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DE102012219156A1 - INTEGRATED MICROFLUIDIC COMPONENT FOR ENRICHMENT AND EXTRACTION OF BIOLOGICAL CELL COMPONENTS - Google Patents

INTEGRATED MICROFLUIDIC COMPONENT FOR ENRICHMENT AND EXTRACTION OF BIOLOGICAL CELL COMPONENTS Download PDF

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DE102012219156A1
DE102012219156A1 DE201210219156 DE102012219156A DE102012219156A1 DE 102012219156 A1 DE102012219156 A1 DE 102012219156A1 DE 201210219156 DE201210219156 DE 201210219156 DE 102012219156 A DE102012219156 A DE 102012219156A DE 102012219156 A1 DE102012219156 A1 DE 102012219156A1
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chamber
integrated microfluidic
separating element
microfluidic component
fluid
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Ceased
Application number
DE201210219156
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German (de)
Inventor
Sydney Hakenberg
Hendrik Hubbe
Gregory Dame
Gerald Urban
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Original Assignee
Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
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Publication date
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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mikrofluidisches Bauteil, wie es insbesondere bei der Identifizierung von Bakterien auf der Basis ihrer genetischen Information im Bereich der Molekulardiagnostik eingesetzt werden kann. Ein solches mikrofluidisches Bauteil umfasst mindestens eine Abreicherungskammer (105) mit einem Einlass (108) zum Einleiten eines zu prozessierenden Fluids und mit einem Auslass (110) zum Abführen des abgereicherten Fluids, wobei der Einlass (108) und der Auslass (110) so angeordnet sind, dass ein Fluidstrom zwischen Einlass (108) und Auslass (110) fließen kann. Weiterhin ist mindestens ein Auftrennelement (101) vorgesehen, das mit mindestens einer Oberfläche die Abreicherungskammer (105) begrenzt. Mindestens eine Sammelkammer (106) nimmt die angereicherten und durch das Auftrennelement (101) aufgereinigten Bestandteile des zu prozessierenden Fluids auf, wobei die Sammelkammer (106) über das Auftrennelement (101) so mit der Abreicherungskammer (105) verbunden ist, dass ein Transport zwischen der Abreicherungskammer (105) und der Sammelkammer (106) durch das Auftrennelement (101) hindurch erfolgen kann.The present invention relates to a microfluidic component, as can be used in particular in the identification of bacteria on the basis of their genetic information in the field of molecular diagnostics. Such a microfluidic component comprises at least one depletion chamber (105) with an inlet (108) for introducing a fluid to be processed and with an outlet (110) for discharging the depleted fluid, the inlet (108) and the outlet (110) being arranged in this way are that a fluid flow can flow between inlet (108) and outlet (110). Furthermore, at least one separation element (101) is provided, which delimits the depletion chamber (105) with at least one surface. At least one collecting chamber (106) receives the enriched components of the fluid to be processed, which are cleaned up by the separating element (101), the collecting chamber (106) being connected to the depletion chamber (105) via the separating element (101) in such a way that a transport between the depletion chamber (105) and the collecting chamber (106) can take place through the separating element (101).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mikrofluidisches Bauteil, wie es insbesondere bei der Identifizierung von Bakterien auf der Basis ihrer genetischen Information im Bereich der Molekulardiagnostik eingesetzt werden kann. Für die schnelle, kostengünstige, patientennahe Labordiagnostik (auch als Point-of-care-Testing, POCT, bezeichnet) ist ein wesentlicher Faktor die Vorbehandlung von Proben, die der eigentlichen Analyse vorangeht. Für ein vollautomatisiertes diagnostisches Gesamtsystem muss diese Vorbehandlung möglichst ebenfalls automatisiert, miniaturisiert und mit dem Detektionsverfahren integriert erfolgen. Die sogenannte „Lab on a Chip“-Technologie (Laboratorium auf einem Chip) stellt dabei eine geeignete Plattform für derartige automatisierte Analysesysteme dar. The present invention relates to a microfluidic component, as it can be used in particular in the identification of bacteria on the basis of their genetic information in the field of molecular diagnostics. For fast, low-cost, near-patient laboratory diagnostics (also referred to as point-of-care testing, POCT), pre-treatment of samples prior to actual analysis is an essential factor. For a fully automated overall diagnostic system, this pretreatment must also be automated as far as possible, miniaturized and integrated with the detection method. The so-called "lab on a chip" technology (laboratory on a chip) represents a suitable platform for such automated analysis systems.

Ein solches Lab on a Chip mit einer automatischen Extraktion von RNA (Ribonukleinsäure) aus bakteriellen Zellen wird beispielsweise in der Dissertation Paul Vulto: „A Lab on a Chip for automated RNA extraction from bacteria“, Fakultät für angewandte Wissenschaften der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Freiburg 2008 , beschrieben. Der in dieser Dissertation offenbarte Chip verwendet den Joule-Wärmeeffekt für eine thermoelektrische Lyse der Zellen. Damit die RNA nicht von RNAse-Enzymen abgebaut wird, folgt dem Lyseschritt direkt ein elektrophoretischer Reinigungsschritt. RNA ist eine kleine, stark negativ geladene Zellsubstanz und wird daher in relativ reiner Form durch ein Elektrophorese-Gel eluiert. Nach der Elution können verschiedene Detektionsverfahren, wie z. B. eine Echtzeit-PCR (real time polymerase chain reaction), zur Erfassung der RNA-Moleküle eingesetzt werden. Such a lab on a chip with an automatic extraction of RNA (ribonucleic acid) from bacterial cells, for example, in the dissertation Paul Vulto: "A Lab on a Chip for automated RNA extraction from bacteria", Faculty of Applied Sciences of the University of Freiburg, Freiburg 2008 , described. The chip disclosed in this dissertation uses the Joule heat effect for thermoelectric lysis of the cells. So that the RNA is not degraded by RNAse enzymes, the lysis step is followed directly by an electrophoretic purification step. RNA is a small, highly negatively charged cell substance and is therefore eluted in relatively pure form by an electrophoresis gel. After elution, various detection methods, such. As a real-time PCR (real-time polymerase chain reaction), are used to detect the RNA molecules.

Durch den kombinierten Lyse- und Aufreinigungsmechanismus kann eine vollautomatische Probenaufbereitung durchgeführt werden, die damit von Zeitaufwand und Kosten wie auch bezüglich der erforderlichen Genauigkeiten den Anforderungen, die für Systeme zum POCT gestellt werden müssen, genügen. The combined lysis and purification mechanism can be used to perform fully automatic sample preparation, thus meeting the requirements for POCT systems in terms of time, cost, and accuracy.

Das Grundprinzip eines solchen mikrofluidischen Bauteils zum Aufreinigen von Analytmolekülen ist entsprechend auch in der deutschen Patentschrift DE 10 2006 050 871 B4 offenbart. The basic principle of such a microfluidic component for purifying analyte molecules is correspondingly also in the German patent specification DE 10 2006 050 871 B4 disclosed.

