DE102009035941A1 - Diagnostiksystem - Google Patents

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Abstract

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

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft mikrofluidische Systeme zur Probenanalyse. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Transport magnetischer Beads auf einer mikrofluidischen Karte, eine mikrofluidische Karte zur Einführung in eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Transport von magnetischen Beads auf einer mikrofluidischen Karte.
  • TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND
  • Um die Befunde insbesondere bei zeitkritischen Erkrankungen früher verfügbar machen zu können, wird eine Reihe von Diagnostiksystemen für die Vor-Ort-Analyse (Point of Care Systeme) von Patientenproben entwickelt. Diese basieren meist auf mikrofluidischen Karten, die sämtliche Reagenzien für eine Probenaufbereitung, Zielmolekülisolation und Detektion beinhalten.
  • Die heute für Nukleinsäure- und Proteindiagnostik zur Verfügung stehenden Systeme zur dezentralen Nutzung im Point of Care Bereich weisen eine Vielzahl von mechanischen und fluidischen Komponenten auf. Die Komplexität macht die Systeme teuer und meist sehr wartungsanfällig. Ein weiteres Problem liegt in der Systempartitionierung. In der Regel werden im wieder verwendbaren Gerät Reagenzien und Pufferflüssigkeiten gelagert, die während der Testdurchführung in die Cartridge bzw. die mikrofluidische Karte gepumpt werden. Durch die dafür erforderlichen fluidischen Schnittstellen zwischen Gerät und Cartridge bzw. der mikrofluidische Karte kann es zu Kontaminationen kommen, die die diagnostischen Aussagen stark beeinflussen.
  • Bisherige Systeme weisen aufwendige und fehleranfällige mikrofluidische Steuerungen auf. Daraus ergeben sich ebenso hohe Systemkosten für den Anwender, sowohl für den Analyzer als auch für die Cartridge bzw. für die mikrofluidische Karte.
  • Weiterhin arbeiten bisher gängige Systeme mit technisch fehleranfälligen und teilweise komplex zu steuerenden Ventillösungen, um die einzelnen Reaktionskammern voneinander zu trennen, so dass keine Diffusion zwischen den Kammern stattfinden kann. Dabei werden zusätzlich externe Steuergeräte benötigt, um diese Ventile in der gewünschten Reihenfolge zu bedienen. Beispielsweise kommen Quetschventile zum Einsatz, bei welchen ein mechanisch bewegter Stift auf das Ventil presst.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Probenanalyse anzugeben.
  • Es ist eine Vorrichtung zum Transport magnetischer Beads von einem ersten Flüssigkeitsbereich in einen zweiten Flüssigkeitsbereich einer mikrofluidischen Karte, eine mikrofluidische Karte sowie ein Verfahren zum Transport eines zu detektierenden Zielmoleküls mittels magnetischer Beads von einem ersten Flüssigkeitsbereich in einen zweiten Flüssigkeitsbereich einer mikrofluidischen Karte gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche angegeben. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen gleichermaßen die Vorrichtung, die mikrofluidische Karte und das Verfahren.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass im Kontext der vorliegenden Erfindung die folgenden Definitionen und Abkürzungen benutzt werden.
  • Magnetische Beads:
  • Im Kontext der vorlegenden Erfindung wird der Begriff magnetische Beads für magnetische Nano- und Mikropartikel verwendet und bezeichnet Trägermaterialien in die kleineren magnetischen Partikel eingebettet sind. Dabei kann sowohl die angegebene Vorrichtung als auch das angegebene Verfahren prinzipiell für verschiedenste Größen und Formen der magnetischen Beads angewendet werden. Die magnetischen Beads können z. B. in sphärischer Form, elliptischer Form oder polygoner Form vorliegen. Jedoch sind auch beliebige andere Formen nicht ausgeschlossen. Dabei ist es möglich, ceteris paribus, dass sehr kleine magnetische Beads (z. B. < 100 nm) sich aufgrund ihrer geringen magnetischen Suszeptibilität schwerer durch externe Magnetfelder in den Reagenzflüssigkeiten steuern lassen, als vergleichsweise größere magnetische Beads. Weiterhin kann der Effekt bei zunehmender Größe der magnetische Beads (z. B. bei einer Größe > 5 μm) eine Rolle spielen, dass im Vergleich zu kleineren magnetischen Beads eine geringere spezifischen Oberfläche zur Anlagerung funktioneller Gruppen vorliegt. Mit anderen Worten kann es als Aspekt der vorliegenden Erfindung angesehen werden, dass eine Größe der magnetischen Beads gewählt wird, welche Größe ein Optimum hinsichtlich der Kombination aus der aktiven Oberfläche und den magnetischen Eigenschaften der Beads darstellt. Beispielsweise können die magnetischen Beads einen Durchmesser aufweisen, der ausgewählt aus einem Bereich von 100 nm bis 5 μm, vorzugsweise kann der Durchmesser 1 μm betragen. Jedoch sind andere Durchmesser oberhalb, unterhalb und innerhalb dieses Wertebereichs möglich. Weiterhin umfasst die Erfindung, dass verschiedenste Formen der magnetischen Beads und verschiedenste Formen der darin eingebetteten Nanopartikel verwendet werden können. Beispielsweise können stäbchenförmige, drahtförmige, röhrenförmige, membranförmige, irregulär förmige und ellipsoidförmige magnetische Beads und/oder Nanopartikel verwendet werden. Dabei ist das zuvor gesagte beispielhaft an Nanopartikel erklärt, erstreckt sich jedoch explizit auch auf Partikel, welche in die magnetischen Beads integriert werden, die jedoch eine andere Größe aufweisen. Weiterhin kann sich die Erfindung beispielsweise zu Nutze machen, dass kugelförmige Beads aus hydrodynamischer Sicht gewisse Vorteile aufweisen.
  • Hinsichtlich der Dichte der magnetischen Beads soll der Begriff magnetische Beads keine Einschränkung implizieren. Beispielsweise können die magnetischen Beads eine Dichte aufweisen, welche größer, kleiner oder gleich der Dichte von Wasser ist. Ebenso ist es möglich, dass die Dichte der Beads größer, kleiner oder gleich der Dichte anderer verwendeter Reagenzflüssigkeit innerhalb der Flüssigkeitsbereiche der mikrofluidischen Karte ist. Die Dichte der Beads kann dabei maßgeblich durch die Wahl des Trägermaterials und dem Anteil an Magnetpartikeln (bsp. Magnetitgehalt) im Bead beeinflusst werden. Es ist somit möglich, eine Kombination aus magnetischen Beads und Reagenzflüssigkeiten zu wählen, bei welcher die Partikel auf dem Grund des Flüssigkeitsbereichs vorliegen, schwimmend innerhalb der Flüssigkeit vorliegen oder sich an der Oberfläche der Reagenzflüssigkeit sammeln.
  • Auch hinsichtlich der Materialien der magnetischen Beads sind vielerlei Ausführungsformen im Sinne der vorliegenden Erfindung möglich. Insgesamt können diese magnetischen Beads paramagnetischer oder ferromagnetischer Natur sein, wobei bevorzugt paramagnetische Beads mit möglichst geringer Remanenz und guten Dispersionseigenschaften zum Einsatz kommen können, da diese bei Entfernung eines externen Magnetfeldes nicht zur Aggregation neigen. Es können als magnetische Materialien Eisenoxide zum Einsatz kommen, die im Allgemeinen durch die Formel FexOyHz (z. B. z = 0) beschrieben werden können. Neben Eisen können die häufig eingesetzten Ferrite Übergangsmetalle wie Mn, Co, Zn, Cu und Ni unter anderen enthalten. Beispielsweise können sie auf Partikeln aus reinen Metallen wie Fe und Co, Legierungen wie CoPt3, CoPt, FePt etc., bzw. oxidischen Phasen wie Gamma-Fe2O3, FeO, NiO und insbesondere den Spinellen Fe3O4 oder allgemein MIIMIII 2O4 (M = Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Mg, Zn etc.) basieren. Magnetit (Fe3O4, präziser FeII(FeIII)2O4) und Maghemit (Fe2O3) eigenen sich für die beschriebene Anwendung besonders gut, da diese eine hohe Sättigungsmagnetisierung aufweisen (80 – 100 A × m2kg–1). Dabei sollen andere Kristallisierungsformen als die bisher und im Nachfolgenden genannten explizit nicht als Einschränkung verstanden werden. Die Verwendung anderer Kristallformen ist möglich.
  • Magnetische Trägermaterialien, welche die magnetischen Beads darstellen, können durch Einbettung der davon separaten magnetischen Partikel in natürliche (z. B. Polysacharide wie Dextran, Sepharose, Polypeptide wie Poly-L-Aspartat, Poly-L-Glutamat, Polylaktide wie Poly-P, L-laktid) oder synthetische Polymermatrices (z. B. Polyvinylalkohol, Polystyrol(derivate), Poly(met)acrylate (PMMA und PHEMA) und -acrylamide, Polypyrrole, Polyester, Poly-epsilon-caprolactam, etc. und Copolymere auch mit natürlichen Polymeren) oder durch anorganische Beschichtungen (zum Beispiel SiO2, Au, Carbon) gewonnen werden. Bei der Incapsulierung von Magnetpartikeln können entweder kleine Partikel (zum Beispiel Ferrofluide) homogen in der Trägermatrix verteilt oder größere in Form von Kern-Schale-Partikeln aufgebaut werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Infiltration von (organischen/anorganischen) porösen Materialien durch sehr kleine magnetische Nanopartikel oder Lösungen von Fe2+ und anderen Metallionen (zum Beispiel Fe3+, Co3+, Ni2+, Mn2+, etc.) und der anschließenden Bildung der magnetischen Partikel (zum Beispiel Ferrite) in der Matrix. Insbesondere bei Matrixdispergierten Partikeln („Polymerbeads”) kann die Größe der Beads (beispielsweise bis 5 μm) nichts mit der Größe der enthaltenen Magnetpartikel zu tun (oft nur einige nm) haben, was sich durch die Messung der Magnetisierungskurve bestätigen lassen kann (kleine Partikel zeigen dann eine enge Hysterese).
  • Als Bead-Oberflächen können sich sowohl Polymere als auch SiO2-beschichtete Magnet-Partikel dazu eignen, mit unterschiedlichen Funktionalitäten ausgestattet zu werden. An die SiO2-Schicht (Coating) lassen sich z. B. funktionalisierte Chlor- oder Alkoxysilane anbinden. Auf diese Weise können auch Polymerisationsinitiatoren (z. B. für die ATRP) an die Partikel gekoppelt werden, um typische Kern-Schale Partikel mit magnetischem Kern und einer Polymerschale zu erzeugen.
