MX2009014121A - Separador y concentrador electrcinético de partículas. - Google Patents

Abstract

Se presenta un sistema que aplica técnicas electrocinéticas en microescala, (electroforesis, electroósmosis y dielectroforesis con estructuras aisladoras) para lograr en un mismo dispositivo la separación y concentración de partículas empleando campos eléctricos de corriente directa. El sistema se usará para tratar mezclas de partículas suspendidas en una solución acuosa, la solución conteniendo las partículas será introducida en el reservorio de entrada y se aplicará un campo eléctrico. En la primera sección del dispositivo se tiene un obstáculo o estructura aislante que permitirá la manipulación de la trayectoria de partículas, lográndose la separación en tres distintas corrientes. En la segunda sección del dispositivo se tienen tres canales concentradores, cana canal contienen un arreglo de postes o estructuras aislantes, donde empleando inmovilización dielectroforética se concentrarán las partículas de manera significativa (al menos un orden de magnitud). Finalmente, una vez saturado el dispositivo se reducirá el campo eléctrico, lo que liberará las partículas concentradas y se podrán obtener las partículas separadas y concentradas para su uso y análisis posterior.

Description

DISPOSITIVO SEPARADOR Y CONCENTRADOR ELECTROCINÉTICO DE PARTÍCULAS CAMPO DE LA INVENCIÓN El campo de invención del presente dispositivo concierne a la separación y concentración de partículas mediante el empleo de medios eléctricos y magnéticos, con potencial aplicación en bioseparaciones biotecnológicas.

OBJETO DE LA INVENCIÓN Un objeto de la presente invención se refiere a un dispositivo separador y concentrador electrocinético de partículas en una solución líquida, es decir, un único dispositivo con la capacidad de separar y concentrar mediante la exposición a campos eléctricos de corriente directa a partículas, biopartículas, macromoléculas y microorganismos contenidos en una solución líquida.

Otro objeto de la presente invención concierne a un método de operación del dispositivo que manipula partículas contenidas en una solución líquida, para separarlas y concentrarlas mediante técnicas electrocinéticas (Electroforesis, electroósmosis y dielectroforesis), así como un método de uso del dispositivo.

ANTECEDENTES Los microsistemas para análisis biológico se están desarrollando de manera significativa; estos sistemas reciben el nombre de laboratorio sobre microdispositivo (lab-on-chip) o sistemas bio-micro-electro-mecánicos (BioMEMS). Las posibles aplicaciones para este tipo de microsistemas son numerosas, y van desde análisis clínicos, ingeniería ambiental, sensores para control de calidad, etc. Las técnicas de microfabricación tuvieron un desarrollo importante en los años 90's, impulsando significativamente al campo de la microfluídica. Desde entonces ha habido un interés creciente en el desarrollo de técnicas de separación de sustancias biológicas que puedan implementarse en microescala. Las técnicas más comúnmente usadas en microsistemas son la cromatografía, electroforesis y dielectroforesis. La electroforesis es el movimiento de partículas con carga en presencia de un campo eléctrico, y depende de la razón carga/masa de cada partícula. Esta técnica ha sido mayormente utilizada en los sistemas de electroforesis en gel. Sin embargo ha habido importantes aplicaciones de la electroforesis capilar, la cual es una técnica miniaturizable y con numerosas aplicaciones potenciales para el análisis de biopartículas.

El fenómeno de dielectroforesis, descubierto en 1951, es el movimiento de partículas causado por efectos de polarización en un campo eléctrico no uniforme. Este mecanismo de transporte no destructivo tiene un gran potencial para la concentración y manipulación de biopartículas tales como microorganismos y biomoléculas. Mediante el mecanismo de dielectroforesis ha sido posible llevar a cabo una gran variedad de separaciones de microorganismos, ADN y proteínas. Se han llevado a cabo estudios sobre la aplicación de la dielectroforesis para la identificación de células cancerígenas; separación de eritrocitos mezclados con partículas inertes de látex, y la ruptura de eritrocitos utilizando fuerzas dielectroforéticas intensas. A pesar de la gran aplicación que tienen los arreglos de microelectrodos para llevar a cabo la dielectroforesis, existen importantes desventajas en el uso de microelectrodos, como son la complejidad y alto costo en la fabricación, y la pérdida de eficacia con el desgaste. Por estos motivos, ha surgido una nueva técnica mediante el uso de materiales aislantes que funcionan como obstáculos o postes para el campo eléctrico. El uso de estructuras aisladoras en lugar de electrodos representa una serie de ventajas, como lo es la simplicidad en la fabricación, retención de su funcionalidad a pesar del desgaste y baja alteración electroquímica al fluido o partículas. La gran mayoría de los estudios realizados con dielectroforesis con estructuras aisladoras se han llevado a cabo utilizando campos eléctricos con corriente alterna.

