Диспергирование и накопление магнитных частиц в микрофлюидной системе

Авторы патента:


Диспергирование и накопление магнитных частиц в микрофлюидной системе
Диспергирование и накопление магнитных частиц в микрофлюидной системе

 


Владельцы патента RU 2632460:

КОНИНКЛЕЙКЕ ФИЛИПС Н.В. (NL)

Изобретение относится к микрофлюидной системе, содержащей источник магнитного поля и две камеры, соединенные каналом. Камеры и канал наполняют разными текучими средами, так что на соответствующих границах раздела текучих сред создается ненулевое поверхностное натяжение. Источник магнитного поля выполнен с возможностью обеспечения по меньшей мере двух отдельных областей градиента магнитного поля и обеспечивать притяжение имеющихся в одной из камер магнитных частиц в эти разные области, причем силы магнитного притяжения, создаваемые по меньшей мере одной из областей градиента, достаточно велики для обеспечения выталкивания или вытягивания магнитных частиц через упомянутые границы раздела текучих сред. Источник магнитного поля может быть выполнен в виде постоянного магнита шестигранной формы. Изобретение обеспечивает создание средств, дающих возможность универсального манипулирования магнитными частицами в системе. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 пр.

 

Настоящее изобретение было сделано при поддержке Правительства США, номер HR0011-12-C-0007 присвоен Управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA). Правительство США имеет определенные права на настоящее изобретение.

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к микрофлюидной системе для обработки текучих сред, содержащих магнитные частицы. Кроме того, оно относится к способам получения дисперсии и накопления соответственно ансамбля магнитных частиц в такой микрофлюидной системе.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В WO 2010/070461 A1 раскрывается микрофлюидное устройство, содержащее магнитокапиллярный клапан для содержащих магнитные частицы жидкостей с заметным поверхностным натяжением. Устройство содержит по меньшей мере две плоских твердых подложки с функционализованной поверхностью каждая, причем по меньшей мере первая твердая подложка имеет структурированную поверхность, содержащую по меньшей мере две гидрофильные области, отделенные друг от друга по меньшей мере одной гидрофобной областью (смотри также Remco C. den Dulk, Kristiane A. Schmidt, Gwénola Sabatté, Susana Liébana, Menno W.J. Prins: "Magneto-capillary valve for integrated purification and enrichment of nucleic acids and proteins", Lab Chip, 2013, 13, 106).

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

С учетом этих предпосылок задачей настоящего изобретения было создание средств, дающих возможность универсального манипулирования магнитными частицами в системе, содержащей магнитокапиллярный клапан, в то же время делая возможной компактную конструкцию системы.

Эту задачу решает микрофлюидная система по п. 1, способ по п. 8 и способ по п. 12 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно первому аспекту вариант осуществления изобретения относится к микрофлюидной системе для обработки текучих сред, содержащих магнитные частицы, включающей следующие компоненты:

a) По меньшей мере две камеры, выполненные с возможностью содержать первую текучую среду.

b) По меньшей мере один канал, сообщающийся с упомянутыми двумя камерами и выполненный с возможностью содержать вторую текучую среду, причем на двух границах раздела между первыми текучими средами и второй текучей средой создается ненулевое поверхностное натяжение.

c) Источник магнитного поля со следующими признаками:

- Источник магнитного поля выполнен с возможностью обеспечивать по меньшей мере две отдельные области градиента магнитного поля для притяжения в эти области магнитных частиц, имеющихся в текучей среде (по меньшей мере) одной из упомянутых камер.

- По меньшей мере участок одной из этих областей градиента магнитного поля может прикладывать силу магнитного притяжения к по меньшей мере части упомянутых магнитных частиц, которая достаточно высока, чтобы обеспечить выталкивание и/или вытягивание упомянутых магнитных частиц через упомянутые две границы раздела текучих сред.

Термин «магнитные частицы» включает как постоянно магнитные частицы, так и намагничиваемые частицы, например, суперпарамагнитные частицы. Размер магнитных частиц обычно составляет в диапазоне от 3 нм до 50 мкм. Более того, магнитные частицы могут содержать связанные целевые компоненты, которые необходимо исследовать.

Упомянутые по меньшей мере две камеры и связанный с ними канал обычно реализованы в виде цельного микрофлюидного устройства (или картриджа), причем источник магнитного поля является отдельным от упомянутого устройства компонентом. Камеры и канал могут в общем иметь произвольную форму. Обычно камеры будут иметь компактную форму, позволяющую вмещать некоторое количество текучей среды, например, кубовидную форму. Объем камер обычно составляет в диапазоне от примерно 1 микролитра до примерно 1000 микролитров. Канал будет обычно иметь вытянутую форму с объемом, который (гораздо) меньше, чем у связанных с ним камер. Канал обычно соединяет две камеры по прямой линии.