  • Diese magnetischen Beads sind meist Polymerpartikel mit einpolymerisierten Eisenoxidpartikeln oder Eisenoxidpartikel mit Silicabeschichtung. Der Magnetitgehalt kann dabei beispielsweise einen Wert zwischen 10% und 90% annehmen, kann aber auch davon abweichende Werte betragen. Je nach Aufbau, Gehalt an magnetisierbaren Partikeln (Gesamtmagnetisierbarkeit) und Funktionalisierung können die magnetischen Beads für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise sind im Bereich Life Science und Diagnostik die Aufreinigung von Nukleinsäuren, die Affinitätsreinigung von rekombinanten Proteinen oder anderen Biomolekülen und die Zellseparation mit Antikörperbeschichteten magnetischen Beads ein exemplarisches Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung. Die kann dabei manuellen und/oder automatisierten erfolgen. Darüberhinaus könne magnetische Beads mit beispielsweise Carboxy- oder Amino- Funktionalitäten für anwenderspezifische kovalente Immobilisierungen von Liganden (z. B. Streptavidin, Protein A, Antikörper, Lectine, Enzyme wie Trypsin, Benzonase) eingesetzt werden.
  • Flüssigkeitsbereich:
  • Vorzugsweise soll unter dem Begriff Flüssigkeitsbereich im Kontext der vorliegenden Erfindung eine Vertiefung innerhalb einer mikrofluidischen Karte verstanden werden, die zur Aufnahme gewünschter Reagenzflüssigkeiten vorgesehen ist. Jedoch umfasst der Begriff auch ein analog zur Tropfenbildung auf einer Oberfläche definierte Bereich der mikrofluidischen Karte z. B. durch unterschiedliche Oberflächenspannungen, in dem sich eine gewisse Menge der entsprechenden Reagenzflüssigkeit gebildet hat. Dieses Beispiel eines Flüssigkeitsbereichs liegt damit nicht in einer Vertiefung vor. Mit anderen Worten kann unter dem Begriff Flüssigkeitsbereich auch ein zusammenhängendes räumliches Gebiet verstanden werden, in dem sich die Reagenzflüssigkeit unabhängig von der Struktur oder dem Relief der mikrofluidischen Karte an dieser Stelle erstreckt.
  • Weiterhin kann der Flüssigkeitsbereich auch aus zwei oder mehreren Phasen bestehen. Beispielsweise ist es möglich, dass gleichzeitig eine oder mehrere organische und eine oder mehrere wässrige Phasen innerhalb eines Flüssigkeitsbereichs vorliegen. Für den Fall, dass im Kontext der Erfindung ein Zustand beschrieben wird, bei welchem die magnetischen Beads an der Oberfläche der Reagenzflüssigkeit schwimmen, so umfasst der Begriff Flüssigkeitsbereich eine flüssige Phase und eine gasförmige Phase.
  • Positioniereinrichtung:
  • Darunter kann sowohl eine Einrichtung verstanden werden, welche mittels mechanischer Bewegungen die mikrofluidische Karte und die Magneteinrichtung relativ zueinander positioniert. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Positioniereinrichtung eine Regel- und Steuereinrichtung darstellt, welche den Magnetfeldgradienten beispielsweise durch Ansteuerung eines Magnetfeldstrings derart verändert, dass eine Relativbewegung zwischen den magnetischen Beads und der Aufnahmeeinrichtung (und damit auch zwischen den magnetischen Beads und der mikrofluidischen Karte, da diese in der Aufnahmeeinrichtung im Betrieb platziert ist) erzeugt wird. Prinzipiell gibt es mehrere Möglichkeiten, wie die Positioniereinrichtung die Relativbewegung erzeugen kann. Es kann eine Bewegung der Magneteinrichtung, eine Bewegung der mikrofluidischen Karte, eine Kombination aus den erstgenannten Möglichkeiten, eine Veränderung des auf die magnetischen Beads wirkenden Magnetfeldgradienten und eine Kombination aus den vorgenannten Möglichkeiten sein. Dabei ist es möglich, dass sie mit Hilfe von Steuerung- und Regelungstechnik die erforderlichen Bewegungen bzw. Veränderungen des Magnetfeldgradienten verursacht.
  • Kontaktlos:
  • Im Kontext der vorliegenden Erfindung soll der Begriff kontaktlos, falls nicht explizit anderweitig definiert, dahingehend ausgelegt werden, dass kein Kontakt zwischen den magnetischen Beads und der Magneteinrichtung in der Flüssigkeit des jeweiligen Flüssigkeitsbereichs besteht. Mit anderen Worten taucht der Magnet- bzw. die Magneteinrichtung zum Transport nicht in die Flüssigkeitsbereiche ein, sondern verursacht zumindest eine Komponente der Bewegung von außerhalb des Flüssigkeitsbereiches mittels magnetischer Kräfte kontaktlos. Ein Kontakt der magnetischen Beads zu der Magneteinrichtung, nachdem sie aus dem ersten Flüssigkeitsbereich herausgehoben wurden ist jedoch nicht explizit ausgeschlossen.
  • Magneteinrichtung:
  • Eine Magneteinrichtung kann jedwede Vorrichtung sein, welche einen Magnetfeldgradienten für den im Vorangegangenen und im Nachfolgenden beschriebenen Transport der magnetischen Beads bereitstellt. Diese Einrichtung kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Permanentmagnet, Kombination aus einem Permanentmagneten und einem Elektromagneten, ein Paar jeweils bestehend aus einer Kombination aus einem Permanentmagneten und einem Elektromagneten, ein Permanentmagnet mit einer Modulationsspule, bei der die Magnetisierung des Permanentmagneten durch die Modulationsspule reduziert wird sowie jede Kombination daraus. Weiter Bauteile zur Erzeugung des Magnetfeldgradienten können ebenso vorhanden sein.
  • Durchgehende Barriere:
  • Der Begriff durchgehende Barriere bzw. durchgehende mechanische Barriere stellt eine deutliche Abgrenzung zu Ventilen dar. Mit anderen Worten ist es im Kontext der vorliegenden Erfindung einer Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitsbereich nicht möglich durch die Barriere hindurch zu gelangen, ohne dass zuvor eine substantielle Zerstörung der Materie bzw. eine geometrische Veränderung der Barriere stattgefunden hat.
  • Deckenelement, Bodenelement:
  • Darunter kann sowohl eine Deckenplatte bzw. eine Bodenplatte, aber auch der Einsatz von mehr oder weniger elastischen Folien und Einwegprodukten mit dem Ziel, die mikrofluidische Karte nach oben und unten räumlich zu begrenzen, verstanden werden. Alternativ zu einer Deckenplatte kann auch eine Klebefolie verwendet werden, die an den Stellen, über welche die Beads gleiten bzw. an welchen die Beads mit der Folie in Kontakt kommen, nicht klebt. Es können auch an diesen Stellen zusätzliche Membranen verwendet werden oder per se klebemittelfreie Stellen in der Folie vorgesehen sein.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Transport magnetischer Beads von einem ersten Flüssigkeitsbereich in einen zweiten Flüssigkeitsbereich einer einzusetzenden mikrofluidischen Karte zur Detektion eines Zielmoleküls angegeben. Dabei weist die Vorrichtung eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme der einzusetzenden mikrofluidischen Karte, eine Positioniereinrichtung und eine Magneteinrichtung auf. Weiterhin ist die Positioniereinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen den zu transportierenden magnetischen Beads und der Aufnahmeeinrichtung derart ausgeführt, dass durch die Relativbewegung die zu transportierenden magnetischen Beads über eine durchgehende mechanische Barriere zwischen dem ersten und dem zweiten Flüssigkeitsbereich der einzusetzenden mikrofluidischen Karte hinweg transportierbar sind. Eine Richtung ist zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten auf der einzusetzenden mikrofluidischen Karte zur Relativbewegung der zu transportierenden magnetischen Beads bezüglich wenigstens einer Bewegungskomponente der Relativbewegung ausgeführt. Die Magneteinrichtung ist derart von der Aufnahmeeinrichtung beabstandet, dass die Relativbewegung der zu transportierenden magnetischen Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich heraus bezüglich der wenigstens einen Bewegungskomponente kontaktlos erfolgt.
  • Dabei ist das „über” derart zu verstehen, dass mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Barriere, welche sich senkrecht zur Ebene der mikrofluidischen Karte erstreckt, durch kontaktlose Anhebung der magnetischen Beads mittels magnetischer Kräfte überschritten werden kann.
  • Dabei kann die Magneteinrichtung gleichzeitig ein homogenes und ein inhomogenes Feld bereitstellen, welche überlagert werden, so dass der gewünschte Magnetfeldgradient zur Erzeugung magnetischer Kräfte auf die Beads auf der mikrofluidischen Karte erzeugt ist. Diese magnetischen Kräfte, welche auf die magnetischen Beads wirken, werden ausgenutzt, um die magnetischen Beads aus der Reagenzflüssigkeit des ersten Flüssigkeitsbereichs kontaktlos herauszuheben und über die mechanische Barriere der mikrofluidischen Karte zu transportieren. Mittels einer Modulation des Magnetfeldgradienten werden diese anschließend wieder kontaktlos in den zweiten Flüssigkeitsbereich hineingegeben.
  • Dabei kann die Positioniereinrichtung zur Erzeugung dieser Relativbewegung sowohl eine Bewegung der Magneteinrichtung sowie auch eine Bewegung der mikrofluidischen Karte (mittels einer Bewegung der Aufnahmeeinrichtung) oder eine Kombination aus beidem durch entsprechende Regelung und Steuerung herbeiführen. Jedoch ist es auch möglich, dass die Positioniereinrichtung eine Änderung oder Modulation des Magnetfeldgradienten in der Art erzeugt, dass es zu dieser gewünschten Relativbewegung kommt. Dabei wird diese Relativbewegung letztlich zwischen den magnetischen Beads und den beiden Flüssigkeitsbereichen, welche sich auf der mikrofluidischen Karte befinden, erzeugt.
  • Die Relativbewegung besteht aufgrund der existierenden Barriere der mikrofluidischen Karte, die gerade überwunden werden soll, aus zumindest zwei vektoriellen vertikalen und zumindest einer vektoriellen horizontalen Bewegungskomponente. Dabei ist ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass mittels der Fernwirkung der magnetischen Kräfte zwischen der Magneteinrichtung und den magnetischen Beads diese kontaktlos aus denn ersten Flüssigkeitsbereich herausgehoben werden.