La dielectroforesis puede llevarse a cabo en campos eléctricos de corriente directa o alterna. Cualquier dipolo (permanente o inducido) tendrá una separación finita entre cantidades iguales de cargas positivas y negativas. Si el campo no es uniforme, se producirá un desbalance en las fuerzas electrostáticas en el dipolo; una partícula neutra expuesta a un campo eléctrico no homogéneo, se muestra en la Figura 1. El lado negativo del dipolo se encuentra en una región donde el campo eléctrico es más denso. Lo anterior ocasiona que las cargas negativas se concentren más que las positivas, generando un movimiento neto de la partícula hacia el electrodo positivo. Las partículas que sean más polarizables que el medio, exhibirán dielectroforesis positiva, y serán atraídas hacia las regiones de mayor intensidad del campo eléctrico. Contrariamente, las partículas que sean menos polarizables que el medio de inmersión, exhibirán dielectroforesis negativa, donde serán repelidas de las regiones de alta intensidad de campo eléctrico.

Además de la dielectroforesis, existe otra fuerza que también es importante en estos microsistemas. Esta fuerza es la electro-cinética, la cual es de primer orden con el campo eléctrico y comprende los fenómenos de electro-osmosis y electroforesis, los cuales son proporcionales a la intensidad del campo eléctrico aplicado.

La dielectroforesis, en cambio, es un efecto de segundo orden en el campo eléctrico. A campos eléctricos de baja intensidad, la fuerza dielectroforética es despreciable comparada con la fuerza electrocinética. A campos eléctricos relativamente altos, la fuerza dielectroforética puede dominar a la fuerza electrocinética, como lo muestra la Figura 2.

Existen dos tipos de regímenes de dielectroforesis, el primer régimen se denomina "dielectroforesis de corrientes" y ocurre cuando la dielectroforesis es capaz de sobrepasar el transporte de partículas debido a la difusión, pero no sobrepasa el flujo electrocinético. El segundo régimen se denomina "dielectroforesis atrapante" y ocurre cuando la dielectroforesis sobrepasa el transporte de partículas debido a la difusión y a la electrocinética. Bajo este régimen, las partículas son inmovilizadas por la dielectroforesis y pueden ser concentradas en forma significativa, casi a la densidad de un sólido. La fuerza dielectroforética que actúa sobre una partícula esférica se define como: FDEF = (Ec. 1) donde e0 es la permitividad del espacio libre, sm es la permitividad relativa del medio suspendido, rp es el radio de la partícula y es el factor de Clausius-Mossotti (CM): donde s ' y Sm son las conductividades complejas de la partícula y del medio respectivamente. Este factor de Clausius-Mossotti también es conocido como el factor de polarizabilidad. Si una partícula tiene una conductividad mayor que la del medio de suspensión, esta partícula exhibirá dielectroforesis positiva, es decir, será atraída a las zonas o regiones de mayor gradiente de campos eléctrico.

De manera análoga, partículas que sean menos conductivas o menos polarizables que el medio de suspensión, exhibirán dielectroforesis positiva y serán repelidas por las zonas o regiones de mayor gradiente de campo eléctrico. Cuando se utilizan campos eléctricos de corriente directa, es posible estimar el factor de Clausius-Mossotti usando las conductividades reales de la partícula y del medio (Ec. 3), y bajo estas condiciones la mayoría de las partículas presentan comportamiento de dielectroforesis negativa. s? - s?, / = (Ec. 3) Como se observa en las ecuaciones (Ec. l- Ec.3) la fuerza dielectroforétíca ejercida en una partícula depende de la intensidad de campo eléctrico, del tamaño de partícula, de las propiedades dieléctricas de la partícula, así como de la conductividad del medio de suspensión. Estas condiciones de operación pueden ser manipuladas para aumentar/disminuir la fuerza dielectroforétíca ejercida en una partícula, y con esto lograr separar y/o concentrar un tipo de partícula específico. Debido a esta flexibilidad en condiciones de operación, la dielectroforesis representa una excelente opción para la concentración y manipulación de partículas.

