangement. In this way, the magnetic moments of the detection particles 106 align within the homogeneous magnetic field and a rotational movement is prevented.
  • paramagnetic detection particles 106 are used in step 240 of adding. As a result, the magnetic moment of the detection particles 106 is formed in combination with the homogeneous magnetic field. This embodiment has
  • Magnetic field sensor 130 is. If this function is known, for example, by means of appropriate simulations, the measurement signal H (t) 115 can be used to directly generate a
  • Trajectory d (t) of the detection particles 106 derived.
  • the diffusion coefficient Do and thus the radius of the detection particle 106 can be calculated from the trajectory d (t).
  • This has the advantage that a known quantity, the radius of the free or unbound detection particle 106, is obtained as the measured value and thus, for example, an exact and reliable calibration can be carried out.
  • it is favorable to additionally consider that the diffusion coefficient Do in the vicinity of a wall is not constant, but depends on the distance to the wall.
  • the magnetic field sensor 130 is in
  • microfluidic channel 140 pumped, for example by external or microfluidic integrated pumps.
  • Magnetic field sensor 130 generates a measurement signal 115, the flow is stopped and the binding state of the detection particle 106 is evaluated. Subsequently, the process for the next detection particle 106 is repeated.
  • This has the particular advantage that the binding state of each detection particle 106 can be determined exactly once.
  • the detection particle 106 can be positioned accurately over the magnetic field sensor 130, so that a high measurement signal 115 can be generated. In addition, this allows to determine the number of detection particles 106, each to a
  • the magnetic field may be generated in step 250 of the generating so that a potential well is formed in the vicinity of the magnetic field sensor 130 for the detection particle 106, i. H. in the sense of a so-called Magnetic Tweezers. That way that can
  • Detection particles 106 are more closely held in the vicinity of the magnetic field sensor 130.
  • the sample 102 is continuously pumped through the microfluidic channel 140 in step 260 of the circulation and the
  • Magnetic field sensor 130 performed. It is advantageous to discard low-frequency components on the measurement signal 115 before the evaluation of the measurement signal 115, which are due to the variable distance to the magnetic field sensor 130 during the
  • the liquid or sample 102 conducted past the magnetic field sensor 130 can be guided past the magnetic field sensor 130 at least a second time. This can be the
  • the concentration of the cells or particles 104 to be detected can thus also be determined via the known concentration of the detection particles 106.
  • the aforementioned multi-step immunoassay workflow may be shortened according to embodiments. For example, it eliminates all washing steps and the sample 102 only needs to be added a substance, a buffer with functionalized magnetic detection particles 106. This process times and material costs can be reduced. In addition, the shortened workflow can be more easily integrated into lab-on-chip systems or microfluidic systems 100.
  • probes such as, for example, magnetic detection particles 106 or fluorescence-labeled molecules
  • the detection method 200 allows the bonding state of a single magnetic detection particle 106 to be increased determine. This makes it possible to detect a single cell or a single particle 104.
  • the method 200 for detecting also through the skin of a patient for magnetic detection particles 106 in a blood vessel. This allows a patient to use magnetic beads
  • Detection particles 106 are injected, the binding state can be monitored continuously, for example via a magnetic field sensor 130 on the wrist, z. B. integrated into a smartwatch or the like. This can be used, for example, for the early detection of cancer, pathogens, viruses or for the follow-up of therapies.
  • the interface 110 enables a magnetic field sensor 130, for example located in the drive system for the lab-on-chip system 100, in close proximity to the sample 102 to position. Since the magnetic field sensor 130 can be used multiple times or in several microfluidic systems 100, costs for a lab-on-chip system or microfluidic system 100 can be reduced.
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von Partikeln (104) in einer Probe (102) vorgestellt. Das Verfahren weist einen Schritt des Einlesens eines Messsignals (115), das zumindest eine erfasste Eigenschaft eines sich mindestens durch eine Teilmenge der Probe (102) hindurch erstreckenden Magnetfelds repräsentiert, von einer Schnittstelle (110) zu mindestens einem Magnetfeldsensor (130) auf. Der Probe (102) sind hierbei magnetische Detektionspartikel (106) zugegeben, die ausgebildet sind, um an die nachzuweisenden Partikel (104) zu binden. Auch weist das Verfahren einen Schritt des Ermittelns einer von den Detektionspartikeln (106) abhängigen Fluktuationsstärke der zumindest einen Eigenschaft des Magnetfelds auf. Das Verfahren weist ferner einen Schritt des Bestimmens eines Bindungszustands zumindest eines Detektionspartikels (106) als ungebunden oder an ein nachzuweisendes Partikel (104) gebunden in Abhängigkeit von der ermittelten Fluktuationsstärke auf, um die Partikel (104) in der Probe (102) nachzuweisen.