  • Dabei ist der Begriff beabstandet derart zu verstehen, dass, wenn sich die mikrofluidische Karte im eingesetzten Zustand befindet, die Magneteinrichtung und die Aufnahmeeinrichtung keinen Kontakt aufweisen. Sollte in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung jedoch ein Kontakt der Magneteinrichtung und der Aufnahmeeinrichtung bestehen, so liegt gemäß der Erfindung aber zu keinem Zeitpunkt der Durchführung des Transports der magnetischen Beads ein Kontakt zwischen der Magneteinrichtung und den Flüssigkeitsbereich der mikrofluidischen Karte vor.
  • Der Begriff „bezüglich wenigstens einer Bewegungskomponente” schließt weiterhin nicht aus, dass das magnetische Feld auch als Ursache aller benötigter, vektorieller Bewegungskomponenten genutzt werden kann. Dies wird im Folgenden anhand des Beispiels in Serie durchschaltbarer Magneteinrichtung beschrieben werden.
  • Weiterhin ist es möglich, dass die Magneteinrichtung, die beispielsweise auch ein Magnetfeld Array ausgeführt sein kann, in die Deckenplatte oder Bodenplatte einer mikrofluidischen Karte integriert ist. Durch die Vorrichtung werden in diesem Fall Leitungen zur Regelung und Steuerung des Magnetfeldgradienten für die Boden- bzw. Deckenplatte bereitgestellt.
  • Mit anderen Worten bezieht sich die Erfindung auf ein Analysesystem zur Anwendung beispielsweise in der medizinischen Point of Care Analytik. Dabei kann die Vorrichtung auch die mikrofluidische Karte umfassen, auf welcher biologische Reaktionen mit Hilfe multifunktioneller magnetischer Beads stattfinden können. Ebenso kann die Positioniereinrichtung die Bewegung der magnetischen Beads kontrollieren. Weiterhin kann die mikrofluidische Karte ein Sensormodul enthalten, mit Hilfe dessen die an den Beads gebundenen Zielmoleküle nachgewiesen werden können.
  • Dabei ist der Begriff multifunktionelle Beads im Kontext der Erfindung folgendermaßen zu verstehen: Es handelt sich dabei um magnetische Beads mit unterschiedlichen Funktionen. So werden für eine Isolation von biologischen Agenzien, wie beispielsweise mikrobieller Erreger, magnetische Beads verwendet, die auf ihrer Oberfläche Moleküle tragen, die spezifisch oder unspezifisch mit Oberflächenstrukturen oder Rezeptoren der Erreger in Kontakt treten. Hierzu können beispielsweise monoklonale Antikörper (spezifisch) oder Protein A (unspezifisch) verwendet werden. Bei der Isolation von Nukleinsäuren (DNA, RNA) aus den lysierten Erregern kommen in aller Regel Nukleinsäure-bindende Oberflächen (Silane) zum Einsatz. Vor dem Nachweis spezifischer Sequenzen kann eine so genannte PCR-on-a-Bead (PCR = Polymerase Kettenreaktion) zum Einsatz kommen. Hierbei werden an die Beadoberfläche kovalent gekoppelte Oligonukleotide verwendet, die mithilfe von Polymerase in Anwesenheit der Zielsequenzen elongiert und nachfolgend detektiert werden (beispielsweise über korrespondierende Oligonukleotide, die an einem Microarray gekoppelt vorliegen). Alternativ kann die gesamte Prozesskette von der Erregerisolation, der Lysierung und Nucleinsäureisolation, über die Amplifikation spezifischer Sequenzen und deren endgültigem Nachweis mit multifunktionellen Beads erfolgen. Dabei befinden sich unterschiedliche Funktionalitäten auf der Beadoberfläche oder sind nach innerhalb der Matrix gekoppelt. So können beispielsweise sowohl monoklonale Antikörper als auch spezifische Oligonukleotide am Bead gekoppelt vorliegen, die in unterschiedlichen Phasen der Prozesskette zum Einsatz kommen.
  • Dabei können ein oder mehrere modulierbare Magneteinrichtungen über und/oder unter der mikrofluidischen Karte positioniert sein. Die Magneteinrichtungen können so moduliert werden, dass ein Magnetgradient zur Boden- bzw. zur Deckenplatte der mikrofluidischen Karte aufgebaut wird, so dass sich je nach Zustand die magnetischen Beads innerhalb der Flüssigkeit des ersten und/oder zweiten Flüssigkeitsbereichs nach oben oder unten bewegen. Beispielsweise kann durch eine seitliche Verschiebung der Magneten oder alternativ durch eine Verschiebung der mikrofluidischen Karte neben der Auf- und Abwärtsbewegung der magnetischen Beads auch eine seitliche Bewegung der Beads erzeugt werden. Die Barriere sollte so ausgestaltet werden, dass durch leichtes Kippen der mikrofluidischen Karte keine Durchmischung der Flüssigkeitsbereiche aufgrund eines ”Überlaufens” der Flüssigkeiten stattfindet.
  • Dabei kann die mikrofluidische Karte beispielsweise so gestaltet sein, dass sich zwischen den einzelnen Reaktionskammern, in welchen vorgesehen ist, Flüssigkeitsbereiche auszubilden, Barrieren befinden, die diese fluidisch voneinander trennen. Dabei vermeidet die vorliegende Erfindung komplizierte und fehleranfällige Ventiltechnik zwischen den Reaktionskammern und respektive zwischen den Flüssigkeitsbereichen. Um die magnetischen Beads zwischen den Reaktionskammern zu transportieren, müssen die Barrieren überwunden werden. Dies geschieht durch Anheben der Beads unter Modulation des Magnetfeldgradienten. Der nach oben wirkende Gradient wirkt gegen die Gravitationskraft und wirkt in Richtung der Auftriebskraft der Beads, welche sie innerhalb der Reagenzflüssigkeit erfahren. Eine im Vergleich zur mikrofluidischen Karte Horizontalbewegung der magnetischen Beads kann auf verschiedene bereits oben beschriebene Weise erzeugt werden. Dadurch wird die Positionierung der magnetischen Beads über der nächsten Reaktionskammer, also über denn zweiten Flüssigkeitsbereich erreicht. Abschließend wird die Richtung des Gradienten nach unten moduliert, so dass die Beads von der Deckelplatte wieder durch die Flüssigkeit in Richtung der Bodenplatte transportiert werden. Anschließend kann, falls gewünscht, eine weitere Modulation des Magnetfeldes derart erfolgen, dass die Beads innerhalb der Reaktionsflüssigkeit des zweiten Flüssigkeitsbereichs, derart bewegt werden, dass eine Durchmischung erzeugt wird.
  • Da die erfindungsgemäße Vorrichtung es ermöglicht, magnetische Beads von einer Reaktionskammer bzw. einem Flüssigkeitsbereich hebenderweise in den nächsten zu transportieren, ohne auf Ventiltechnik zurückgreifen zu müssen, ist die angegebene Vorrichtung besser in Prozessen einsetzbar, welche starke Temperaturunterschiede aufweisen. Im Falle einer Polymerase-Kettenreaktion (PCR), bei welcher solche starken Temperaturunterschiede auftreten, kann es nachteilig sein, Systeme mit Ventilen zu benutzen. Diese Ventile vermeidet die vorliegende Erfindung explizit. Somit stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine temperaturresistentere mikrofluidische Analysevorrichtung dar, die eine höhere Lebensdauer, Genauigkeit beispielsweise in PCR-Prozessen bietet.
  • Damit stellt die Vorrichtung ein verbessertes technisches Mittel dar, um multifunktionelle Partikel, die sich zur kombinierten Molekülaufreinigung, einer Multiplex-PCR-Reaktion On Beads und On Chip Hybridisierung für viele biologische Parameter eignen zu untersuchen. Dadurch kann eine erhöhte Prozessintegration und erhöhte biologische Parameterzahl erreicht werden.
  • In Kombination mit der mikrofluidischen Karte stellt die Vorrichtung einen Biochip mit Arrays aus magnetoresistiven Magnetfeldsensoren dar, die den hochempfindlichen quantitativen Nachweis winziger Magnetfeldänderungen erlauben, die von einzelnen magnetischen Beads erzeugt werden. Dies kann eine höhere Sensitivität und Parallelität erlauben, als bisher mittels des Standes der Technik erzielbar ist. Weiterhin ist es möglich, die mikrofluidische Karte als kostengünstiges Einwegprodukt auf Basis umweltfreundlicher Kunststoffe mit einem völlig neuartigen mikrofluidischen Konzept und lyophilisierten, trocken gelagerten Reagenzien bereitzustellen. Dies gewährleistet eine Prozessintegration und lange Lagerungsmöglichkeit der Kits bei Raumtemperatur.
  • Mit anderen Worten bietet die Vorrichtung eine berührungsfreie Beadsteuerung auf der mikrofluidischen Karte durch externe Magnetfelder mittels eines energiesparenden Analyzers, der ohne aufwendige Mechanik oder Hydraulik auskommt. Dadurch kann eine hochgradige Miniaturisierung und eine kostengünstige Herstellung ermöglicht werden. Ebenso wird eine einfache Mikrofluidik bereitgestellt, welche ohne steuernde Ventile auskommt. Dadurch werden Komponenten eingespart, und die Komplexität der Karte und des Analyzers kann signifikant vereinfacht werden. Dies kann zu einer Beherrschung des Transfers komplexer Essays auf die Vorrichtung führen und eine kostengünstige Herstellung der Systemkomponenten mit sich bringen.
  • Die einfach zu bedienende Vorrichtung erlaubt die schnelle Detektion vieler biologischer Parameter gleichzeitig, wie beispielsweise bei genetischen Prädispositionen Krebs und verschiedene Erregertypen (zum Beispiel HIV, Bakterien und Parasiten). Dadurch kann unter anderem speziell geschultes Personal eingespart werden. Aufgrund der universell und individuell funktionalisierbaren Magnetbeads eröffnet sich ein breitgefächertes Anwendungsfeld für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Neben medizinischen Anwendungen wie proteomischen, genomischen und mikrobiologischen Tests erstreckt sich dieses weiter auf umweltanalytische Tests bis hin zu beispielsweise Qualitätsmanagement.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Magnetfeldgradient derart ausgeführt, dass mittels des Magnetfeldgradienten neben einer vertikalen Bewegungskomponente der Relativbewegung auch eine horizontale Bewegungskomponente der Relativbewegung erzeugt werden kann.