En la literatura ya se han reportado estudios de microdispositivos utilizados para la concentración de partículas empleando la técnica de dielectroforesis con estructuras aisladoras. Aplicaciones recientes de dielectroforesis con aisladores demostraron concentración de ADN con campos de corriente alterna, separación de células de levadura en agua con campos de corriente alterna, concentración de bacterias vivas y muertas, bacterias vivas de diferentes especies y caracterización de un microsistema para la remoción de microorganismos en agua. Sin embargo ninguno de los estudios recién mencionados incluye la separación de partículas, y solo incluyen la concentración de partículas.

Asi mismo, se tiene en la literatura una serie de reportes de trabajos de investigación donde se han utilizado técnicas electrocinéticas para lograr separación o fraccionación de mezclas de partículas. Se han realizado exitosos estudios donde se han manipulado las trayectorias de partículas. Desde estudios donde se ha utilizado un "obstáculo aislante", o un obstáculo curvilíneo para lograr clasificación de partículas, hasta estudios donde se emplearon estructuras de alturas para fraccionar mezclas de partículas. Sin embargo, ninguno de estos estudios incluye la concentración significativa de partículas, estos estudios recién mencionados reportan la separación solamente.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Figura 1. Representación Esquemática del movimiento de una partícula expuesta a un campo eléctrico no uniforme (dielectroforesis positiva).

Figura 2. Representación gráfica de las magnitudes relativas de la fuerza dielectroforética y fuerza electrocinética como función de la magnitud del campo eléctrico aplicado.

Figura 3. Representación esquemática del dispositivo propuesto, mostrando la sección separadora y la sección concentradora de partículas.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a un microdispositivo que utiliza campos de corriente directa para realizar la separación y concentración de partículas. Se utiliza una combinación de electroforesis, electroósmosis y dielectroforesis con estructuras aisladoras. El dispositivo motivo de ésta invención, consta de un solo cuerpo, que está conformado por una sección para separación, seguida de una sección para concentración (ver Figura 1). La sección para separación (Figura 1), presenta una geometría tipo canal simple, de sección transversal rectangular, que presenta un obstáculo de geometría rectangular o triangular y cuya altura dependerá del ancho del canal principal. La presencia del obstáculo afecta la distribución del campo eléctrico aplicado en el canal, modificando de esta manera las trayectorias de las partículas y desviando cada partícula con una magnitud diferente, lo que hace que las partículas se separen y se distribuyan en tres diferentes microcanales de la sección de concentración (Figura 3); estos tres microcanales contienen arreglos de estructuras aislantes eléctricas de geometría cilindrica o de diamante. La presencia de estas estructuras, que atraviesan toda la profundidad de los microcanales, genera "trampas dielectroforéticas" que permiten concentrar las partículas.

Para poder utilizar el microdispositivo, primeramente se tiene que hacer la preparación del mismo: se llena el microdispositivo con el medio de suspensión, que debe ser una solución acuosa de baja conductividad (máximo 300 µ8/???) y debe tener pH de 6 a 9. Las condiciones de conductividad y pH del medio de suspensión pueden ser adecuadas a lo que requiera el tipo de partículas que se esté separando. Una vez lleno el dispositivo con la solución acuosa seleccionada, se introduce la mezcla de partículas en el reservorio de entrada, y posteriormente se colocan los electrodos que permiten la aplicación de un campo eléctrico de corriente directa. El campo eléctrico genera flujo electroosmótico que es utilizado para bombear el fluido y las partículas a través del canal.

La sección para separación del microdispositivo, consta de un microcanal simple que contiene un obstáculo de forma rectangular o triangular de material dieléctrico. El largo y el ancho de este microcanal simple contenedor del obstáculo, dependerá de las partículas a separar; sin embargo, la altura del obstáculo puede tener como máximo una altura del 80% del ancho del canal. Debido a la presencia del obstáculo, al aplicar un campo eléctrico de corriente directa se genera una región de gradiente de campo eléctrico en la constricción del canal, generada por el obstáculo.