Es hat sich aber gezeigt, dass mit Hilfe dieser bekannten Anordnung die erforderlichen Sensitivitäten oftmals nicht erreicht werden können, und somit die erforderlich niedrigen Nachweisgrenzen nicht erfüllt werden. However, it has been shown that with the aid of this known arrangement, the required sensitivities often can not be achieved, and thus the required low detection limits are not met.

Grundsätzlich bietet es sich in der Bioanalytik an, die Nachweisgrenzen für ein Messverfahren zu senken, indem zusätzliche Anreicherungsschritte vorgeschaltet werden, so dass die zu untersuchende Probenlösung vor der eigentlichen Messung einen höheren Anteil des zu analysierenden Materials enthält. Beispielsweise zeigt der Artikel Puchberger-Enengl et al. „Microfluidic concentration of bacteria by on-chip electrophoresis“, Biomicrofluidics 5 (4) December 2011 , eine elektrophoretische Anreicherungsvorrichtung, die auf einem länglichen Kanal basiert, der von zwei Gelwänden flankiert wird, hinter denen sich eigens umspülte Elektroden befinden. Allerdings erlaubt diese Anreicherungsmethode keine Möglichkeit zur Analyse von Analytmolekülen wie beispielsweise aus Zellen in unmittelbarer Verbindung mit diesem Anreicherungsschritt. Basically, it is useful in bioanalytics to reduce the detection limits for a measurement method by preceded by additional enrichment steps, so that the sample solution to be examined before the actual measurement contains a higher proportion of the material to be analyzed. For example, the article shows Puchberger-Enengl et al. "Microfluidic concentration of bacteria by on-chip electrophoresis", Biomicrofluidics 5 (4) December 2011 , an electrophoretic enrichment device based on an elongated channel flanked by two gel walls, behind which are specially lapped electrodes. However, this enrichment method does not allow for analysis of analyte molecules such as cells in direct association with this enrichment step.

Die Patentschrift US 8,097,140 B2 offenbart ein weiteres Verfahren zur Anreicherung von zu analysierenden Spezies, wobei die Anreicherung als mögliche Probenvorbereitung oder auch als die eigentliche Analyse dargestellt wird. Diese bekannte Anordnung sieht aber keinen Probenlösungstransport quer zur Geloberfläche vor, so dass die Anreicherung durch den Durchstrom durch das Gel limitiert ist. The patent US 8,097,140 B2 discloses another method for enrichment of species to be analyzed, wherein the enrichment is presented as a possible sample preparation or as the actual analysis. However, this known arrangement does not provide any sample solution transport transversely to the gel surface, so that the enrichment is limited by the passage through the gel.

Die Offenlegungsschrift DE 101 49 803 A1 betrifft ein Verfahren zur unspezifischen Anreicherung von Bakterienzellen mittels kationischer Polymere und magnetischer Träger. Diese magnetischen Träger haben eine funktionelle Beschichtung (beispielsweise NH2-COOH- oder OH-Randgruppen). Allerdings ist bei dieser bekannten Anordnung immer eine Aktuierung notwendig und es müssen die magnetischen Träger jeweils zugegeben werden. Weiterhin muss die Bakterienpolymerlösung zur Durchmischung auf- und abpipettiert werden. Dies widerspricht dem gewünschten Prinzip einer vollautomatischen Durchflussanalyse. The publication DE 101 49 803 A1 relates to a method for non-specific accumulation of bacterial cells by means of cationic polymers and magnetic carriers. These magnetic carriers have a functional coating (eg, NH 2 -COOH or OH-edge groups). However, in this known arrangement always an actuation is necessary and it must be added to the magnetic carrier in each case. Furthermore, the bacterial polymer solution has to be pipetted up and down for thorough mixing. This contradicts the desired principle of a fully automatic flow analysis.

Aus der Patentschrift DE 10 2006 050 871 B4 ist ein integriertes mikrofluidisches Bauteil zum Aufreinigen von Analytmolekülen bekannt, bei dem Zellen durch eine thermoelektrische AC-Lyse aufgespaltet werden und die freigesetzten Analyte durch eine Gelelektrophorese aufgetrennt werden. Dadurch, dass die Lyse und Aufreinigung in ein und demselben integrierten mikrofluidischen System stattfinden, kann beispielsweise bei der Detektion von RNA die Zeit, in der die empfindliche RNA zersetzenden RNase Molekülen ausgesetzt ist, auf ein Minimum reduziert werden und somit eine RNA-Degradation verhindert werden. Allerdings gibt diese Druckschrift keine spezifizierte Lehre, wie in diesem integrierten Konzept eine zusätzliche Anreicherung realisiert werden könnte. Insbesondere in Zusammenschau mit den Anordnungen, die in den 41 bis 44 der Patentschrift DE 10 2006 050 871 B4 offenbart sind, ist davon auszugehen, dass die Probenkammer stets nur den einzigen Ausgang hat, der sowohl für abgereicherte Probenlösung wie auch für die angereicherten Analytmoleküle verwendet wird. From the patent DE 10 2006 050 871 B4 is an integrated microfluidic device for purifying analyte molecules is known in which cells are split by a thermoelectric AC lysis and the released analytes are separated by gel electrophoresis. For example, as lysis and purification take place in the same integrated microfluidic system, in the detection of RNA, the time in which the susceptible RNA-degrading RNase molecule is exposed to molecules can be minimized, thus preventing RNA degradation , However, this document does not give any specific teaching as to how additional enrichment could be realized in this integrated concept. In particular, in conjunction with the arrangements given in the 41 to 44 the patent DE 10 2006 050 871 B4 are disclosed, it is assumed that the sample chamber always has only the only output that is suitable for both depleted sample solution as well as for the enriched analyte molecules is used.

Generell existieren diverse Ansätze, eine elektrische Lyse durchzuführen. Dabei sind spezielle Anordnungen und Formen von Elektroden notwendig, um eine Zerstörung der Membran, beispielsweise von Bakterienzellen, durch ein ausreichend starkes Feld zu gewährleisten. In dem Artikel Lee Sang-Wook et al.: „A micro cell lysis device“, Sensors and Actuators 73 (1999), Seite 74 bis 79 , werden beispielsweise sägezahnartig ineinandergreifende mit PTFE (Polytetrafluorethylen) beschichtete Elektroden gezeigt, mit denen ein möglichst geringer Elektrodenabstand und somit eine hohe Feldstärke erreicht wird. Generally, there are various approaches to perform an electrical lysis. In this case, special arrangements and forms of electrodes are necessary to ensure destruction of the membrane, for example of bacterial cells, by a sufficiently strong field. In the article Lee Sang-Wook et al .: "A microcell lysis device", Sensors and Actuators 73 (1999), pages 74 to 79 For example, sawtooth-like intermeshing electrodes coated with PTFE (polytetrafluoroethylene) are shown, with which the smallest possible electrode spacing and thus a high field strength is achieved.