  • Mit anderen Worten ist die Positioniereinrichtung derart ausgeführt, dass sie solch einen Magnetfeldgradienten durch Steuerung und/oder Regelung der Magneteinrichtung erzeugen kann. Dabei kann beispielsweise auch ein String von seriell geschalteten Magneteinrichtungen verwendet werden. Jedoch ist es auch möglich, eine einzelne Magneteinrichtung zu verwenden, die ein zeitlich und räumlich veränderliches Magnetfeld derart erzeugen kann, dass eine vertikale Bewegung der magnetischen Beads aus der Reaktionskammer und dem ersten Flüssigkeitsbereich heraus entsteht. Darüber hinaus kann aufgrund der Veränderung des Magnetfeldes eine Horizontalbewegung der magnetischen Beads von der herausgehobenen Position über dem ersten Flüssigkeitsbereich zu einer zweiten Position über dem zweiten Flüssigkeitsbereich erzeugt werden. Diese Horizontalbewegung verläuft parallel zur Ebene, welche durch die mikrofluidische Karte gebildet wird. Anschließend kann beispielsweise durch eine weitere Modulation der Magneteinrichtung der Magnetfeldgradient derart verändert werden, dass die magnetischen Beads in den zweiten Flüssigkeitsbereich abgesenkt werden.
  • Dabei ist es in diesem und auch in jedem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung möglich, dass die Vertikalbewegung der magnetischen Beads heraus aus dem ersten Flüssigkeitsbereich durch ein Deckenelement der mikrofluidischen Karte begrenzt bzw. gestoppt wird. Eine anschließende Horizontalbewegung der magnetischen Beads kann dann entlang der Oberfläche dieses Deckenelements erfolgen. Mit anderen Worten können die magnetischen Beads bei laufendem Kontakt zu dem Deckenelement mit dem Magnetfeld über das Deckenelement herübergezogen werden. Nach Erreichen der Position oberhalb des zweiten Flüssigkeitsbereiches werden die magnetischen Beads in diesen Bereich abgesenkt. Falls gewünscht, ist es jedoch auch möglich, dass die Vertikalbewegung aus dem ersten Flüssigkeitsbereich heraus lediglich bis in eine vordefinierte Höhe erfolgt. Es muss also nicht zwingend ein Kontakt zwischen den magnetischen Beads und einer oberen Begrenzung wie dem Deckenelement erfolgen, wie später in 3 beschrieben wird. Ein vollständig kontaktloses Überführen aus dem ersten Flüssigkeitsbereich in den zweiten Flüssigkeitsbereich ist somit möglich.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Vorrichtung angegeben, bei der die Magneteinrichtung als eine modulierbare Magneteinrichtung ausgeführt ist. Sie ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Permanentmagnet, Kombination aus einem Permanentmagneten und einem Elektromagneten, einem Paar jeweils bestehend aus einer Kombination aus einem Permanentmagneten und einem Elektromagneten, einer durchschaltbaren Serie verschiedener Magneten und jeder Kombination daraus.
  • Dabei ist jede der oben genannten Magneteinrichtungen in der Lage, den gewünschten Magnetfeldgradienten zum Transport von magnetischen Beads, wie bereits beschrieben, zu erzeugen.
  • Unter Kombination kann dabei auch ein Permanentmagnet mit einer elektrischen Modulationsspule verstanden werden, welche die Magnetisierung des Permanentmagneten reduziert. Eine entsprechende Modulation des Magnetfeldgradienten wird dabei mittels der Stromregulierung der Modulationsspule erreicht. Dies kann beispielsweise von der Positioniereinrichtung geregelt und gesteuert werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Vorrichtung angegeben, bei welcher die Positioniereinrichtung derart ausgeführt ist, dass sie in der Lage ist, die Relativbewegung durch Erzeugung eines der Elemente zu erzeugen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Bewegung der Magneteinrichtung, Bewegung der mikrofluidischen Karte, Variation eines oder mehrerer Magnetfeldgradienten zur vertikalen Bewegung der magnetischen Beads, Variation eines oder mehrerer Magnetfeldgradienten zur horizontalen Bewegung der magnetischen Beads, Variation eines oder mehrerer Magnetfeldgradienten zur vertikalen und zur horizontalen Bewegung der magnetischen Beads und jede Kombination daraus.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Relativbewegung eine im Vergleich zu einer mikrofluidischen Karte vertikale Bewegungskomponente und eine horizontale Bewegungskomponente auf. Weiterhin ist die Positioniereinrichtung zur kontaktlosen Erzeugung der vertikalen Bewegungskomponente mittels des Magnetfeldgradienten ausgeführt, und die Positioniereinrichtung ist zur Erzeugung der horizontalen Bewegungskomponente mittels einer Bewegung ausgeführt, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Translation der Magneteinrichtung, Translation der mikrofluidischen Karte, horizontaler Bewegung der magnetischen Beads, welche mittels Durchschaltung einer Serie verschiedener Magneteinrichtungen erzeugt wird und jeder Kombination daraus.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Magnetfeldeinrichtung zur Erzeugung sowohl einer vertikalen als auch einer horizontalen Bewegung der magnetischen Beads ausgeführt, wodurch der Transport der magnetischen Beads von dem ersten Flüssigkeitsbereich in den zweiten Flüssigkeitsbereich vollständig mittels des Magnetfeldgradienten ermöglicht wird. Weiterhin ist die Positioniereinrichtung derart ausgeführt, dass sie die Magneteinrichtung entsprechend steuern kann.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Positioniereinrichtung ausgeführt, die Relativbewegung auf Basis einer geometrischen Verteilung der Flüssigkeitsbereiche auf der mikrofluidischen Karte zu erzeugen.
  • Mit anderen Worten, es ist möglich, die Positioniereinrichtung beispielsweise mittels digitaler Daten, welche die Verteilung des Flüssigkeitsbereichs beinhalten bzw. angeben, zu versorgen. Aufgrund der bereitgestellten Information wählt die Positioniereinrichtung eine angemessene Maßnahme, mit welcher sie die Relativbewegung erzeugt bzw. regelt und steuert.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung eine Modulationseinrichtung auf, welche zur Durchmischung von Flüssigkeiten in zumindest einem der beiden Flüssigkeitsbereiche ausgeführt ist.
  • Dabei kann die Modulationseinrichtung auch durch die Positioniereinrichtung ausgeführt sein. Erstens können die magnetischen Beads mittels des Gradienten an ihrer Position gehalten werden und die mikrofluidische Karte wird zu einer Bewegung angeregt, was zu der gewünschten Durchmischung führt. Zweitens ist es auch möglich, die mikrofluidische Karte fest zu positionieren beispielsweise durch die Modulationseinrichtung und eine Modulation des Gradienten in gewünschter Frequenz und Amplitude derart zu generieren, dass die Beads eine Wirbelbewegung in dem gewünschten Flüssigkeitsbereich vollziehen. Dies führt aufgrund der Reibung zwischen den magnetischen Beads und der Flüssigkeit zu Durchmischung der Flüssigkeit.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine mikrofluidische Karte zur Einführung in eine Vorrichtung gemäß einem der im Vorangegangenen und Nachfolgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele angegeben, welche zum Transport magnetischer Beads auf der Karte geeignet ist. Dabei weist die mikrofluidische Karte zumindest einen ersten und einen zweiten Flüssigkeitsbereich auf, wobei der erste und der zweite Flüssigkeitsbereich jeweils zur Befüllung mit einer Flüssigkeit und einem Zielmolekül ausgeführt sind. Dabei sind der erste und der zweite Flüssigkeitsbereich durch eine mechanische Barriere getrennt, welche eine durchgehende Barriere darstellt.
  • Dabei kann die Barriere derart ausgeführt sein, dass die Beads mechanisch in gewünschter Weise gut auf der Oberfläche der Barriere gleiten und nicht hängenbleiben. Es kann eine bestimmte vordefinierte Oberflächenrauhigkeit für die Barriere vorliegen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die mikrofluidische Karte eine Sensoreinrichtung auf, wobei die Sensoreinrichtung zur Detektion eines magnetischen Beads ausgeführt ist.
  • Beispielsweise sind magnetoresistive Magnetfeldsensoren auf oder in der mikrofluidischen Karte vorhanden, die den hochempfindlichen quantitativen Nachweis winziger Magnetfeldänderungen erlauben, die von einzelnen magnetischen Beads erzeugt werden. Dies erlaubt eine höhere Sensitivität und Parallelität gegenüber den bisher benutzten Messverfahren. Als Sensoreinrichtung kann beispielsweise eine Hallsonde oder speziell für biologische Anwendungen konzipierte GMR und TMR Sensorarrays sein (Giant bzw. Tunnel Magneto Resistance Sensoren) eingesetzt werden, mit welcher die magnetischen Beads hochempfindlich und -parallel detektiert werden können. An den magnetischen Beads können sowohl ein als auch mehrere Zielmoleküle gekoppelt sein, die wiederum an einige wenige bis mehrere tausend von Sensorfeldern, z. B. an ein CMOS-Sensorarray, anbinden können. Nach Anbindung der magnetischen Beads an die Sensoroberfläche kann das lokale Magnetfeld (ggf. nach Magnetisierung durch z. B. ein äußeres homogenes Magnetfeld) des Beads vom dem Sensorelement detektiert werden, indem es sich durch eine Widerstandsänderung am Sensorelement bemerkbar macht, die z. B. vollelektrisch ausgelesen und ausgewertet werden kann.
  • Die Sensorvorrichtung befindet kann sich dabei z. B. im vorletzten oder letzten Flüssigkeitsbereich der mikrofluidischen Karte befinden. Um die magnetischen Beads an die einzelnen Positionen der auf dem Sensor befindlichen Fängermoleküle (Spots) zu transportieren könne spezielle mäander- oder wellenförmige mikofluidische Ausgestaltungen der Kammer gewählt werden. Nicht gebundene Beads können mithilfe von externen Magnetfeldern in eine Abfall- oder Sammelkammer (in diesem Fall als letzten Flüssigkeitsbereich) transportiert werden, in der sie die magnetoresistive Messung nicht mehr beeinflussen können.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Sensoreinrichtung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus magnetoresistivem Chip, Sensor mit Ausnutzung des anisotropen magnetoresistiven Effekts, Sensor mit Ausnutzung des gigantischen magnetoresistiven Effekts, Sensor mit Ausnutzung des kolossalen magnetoresistiven Effekts, Sensor mit Ausnutzung des magnetischen Tunnelwiderstandes, Piezo-Sensor, kapazitiver Sensor, elektrochemischer Sensor, optischer Sensor, CCD-Chip und jede Kombination daraus.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die mikrofluidische Karte ein Bodenelement und ein Deckenelement auf. Dabei ist das Bodenelement im aufgenommenen Zustand der mikrofluidischen Karte im Wesentlichen parallel zu und unterhalb der Flüssigkeitsbereiche angeordnet. Das Deckenelement hingegen ist im aufgenommenen Zustand der mikrofluidischen Karte im Wesentlichen parallel zu und oberhalb der Flüssigkeitsbereiche angeordnet. Dabei ist das Deckenelement derart ausgeführt, dass es eine obere Begrenzung für eine vertikale Bewegungskomponente der Relativbewegung der magnetischen Beads aus zumindest einem Flüssigkeitsbereich der mikrofluidischen Karte heraus darstellt. Weiterhin ist das Deckenelement derart ausgeführt, dass es eine Führung für eine horizontale Bewegungskomponente der Relativbewegung der magnetischen Beads darstellt.