Камеры и канал могут иметь функционализованную поверхность, каждая или каждый, так что гидрофильные области в камерах отделены друг от друга гидрофобной областью канала (или наоборот). Дополнительные подробности о таком варианте осуществления можно найти в WO 2010/070461 A1.

Первые текучие среды в двух камерах и вторая текучая среда в канале могут быть одного типа, или же некоторые или все они могут быть разных типов. Каждая из первых текучих сред создает одну из границ раздела текучих сред (мениск) со второй текучей средой, заключенной в канале. Соответственно, упомянутые границы раздела обычно находятся в тех областях, где камера соединяется с каналом. Создание ненулевого поверхностного натяжения между первой текучей средой и второй текучей средой может, например, быть достигнуто, когда первая текучая среда является несмешивающейся со второй текучей средой. Дополнительные подробности о таком варианте осуществления можно найти в WO 2011/042828 A1.

«Области градиента магнитного поля» определяются магнитными свойствами источника магнитного поля, то есть их локализация обычно фиксирована относительно упомянутого источника. Когда источник расположен рядом с камерой или каналом, по меньшей мере часть упомянутых областей градиента магнитного поля придется на упомянутые камеру или канал, вызывая появление сил магнитного притяжения, действующих на расположенные в них магнитные частицы.

В общем, любой магнит создает магнитное поле в окружающем его пространстве, у которого связанный с ним градиент магнитного поля имеет в некотором месте максимум. «Области градиента» могут быть в этом контексте определены как те области пространства, в которых величина градиента магнитного поля составляет выше примерно 70%, предпочтительно выше примерно 80% от упомянутого максимума. Во многих практических приложениях микрофлюидных систем «области градиента» могут быть определены как те области пространства, в которых величина градиента магнитного поля больше примерно 800 Тл/м, или примерно 500 Тл/м, или примерно 300 Тл/м, или примерно 200 Тл/м, или наиболее предпочтительно примерно 100 Тл/м.

Попадание магнитных частиц, содержащихся в одной из первых текучих сред, во вторую текучую среду будет обычно предотвращено из-за ненулевого поверхностного натяжения, т.е. из-за капиллярных сил, на межфазной границе раздела между упомянутой первой текучей средой и второй текучей средой. При прохождении магнитных частиц из первой текучей среды во вторую текучую среду (или наоборот) это обычно потребует преодоления некоторого сопротивления на соответствующей границе раздела. В описанной микрофлюидной системе по меньшей мере участок одной из областей градиента выполнен с возможностью создания достаточной большой силы магнитного притяжения для преодоления упомянутого сопротивления. Вытягивание магнитных частиц через границу раздела текучих сред обычно требует, чтобы соответствующая область градиента была расположена впереди, т.е. на другой стороне от границы раздела, и чтобы магнитные частицы притягивались к данной области сквозь границу раздела.

Преимуществом описанной выше микрофлюидной системы является возможность компактной конструкции, поскольку используется единственный источник магнитного поля. В то же время становится возможным универсальное манипулирование магнитными частицами, поскольку упомянутые частицы могут быть смешаны с первой текучей средой в камере за счет притяжения их в различные области градиента и поскольку магнитные частицы могут перемещаться (тем же источником магнитного поля) через магнитокапиллярный клапан, образованный каналом между этими по меньшей мере двумя камерами.

Далее различные предпочтительные варианты осуществления будут описаны более подробно.

Согласно первому предпочтительному варианту осуществления источник магнитного поля может быть постоянным магнитом. Преимуществом постоянного магнита является возможность миниатюризации компонентов.

Согласно предпочтительному варианту осуществления вышеупомянутого постоянного магнита он может иметь шестигранную форму, в частности, форму куба или форму параллелепипеда. Эти формы можно легко изготовить и обеспечить множество отдельных областей градиента.

В другом варианте осуществления источник магнитного поля может быть электромагнитом. Электромагниты позволяют осуществлять универсальное и гибкое управление их магнитными свойствами посредством соответствующего управления источником их электропитания.

Согласно другому варианту осуществления источник магнитного поля может быть выполнен так, что относительное положение областей градиента по отношению к камере, содержащей магнитные частицы, может быть изменено. Это позволяет перемещать магнитные частицы внутри упомянутой камеры или через нее. Такое перемещение можно, например, использовать в целях очистки, т.е. для переноса примесей из магнитных частиц в окружающую текучую среду. Более того, перемещение может использоваться для обращения с магнитными частицами в соответствии с требованиями технологии какого-либо анализа.