Cuando las partículas atraviesan la región de gradiente del campo eléctrico, en la constricción, se ejerce sobre ellos una fuerza dielectro forética, cuya magnitud depende del tamaño y propiedades dieléctricas de cada tipo de partícula. Dependiendo de la magnitud de ésta fuerza dielectroforética se genera una desviación en la trayectoria de cada partícula; la magnitud de esta desviación determina en que microcanal de la sección concentradora se ubicará cada partícula. Se espera que entre mayor sea la fuerza dielectroforética ejercida sobre una partícula, mayor será la desviación de su trayectoria. Por tanto, partículas pequeñas se espera que tengan una trayectoria que las lleve al microcanal 1 (Figura 3) de la sección concentradora, y partículas mas grandes se esperará que tengan una trayectoria que las lleve al microcanal 3 de la sección concentradora (Figura 3).

Exactamente después del microcanal, se encuentra la sección para concentración; en ésta sección se tienen microcanales; para este caso son tres microcanales que contiene cada uno de ellos, un arreglo de estructuras aisladoras (geometría cilindrica o poligonal); estas estructuras atraviesan toda la profundidad de los microcanales y funcionan como obstáculos para el campo eléctrico. Los arreglos de las estructuras aislantes son de geometría cilindrica o de diamante; la altura de éstas estructuras aislantes es igual a la profundidad del microcanal. Al aplicar un campo eléctrico de corriente directa, la presencia de estos obstáculos, crea zonas de gradiente de campo eléctrico, que funcionan como trampas dielectroforéticas donde se logran concentrar partículas de forma significativa. En este caso, bajo condiciones de campos eléctricos de corriente directa, las partículas exhiben dielectroforesis negativa, donde, como ya se explicó, las partículas son repelidas de la región de alto gradiente de campo eléctrico, esto es, las regiones de constricción entre los postes o estructuras aisladoras.

Esta repulsión dielectroforética permite que el líquido de suspensión siga fluyendo y las partículas sean inmovilizadas y concentradas. El microdispositivo se opera de manera semi-continua, y una vez que ya se han saturado las trampas dielectroforéticas, se disminuye el campo eléctrico aplicado y con esto se liberan las partículas concentradas en los tres canales para ser colectadas, donde las partículas se tienen separas y concentradas, listas para su uso o análisis posterior.

Claims (21)

REIVINDICACIONES Habiendo descrito suficiente mi invención, considero como una novedad y por lo tanto reclamo como de mi exclusiva propiedad, lo contenido en la siguiente cláusula:

1. Un Dispositivo Separador y concentrador electrocinético de partículas caracterizado por que comprende: • Un microdispositivo que utiliza campos de corriente directa para realizar la separación y concentración de partículas, es una sola pieza y está conformado por dos partes principales: la sección para separación y la sección para concentración; la sección para separación, está compuesta de un microcanal simple que contiene un reservorio de muestra y un obstáculo de material aislante; el largo del microcanal simple depende de las partículas a separar; exactamente después del microcanal, se encuentra la sección para concentración, la cual consta de al menos 2 microcanales, que contienen arreglos de estructuras aisladoras; los arreglos de las estructuras aisladoras tienen una altura igual a la profundidad del canal; en el extremo libre de cada microcanal, es donde se concentran las partículas separadas para su posterior recuperación.

2. El Dispositivo Separador y concentrador electrocinético de partículas de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque el obstáculo reduce el espacio por donde fluyen las partículas, originando un campo eléctrico no uniforme, es de material aislante, preferentemente un material dieléctrico.

El Dispositivo Separador y concentrador electrocinético de partículas de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque el obstáculo reduce el espacio por donde fluyen las partículas hasta en un 80%.

El Dispositivo Separador y concentrador electrocinético de partículas de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque los microcanales son opcionalmente de iguales o diferentes características, entre sí.

El Dispositivo Separador y concentrador electrocinético de partículas de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque los arreglos de las estructuras aislantes son opcionalmente de geometría cilindrica, poligonal, o combinación de estas.