Ein ähnliches System wurde später von einer anderen Gruppe vorgestellt, wobei insbesondere die geringe notwenige Spannung von nur 8 V bei einer Frequenz von 10 kHz für ein mikrofluidisches Bauteil mit Potential zur Point-of-care-Anwendung von großer Bedeutung ist (siehe beispielsweise Lu Hang et al.: „A microfluidic electroporation device for cell lysis“, Lab on a Chip, 2005, 5, Seite 23 bis 29 ). Ein weiteres Verfahren zur elektronischen Lyse ist in dem Artikel Cheng Jing et al.: „Preparation and hybridization analysis of DNA/RNA from E. coli on microfabricated bioelectronic chips“ Nature Biotechnology, Volume 16, June 1998, pages 541 to 546 , bekannt. Hier ist eine schachbrettartige Verteilung von 25 Platinelektroden auf Silizium offenbart, die sowohl die Auftrennung von E. coli und Blut mittels Dielektrophorese, als auch eine anschließende Lyse durchführen. A similar system was later presented by another group, and in particular the low required voltage of only 8 V at a frequency of 10 kHz is of great importance for a microfluidic component with potential for point-of-care application (see, for example Lu Hang et al .: "A microfluidic electroporation device for cell lysis", Lab on a Chip, 2005, 5, pages 23 to 29 ). Another method of electronic lysis is in the article Cheng Jing et al .: "Preparation and hybridization analysis of DNA / RNA from E.coli on microfabricated bioelectronic chips" Nature Biotechnology, Volume 16, June 1998, pages 541 to 546 , known. Here a checkerboard distribution of 25 platinum electrodes on silicon is disclosed, which perform both the separation of E. coli and blood by means of dielectrophoresis, as well as a subsequent lysis.

Aus dem Artikel Liu R. H. et al „Self-Contained, Fully Integrated Biochip for Sample Preparation, Polymerase Chain Reaction Amplification, and DNA Microarray Detection“, Analytical Chemistry, Volume 76, No. 7, April 1, 2004, pages 1824 to 1831 , ist ein vollständig integriertes System zur DNA-Analyse bekannt. Allerdings verwendet dieses bekannte System zahlreiche aktuierte Elemente wie Ventile, elektrochemische und thermopneumatische Pumpen, piezoelektrische Aktoren, Steuerung der immunomagnetischen Partikel usw. Weiterhin bedeutet die Tatsache, dass mit Hilfe immunomagnetischer Partikel angereichert wird, dass ausschließlich eine stark selektive Anreicherung durchgeführt werden kann. From the article Liu RH et al "Self-Contained, Fully Integrated Biochip for Sample Preparation, Polymerase Chain Reaction Amplification, and DNA Microarray Detection", Analytical Chemistry, Volume 76, no. 7, April 1, 2004, pages 1824 to 1831 , a fully integrated DNA analysis system is known. However, this known system uses numerous actuated elements such as valves, electrochemical and thermo-pneumatic pumps, piezoelectric actuators, control of immunomagnetic particles, etc. Furthermore, the fact that enriched with the aid of immunomagnetic particles means that only a highly selective enrichment can be performed.

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegt, besteht daher darin, ein System zur schnellen, kostengünstigen und effizienten Analyse und Prozessierung von biologischen Material bereit zu stellen, das durch die vorteilhafte Vereinigung von Anreicherung, insbesondere unspezifischer Anreicherung, Lyse und Aufreinigung vollständig automatisierbar und von einem Integrationsgrad ist, der eine Mobilität auch außerhalb eines Labors gestattet. The object underlying the present invention is therefore to provide a system for the rapid, cost-effective and efficient analysis and processing of biological material, which can be fully automated by the advantageous combination of enrichment, in particular non-specific enrichment, lysis and purification and of a degree of integration that allows mobility outside of a laboratory.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous developments of the present invention are the subject of the dependent claims.

Dabei basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, im mikrofluidischem Maßstab auf einen Chip eine Anreicherung von Zellen, Viruspartikeln, Sporen oder anderen analytisch relevanten Partikeln (im Folgenden wird vereinfacht von Zellpartikeln gesprochen) auf möglichst einfache Weise mit einem Lyse- und Aufreinigungsschritt zu vereinen. The present invention is based on the idea of microfluidic scale on a chip enrichment of cells, virus particles, spores or other analytically relevant particles (in the following is simplified spoken of cell particles) to unite in the simplest possible way with a lysis and purification step.

Insbesondere umfasst ein integriertes mikrofluidisches Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung zum einen mindestens eine Abreicherungskammer mit mindestens einem Einlass zum Einleiten eines zu prozessierenden Fluids und mindestens einem Auslass zum Abführen eines abgereicherten Fluids. Der Einlass und der Auslass sind so angeordnet, dass ein Fluidstrom zwischen dem Einlass und dem Auslass fließen kann. Weiterhin ist mindestens ein Auftrennelement vorgesehen, das mit mindestens einer Oberfläche die Abreicherungskammer begrenzt. Eine Sammelkammer ist zum Aufnehmen der angereicherten und durch das Auftrennelement aufgereinigten Bestandteile des zu prozessierenden Fluids vorgesehen. Die Sammelkammer ist über das Auftrennelement so mit der Abreicherungskammer verbunden, dass ein Transport zwischen der Abreicherungskammer und der Sammelkammer durch das Auftrennelement hindurch erfolgen kann. In particular, an integrated microfluidic component according to the present invention comprises at least one depletion chamber with at least one inlet for introducing a fluid to be processed and at least one outlet for discharging a depleted fluid. The inlet and the outlet are arranged so that a fluid flow can flow between the inlet and the outlet. Furthermore, at least one separating element is provided which delimits the depletion chamber with at least one surface. A collection chamber is provided for receiving the enriched and purified by the separating element components of the fluid to be processed. The collection chamber is connected via the separation element with the depletion chamber, that a transport between the depletion chamber and the collection chamber can be carried through the separation element.

Eine solche integrierte Lösung mit mindestens einem separaten Auslass für die abgereicherte biologische Probe hat zum einen den Vorteil, dass wesentlich größere Probenmengen in deutlich kürzerer Zeit prozessiert werden können, als wenn die gesamte Flüssigkeitsmenge das Auftrennelement passieren müsste. Weiterhin verlassen die zu detektierenden Komponenten den geschützten Innenbereich des Bauteils nicht mehr, so dass insbesondere keine Schädigung durch Zersetzen der Enzyme, wie beispielsweise RNAse möglich ist. Es ist zudem möglich, die Prozesse verstärkt zu parallelisieren, da beispielsweise die Auftrennung und Lyse kontinuierlich erfolgen können und nachfolgende Prozessierungen unabhängig davon betrieben werden. Ein besonderer Vorteil ist, dass mit dem Ansatz eine direkte Verarbeitung unter Vermeidung von Totvolumina durchgeführt werden kann. Such an integrated solution with at least one separate outlet for the depleted biological sample on the one hand has the advantage that much larger sample quantities can be processed in a much shorter time than if the entire amount of liquid had to pass through the separating element. Furthermore, the components to be detected no longer leave the protected inner region of the component, so that, in particular, no damage by decomposition of the enzymes, such as, for example, RNAse, is possible. It is also possible to parallelize the processes more intensively, since, for example, the separation and lysis can be carried out continuously and subsequent processes are operated independently thereof. A particular advantage is that with the approach, a direct processing while avoiding dead volumes can be performed.