В случае, когда источник магнитного поля является электромагнитом, вышеупомянутого изменения положения областей градиента относительно камеры можно достигнуть изменением электрических токов, протекающих через разные обмотки или линии в магните. Альтернативно и особенно в случае источника магнитного поля, являющегося постоянным магнитом, источник магнитного поля может быть выполнен подвижным относительно камер и/или канала. Перемещая весь источник магнитного излучения, можно добиться вышеупомянутых изменений положений областей градиента. Предпочтительно источник магнитного поля является подвижным в двумерной плоскости, соседней с плоскостью, содержащей камеры и канал.

Типы текучих сред, которыми заполняют камеры и канал, зависят от конкретных процессов, которые будут осуществляться микрофлюидной системой. Одной из первых текучих сред может, например, быть водная жидкость, происходящая из пробы, такой как физиологическая жидкость, из которой с помощью магнитных частиц должны быть выделены целевые вещества. Более того, по меньшей мере одна из первых текучих сред может быть растворителем или буфером, в который будут перенесены магнитные частицы (содержащие связанные целевые вещества), оставляя примеси в текучей среде пробы. В общем, первые текучие среды могут предпочтительно быть гидрофильными, тогда как соответствующая вторая текучая среда является гидрофобной. В другом варианте осуществления может быть противоположная ситуация, когда первые текучие среды являются гидрофобными, а вторая текучая среда является гидрофильной.

Согласно второму аспекту изобретение относится к способу получения дисперсии ансамбля магнитных частиц в камере микрофлюидной системы описанного выше типа, включающему позиционирование источника магнитного поля рядом с упомянутой камерой так, что различные части ансамбля будут подвергаться действию сил магнитного притяжения, созданных по меньшей мере двумя областями градиента, тем самым производя разделение (расщепление) ансамбля.

Упомянутый «ансамбль» (или облако, или кластер) магнитных частиц обычно образуется спонтанно, когда магнитные частицы в растворе не подвержены действию внешних магнитных сил, но могут испытывать между собой взаимное магнитное притяжение.

Наличие нескольких областей магнитного градиента может в таком случае использоваться для диспергирования ансамбля магнитных частиц, т.е. для смешивания упомянутых магнитных частиц с окружающей текучей средой. Этого можно легко достичь надлежащим позиционированием источника магнитного поля, то есть таким, чтобы ансамбль разрушался под влиянием по меньшей мере двух различных областей градиента. Необязательно, ансамбль магнитных частиц может подвергаться влиянию более чем двух областей градиента, обеспечивая связанное с этим дальнейшее разделение ансамбля на несколько частей.

Согласно предпочтительному варианту осуществления описанного выше способа ансамбль магнитных частиц может находиться на по меньшей мере одной соединительной линии между двумя областями градиента. Магнитные частицы ансамбля в таком случае расталкиваются в противоположных направлениях, причем каждая частица в конце концов переместится в ту область градиента, к которой она притягивается с наибольшей силой.

В предпочтительном варианте осуществления источник магнитного поля может перемещаться во время процесса диспергирования. Такое перемещение может способствовать процессу разделения ансамбля. Более того, частицы могут перемещаться через окружающую текучую среду, за счет чего достигается процесс очистки (отмывки). Перемещение может предпочтительно происходить вперед и назад. Более того, перемещение источника магнитного поля предпочтительно возможно с различными, выбираемыми скоростями, поскольку воздействие на магнитные частицы зависит как от траектории, так и от скорости относительного движения источника магнитного поля и частиц. И ту, и другую следует подходящим образом подбирать для данной геометрии и выбора материалов картриджа. Например, при очень высоких скоростях может преобладать трение ансамбля о подложку, так что частицы совсем не будут двигаться и дисперсия/накопление не будет получено. Этот эффект может, например, использоваться для намеренного оставления ансамбля частиц.

Процесса диспергирования, который является сравнительно быстрым и позволяет разделить ансамбль на части сходного размера, можно добиться правильным выбором размеров задействованных компонентов. В частности, расстояние между упомянутыми по меньшей мере двумя областями градиента, создающими силы магнитного притяжения в ансамбле, может составлять от примерно одного до примерно пяти диаметров ансамбля. Две области градиента обычно будут граничить друг с другом или частично перекрываться внутри ансамбля.

Согласно третьему аспекту изобретение относится к способу накопления ансамбля магнитных частиц в камере микрофлюидной системы описанного выше типа, включающему позиционирование источника магнитного поля рядом с упомянутой камерой так, что (предпочтительно все) магнитные частицы ансамбля подвергают действию сил магнитного притяжения, создаваемых только одной областью градиента.