El Dispositivo Separador y concentrador electrocinético de partículas de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque los arreglos de las estructuras aislantes atraviesan toda la profundidad de los microcanales, funcionan como obstáculos para el campo eléctrico y envuelven están permiten el paso de las partículas.

Un método de operación para el dispositivo separador y concentrador electrocinético de partículas reclamado de conformidad con las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque comprende los siguientes pasos: a. Llenar el microdispositivo con un medio de suspensión; b. Generar un campo eléctrico en el reservorio de entrada que contiene la mezcla de partículas, mediante la colocación de electrodos, para permitir el movimiento de las partículas cargadas a través del canal, cuyo flujo es restringido mediante un obstáculo que las desvía de acuerdo a masa a un determinado microcanal de la sección concentradora; c. Recuperar las partículas retenidas de cada microcanal.

El método de operación para el dispositivo separador y concentrador electrocinético de partículas, de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque en la etapa a) se llena el microdispositivo con un medio de suspensión, preferentemente una solución acuosa de baja conductividad y pH preferentemente de 6 a 9.

El método de operación para el dispositivo separador y concentrador electrocinético de partículas, de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque en la etapa b) de generar el campo eléctrico, los electrodos aplican un campo eléctrico de corriente directa, el cual genera flujo electroosmótico que se utiliza para bombear el fluido y partículas a través del canal.

10. El método de operación para el dispositivo separador y concentrador electrocinético de partículas, de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque en la etapa b) de generar un campo eléctrico, en la constricción del canal se genera una región de gradiente que genera una fuerza dielectroforética en las partículas.

11. Un método de control del dispositivo separador y concentrador electrocinético de partículas caracterizado porque comprende las siguientes etapas: a) Fluir a través de la sección separadora las partículas cargadas b) Obstruir el flujo de las partículas a través de la sección separadora, mediante un obstáculo que genera un campo dieléctrico c) Dirigir las partículas de acuerdo a su masa y magnitud de la fuerza dielectroforética generada hacia uno de los microcanales; d) Retener en los microcanales, mediante los arreglos de estructuras aisladoras las partículas para concentrarlas; e) Recuperar de cada microcanal las partículas concentradas.

12. El método de control del dispositivo separador y concentrador electrocinético de partículas, de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque en la etapa a) las partículas están contenidas en una mezcla acuosa.

13. El método de control del dispositivo separador y concentrador electrocinético de partículas, de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque en la etapa a) las partículas fluyen a través de la sección separadora en un medio de suspensión, preferentemente una solución acuosa de baja conductividad y pH preferentemente de 6 a 9.

14. El método de control del dispositivo separador y concentrador electrocinético de partículas, de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque en la etapa b), se obstruye parcialmente el flujo de partículas.

15. El método de control del dispositivo separador y concentrador electrocinético de partículas, de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque en la etapa c) de dirigir las partículas se realiza de acuerdo a su masa y magnitud de la fuerza dielectroforética.

16. El método de control del dispositivo separador y concentrador electrocinético de partículas, de conformidad con la reivindicación 11 y 15, caracterizado porque las partículas pequeñas se dirigen al microcanal superior.

17. El método de control del dispositivo separador y concentrador electrocinético de partículas, de conformidad con la reivindicación 11 y 15, caracterizado porque las partículas grandes se dirigen al microcanal inferior.

18. El método de control del dispositivo separador y concentrador electrocinético de partículas, de conformidad con la reivindicación 1 1, caracterizado porque la etapa e) de recuperar de cada microcanal las partículas concentradas, se realiza al suspender el voltaje.

19. son concentradas por un arreglo de estructuras aisladoras que funcionan como trampas dielectroforéticas.

20. El método de operación para el dispositivo separador y concentrador electrocinético de partículas, de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque en la etapa h) cuando las trampas dielectroforéticas están saturadas, se disminuye el campo eléctrico, lo que hace al proceso ser semi-continuo.

21. El Dispositivo Separador y concentrador electrocinético de partículas de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque el microdispositivo se opera de manera semi-continua, y una vez saturadas las trampas dielectroforéticas, se disminuye el campo eléctrico aplicado y con esto se liberan las partículas concentradas en los tres canales, para ser colectadas