Das Auftrennelement kann beispielsweise eine Gelfiltrationsstrecke umfassen und die Anreicherung an einer die Abreicherungskammer begrenzenden Oberfläche dieser Gelfiltrationsstrecke kann mittels einer elektrophoretischen Trennung durchgeführt werden. Dabei werden die Membranladungen an der Oberfläche der Zellpartikel genutzt, indem entsprechende elektrische Potentialgefälle zwischen der Anreicherungsoberfläche und beispielsweise der Sammelkammer angelegt werden. The separation element can comprise, for example, a gel filtration section, and the enrichment at a surface of this gel filtration section delimiting the reduction chamber can be carried out by means of an electrophoretic separation. The membrane charges on the surface of the cell particles are used by corresponding electric potential difference between the Enrichment surface and, for example, the collection chamber are created.

Alternativ kann aber auch bei einem alternativen Trennelement ein Druckunterschied für den Transport sorgen. Darüber hinaus kann auch ein steuerbares oder permanentes Magnetfeld in Kombination mit magnetischen Beads an den Zellpartikeln eingesetzt werden, um die benötigte Auslenkung der Zellpartikel zu bewirken. Alternatively, however, a pressure difference can also provide for the transport in the case of an alternative separating element. In addition, a controllable or permanent magnetic field can be used in combination with magnetic beads on the cell particles in order to effect the required deflection of the cell particles.

Das Auftrennelement kann dabei Poren von einer Größe aufweisen, die kleiner ist als der Durchmesser der anzureichernden Bestandteile, wie beispielsweise Bakterienzellen. Vor der eigentlichen Aufreinigung können die Bakterienzellen dann zerstört oder geöffnet werden um ausreichend kleine Analytelemente zu erzeugen. The separating element may have pores of a size which is smaller than the diameter of the components to be enriched, such as bacterial cells. Before the actual purification, the bacterial cells can then be destroyed or opened to produce sufficiently small analyte elements.

Alternativ kann aber auch eine Gelpermeationschromatographie-Strecke vorgesehen sein, die Poren von einer Größe aufweist, die größer ist als ein Durchmesser der anzureichernden Bestandteile. Alternatively, however, it is also possible to provide a gel permeation chromatography section which has pores of a size which is greater than a diameter of the components to be enriched.

Je nach Anwendung kann auch vorgesehen sein, dass das Auftrennelement eine Flüssigkeit zum Durchführen einer Flüssig-Flüssig-Trennung aufweist. In jedem Fall werden die Zellpartikel an einer Wandung des Auftrennelements, beispielsweise der Gelfiltrationsstrecke, in der Abreicherungskammer akkumuliert und können in derselben Kammer direkt lysiert werden. Anschließend oder währenddessen können die gewonnenen Analytteilchen direkt über die Gelfiltrationsstrecke aufgereinigt und eluiert oder unmittelbar analysiert werden. Depending on the application, it may also be provided that the separation element has a liquid for performing a liquid-liquid separation. In any case, the cell particles are accumulated on a wall of the separation element, for example the gel filtration section, in the depletion chamber and can be directly lysed in the same chamber. Subsequently or during this time, the analyte particles obtained can be purified directly via the gel filtration section and eluted or analyzed directly.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Anreichern von Zellpartikeln (aber auch Nichtzellpartikel wie Nanopartikel, Toxine oder µRNA) aus einer durchfließenden Probe in ein mikrofluidisches System zur Lyse der Zellpartikel und zur Extraktion von Nukleinsäuren aus dem Lysat integriert. Zur Anreicherung der Probe durchfließt diese die Abreicherungskammer des Chips. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird in dieser Abreicherungskammer über integrierte Elektroden ein elektrisches Feld erzeugt. Die Zellpartikel werden aufgrund ihrer Membranladung unspezifisch aus der Richtung des Flusses abgelenkt und lagern sich an der Oberfläche des Auftrennelements beispielsweise an einem Polyacrylamidgel, an. According to the present invention, a system for enriching cell particles (but also non-cell particles such as nanoparticles, toxins or μRNA) from a flowing sample into a microfluidic system for lysing the cell particles and for extracting nucleic acids from the lysate is integrated. To enrich the sample, this flows through the depletion chamber of the chip. According to an advantageous embodiment, an electric field is generated in this depletion chamber via integrated electrodes. Due to their membrane charge, the cell particles are nonspecifically deflected from the direction of the flow and accumulate on the surface of the separation element, for example on a polyacrylamide gel.

So kann in vorteilhafter Weise eine homogen verteilte Schicht aus Bakterien auf der ganzen Länge der Grenzfläche zum Auftrennelement erzeugt werden. Das Ergebnis der Anreicherung ist somit eine kompakte Akkumulation von Bakterien an einer Oberfläche, gemäß einer ersten Ausführungsform beispielsweise an einem Hydrogel. Thus, advantageously, a homogeneously distributed layer of bacteria can be produced over the entire length of the interface to the separating element. The result of the enrichment is thus a compact accumulation of bacteria on a surface, according to a first embodiment, for example on a hydrogel.

In vorteilhafter Weise besitzt dieses Verfahren eine äußerst geringe Selektivität, so dass auch unbekannte und vermischte Zellen für eine Gesamtanalyse in einem gemeinsamen Schritt angereichert werden können. Advantageously, this method has an extremely low selectivity, so that also unknown and mixed cells can be enriched for a total analysis in a single step.

Alternativ kann aber diese unspezifische Akkumulation auch durch eine spezifische Anreicherung ersetzt oder ergänzt werden, indem die Akkumulationsoberfläche mit spezifisch wechselwirkenden Komponenten funktionalisiert wird. Weiterhin können auch verschiedene Gelkombinationen zur Akkumulation verschiedener Partikel verwendet werden. Insbesondere können mehrere Kammern, die durch Gele getrennt sein können, mit jeweils spezifischen Anreicherungsmodulen und eigenen Probeentnahme und Analyseneinrichtungen kaskadiert aufgebaut werden. Alternatively, however, this nonspecific accumulation can also be replaced or supplemented by a specific enrichment by functionalizing the accumulation surface with specifically interacting components. Furthermore, different gel combinations for the accumulation of different particles can be used. In particular, several chambers, which may be separated by gels, can be constructed cascaded with specific enrichment modules and own sampling and analysis devices.