Описанный способ позволяет манипулировать всеми содержащимися в камере магнитными частицами как единым ансамблем, например, в случае, если упомянутые магнитные частицы должны быть перенесены в другое место. Такого накопления магнитных частиц в единый ансамбль достигают, подвергая их влиянию только единственной области градиента магнитного поля. Источник магнитного поля может, например, быть позиционирован рядом с камерой так, чтобы с упомянутой камерой перекрывалась по существу только одна область градиента, тогда как другие области градиента расположены вне камеры.

В предпочтительном варианте осуществления способа источник магнитного поля может перемещаться, обеспечивая связанную с ним транспортировку ансамбля магнитных частиц через камеру. По причинам, уже объясненным выше, перемещение источника магнитного поля может предпочтительно быть возможным с различными, выбираемыми скоростями.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие аспекты изобретения станут понятны из и объяснены со ссылкой на описанные далее варианты осуществления.

На чертежах:

Фигура 1 показывает вид сбоку микрофлюидной системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения на стадиях диспергирования и транспортировки ансамбля магнитных частиц;

Фигура 2 представляет собой трехмерное изображение источника магнитного поля системы с фигуры 1;

Фигура 3 показывает вид сверху на источник магнитного поля в начале диспергирования ансамбля магнитных частиц четырьмя областями градиента;

Фигура 4 показывает вид сверху на источник магнитного поля во время транспортировки ансамбля магнитных частиц через границу раздела текучих сред.

Одинаковые ссылочные позиции на фигурах относятся к идентичным или аналогичным компонентам.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Микрофлюидное устройство с магнитокапиллярным клапаном (МКК) для жидкостей было раскрыто в WO 2010/070461 A1. Во время пробоподготовки с использованием такой технологии МКК магнитные частицы взаимодействуют с внешним магнитным полем и поэтому разносятся по нескольким стационарным и отдельным объемам разных буферных растворов. В этом процессе частицы отмываются по мере постепенного разбавления исходной матрицы пробы отмывочными буферами.

МКК требует транспортировки магнитных частиц (из буфера в буфер), а также смешения (в новом буфере), и обе эти функции требуют разной магнитной конфигурации. Этого можно добиться МКК-прибором, включающим в себя два магнита – транспортировочный магнит и отмывочный магнит, которые должны быть разделены расстоянием в несколько сантиметров, чтобы избежать перекрестных помех. Необходимость иметь два магнита, тем не менее, ограничивает возможность миниатюризации МКК-прибора.

Для удовлетворения вышеупомянутых нужд предлагается разработать единственный магнит, который мог бы осуществлять как транспортировку, так и отмывку. В частности, вариант осуществления микрофлюидной системы для обработки текучих сред может содержать:

- Микрофлюидное устройство, содержащее по меньшей мере две камеры, выполненные с возможностью содержания (первых) текучих сред, и по меньшей мере один канал, сообщающийся с этими двумя камерами и выполненный с возможностью содержать другую (вторую) текучую среду, причем микрофлюидное устройство дополнительно выполнено так, что на границах раздела двух текучих сред (т.е. мениске) создается ненулевое поверхностное натяжение между упомянутыми текучими средами. Из-за таких условий по поверхностному натяжению вышеупомянутый канал является магнитокапиллярным клапаном (МКК) между двумя камерами.

- Источник магнитного поля, выполненный с возможностью обеспечивать по меньшей мере две отдельные области градиента магнитного поля для притяжения в эти области некоторых магнитных частиц, имеющихся в текучей среде одной камеры, причем по меньшей мере часть одной из этих областей прикладывает к по меньшей мере части упомянутых частиц силу магнитного притяжения, достаточно высокую для преодоления сопротивления границ раздела текучих сред между камерами и каналом в случае, если частицы магнитно проталкиваются на или выталкиваются из этой границы раздела. Результатом вышеупомянутого проталкивания или выталкивания является проведение частиц сквозь МКК. Предпочтительно ансамбль частиц может находиться между двумя областями градиента так, чтобы по меньшей мере две частицы затягивались в разные зоны притяжения. Необязательно, источник магнитного поля может дополнительно быть выполнен так, чтобы относительное положение областей градиента по отношению к камере можно было менять, обеспечивая при этом смешивание магнитных частиц.

Фигура 1 схематически показывает микрофлюидную систему 100 согласно варианту осуществления вышеописанных принципов на четырех различных стадиях ее эксплуатации.