  • Dabei kann sowohl das Deckenelement als auch das Bodenelement als Platte ausgeführt sein. Alternativ kann auch eine Klebefolie verwendet werden, die an den Stellen, über welche die Beads gleiten und mit ihr in Kontakt kommen, nicht klebt, beispielsweise durch aufgebrachte Membranen. Der Einsatz klebemittelfreier Stellen ist ebenfalls möglich. Wie in der folgenden 2 zu sehen ist, kann solches Deckenelement als Führung zum Transport der magnetischen Beads parallel zur mikrofluidischen Karte benutzt werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die mikrofluidische Karte einen separaten magnetisierbaren Körper zur Platzierung in einem der beiden Flüssigkeitsbereiche und zur magnetischen Bindung der magnetischen Beads auf.
  • Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, eine oder mehrere magnetisierbare Kugeln oder andersartig geformte Körper in den Reaktionskammern vorzulegen (beispielsweise eine Stahlkugel) und damit das Minimum an Magnetfeldstärke, die für den Transport der Beads benötigt wird zu reduzieren. Das Material muss dabei so geartet sein, dass ohne äußeres Magnetfeld keine Magnetisierung vorliegt, das heißt der Körper derart unmagnetisch ist, dass die magnetischen Beads nicht an den separaten magnetisierbaren Körper binden. Andernfalls würden die magnetischen Beads ohne die Einschaltung des äußeren Magnetfeldes (des äußeren Magnetfeldgradienten) von der Kugel angezogen werden. Der magnetische Beadtransport soll erst dann erfolgen, wenn das äußere Magnetfeld eingeschaltet wird. Der separate magnetisierbare Körper wird durch die Präsenz des äußeren Magnetfeldes magnetisiert, so dass die magnetischen Beads angezogen werden. Der Körper mit den anhaftenden funktionalisierten Beads wird von dem ersten Flüssigkeitsbereich (in der ersten Reaktionskammer) in den zweiten Flüssigkeitsbereich (in die nächste Reaktionskammer) bewegt. Nach Abschaltung des äußeren Magnetfeldes, was beispielsweise durch das Entfernen des Permanentmagneten bzw. durch die Abschaltung der elektrischen Magnetspule geschehen kann, lösen sich die an dem separaten magnetisierbaren Körper gesammelten Beads weder und gehen in die Reagenzflüssigkeit. Beispielsweise kann als separater magnetisierbarer Körper eine Stahlkugel verwendet werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Transport eines zu detektierenden Zielmoleküls mittels magnetischer Beads von einem ersten Flüssigkeitsbereich in einen zweiten Flüssigkeitsbereich einer mikrofluidischen Karte angegeben. Dabei weist das Verfahren die Schritte Einsetzen einer mikrofluidischen Karte mit zumindest einen ersten Flüssigkeitsbereich und einem zweiten Flüssigkeitsbereich in eine Aufnahmeeinrichtung auf, wobei der erste Flüssigkeitsbereich und der zweite Flüssigkeitsbereich durch eine mechanische Barriere getrennt sind. Weiterhin ist die mechanische Barriere eine durchgehende Barriere. Als weiteren Schritt beinhaltet das Verfahren Überführen von magnetischen Beads in den ersten Flüssigkeitsbereich, Erzeugen eines Magnetfeldgradienten durch eine Magneteinrichtung derart, dass sich der Magnetfeldgradient auf der mikrofluidischen Karte erstreckt zur Bewegung der magnetischen Beads, Erzeugen einer Relativbewegung zwischen den zu transportierenden magnetischen Beads und der Aufnahmeeinrichtung, wobei zumindest eine Bewegungskomponente der Relativbewegung mittels des Magnetfeldgradienten erzeugt wird. Als weiterer Schritt des Verfahrens ist das Transportieren der magnetischen Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich heraus mittels der zumindest einen Bewegungskomponente, und wobei das Transportieren der magnetischen Beads mittels der zumindest einen Bewegungskomponente kontaktlos erfolgt.
  • Dabei kann überführen auch einführen, einbringen oder platzieren der magnetischen Beads in den ersten Flüssigkeitsbereich bedeuten.
  • Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein geschlossenes System verwendet werden, in welchen sich sämtliche Reagenzien befinden, die für die beispielsweise Nukleinsäure- und Proteindiagnostik notwendig sind. Damit können Befunde insbesondere bei zeitkritischen Erkrankungen früher verfügbar gemacht werden. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren in der Lage, auf aufwendige und fehleranfällige mikrofluidische Steuerungsschritte zu verzichten. Dies kann die Systemkosten für den Anwender verringern. Mit anderen Worten wird eine berührungsfreie Beadsteuerung möglich, bei der keine aufwendige Mechanik oder Hydraulik verwendet werden muss. Auf eine aufwendige Ventilsteuerung kann gemäß diesem Verfahren gänzlich verzichtet werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Relativbewegung eine im Vergleich zur mikrofluidischen Karte erste vertikale Bewegungskomponente, eine zweite vertikale Bewegungskomponente und eine horizontale Bewegungskomponente auf. Dabei weist dieses Ausführungsbeispiel die weiteren Verfahrensschritte erstes Variieren des erzeugten Magnetfeldgradienten derart auf, dass die erste vertikale Bewegungskomponente verursacht wird, wodurch die magnetischer Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich herausgehoben werden. Weiterer Schritt ist das Erzeugen der horizontalen Bewegungskomponente derart, dass die magnetischen Beads horizontal und relativ zu der mikrofluidischen Karte bewegt werden, womit die magnetischen Beads über dem zweiten Flüssigkeitsbereich positioniert werden. Ein weiterer Schritt ist das zweite Variieren des erzeugten Magnetfeldgradienten derart, dass die zweite vertikale Bewegungskomponente verursacht wird, wodurch die magnetischen Beads in den zweiten Flüssigkeitsbereich abgesenkt werden.
  • Dabei ist mit der Verursachung einer Bewegungskomponente die Erzeugung einer entsprechenden Bewegung entlang der Orientierung und Richtung dieser Bewegungskomponente gemeint. Dabei kann die horizontale Bewegungskomponente derart erzeugt werden, dass die magnetischen Beads entweder über die mechanische Barriere in physischem Kontakt herübergleiten oder auch, dass sie entlang eines Deckenelements entlang geführt werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren die folgenden Schritte auf: Platzieren eines separaten magnetisierbaren Körpers in dem ersten Flüssigkeitsbereich, Magnetisieren des separaten magnetisierbaren Körpers, Binden der magnetischen Beads an den separaten magnetisierbaren Körper, wobei die Relativbewegung neben den magnetischen Beads auch den separaten magnetisierbaren Körper umfasst.
  • Beispielsweise kann also eine paramagnetische Kugel in den Reaktionskammern der mikrofluidischen Karte vorgelegt werden. Als Vorteil kann dabei gesehen werden, dass das erforderliche äußere Magnetfeld geringer ist als ohne den separaten magnetisierbaren Körper, um die magnetischen Beads transportieren zu können.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren weiterhin den Schritt auf: ”Beseitigen des Magnetfeldgradienten” derart, dass der separate magnetisierbare Körper eine Magnetisierung verliert und die gebundenen magnetischen Beads in den zweiten Flüssigkeitsbereich freigibt.
  • Nach Abschaltung des äußeren Magnetfeldes bzw. des Magnetfeldgradienten, was beispielsweise durch das Entfernen des Permanentmagneten bzw. durch Abschaltung des Spulenstroms einer Magnetspule geschehen kann, lösen sich die an der Stahlkugel gesammelten magnetischen Beads wieder und gehen in die Lösung der Reagenzflüssigkeit.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin den Schritt Modulieren einer Feldstärke des Magnetfeldgradienten derart, dass eine Durchmischung der Flüssigkeit mittels der magnetischen Beads in einem der beiden Flüssigkeitsbereiche erfolgt.
  • Dieses Modulieren kann beispielsweise durch die Positioniereinrichtung oder durch eine zusätzliche Modulationseinrichtung erfolgen. Dadurch wird eine Beadbewegung, beispielsweise eine Wirbelbewegung, erzeugt, welche durch das modulierende Steuern des äußeren Magnetfelder bzw. des Magnetfeldgradienten hervorgerufen werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren den Schritt auf: ”Abschließen des Nachweisens der an den magnetischen Beads befindlichen Zielmoleküle mit Hilfe eines im letzten Flüssigkeitsbereich befindlichen Magnetsensors”.
  • Für diese finale Detektion von Zielmolekülen mittels der Detektion magnetischer Beads können aufgrund der Sensitivität bis hin zu geringsten Magnetfeldänderungen sehr geringe Konzentrationen von Zielmolekülen nachgewiesen werden, die am magnetischen Bead gebunden vorliegen. Dazu werden an den einzelnen Sensorelementen des Magnetsensors spezifische Fängermoleküle (beispielsweise Oligonukleotide, monoklonale Antiköper, Haptene, Zinkfingerproteine etc.) angekoppelt, die mit den an den Bead befindlichen Zielmolekülen in Interaktion treten können. Dadurch binden die Beads an die korrespondierenden Stellen (Spots) des Magnetsensors. Aufgrund der Änderung lokal wirkendender Magnetfelder oberhalb des Sensorelements, welche Änderung durch das magnetische Bead verursacht wird, ist eine Detektion der gebundenen Beads mit Hilfe des magnetoresistiven Sensorelements möglich. Diese kann über eine Widerstandänderung am jeweiligen Sensorelement erfolgen, die sich in einer Änderung der Stromflusses bei konstanter Spannung am Sensorelement bemerkbar macht (im Fall der amperometrischen Messung). Diese Stromänderung kann messtechnisch erfasst werden. Eine besondere Sensorausführung beinhaltet eine CMOS-Logik unterhalb der Sensorschichten mithilfe derer die Signale direkt auf einem Mikrochip verstärkt, digitalisiert und gemultiplexed werden können. Auf diese Weise ist die Realisierung tausender winziger Sensorelemente (Sensorarray) auf geringer Fläche (10 mm2–1 cm2) möglich, die einzelne gebundene Beads erfassen und ein digitales Signal über eine serielle Schnittstelle an ein Auslesegerät liefern können.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren weiterhin den Schritt auf: ”Erzeugung der Flüssigkeitsbereiche mit Wasser nach Flutung von mit Trockenreagenzien bestückten Kammern”.