Der wesentliche Vorteil der elektrophoretischen Anreicherung und Auftrennung besteht darin, dass keine beweglichen Teile wie Ventile oder Zentrifugenkonstrukte mehr erforderlich sind und damit sowohl die Ausfallsicherheit wie auch die Miniaturisierbarkeit und Kosteneffizienz erhöht werden können. The main advantage of the electrophoretic enrichment and separation is that no moving parts such as valves or centrifuge constructions are required and thus both the reliability as well as the Miniaturizierbarkeit and cost efficiency can be increased.

Besondere Vorteile bietet das erfindungsgemäße integrierte mikrofluidische Bauteil im Hinblick auf die Extraktion von Nukleinsäuren durch eine Elektroporation. Mit einer solchen Anordnung wird eine sehr kompakte, relativ homogene Bakterienakkumulation an der Grenze zum Auftrennelement, beispielsweise einer Gelgrenze, erzeugt. Dadurch wird ein geringer für diese Art der Nukleinsäuregewinnung (die Lyse im Allgemeinen) und die Elektroporation im speziellen vorteilhafter Elektrodenabstand erreicht. Ein Ablösen der konzentrierten Schicht von der Auftrennelementoberfläche ist beispielsweise durch eine Spannungsumkehrung möglich. Grundsätzlich können mit dem vorliegenden erfindungsgemäßen integrierten mikrofluidischen Bauteil alle in der DE 10 2006 050 871 B4 angesprochenen Anwendungsfälle, insbesondere die Extraktion von Messenger-RNA, abgedeckt werden. Weitere Anwendungen, die nur Teile der möglichen Prozessierung verwenden, können aber mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung ebenfalls auf vorteilhafte Weise ins Auge gefasst werden. So ist es zum Beispiel möglich, µRNA aus Blutplasma zu extrahieren und zwar insbesondere auf vorteilhafte Weise direkt im Durchflussbetrieb. Particular advantages are provided by the integrated microfluidic component according to the invention with regard to the extraction of nucleic acids by electroporation. With such an arrangement, a very compact, relatively homogeneous bacterial accumulation is produced at the boundary to the separating element, for example a gel border. This achieves a lower electrode separation, which is particularly advantageous for this type of nucleic acid recovery (lysis in general) and electroporation. Detachment of the concentrated layer from the breaker surface is possible for example by a voltage reversal. In principle, with the present inventive integrated microfluidic component all in the DE 10 2006 050 871 B4 addressed applications, in particular the extraction of messenger RNA. Other applications that use only parts of the possible processing, but can also be envisaged with the help of the arrangement according to the invention in an advantageous manner. Thus, it is possible, for example, to extract μRNA from blood plasma, specifically in an advantageous manner directly in flow mode.

Um den Meniskus einer Phasengrenze beim Befüllen oder Entleeren des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Bauteils definiert zu führen, können Phaseguides verwendet werden, wie sie beispielsweise aus der offengelegten europäischen Patentanmeldung EP 2 213 364 A1 oder aus den folgenden Artikeln bekannt sind:

  • Vulto, P. et al.: „A microfluidic appproach for high efficiency extraction of low molecular weight RNA“ Lab on a Chip, 2010, Volume 10, No. 5, 610–616 ,
  • Vulto, P. et al: „Microfluidic channel fabrication in dry film resist for production and prototyping of hybrid chips“, Lab on a Chip, 2005, Volume 5, No. 2, 158–162 ,
  • Vulto, P. et al: „Phaseguides: A paradigm shift in microfluidic priming and emptying“, Lab on a Chip, 2011, Volume 11, No. 9, 1561–1700 .
In order to define the meniscus of a phase boundary when filling or emptying the microfluidic component according to the invention, phase guides can be used, as described, for example, in the laid-open European patent application EP 2 213 364 A1 or known from the following articles:
  • Vulto, P. et al .: "A microfluidic appproach for high efficiency extraction of low molecular weight RNA" Lab on a Chip, 2010, Volume 10, no. 5, 610-616 .
  • Vulto, P. et al: "Microfluidic channel fabrication in dry film resist for production and prototyping of hybrid chips", Lab on a Chip, 2005, Volume 5, no. 2, 158-162 .
  • Vulto, P. et al: "Phaseguides: A paradigm shift in microfluidic priming and emptying", Lab on a Chip, 2011, Volume 11, no. 9, 1561-1700 ,

Durch den Einsatz von Phaseguide-Strukturen kann insbesondere bei sehr kleinen Abmessungen der einzelnen Kammern ein rasches vollständiges und luftblasenfreies Befüllen bzw. ein vollständiges Entleeren durchgeführt werden. The use of phaseguide structures makes it possible, in particular with very small dimensions of the individual chambers, to carry out a complete, complete and bubble-free filling or a complete emptying.

Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten vorteilhaften Ausgestaltungen wird die vorliegende Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Weiterhin können auch einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich genommen eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Es zeigen: With reference to the advantageous embodiments shown in the accompanying drawings, the present invention will be explained in more detail below. Similar or corresponding details of the subject invention are provided with the same reference numerals. Furthermore, individual features or combinations of features from the embodiments shown and described can be considered as stand alone, inventive or inventive solutions. Show it:

1 eine Übersichtsdarstellung des Gesamtkonzepts einer mikrofluidischen Plattformtechnologie; 1 an overview of the overall concept of a microfluidic platform technology;

2 eine Draufsicht auf eine beispielhafte Realisierung eines vollständig integrierten mikrofluidischen Bauteils gemäß einer möglichen Ausführungsform; 2 a plan view of an exemplary realization of a fully integrated microfluidic component according to a possible embodiment;

3 eine schematische Darstellung eines mikrofluidischen Bauteils mit einer Anreicherung von Zellen an einer Gelfront gemäß einer ersten Ausführungsform; 3 a schematic representation of a microfluidic component with an accumulation of cells on a gel front according to a first embodiment;

4 eine schematische Darstellung der Anordnung aus 3 während der direkten Abreicherung mit free flow Elektrophorese; 4 a schematic representation of the arrangement 3 during direct depletion with free flow electrophoresis;

5 eine schematische Darstellung der gepulsten Abreicherung bei der Anordnung aus 3; 5 a schematic representation of the pulsed depletion in the arrangement of 3 ;

6 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines integrierten mikrofluidischen Bauteils; 6 a schematic representation of a second embodiment of an integrated microfluidic component;

7 eine schematische Darstellung der Anordnung aus 6 bei Vorhandensein unterschiedlich geladener Zellpartikel; 7 a schematic representation of the arrangement 6 in the presence of differently charged cell particles;

8 eine schematische Darstellung der Anordnung aus 3 bei Anreicherung von Zellen während des Durchflusses; 8th a schematic representation of the arrangement 3 accumulation of cells during flow;

9 eine schematische Darstellung der Anordnung aus 8 während des Lyseschritts; 9 a schematic representation of the arrangement 8th during the lysis step;