На фигуре 1a показано микрофлюидное устройство микрофлюидной системы 100. Первая текучая среда (например, биологическая проба) с магнитными частицами МЧ содержится в первой камере 110, другая (первая) текучая среда (например, буфер) содержится во второй камере 120, а канал 130, соединяющий первую камеру 110 с второй камерой 120, наполнен второй текучей средой, не смешивающейся с первыми текучими средами в первой и второй камерах соответственно. Вторая текучая среда может, например, быть воздухом или каким-либо другим газом. Между первыми текучими средами и второй текучей средой образуются две границы раздела 131 и 132 текучих сред, на которых имеется ненулевое поверхностное натяжение. Более того, по меньшей мере часть стенок камер 110, 120 и канала 130 могут иметь по-разному функционализованные поверхности, в частности, гидрофильные поверхности в камерах и гидрофобную поверхность в канале, в качестве необязательного улучшения микрофлюидной конфигурации.

Магнитные частицы МЧ содержатся в первой текучей среде в первой камере 110. Они склонны к образованию ансамбля (или облака, кластера) из-за взаимных сил магнитного притяжения.

На фигуре 1b микрофлюидная система 100 дополнена источником 150 магнитного поля, который подвергает магнитные частицы МЧ действию магнитных сил.

Возможный вариант осуществления источника 150 магнитного поля показан на фигуре 2. Этот источник 150 представляет собой постоянный магнит кубической формы, обладающий северным магнитным полюсом N на своей верхней стороне и южным магнитным полюсом S на своей нижней стороне. Вследствие кубической формы образуются четыре области градиента ОГ в четырех углах источника 150 магнитного поля, где магнитные градиенты особенно велики. Одна такая область градиента ОГ схематически указана на чертеже пунктирными линиями. Области градиента ОГ простираются от поверхности источника 150 магнитного поля в какой-то степени в смежное с ней пространство. Градиенты магнитного поля в пределах этих областей лежат практически в xy-плоскости привязанной к ним системы координат. Поэтому силы, оказываемые на магнитные частицы в пределах областей градиента ОГ этими областями, будут также лежать в этой плоскости и будут направлены практически к углам источника 150 магнитного поля.

Возвращаясь к фигуре 1b, можно заметить, что ансамбль магнитных частиц МЧ одновременно подвергается влиянию нескольких областей градиента ОГ (две из них можно увидеть на этой фигуре). Ансамбль магнитных частиц МЧ поэтому разделяется на несколько частей, которые собираются внутри соответствующих областей градиента. Как показано стрелками, источник 150 магнитного поля можно дополнительно перемещать относительно первой камеры 110, чтобы способствовать эффекту разделения и добиться эффекта отмывания перемещением магнитных частиц через окружающую текучую среду.

Соответственно, микрофлюидная система 100 обеспечивает способ получения дисперсии ансамбля накопленных магнитных частиц позиционированием источника магнитного поля рядом с микрофлюидным устройством при некоторой данной скорости так, чтобы, при проецировании на плоскость микрофлюидного устройства, ансамбль частиц располагался на по меньшей мере одной соединительной линии между по меньшей мере двумя из областей градиента магнитного поля, так что поле магнитных сил, действующее на различные части ансамбля частиц, обладало по меньшей мере двумя зонами притяжения, тем самым производя разделение ансамбля частиц.

На фигурах 1c и 1d показан перенос ансамбля магнитных частиц МЧ через магнитокапиллярный клапан, образованный каналом 130. При этой процедуре все магнитные частицы МЧ пробы в первой камере 110 притягиваются к одной области градиента источника 150 магнитного поля. Когда источник 150 перемещается вправо, ансамбль магнитных частиц МЧ вначале протаскивается через первую границу раздела 131, затем движется внутри канала 130 и, наконец, проталкивается через вторую границу раздела 132, чтобы быть выпущенным в текучую среду второй камеры 120.

Соответственно, микрофлюидная система 100 обеспечивает способ накопления ансамбля магнитных частиц позиционированием источника магнитного поля рядом с микрофлюидным устройством при некоторой данной скорости так, чтобы, при проецировании на плоскость микрофлюидного устройства, ансамбль частиц располагался так, чтобы поле магнитных сил, действующих на разные части ансамбля частиц, обладало лишь одной зоной притяжения, т.е. поблизости от одной из областей градиента магнитного поля.

Источник 150 магнитного поля может поэтому использоваться как для транспортировки частиц, так и для смешивания, что обеспечивает возможность снижения требований к размеру и скорости магнитного привода в системе 100.

Источник 150 магнитного поля может быть прикреплен к приводу, что позволяет смещать магнит в двух направлениях (x и у на фигурах), сохраняя постоянным расстояние до нижней стороны микрофлюидного устройства с МКК. При использовании только одного магнита как для переноса, так и для смешения частиц внутри картриджа нет необходимости делать диапазон перемещения привода большим, чем максимальные протяженности соответствующих флюидных структур картриджа.