  • Mit anderen Worten ist es mit diesem Verfahrensschritt möglich lyophilisierte, trocken gelagerten Reagenzien in der mikrofluidischen Karte bereitzustellen.
  • Im Folgenden werden mit dem Verweis auf die Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 1 bis 5 zeigen schematische, zweidimensionale Darstellungen einer Vorrichtung zum Transport magnetischer Beads auf mikrofluidischen Karte gemäß verschiedenen. Ausführungsbeispielen der Erfindung.
  • 6 zeigt eine schematische, zweidimensionale Darstellung eines Flussdiagramms, welches ein Verfahren gemäß einer Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
  • Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
  • In der folgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen oder ähnlichen Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
  • 1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Transport magnetischer Beads 101 von einen ersten Flüssigkeitsbereich 102 in einen zweitem Flüssigkeitsbereich 103 einer einzusetzenden mikrofluidischen Karte 104. Diese kann zur Detektion eines Zielmoleküls der magnetischen Detektion eines magnetischen Beads benutzt werden. Dabei ist eine Aufnahmeeinrichtung 105 zur Aufnahme der mikrofluidischen Karte gezeigt. Dabei kann die Aufnahmeeinrichtung sowohl zur mechanischen Halterung als auch zur Bewegung und Positionierung der mikrofluidischen Karte relativ zur Magneteinrichtung 107 ausgeführt sein. Weiterhin sind zwei Positioniereinrichtungen 106 ober- und unterhalb der mikrofluidischen Karte gezeigt, welche jeweils eine Magneteinrichtung 107, die sich ebenfalls jeweils oberhalb und unterhalb der mikrofluidischen Karte befinden, hinsichtlich ihrer Bewegung und der Erzeugung des Magnetfeldgradienten regeln und steuern. Der Magnetfeldgradient ist mit 110 symbolisch gezeigt. Dabei sind die in 1 gezeigten Magneteinrichtungen 107 beispielhaft als eine Kombination aus einem Permanentmagneten und einem Elektromagneten 114 gezeigt.
  • Weiterhin ist mit den Pfeilen 121 eine Bewegung der jeweiligen Magneteinrichtung gezeigt. Diese kann, falls gewünscht, zweidimensional entlang der Ebene, welche die mikrofluidische Karte 107 aufspannt, durch die Positioniereinrichtungen 106 gesteuert werden. Beispielsweise ist es möglich, innerhalb einer Speichereinrichtung 124, geometrische Verteilung der Flüssigkeitsbereiche einer jeweiligen mikrofluidischen Karte digital vorzugeben. Anschließend kann die Positioniereinrichtung auf Basis der geometrischen Verteilung der Flüssigkeitsbereiche eine Relativbewegung zwischen der mikrofluidischen Karte 104 und den Magneteinrichtungen 107 verursachen. Aber auch eine Veränderung des Magnetfeldgradienten 110, welcher durch die Magneteinrichtungen 107 erzeugt wird, ist derart steuerbar und regelbar und damit modulierbar, dass letztlich die gewünschte Relativbewegung 108 zwischen den zu transportierenden magnetischen Beads und der Aufnahmeeinrichtung erzeugt wird. Dabei ist bei der Vielzahl der möglichen Arten der Erzeugung der Relativbewegung zwischen den zu transportierenden magnetischen Beads und der Aufnahmeeinrichtung stets der Transport der Beads über die durchgehende mechanische Barriere 109, die Teil der mikrofluidischen Karte sein kann, Kernaspekt der vorliegenden Erfindung.
  • Dabei zeigt 1 zwei Bewegungskomponenten 111 der Relativbewegung 108. Es ist eine vertikale Bewegungskomponente 112 und eine horizontale Bewegungskomponente 113 der Relativbewegung 108 gezeigt. Mit anderen Worten werden die magnetischen Beads 101 aufgrund des Magnetfeldgradienten aus dem ersten Flüssigkeitsbereich 102 heraus in vertikaler Richtung gehoben, und mittels einer Bewegung der Magneteinrichtungen entlang der Pfeile 121 wird die horizontale Bewegungskomponente 111 erzeugt. Damit werden die magnetischen Beads über dem zweiten Flüssigkeitsbereich 103 platziert. Danach wird eine Abwärtsbewegung der magnetischen Beads entlang der vertikalen Richtung in die Reagenzflüssigkeit des zweiten Flüssigkeitsbereichs hinein erzeugt. Diese Abwärtsbewegung wird mittels einer Modulation des Magnetfeldgradienten erzeugt, welche auch durch die Positioniereinrichtungen 106 geregelt und gesteuert wird.
  • Es ist weiterhin ein separater magnetisierbarer Körper 120 in 1 gezeigt, welcher zur magnetischen Bindung bzw. Anbindung der Beads dient. Dabei kann der Körper beispielsweise als magnetisierbare Kugel aus Stahl gefertigt sein, welche in der Reaktionskammer vorgelegt wird. Das Material muss dabei so geartet sein, dass ohne äußeres Magnetfeld keine Magnetisierung vorliegt, das heißt die Kugel gänzlich unmagnetisch ist. Leichte Abweichungen davon sind jedoch möglich. Andernfalls würden die magnetischen Beads ohne die Einschaltung eines äußeren Magnetfeldes von der Kugel angezogen werden. Der magnetische Beadtransport soll erst dann erfolgen, wenn das äußere Magnetfeld eingeschaltet wird. Dabei wird die Stahlkugel magnetisiert, so dass die magnetischen Beads angezogen werden. Die Stahlkugel mit den anhaftenden funktionalisierten Beads wird infolge von dem ersten Flüssigkeitsbereich 102 und dem zweiten Flüssigkeitsbereich 103 transportiert. Auf diese vorteilhafte Weise ist das erforderliche äußere Magnetfeld geringer als ohne die Stahlkugel, um den erforderlichen Transport der magnetischen Beads zu gewährleisten. Nach Abschaltung des äußeren Magnetfeldes, oder auch nach Verringerung des äußeren Magnetfeldes, beispielsweise durch das Entfernen eines Permanentmagneten bzw. durch das Verringern oder Abschalten eines Stromes einer Magnetspule erreicht werden kann, lösen sich die an der Stahlkugel gesammelten Beads wieder und gehen in die Lösung des zweiten Flüssigkeitsbereichs 103. Dabei ist ein wichtiger Aspekt dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung, dass zu keinem Zeitpunkt des Transports ein mechanischer Kontakt zwischen erstens den Beads und den Magneteinrichtungen und zweitens zwischen den Magneteinrichtungen und den Flüssigkeitsbereichen hergestellt wird. In diesem Sinne erfolgt der Transport kontaktlos.
  • 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem eine Vorrichtung 100 zum Transport der magnetischen Beads 101 von einem ersten Flüssigkeitsbereich 102 in einen zweiten Flüssigkeitsbereich 103 der mikrofluidischen Karte 104 gezeigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Relativbewegung 108 zwischen den zu transportierenden magnetischen Beads und der Aufnahmeeinrichtung 105 dadurch erzeugt, dass die Positioniereinrichtung 106 über Regel- und Steuerleitungen 200 die Aufnahmeeinrichtung 105 veranlasst, die mikrofluidische Karte 104 entlang der gezeigten Pfeile 122 zu bewegen. Dabei sind die Magneteinrichtungen 107 ebenso wie in 1 als eine Kombination aus einem Permanentmagnet und einer Modulationsspule ausgeführt. Dabei kann die Modulationsspule benutzt werden, um variabel die Magnetisierung des Permanentmagneten zu reduzieren. Dabei ist es auch möglich, dass die Magneteinrichtungen 107 auf dem Deckenelement 118 der mikrofluidischen Karte bzw. auf dem Bodenelement 119 entlang gleitet. In diesem Fall bestünde ein direkter Kontakt zwischen der Magneteinrichtung und der mikrofluidischen Karte. Es ist jedoch für die gesamte Erfindung von entscheidender Bedeutung, dass kein Kontakt erstens zwischen den Magneteinrichtungen und den Flüssigkeitsbereichen während des gesamten Transports der Beads entsteht und zweitens auch während des gesamten Transports der Beads kein Kontakt zwischen den magnetischen Beads und dem Magneten entsteht. Jedoch ist es auch möglich, falls gewünscht, dass die Magneteinrichtung in beispielsweise das Deckenelement 118 integriert ist. Für dieses Ausführungsbeispiel bestünde dann zwar ein mechanischer Kontakt zwischen den magnetischen Beads und dem Magneten, jedoch wird auch in diesem wie in jedem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Kontakt zwischen der Magneteinrichtung und den Flüssigkeiten in den Flüssigkeitsbereichen 102 und 103 vermieden.
  • Weiterhin ist in diesem Ausführungsbeispiel zu sehen, dass eine berührungsfreie Beadsteuerung durch externe Magnetfelder möglich ist, die ohne aufwändige Mechanik oder Hydraulik auskommt. Ebenso kann der Einsatz von fehleranfälligen Ventilen mittels der vorliegenden Erfindung vermieden werden.
  • 3 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Transport magnetischer Beads über eine Barriere 109, welche die mikrofluidische Karte 104 zwischen dem ersten und dem zweiten Flüssigkeitsbereich 102 und 103 aufweist. 3 zeigt, dass während des Transports der magnetischen Beads die mechanische Barriere durch eine Veränderung der Höhe der magnetischen Beads im Vergleich zur Oberfläche der Karte 104 überschritten wird. Mit anderen Worten wird mittels der magnetischen Kräfte jedem zu transportierenden magnetischen Bead eine höhere potentielle Energie verschafft, um mittels einer weiteren erzeugten Translation diese Barriere problemlos überwinden zu können.
  • 3 beschreibt dabei mittels der runden Pfeile 303, welche die Relativbewegung zwischen den transportierenden magnetischen Beads und der Aufnahmeeinrichtung (hier nicht gezeigt) beschreiben, dass auch Transport der Beads möglich ist, bei dem weder ein Kontakt der Beads an dem Deckenelement 118 der mikrofluidischen Karte noch an der Barriere 109 erfolgen muss. Mit anderen Worten werden die magnetischen Beads vollständig berührungsfrei von dem ersten Flüssigkeitsbereich 102 in den zweiten Flüssigkeitsbereich 103 der mikrofluidischen Karte gehoben. Dabei können die Magneteinrichtungen 107, deren Magnetfeldgradienten mittels Modulation für zumindest die vertikale Bewegungskomponente ursächlich sind, entlang den Pfeilen 121 relativ zur mikrofluidischen Karte bewegt werden.