10 eine schematische Darstellung der Anordnung aus 8 und 9 während des Auftrennens der lysierten Partikel in der Auftrennstrecke; 10 a schematic representation of the arrangement 8th and 9 during the separation of the lysed particles in the separation distance;

11 eine schematische Darstellung eines integrierten mikrofluidischen Bauteils mit alternativer Elektrodenausgestaltung; 11 a schematic representation of an integrated microfluidic device with alternative electrode design;

12 das Bauteil aus 11 während eines Elektroporationsschritts; 12 the component off 11 during an electroporation step;

13 das Bauteil aus 11 und 12 während der Auftrennung an dem Auftrennelement; 13 the component off 11 and 12 during separation on the separation element;

14 eine schematische Darstellung einer weiteren Betriebsart zur Transformation von Zellen; 14 a schematic representation of another mode for the transformation of cells;

15 die Anordndung aus 14 im nächsten Verfahrensschritt; 15 the arrangement off 14 in the next process step;

16 eine Darstellung der transformierten Zellen; 16 a representation of the transformed cells;

17 eine schematische Darstellung des Resuspendierungsschritts der transformierten Zellen; 17 a schematic representation of the resuspension step of the transformed cells;

18 eine schematische Darstellung eines integrierten mikrofluidischen Bauteils mit zweitem Elektrodenpaar für eine Elektroporation von Zellpartikeln auf einer zweiten Seite; 18 a schematic representation of an integrated microfluidic device with a second electrode pair for electroporation of cell particles on a second side;

19 eine Darstellung der Herauslösung von Nukleinsäuren aus angereicherten Zellpartikeln; 19 a representation of the release of nucleic acids from enriched cell particles;

20 eine schematische Darstellung des Schritts der Extraktion und Überführung der Nukleinsäuren in die Sammelkammer nach dem Schritt der 19. 20 a schematic representation of the step of extraction and transfer of the nucleic acids into the collection chamber after the step of 19 ,

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren im Detail erläutert. Ein mögliches Gesamtsystem, in dem die erfindungsgemäßen Prinzipien verwendet werden, ist in 1 am Beispiel eines miniaturisierten PCR(polymerase chain reaction)Analysesystems 100 für biologische Proben, beispielsweise Bakterien, gezeigt. Zum Nachweis und speziell zur genomischen Identifikation von Bakterien lässt sich tmRNA (transfer messenger Ribonucleic acid), eine bakterielle RNA, die sowohl Boten- als auch Transfereigenschaft hat, vorteilhaft verwenden. Ebenso wie in der Patentschrift DE 10 2006 050 871 B1 beschrieben, kann das erfindungsgemäße System 100 beispielsweise mit Hilfe einer integrierten On-Chip-PCR zur Identifizierung von Bakterien mittels des Nachweises von tmRNA verwendet werden. The present invention will be explained below in detail with reference to the drawings. One possible overall system in which the principles according to the invention are used is in 1 using the example of a miniaturized PCR (polymerase chain reaction) analysis system 100 for biological samples, for example bacteria. For the detection and especially for the genomic identification of bacteria, tmRNA (transfer messenger ribonucleic acid), a bacterial RNA which has both messenger and transfer properties, can be advantageously used. As in the patent DE 10 2006 050 871 B1 described, that can inventive system 100 for example, by means of an integrated on-chip PCR for the identification of bacteria by means of the detection of tmRNA.

Insbesondere wird in dem erfindungsgemäßen Gesamtsystem 100 eine biologische Probe 104 über einen Zufluss 108 in eine Abreicherungskammer 105 eingeleitet. Wie nachfolgend im Detail noch weiter erläutert wird, reichern sich die zu identifizierenden Zellen in der Abreicherungskammer 105 an, während die abgereicherte biologische Probe durch den Abfluss 110 das System wieder verlässt. Insbesondere reichern sich die zu detektierenden biologischen Zellen an der Grenzfläche zu einem Auftrennelement 101, das insbesondere eine Separations- und Extraktionsstrecke umfasst, an. In einer Sammelkammer 106, die je nach ihrer Funktionsweise auch als Elutionskammer oder Detektionskammer bezeichnet wird, sammeln sich die angereicherten und aufgereinigten zu detektierenden Komponenten (beispielsweise tmRNA), die anschließend mittels einer On-Chip-PCR oder isothermalen Amplifikation beispielsweise über eine Fluoreszenzdetektion nachgewiesen werden können. In particular, in the overall system according to the invention 100 a biological sample 104 over a tributary 108 into a depletion chamber 105 initiated. As will be explained in more detail below, the cells to be identified accumulate in the depletion chamber 105 while the depleted biological sample through the drain 110 leave the system again. In particular, the biological cells to be detected accumulate at the interface to a separation element 101 comprising, in particular, a separation and extraction section. In a collection chamber 106 , which is also referred to as an elution chamber or detection chamber depending on their mode of operation, accumulate the enriched and purified components to be detected (for example tmRNA), which can subsequently be detected by on-chip PCR or isothermal amplification, for example via fluorescence detection.

Die erforderlichen Amplifikationsreagenzien werden mit den zu analysierenden aufgereinigten und angereicherten Probenkomponenten vermischt und nach der entsprechenden Amplifikation in der Detektionskammer 112 nachgewiesen und quantifiziert. The required amplification reagents are mixed with the purified and enriched sample components to be analyzed and after the appropriate amplification in the detection chamber 112 detected and quantified.

Die vorliegende Erfindung ist auf die in 1 als Detail dargestellte Komponenten zur Anreicherung, Lyse und Aufreinigung fokussiert, die ein Analytgewinnungsmodul 114 bilden, das nachfolgend beschrieben wird. The present invention is directed to the in 1 focusing on components for enrichment, lysis, and purification that focuses on an analyte recovery module 114 form, which will be described below.

Erfindungsgemäß werden dabei in der Abreicherungskammer 105 Zellpartikel durch entsprechende Ansteuerung von Elektroden, beispielsweise durch Lyse oder Elektroporation aufgeschlossen. Ohne weitere Bearbeitungsschritte können die Extrakte innerhalb des „Lab on a Chip“-Systems gereinigt und weiterbearbeitet werden. Wie bereits erwähnt, kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung im mikrofluidischen Maßstab on-Chip eine Anreicherung von Zellen, Viruspartikeln oder anderen analytisch relevanten Partikeln wie Sporen, generell als Zellpartikel bezeichnet, mit einem Lyse- und Aufreinigungsschritt kombiniert werden. According to the invention are in the depletion chamber 105 Cell particles disrupted by appropriate control of electrodes, for example by lysis or electroporation. Without further processing steps, the extracts can be cleaned and processed within the "Lab on a Chip" system. As already mentioned, an enrichment of cells, virus particles or other analytically relevant particles, such as spores, generally referred to as cell particles, can be combined with a lysis and purification step with the aid of the inventive arrangement on a microfluidic scale.