В общем, источник 150 магнитного поля может быть электромагнитом и/или постоянным магнитом. В конкретном варианте осуществления источник 150 магнитного поля может быть выполнен в виде единственного постоянного магнита шестигранной формы. Форма, в частности, может быть кубом (как показано на фигуре 2) или параллелепипедом. Магнитное поле такого магнита обладает самыми сильными градиентами в четырех углах (вершинах) той грани, которая содержит полюс магнита (т.е. в данном конкретном варианте осуществления существуют четыре области магнитного градиента). При смещении магнита ансамбль частиц будет подтянут к одной из вершин.

Как показано на фигуре 3 в виде сверху на источник 150 магнитного поля, магнит 150 может быть позиционирован так, что ансамбль частиц окружен вершинами магнита. Результирующие магнитные силы растащат частицы к различным точкам и тем самым вызовут разделение ансамбля магнитных частиц. Поэтому смешение может быть достигнуто, когда ансамбль магнитных частиц МЧ расположен над центром верхней грани магнита. Если площадь проекции ансамбля частиц не является существенно большей, чем верхняя грань магнита, то на облако магнитных частиц будут действовать приблизительно равные силы F, исходящие из четырех углов магнита 150. При условии, что силы сцепления между частицами, например, при переплетении (запутывании) с длинными макромолекулами, не больше приложенных магнитных сил, ансамбль частиц будет рассеян. Важно, что рассеяние частиц не требует быстрых перемещений магнита.

Как показано на фигуре 4 в другом виде сверху на источник 150 магнитного поля, перенос магнитных частиц достигается при концентрировании частиц МЧ над любым из четырех верхних углов магнита 150. При переносе ансамбля магнитных частиц через мениск текучей среды (например, 131 или 132) результирующая сила, оказываемая мениском текучей среды и магнитом, перетащит частицы МЧ к задней вершине магнита. Если, например, диагональ верхней грани магнита совмещена с главным направлением перемещения картриджа с МКК (т.е. длинной осью картриджа, соответствующей x-оси на фигуре), то во время переноса между камерами магнитные частицы МЧ будут перетащены к крайнему заднему углу магнита (левому углу на фигуре). Этот эффект можно объяснить балансом между капиллярной силой на мениске 131 текучей среды и магнитной силой градиента.

Пример

Чтобы доказать эффективность единственного кубического магнита 150 при достижении равных или лучших характеристик переноса и смешения, автор изобретения определил выход «экстракта» радиоактивно меченной РНК, то есть процент входящей РНК, который мог быть перенесен через микрофлюидный канал 130 и сделан доступным для последующей обработки далее по потоку. Чтобы установить такие доказательства, автор изобретения сравнивал единственный кубический источник 150 магнитного поля по изобретению с магнитной системой, содержащей цилиндрический магнит, как раскрыто на фигуре 5 в WO 2010/070461: ребро кубического источника 150 магнитного поля равнялось 5 мм, а диаметр цилиндрического магнита равнялся 4 мм при длине 10 мм, причем оба применялись к одинаковым магнитным частицам (т.е. имеющим одинаковые свойства и одинаковое число) для переноса их из камеры 110 в камеру 120 по каналу 130, причем камеры 110 и 120 имели высоту 220 микрометров и объем примерно 20 микролитров каждая, а канал 130 был примерно 5 мм в ширину. В дополнение к цилиндрическому магниту и чтобы найти выход «экстракта», эквивалентный найденному с единственным кубическим источником 150 магнитного поля, автору изобретения пришлось дополнительно добавить в упомянутую магнитную систему набор магнитов, имеющих последовательно противоположные друг другу полярности, предназначенный для смешивания магнитных частиц в камере 110 и/или камере 120 при перемещении этого набора магнитов над камерой(ами).

Используя протокол приведения в действие той же длины и с той же матрицей пробы, автор изобретения таким образом показал, что компактная система 150 с квадратным магнитом может работать так же хорошо, как и упомянутый двухмагнитный узел. В частности, как функция транспортировки цилиндрического магнита, так и функция смешивания набора магнитов выполняются единственным кубическим источником 150 магнитного поля, причем с такой же эффективностью, хотя источник 150 магнитного поля по изобретению является единственным магнитным элементом и поэтому более простым и менее громоздким, чем сдвоенный узел магнитов.