Description

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

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (200) zum Nachweis von Partikeln (104) in einer Probe (102), wobei das Verfahren (200) folgende Merkmale aufweist:
Einlesen (210) eines Messsignals (115), das zumindest eine erfasste Eigenschaft eines sich mindestens durch eine Teilmenge der Probe (102) hindurch erstreckenden Magnetfelds repräsentiert, von einer Schnittstelle (110) zu mindestens einem Magnetfeldsensor (130), wobei der Probe (102) magnetische Detektionspartikel (106) zugegeben sind, die ausgebildet sind, um an die nachzuweisenden Partikel (104) zu binden;
Ermitteln (220) einer von den Detektionspartikeln (106) abhängigen Fluktuationsstärke der zumindest einen Eigenschaft des Magnetfelds; und
Bestimmen (230) eines Bindungszustands zumindest eines
Detektionspartikels (106) als ungebunden oder an ein nachzuweisendes Partikel (104) gebunden in Abhängigkeit von der ermittelten
Fluktuationsstärke, um die Partikel (104) in der Probe (102)
nachzuweisen.
2. Verfahren (200) gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt (230) des
Bestimmens der Bindungszustand als ungebunden bestimmt wird, wenn die Fluktuationsstärke in einem ersten Wertebereich liegt, wobei im Schritt (230) des Bestimmens der Bindungszustand als an ein nachzuweisendes Partikel (104) gebunden bestimmt wird, wenn die Fluktuationsstärke in einem zweiten Wertebereich liegt, der geringere Fluktuationsstärken als der erste Wertebereich repräsentiert. Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (210) des Einlesens ein Messsignal (115) eingelesen wird, das eine Stärke und/oder Richtung des Magnetfeldes über die Zeit repräsentiert.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt (240) des Zugebens einer vordefinierten Menge der magnetischen Detektionspartikel (106) zu der Probe (102).
Verfahren (200) gemäß Anspruch 4, bei dem im Schritt (240) des Zugebens Detektionspartikel (106) zugegeben werden, die ausgebildet sind, um an Antikörper und/oder Oberflächenproteine der
nachzuweisenden Partikel (104) zu binden, wobei die nachzuweisenden Partikel (104) biologische Partikel sind, und/oder im Schritt (240) des Zugebens paramagnetische Detektionspartikel (106) zu der Probe (102) zugegeben werden.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt (250) des Erzeugens des Magnetfeldes, wobei das im Schritt (210) des Einlesens eingelesene Messsignal (115) zumindest eine Eigenschaft des erzeugten Magnetfeldes repräsentiert.
Verfahren (200) gemäß Anspruch 6, bei dem im Schritt (250) des Erzeugens ein homogenes Magnetfeld als das Magnetfeld erzeugt wird und/oder ein Magnetfeld erzeugt wird, das ausgebildet ist, um zumindest ein Detektionspartikel (106) benachbart zu dem mindestens einen Magnetfeldsensor (130) zu immobilisieren.
Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt (260) des Umwälzens der Probe (102) mit den
zugegebenen Detektionspartikeln (106), wobei der Schritt (260) des Umwälzens vor, während und/oder nach einem Erfassen der zumindest einen Eigenschaft des Magnetfeldes ausführbar ist. Nachweisvorrichtung (120), die eingerichtet ist, um Schritte des Verfahrens (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten auszuführen.
Mikrofluidisches System (100) zum Untersuchen einer Probe (102), das folgende Merkmale aufweist: eine Nachweisvorrichtung (120) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche; und eine Schnittstelle (110) zum Koppeln mit dem mindestens einen Magnetfeldsensor (130), wobei das Messsignal (115) über die
Schnittstelle (110) an die Nachweisvorrichtung (120) übertragbar ist.
Mikrofluidisches System (100) gemäß Anspruch 10, mit einem mikrofluidischen Kanal (140), in dem die Probe (102) führbar ist, wobei die Nachweisvorrichtung (120) und/oder die Schnittstelle (110) benachbart zu dem mikrofluidischen Kanal (140) angeordnet sind.
Mikrofluidisches System (100) gemäß Anspruch 11, bei dem die Schnittstelle (110) ausgebildet ist, um den zumindest einen
Magnetfeldsensor (130) in Kontakt mit einer Wand des mikrofluidischen Kanals (140) anzuordnen oder zu bewegen.
Mikrofluidisches System (100) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, mit zumindest einem Magnetfeldsensor (130), der mit der Schnittstelle (110) abnehmbar gekoppelt oder koppelbar ist.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, das Verfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.
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