Wie in 1 gezeigt, wird durch Ausnutzung induzierter Membran-Ladungen an der Oberfläche eines Zellpartikels ein elektrophoretisches Auftrennverfahren durch eine Gelschicht 101 hindurch genutzt. As in 1 By utilizing induced membrane charges on the surface of a cell particle, an electrophoretic separation process through a gel layer is demonstrated 101 used through.

Dabei werden zunächst während eines Durchstroms zwischen Zufluss 108 und Abfluss 110 die Zellpartikel 104 in der Abreicherungskammer 105 an einer Grenzfläche zu dem Auftrennelement 101 akkumuliert. In einem nachfolgenden Schritt werden die Zellpartikel in derselben Kammer 105 direkt lysiert. Anschließend können die Analyte durch beispielsweise eine Gelfiltrationsstrecke 101 hindurch aufgereinigt werden und aus der Sammelkammer eluiert oder dort direkt analysiert werden. Here are first during a flow between inflow 108 and drain 110 the cell particles 104 in the depletion chamber 105 at an interface with the severing element 101 accumulated. In a subsequent step, the cell particles become in the same chamber 105 directly lysed. Subsequently, the analytes can be passed through, for example, a gel filtration section 101 be purified and eluted from the collection chamber or analyzed there directly.

Das heißt, erfindungsgemäß wird die Anreicherung von Zellpartikeln aus einer die Abreicherungskammer 105 durchfließenden Probe mit einem mikrofluidischen System zur Lyse der Zellpartikel sowie zur Extraktion von Analytmolekülen wie beispielsweise Nukleinsäuren aus dem Lysat kombiniert. That is, according to the invention, the accumulation of cell particles from a depletion chamber 105 flowing through sample combined with a microfluidic system for lysis of the cell particles and for the extraction of analyte molecules such as nucleic acids from the lysate.

2 zeigt eine mögliche tatsächliche Realisierung eines kombinierten Analytgewinnungsmoduls 114 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Herstellung eines solchen mikrofluidischen Chips kann nach den mikromechanischen Prinzipien erfolgen, die beispielsweise in der bereits erwähnten Dissertation von Paul Vulto „A Lab on a Chip for automated RNA extraction from bacteria“, Fakultät für Angewandte Wissenschaften der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Freiburg, Juli 2008 , beschrieben werden. Im Unterschied zu den bekannten Systemen besitzt aber das erfindungsgemäße Analytgewinnungsmodul 114 eine Abreicherungskammer 105, die mindestens einen Einlass 108 und mindestens einen Auslass 110 für den Probendurchfluss besitzt. Weiterhin grenzt die Abreicherungskammer 105 so an ein Auftrennelement 101 (das hier durch eine Gelstrecke gebildet ist), dass sich an dieser Grenzfläche Zellpartikel akkumulieren können. Nach der Anreicherung kann eine Lyse der Zellpartikel durchgeführt werden (dieser Vorgang wird mit Bezug auf 9 noch im Detail erläutert) und in einem anschließenden Separations- und Aufreinigungsschritt erfolgt ein Transport der zu detektierenden bzw. zu gewinnenden Analyte durch das Auftrennelement 101 hindurch in die Sammelkammer 106 hinein. 2 shows a possible actual realization of a combined analyte recovery module 114 according to the present invention. The production of such a microfluidic chip can be carried out according to the micromechanical principles described, for example, in the already mentioned dissertation of Paul Vulto "A Lab on a Chip for Automated RNA Extraction from Bacteria", Faculty of Applied Sciences, Albert-Ludwigs-University Freiburg, July 2008 , to be discribed. In contrast to the known systems, however, the analyte production module according to the invention has 114 a depletion chamber 105 that have at least one inlet 108 and at least one outlet 110 for the sample flow possesses. Furthermore, the depletion chamber is adjacent 105 so to a separating element 101 (which is formed here by a gel path) that can accumulate at this interface cell particles. After enrichment, lysis of the cell particles can be performed (this procedure is described with reference to 9 explained in detail below) and in a subsequent separation and purification step, the analytes to be detected or recovered are transported by the separation element 101 through into the collection chamber 106 into it.

Um das Einfüllen und Entleeren der Flüssigkeiten zu erleichtern, können, wie bereits erwähnt, Phaseguide-Elemente 116 vorgesehen sein. Im Fall des Auftrennelements 101 dienen die Phaseguides 116 dazu, bei der Herstellung das Befüllen mit dem Gel zu erleichtern. To facilitate the filling and emptying of the liquids, as already mentioned, phase guide elements 116 be provided. In the case of the separating element 101 serve the phaseguides 116 to facilitate filling with the gel during manufacture.

Sowohl die Anreicherung, als auch der Transport durch das Auftrennelement 101 hindurch und auch eine gegebenenfalls vorgesehene Lyse oder Elektroporation der Zellpartikel 104 wird mit Hilfe von planaren, in dem Mikrosystem integrierten Elektroden 118 gesteuert. Dabei besteht eine wesentliche Idee der vorliegenden Erfindung darin, dass durch den Wechsel zwischen einem inaktiven und einem aktiven Zustand und durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen unterschiedliche Funktionen erfüllt werden können. Both the enrichment, as well as the transport through the separating element 101 through and also an optionally provided lysis or electroporation of the cell particles 104 is done with the help of planar, integrated in the microsystem electrodes 118 controlled. It is an essential idea of the present invention is that by the change between an inactive and an active state and by applying different Voltages different functions can be met.

Eine erste Ausführungsform und ein erster Betriebsmodus des Analytgewinnungsmoduls 114 gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf 3 und 4 erläutert. Das Analytgewinnungsmodul 114 besitzt eine Abreicherungskammer 105 mit einem Einlass 108 und einem Ablauf 110, wobei eine Wandung der Abreicherungskammer 105 durch eine Separationsstrecke, beispielsweise eine Gelmatrix, gebildet ist. Die Ausgangsseite der Gelmatrix grenzt an die Sammelkammer 106. Erfindungsgemäß besitzt das Analytgewinnungsmodul 114 gemäß einer ersten Ausführungsform drei Elektroden 118a bis 118c, von denen die schwarz ausgefüllt dargestellten Elektroden 103 jeweils aktiv sind und die gepunktet dargestellte Elektrode inaktiv ist (Bezugszeichen 102). A first embodiment and a first mode of operation of the analyte recovery module 114 according to the present invention will be described below with reference to 3 and 4 explained. The analyte recovery module 114 has a depletion chamber 105 with an inlet 108 and a process 110 wherein a wall of the depletion chamber 105 is formed by a separation path, for example a gel matrix. The exit side of the gel matrix is adjacent to the collection chamber 106 , According to the invention, the analyte extraction module has 114 According to a first embodiment, three electrodes 118a to 118c of which are the electrodes filled in black 103 are active and the dotted electrode is inactive (reference numeral 102 ).