Более того, встраивание упомянутого сдвоенного узла магнитов привело бы к отнесению упомянутого цилиндрического магнита от упомянутого набора магнитов на расстояние, достаточно большое для предотвращения взаимных помех между двумя типами магнитов. Обычно это приводило бы к разнесению цилиндрического магнита от набора магнитов на расстояние примерно 30 мм, что значительно увеличит размер этого магнитного узла.

Как уже указано, применение единственного (например, кубического, постоянного) магнита для работы МКК приводит к дополнительной миниатюризации всего окружающего прибора или подузла прибора, что существенно для интеграции с технологиями обнаружения и для работы с компактными приборами. Более того, можно снизить требования к скорости магнитного привода, что позволяет использовать приводы малой стоимости, например, такие как устанавливаемые в стандартных CD-приводах.

Итак, был описан подход, в котором форма магнита используется в качестве привода при пробоподготовке на основе частиц для in-vitro диагностики. Выбирая магнит с множественными вершинами и размером, сравнимым с приводимым в движение ансамблем частиц, можно использовать один магнит как для переноса, так и для смешивания частиц, что снижает требования к размеру и скорости магнитного привода. Микрофлюидная система согласно варианту осуществления изобретения включает в себя источник магнитного поля с

(i) по меньшей мере одной вершиной (т.е. областью повышенного градиента магнитного поля, притягивающего магнитные частицы в трех направлениях) с габаритными размерами и остротой вершины, достаточными для осуществления переноса ансамбля магнитных частиц, и

(ii) более чем одной вершиной, предпочтительно отнесенной на расстояние от одного до пяти диаметров ансамбля частиц, чтобы создать магнитные силы, которые растащат частицы внутри облаков частиц к разным вершинам.

Варианты осуществления изобретения могут, например, использоваться как часть узла магнитного привода системы пробоподготовки с МКК.

Хотя изобретение было проиллюстрировано и подробно описано с помощью чертежей и предшествующего описания, такие иллюстрацию и описание следует считать иллюстративными или примерными, а не ограничивающими; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Другие изменения раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и выполнены специалистами в данной области техники при практической реализации заявленного изобретения, исходя из изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слова «включающий» и «содержащий» не исключают других элементов или этапов, а единственное число не исключает множественного. Единственный процессор или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Тот лишь факт, что некоторые признаки перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы, не означает, что нельзя с выгодой использовать комбинацию этих признаков. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны считаться ограничивающими его объем.

1. Микрофлюидная система (100) для обработки текучих сред, содержащих магнитные частицы (МЧ), включающая:

a) по меньшей мере две камеры (110, 120), выполненные с возможностью содержания первых текучих сред;

b) по меньшей мере один канал (130), сообщающийся с двумя камерами (110, 120) и выполненный с возможностью содержания второй текучей среды, причем на двух границах раздела (131, 132) между первыми текучими средами и второй текучей средой создается ненулевое поверхностное натяжение;

c) источник (150) магнитного поля, причем:

- источник магнитного поля выполнен с возможностью обеспечения по меньшей мере двух отдельных областей градиента (ОГ) магнитного поля для притяжения в эти области магнитных частиц (МЧ), имеющихся в текучей среде одной из камер (110, 120);

- по меньшей мере участок одной из этих областей градиента (ОГ) может прикладывать силу магнитного притяжения (F) к по меньшей мере части упомянутых магнитных частиц (МЧ), которая достаточно высока для обеспечения выталкивания и/или вытягивания их через упомянутые границы раздела (131, 132) текучих сред.

2. Микрофлюидная система (100) по п. 1,

отличающаяся тем, что источник магнитного поля является постоянным магнитом (150).

3. Микрофлюидная система (100) по п. 2,

отличающаяся тем, что постоянный магнит (150) имеет шестигранную форму, в частности, форму куба или параллелепипеда.

4. Микрофлюидная система (100) по п. 1,

отличающаяся тем, что источник магнитного поля является электромагнитом.

5. Микрофлюидная система (100) по п. 1,

отличающаяся тем, что источник (150) магнитного поля выполнен так, что относительное положение областей градиента (ОГ) по отношению к камере (110, 120), содержащей магнитные частицы (МЧ), может быть изменено.

6. Микрофлюидная система (100) по п. 1,

отличающаяся тем, что источник (150) магнитного поля является подвижным относительно камер (110, 120) и/или канала (130).

7. Микрофлюидная система (100) по п. 1,

отличающаяся тем, что первые текучие среды являются гидрофильными, а вторая текучая среда является гидрофобной, или наоборот.

8. Способ получения дисперсии ансамбля магнитных частиц (МЧ) в камере (110, 120) микрофлюидной системы (100) по п. 1, включающий позиционирование источника (150) магнитного поля рядом с упомянутой камерой (110, 120) так, что разные части ансамбля подвергают действию сил магнитного притяжения (F), создаваемых по меньшей мере двумя областями градиента (ОГ), тем самым производя разделение ансамбля.