  • 3 zeigt weiterhin eine Sensoreinrichtung 117, welche in die mikrofluidische Karte integriert ist. Diese kann beispielsweise als ein Hallsensor ausgeführt sein, welcher einen hochempfindlichen quantitativen Nachweis winziger Magnetfeldänderungen innerhalb des dritten Flüssigkeitsbereichs 303 erlaubt. Diese Magnetfeldänderung kann durch einzelne magnetische Beads erzeugt werden. Weiterhin ist es möglich, dass die Sensoreinrichtung beispielsweise als magnetoresistiver Chip, als Piezosensor, als kapazitiver Sensor, als elektrochemischer Sensor, als optischer Sensor oder auch als CCD-Chip ausgeführt ist. 3 zeigt auch, dass eine erste Phase 301, welche flüssig ist in der mikrofluidischen Karte bereitgestellt wird, oberhalb welcher sich eine Gasphase 302 befindet. Mit anderen Worten durchlaufen die magnetischen Beads während eines Transportvorgangs über die mechanische Barriere 109 erst eine flüssige, dann eine gasförmige und danach wieder eine flüssige Phase. Dabei ist es auch möglich, dass die flüssige Phase aus mehreren flüssigen Phasen, beispielsweise aus einer organischen und einer wässrigen Phase bestehen.
  • 4 zeigt eine Vorrichtung 100, mit welcher magnetische Beads 101 in mehreren Dimensionen berührungsfrei auf einer mikrofluidischen Karte 104 transportiert und positioniert werden können. Die beiden gezeigten Magneteinrichtungen 107 erzeugen einen Magnetfeldgradienten, mit welchem eine erste vertikale Bewegung der Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich 102 heraus erzeugt werden kann. Mittels einer Bewegung 121 der Magneteinrichtung 107 relativ zur mikrofluidischen Karte wird eine zweite horizontale Bewegungskomponente 113 der magnetischen Beads 101 erzeugt. Diese sind in diesem Ausführungsbeispiel an einem separaten magnetisierbaren Körper 120 gebunden. Die Ausführungsbelspiele mittels der Kombination aus Modulation des Magnetfeldgradienten und Translation mindestens einer Magneteinrichtung 107 gegenüber der mikrofluidischen Karte 104 erzeugt hier gewünschte Dynamik der magnetischen Beads. Anschließend kann eine Modulation des Magnetfeldgradienten (hier nicht gezeigt) genutzt werden, um eine Absenkung der magnetischen Beads 101 in den zweiten Flüssigkeitsbereich 103 zu erzeugen. Anschließend kann, falls gewünscht, die zweite untere Magneteinrichtung 107 auf die Höhe der ersten Magneteinrichtung nachgezogen werden. Dies ist mit dem unteren Pfeil 121 gezeigt.
  • 5 zeigt eine Vorrichtung 100, welche neben einer mikrofluidischen Karte 104 eine durchschaltbare Serie 115 verschiedener Magneteinrichtungen 107 aufweist. Dabei sind in diesem Ausführungsbeispiel die Magneteinrichtungen jeweils beispielhaft als eine Kombination aus einem Permanentmagneten und einer elektrischen Modulationsspule gezeigt. Dabei befindet sich jeweils oberhalb und unterhalb der mikrofluidischen Karte ein Teil eines Paares an Magneteinrichtungen. Mittels dieser Konfiguration ist es möglich, durch eine entsprechende Ansteuerung der Magneteinrichtungen Magnetfeldgradienten so zu variieren, dass sowohl die vertikale als auch horizontale Bewegung der magnetischen Beads 123 verursacht wird. Mit anderen Worten kann es vermieden werden, eine bewegliche Mechanik zur Positionierung der Aufnahmeeinrichtung und/oder zur Positionierung der Magneteinrichtungen verwenden zu müssen. Dies kann eine verbesserte Miniaturisierung und Integration der Vorrichtung in andere Systeme bedeuten.
  • Dabei ist auch in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt, dass die magnetischen Beads 101 an einen separaten magnetisierbaren Körper 120 binden und dieser als Transportbus benutzt werden kann. Dabei gehen die magnetischen Beads von flüssigen Phasen 301 in gasförmige Bereiche 302 über, wonach sie anschließend wieder in beispielsweise dem zweiten Flüssigkeitsbereich 103 in eine wässrige oder beispielsweise organische Lösung abgelassen werden.
  • 6 zeigt ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Dabei dient das Verfahren zum Transport eines zu detektierenden Zielmoleküls mittels magnetischer Beads von einem ersten Flüssigkeitsbereich in einen zweiten Flüssigkeitsbereich einer mikrofluidischen Karte. Dabei weist das Verfahren als wesentliche Verfahrensschritte die folgenden Verfahrensschritte auf: Einsetzen einer mikrofluidischen Karte mit zumindest einem ersten Flüssigkeitsbereich und einem zweiten Flüssigkeitsbereich in eine Aufnahmeeinrichtung, welcher Schritt mit S10 bezeichnet ist. Dabei sind der erste und der zweite Flüssigkeitsbereich durch eine mechanische Barriere getrennt. Die mechanische Barriere ist eine durchgehende Barriere, welche kein Ventil aufweist. Schritt S20 bezeichnet das Überführen von magnetischen Beads in den ersten Flüssigkeitsbereich und der Schritt S30 bezeichnet den Schritt des Erzeugens eines Magnetfeldgradienten durch eine Magneteinrichtung derart, dass sich der Magnetfeldgradient auf der mikrofluidischen Karte zur Bewegung der magnetischen Beads erstreckt. Das Erzeugen einer Relativbewegung zwischen den zu transportierenden magnetischen Beads und der Aufnahmeeinrichtung ist mit dem Schritt S40 angegeben. Dabei wird zumindest eine Bewegungskomponente der Relativbewegung mittels des Magnetfeldgradienten erzeugt. Der Schritt S50 bezeichnet das Transportieren der magnetischen Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich heraus mittels der zumindest einen Bewegungskomponente. Dabei erfolgt das Transportieren der magnetischen Beads mittels der zumindest einen Bewegungskomponente kontaktlos.
  • 6 zeigt zu den bisher genannten Verfahrensschritten weitere Schritte, die sowohl vor, zwischen als auch nach den Bisher genannten Verfahrensschritten angewendet werden können. Beispielsweise kann mittels des Schritt S1 das Erzeugen der Flüssigkeitsbereiche Wasser nach Flutung von mit Trockenreagenzien bestückten Kammern folgen. So ist es möglich, mittels des Schritt S2 eine Vorrichtung auf der mikrofluidischen Karte aufzubringen, wobei die Vorrichtung das Zielmolekül und die magnetischen Beads enthalten kann, die durch Magnetkräfte in den ersten Flüssigkeitsbereich der Karte transportiert werden. Dabei ist es für den Kernaspekt der Erfindung nicht entscheidend, wie die Beads und die Zielmoleküle in die mikrofluidische Karte gelangen. Mit anderen Worten soll jedes Verfahren, mit welchem die Beads platziert werden mit der vorliegenden Erfindung kombiniert werden können.
  • Weiterhin kann ein magnetisierbarer separater Körper, beispielsweise eine Stahlkugel, in dem ersten Flüssigkeitsbereich mittels Schritt S21 platziert werden. Sowohl vor einem Transport der magnetischen Beads als auch nach einem solchen Transport ist es möglich, ein Modulieren einer Feldstärke des Magnetfeldgradienten derart anzuwenden, dass eine Durchmischung der Flüssigkeitmittels der magnetischen Beads in einem der beiden Flüssigkeitsbereiche erfolgt. Dies ist mit den Schritten S22 und S16 in 6 gezeigt. Dabei wird noch vor dem Transport mittels des die Magneteinrichtungen bereitgestellten Magnetfeldgradienten der separate magnetisierbare Körper magnetisiert. Dies beschreibt Schritt S31. Aufgrund des Magnetismus der magnetischen Beads binden diese innerhalb beispielsweise des ersten Flüssigkeitsbereiches an den separaten zuvor magnetisierten Körpern während des Schritts S32. Wird die Transportbewegung magnetischen Beads detaillierter betrachtet, so wird ein erstes Variieren des erzeugten Magnetfeldgradienten während des Verfahrens angewendet. Erfolgt das Variieren derart, dass die erste vertikale Bewegungskomponente verursacht wird, wodurch die magnetischen Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich herausgehoben werden. Dies beschreibt der Verfahrensschritt S51. Weiterhin wird die horizontale Bewegungskomponente derart erzeugt, dass die magnetischen Beads horizontal und relativ zu der mikrofluidischen Karte bewegt werden, womit die magnetischen Beads über dem zweiten Flüssigkeitsbereich positioniert werden, was mit dem Schritt S52 angegeben ist. Der Verfahrensschritt S53 beschreibt ein zweites Variieren des erzeugten Magnetfeldgradienten. Dabei erfolgt das zweite Variieren derart, dass die zweite vertikale Bewegungskomponente verursacht wird, wodurch die magnetischen Beads in den zweiten Flüssigkeitsbereich abgesenkt werden. Falls gewünscht, kann anschließend mittels des Schritts S54 der Magnetfeldgradient derart beseitigt werden, dass der separate magnetisierbare Körper eine Magnetisierung verliert und die gebundenen magnetischen Beads in den zweiten Flüssigkeitsbereich freigibt. Nach einem oder mehrerer solcher vorbeschriebenen Transportbewegungen der magnetischen Beads kann während des Schritts S70 ein abschließendes Nachweisen der an den magnetischen Beads befindlichen Zielmoleküle mit Hilfe eines im letzten Flüssigkeitsbereich befindlichen Magnetsensors erfolgen.
  • Dabei sei explizit darauf hingewiesen, dass auch eine verschiedene Auswahl an Verfahrensschritten und auch eine andere Reihenfolge als hier beschrieben möglich ist, ohne den Kernbereich der Erfindung zu verlassen.
  • Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend” und „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit dem Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele der Erfindung verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind explizit nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims (20)

  1. Vorrichtung (100) zum Transport magnetischer Beads (101) von einem ersten Flüssigkeitsbereich (102) in einen zweiten Flüssigkeitsbereich (103) einer einzusetzenden mikrofluidischen Karte (104) zur Detektion eines Zielmoleküls; die Vorrichtung aufweisend: eine Aufnahmeeinrichtung (105) zur Aufnahme der einzusetzenden mikrofluidischen Karte; eine Positioniereinrichtung (106); eine Magneteinrichtung (107); wobei die Positioniereinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung (108) zwischen den zu transportierenden magnetischen Beads und der Aufnahmeeinrichtung derart ausgeführt ist, dass durch die Relativbewegung die zu transportierenden magnetischen Beads über eine durchgehende mechanische Barriere (109) zwischen dem ersten und dem zweiten Flüssigkeitsbereich der einzusetzenden mikrofluidischen Karte hinweg transportierbar sind; wobei die Magneteinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten (110) auf der einzusetzenden mikrofluidischen Karte zur Relativbewegung der zu transportierenden magnetischen Beads bezüglich wenigstens einer Bewegungskomponente (111) der Relativbewegung ausgeführt ist; und wobei die Magneteinrichtung derart von der Aufnahmeeinrichtung beabstandet ist, dass die Relativbewegung der zu transportierenden magnetischen Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich heraus bezüglich der wenigstens einen Bewegungskomponente kontaktlos erfolgt.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1; wobei der Magnetfeldgradient derart ausgeführt ist, dass mittels des Magnetfeldgradienten neben einer vertikalen Bewegungskomponente (112) der Relativbewegung auch eine horizontale Bewegungskomponente (113) der Relativbewegung erzeugt werden kann.
  3. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2; wobei die Magneteinrichtung als eine modulierbare Magneteinrichtung ausgeführt ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Permanentmagnet; Kombination aus einem Permanentmagneten und einem Elektromagneten (114); ein Paar jeweils bestehend aus einer Kombination aus einem Permanentmagneten und einem Elektromagneten; eine durchschaltbare Serie (115) verschiedener Magneteinrichtungen, und jede Kombination daraus.
  4. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche; wobei die Positioniereinrichtung derart ausgeführt ist, dass sie in der Lage ist, die Relativbewegung durch Erzeugung eines der Elemente zu erzeugen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Bewegung der Magneteinrichtung (121), Bewegung der mikrofluidischen Karte (122), Variation eines oder mehrerer Magnetfeldgradienten zur vertikalen Bewegung der magnetischen Beads, Variation eines oder mehrerer Magnetfeldgradienten zur horizontalen Bewegung der magnetischen Beads, Variation eines oder mehrerer Magnetfeldgradienten zur vertikalen und zur horizontalen Bewegung der magnetischen Beads (123), Durchschaltung einer Serie verschiedener Magneteinrichtungen, und jede Kombination daraus.
  5. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche; wobei die Relativbewegung eine im Vergleich zu einer aufgenommenen mikrofluidischen Karte vertikale Bewegungskomponente und eine horizontale Bewegungskomponente aufweist; wobei die Positioniereinrichtung zur kontaktlosen Erzeugung der vertikalen Bewegungskomponente mittels des Magnetfeldgradienten ausgeführt ist; und wobei die Positioniereinrichtung zur Erzeugung der horizontalen Bewegungskomponente mittels einer Bewegung ausgeführt ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Translation der Magneteinrichtung, Translation der mikrofluidischen Karte, horizontale Bewegung der magnetischen Beads, welche mittels Durchschaltung einer Serie verschiedener Magneteinrichtungen erzeugt wird, und jede Kombination daraus.
  6. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche; wobei die Magnetfeldeinrichtung zur Erzeugung sowohl einer vertikalen als auch einer horizontalen Bewegung der magnetischen Beads ausgeführt ist, wodurch der Transport der magnetischen Beads von dem ersten Flüssigkeitsbereich in den zweiten Flüssigkeitsbereich vollständig mittels des Magnetfeldgradienten ermöglicht wird; und wobei die Positioniereinrichtung ausgeführt ist, die Magneteinrichtung entsprechend zu steuern.
  7. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche; wobei die Positioniereinrichtung ausgeführt ist, die Relativbewegung auf Basis einer geometrischen Verteilung der Flüssigkeitsbereiche auf der mikrofluidischen Karte zu erzeugen.
  8. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche; weiterhin aufweisend: eine Modulationseinrichtung (116) zur Durchmischung von Flüssigkeiten in zumindest einem der beiden Flüssigkeitsbereiche.
  9. Mikrofluidische Karte (104) zur Einführung in eine Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Transport magnetischer Beads auf der Karte; die mikrofluidische Karte aufweisend: zumindest einen ersten Flüssigkeitsbereich (102) und einen zweiten Flüssigkeitsbereich (103); wobei der erste und der zweite Flüssigkeitsbereich jeweils zur Befüllung mit einer Flüssigkeit und einem Zielmolekül ausgeführt sind; wobei der erst und der zweite Flüssigkeitsbereich durch eine mechanische Barriere (109) getrennt sind; und wobei die mechanische Barriere eine durchgehende Barriere darstellt.
  10. Mikrofluidische Karte gemäß Anspruch 9; weiterhin aufweisend: eine Sensoreinrichtung (117, 603); wobei die Sensoreinrichtung zur Detektion eines magnetischen Beads ausgeführt ist.
  11. Mikrofluidische Karte gemäß Anspruch 10, wobei die Sensoreinrichtung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus magnetoresistiver Chip, Sensor mit Ausnutzung des anisotropen magnetoresistiven Effekts, Sensor mit Ausnutzung des gigantischen magnetoresistiven Effekts, Sensor mit Ausnutzung des kolossalen magnetoresistiven Effekts, Sensor mit Ausnutzung des magnetischen Tunnelwiderstandes, Piezosensor, kapazitiver Sensor, elektrochemischer Sensor, optischer Sensor, CCD Chip, und jede Kombination daraus.
  12. Mikrofluidische Karte gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11; die mikrofluidische Karte weiterhin aufweisend: ein Deckenelement (118); ein Bodenelement (119); wobei das Bodenelement im aufgenommenen Zustand der mikrofluidischen Karte im Wesentlichen parallel zu und unterhalb der Flüssigkeitsbereiche angeordnet ist; wobei das Deckenelement im aufgenommenen Zustand der mikrofluidischen Karte im Wesentlichen parallel zu und oberhalb der Flüssigkeitsbereiche angeordnet ist; wobei das Deckenelement derart ausgeführt ist, dass es eine obere Begrenzung für eine vertikale Bewegungskomponente der Relativbewegung der magnetischen Beads aus zumindest einem Flüssigkeitsbereich der mikrofluidischen Karte heraus darstellt; und wobei das Deckenelement derart ausgeführt, dass es eine Führung für eine horizontale Bewegungskomponente der Relativbewegung der magnetischen Beads darstellt.
  13. Mikrofluidische Karte gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, weiterhin aufweisend: einen separaten magnetisierbaren Körper (120) zur Platzierung in einen der beiden Flüssigkeitsbereiche und zur magnetischen Bindung der magnetischen Beads.
  14. Verfahren zum Transport eines zu detektierenden Zielmoleküls mittels magnetischer Beads (101) von einem ersten Flüssigkeitsbereich (102) in einen zweiten Flüssigkeitsbereich (103) einer mikrofluidischen Karte, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Einsetzen einer mikrofluidischen Karte mit zumindest einem ersten Flüssigkeitsbereich und einem durch eine mechanische Barriere getrennten zweiten Flüssigkeitsbereich in eine Aufnahmeeinrichtung (S10); Überführen von magnetischen Beads in den ersten Flüssigkeitsbereich (S20); Erzeugen eines Magnetfeldgradienten durch eine Magneteinrichtung derart, dass sich der Magnetfeldgradient auf der mikrofluidischen Karte erstreckt zur Bewegung der magnetischen Beads (S30); Erzeugen einer Relativbewegung zwischen den zu transportierenden magnetischen Beads und der Aufnahmeeinrichtung (S40); wobei zumindest eine Bewegungskomponente der Relativbewegung mittels des Magnetfeldgradienten erzeugt wird; und Transportieren der magnetischen Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich heraus mittels der zumindest einen Bewegungskomponente (S50), wobei das Transportieren der magnetischen Beads mittels der zumindest einen Bewegungskomponente kontaktlos erfolgt.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 14; wobei die Relativbewegung eine im Vergleich zur mikrofluidischen Karte erste vertikale Bewegungskomponente, eine zweite vertikale Bewegungskomponente und eine horizontale Bewegungskomponente aufweist; das Verfahren weiterhin aufweisend die Schritte: erstes Variieren des erzeugten Magnetfeldgradienten derart, dass die erste vertikale Bewegungskomponente verursacht wird, wodurch die magnetischen Beads aus dem ersten Flüssigkeitsbereich herausgehoben werden (S51); Erzeugen der horizontalen Bewegungskomponente derart, dass die magnetischen Beads horizontal und relativ zu der mikrofluidischen Karte bewegt werden, womit die magnetischen Beads über dem zweiten Flüssigkeitsbereich positioniert werden (S52); und zweites Variieren des erzeugten Magnetfeldgradienten derart, dass die zweite vertikale Bewegungskomponente verursacht wird, wodurch die magnetischen Beads in den zweiten Flüssigkeitsbereich abgesenkt werden (S53).
  16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 und 15; das Verfahren weiterhin aufweisend die Schritte: Platzieren eines separaten magnetisierbaren Körpers in dem ersten Flüssigkeitsbereich (S21); Magnetisieren des separaten magnetisierbaren Körpers mittels des von der Magneteinrichtung erzeugten Magnetfeldgradienten (S31); Binden der magnetischen Beads an den separaten magnetisierbaren Körper (S32); wobei die Relativbewegung neben den magentischen Beads auch den separaten magnetisierbaren Körper umfasst.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 16; das Verfahren weiterhin aufweisend den Schritt: Beseitigen des Magnetfeldgradienten derart, dass der separate magnetisierbare Körper eine Magnetisierung verliert und die gebundenen magnetischen Beads in den zweiten Flüssigkeitsbereich frei gibt (S54).
  18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17; das Verfahren weiterhin aufweisend die Schritte: Modulieren einer Feldstärke des Magnetfeldgradient derart, dass eine Durchmischung der Flüssigkeit mittels der magnetischen Beads in einem der beiden Flüssigkeitsbereiche erfolgt (S22, S60).
  19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18; weiterhin aufweisend den Schritt: abschließendes Nachweisen der an den magnetischen Beads befindlichen Zielmoleküle mithilfe eines im letzten Flüssigkeitsbereich befindlichen Magnetsensors (S70).
  20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, weiterhin aufweisend den Schritt: Erzeugung der Flüssigkeitsbereiche mit Wasser nach Flutung von mit Trockenreagenzien bestückten Kammern (S1).
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