9. Способ по п. 8,

отличающийся тем, что ансамбль магнитных частиц (МЧ) находится на по меньшей мере одной соединительной линии между двумя областями градиента (ОГ) источника (150) магнитного поля.

10. Способ по п. 8,

отличающийся тем, что расстояние между упомянутыми по меньшей мере двумя областями градиента (ОГ) составляет от примерно одного до примерно пяти диаметров ансамбля магнитных частицы (МЧ).

11. Способ по п. 8,

отличающийся тем, что источник (150) магнитного поля перемещают во время процесса диспергирования.

12. Способ накопления ансамбля магнитных частицы (МЧ) в камере (110, 120) микрофлюидной системы (100) по п. 1, включающий позиционирование источника (150) магнитного поля рядом с упомянутой камерой (110, 120) так, что все магнитные частицы ансамбля подвергают действию сил магнитного притяжения (F), создаваемых только одной областью градиента (ОГ).

13. Способ по п. 12,

отличающийся тем, что источник (150) магнитного поля перемещают в процессе накопления.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к унифицированным полоскам для реактивов, предназначенным для удержания и транспортировки реактивов и веществ, используемых при автоматизированной подготовке и/или обработке проб для биологического и/или химического анализа.

Группа изобретений относится к проведению реакций для автоматического химического или биологического анализатора. Представлена кювета для проведения реакций для автоматического химического или биологического анализатора, имеющая открытый верхний конец и содержащая приспособление для перемешивания текучей среды, верхний конец кюветы имеет соединительный элемент для зацепления с таким же соединительным элементом другой кюветы такого же типа, причем соединительный элемент содержит раму, содержащую по меньшей мере два параллельных выступа, проходящих наружу в продолжение ее коротких сторон, внутренняя вертикальная сторона каждого выступа оснащена полусферическим углублением для приема полусферического выступа, выполненного на раме соединительного элемента другой кюветы при соединении кювет друг с другом, а соединительный элемент прикреплен эластичным зажимом или защелкой на верхнем конце кюветы.

Изобретение относится к области медицинской и аналитической техники и может быть использовано при изготовлении пластиковых кювет для анализа жидких проб, например, образцов физиологических жидкостей человека, животных или растений, питьевых и пищевых продуктов, проб воды из различных источников, других жидкостей органической и неорганической природы.

Изобретение относится к системе обработки образцов для хранения и извлечения больших количеств образцов в автоматизированных библиотеках образцов. Система содержит пробирки (4).

Изобретение относится к области медицины, ветеринарии, сельскому хозяйству и может быть использовано для сбора, хранения и транспортировки биологических материалов.

Изобретение относится к области иммунодиагностики и может быть использовано для иммунодиагностического тестирования биологического образца. Карта иммунодиагностического тестирования включает плоскую подложку и множество содержащихся на ней прозрачных колонок с инертным тестовым материалом, выполненным с возможностью формирования реакции агглютинации при добавлении биологического образца и реагента.

Изобретение относится к оборудованию для растворения поляризованного материала образца, а именно динамической поляризации ядер. Зонд растворения содержит удлиненный трубчатый внешний кожух, первый и второй удлиненные трубопроводы и сужающий элемент.

Группа изобретений относится к измерительному кристаллу для использования с микрофлюидной резистивной схемой для проведения анализа. Измерительный кристалл (100) для использования с отдельной микрофлюидной резистивной схемой (20) содержит канал (104) пробы, канал (114) отходов, размеры которых являются одинаковыми.

Изобретение относится к микрофлюидной системе и может быть использовано для количественного определения отклика живых клеток на определенные молекулы. Микрофлюидная система для управления картой концентраций молекул, пригодных для возбуждения клеток-мишеней, включает: микрофлюидное устройство (1); камеру (8) или дополнительный микрофлюидный канал, содержащий основание (6), предназначенное для приема клетки-мишени; микропористую мембрану (5), покрывающую сеть отверстий (47, 470); одно или несколько средств снабжения для снабжения одного или каждого из микрофлюидных каналов текучей средой, причем по меньшей мере одна из этих текучих сред содержит стимулирующие молекулы клетки-мишени.

Группа изобретений относится к оборудованию для проведения анализа и может быть использована для диагностики и лечения пациентов. Микрожидкостная резистентная сеть (20) содержит первый (112) и второй (114) микрожидкостные каналы в жидкостном сообщении с впускными отверстиями (22) и (24) для первой и второй текучих сред соответственно.
Наверх