Wie in 3 gezeigt, vereint das Modul 114 ein Anreicherungsmodul mit einem Extraktionschip beispielsweise für Zellpartikel, Proteine oder Nukleinsäuren. Auf ein und demselben Chip wird zunächst, wie in 3 gezeigt, während des Durchflusses an dem Auftrennelement 101 eine Anreicherung der zu detektierenden Zellpartikel 104 durchgeführt. Dabei wird an die Elektroden 118a und 118c eine Spannung angelegt, die dazu geeignet ist, die Zellpartikel 104 in Richtung auf die Grenzfläche der Gelmatrix 101 zu beschleunigen und dort festzuhalten. Gemäß einer ersten Betriebsweise der erfindungsgemäßen Anordnung kann vorgesehen sein, dass die Gelmatrix 101 nur als Halteoberfläche für die zu untersuchenden Zellpartikel dient, und nach einem gegebenenfalls vorgesehenen ausreichenden Inkubieren zum Vermehren von lebenden Zellen, bei dem der Durchfluss zwischen Zufluss 108 und Abfluss 110 gestoppt wird, eine Elution über den Ablauf 110 erfolgt. Normalerweise werden jedoch in einem nächsten Schritt die geldurchgängigen zu analysierenden Partikel durch die Gelmatrix 101 hindurch extrahiert. As in 3 shown, unites the module 114 an enrichment module with an extraction chip, for example for cell particles, proteins or nucleic acids. On the same chip is first, as in 3 shown during the flow at the separating element 101 an enrichment of the cell particles to be detected 104 carried out. It is to the electrodes 118a and 118c applied a voltage that is suitable to the cell particles 104 towards the interface of the gel matrix 101 to accelerate and hold on there. According to a first mode of operation of the arrangement according to the invention it can be provided that the gel matrix 101 serves only as a holding surface for the cell particles to be examined, and after an optionally provided sufficient incubation for the propagation of living cells, in which the flow between inflow 108 and drain 110 is stopped, an elution over the expiration 110 he follows. Usually, however, in a next step, the pervious particles to be analyzed are passed through the gel matrix 101 extracted through.

Alternativ zu dieser einstufigen Extraktion kann auch, wie in 4 gezeigt, eine direkte Abreicherung im Durchfluss mit Hilfe einer Free-Flow-Elektrophorese im Gleichstrommodus folgen. Während des Durchflusses werden kleinere geladene Partikel aus einer Probe, wie beispielsweise freie µRNA in einer Plasmamatrix an der Grenzfläche zur Extraktionsstrecke angereichert und durch die Extraktionsstrecke 101 hindurch in die Sammelkammer 106 transportiert. As an alternative to this one-stage extraction can also, as in 4 shown to follow a direct depletion in the flow using a free-flow electrophoresis in the DC mode. During the flow, smaller charged particles from a sample, such as free μRNA, are enriched in a plasma matrix at the interface to the extraction section and through the extraction pathway 101 through into the collection chamber 106 transported.

Wie in 5 gezeigt, kann aber alternativ auch der Fluss gestoppt werden und anschließend eine gepulste Abreicherung in die Sammelkammer 106 hinein erfolgen. Dies kann auch ohne elektrischen Stromfluss erfolgen. Möchte man andererseits die größeren Komponenten, beispielsweise Proteine, analysieren und kleinere Komponenten davon abtrennen, so kann eine Gelpermeationsmatrix in der Extraktionsstrecke 101 vorgesehen sein, sodass die Sammelkammer 106 dann zunächst zu einer Abfallkammer wird. Ansonsten besteht die Separationsstrecke üblicherweise aus einem Hydrogel, beispielsweise Polyacrylamid, kann aber mit Separationsmatrizen belegt werden. As in 5 Alternatively, the flow can be stopped and then a pulsed depletion into the collection chamber 106 into it. This can also be done without electrical current flow. On the other hand, if one wishes to analyze the larger components, for example proteins, and separate off smaller components thereof, a gel permeation matrix may be present in the extraction section 101 be provided so that the collection chamber 106 then first to a waste chamber. Otherwise, the separation section usually consists of a hydrogel, for example polyacrylamide, but can be coated with separation matrices.

Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Konzepts ist in den 6 und 7 dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform besitzt das Analytgewinnungsmodul 114 eine beispielsweise zentral angeordnete Abreicherungskammer 105 (die somit als Sammelkammer fungiert), die an zwei Seiten an jeweils ein Auftrennelement 101a, 101b grenzt. An advantageous development of this concept is in the 6 and 7 shown. According to this embodiment, the analyte recovery module has 114 an example, centrally arranged depletion chamber 105 (which thus acts as a collection chamber), which on two sides to a respective separation element 101 . 101b borders.

Durch entsprechende Ansteuerung der Elektroden 118a und 118c können Biopartikel 104 mit gegensätzlichen Polaritäten an den zwei Gelfronten während des Durchflusses akkumuliert werden. Abschließend können sie direkt extrahiert werden oder es können, wie in 7 dargestellt, unterschiedlich geladene kleinere Partikel im Vorbeifluss mit Free-Flow-Elektrophorese im DC-Modus in zwei Richtungen geführt werden. Gemäß dieser Ausführungsform sind dann zwei Sammelkammern 106a und 106b vorgesehen. By appropriate control of the electrodes 118a and 118c can be bioparticles 104 be accumulated with opposite polarities at the two gel fronts during the flow. Finally, they can be extracted directly or it can, as in 7 shown differently charged smaller particles in the free flow electrophoresis in DC mode in two directions. According to this embodiment, then two collection chambers 106a and 106b intended.

8 zeigt wiederum die Modulanordnung aus 3 bis 5 und es soll nachfolgend die Betriebsweise des Moduls für den Fall erläutert werden, dass eine zusätzliche Lyse der Zellpartikel 104 durchgeführt wird. 8th again shows the module assembly 3 to 5 and it will be explained below, the operation of the module in the event that an additional lysis of the cell particles 104 is carried out.

Erfindungsgemäß wird die Ansteuerung der Elektroden gezielt verändert. Insbesondere werden die Elektroden 118a und 118c zunächst so mit einem Gleichspannungspotential beaufschlagt, so dass die geladenen Zellen sich an der Grenzfläche zum Auftrennelement 101 anlagern. Anschließend wird der Durchfluss gestoppt und es wird zwischen die Elektroden 118b und 118c eine Wechselspannung angelegt, die zur Lyse der angereicherten Zellen führt. Das heißt, die während der Anreicherung inaktive Elektrode 118b ändert ihren Status und wird zu einer aktiven Elektrode 103, während die Elektrode 118a nunmehr eine inaktive Elektrode 102 ist. According to the invention, the control of the electrodes is selectively changed. In particular, the electrodes 118a and 118c initially charged with a DC potential, so that the charged cells at the interface to the separating element 101 attach. Then the flow is stopped and it gets between the electrodes 118b and 118c an alternating voltage is applied, which leads to the lysis of the enriched cells. That is, the inactive during the enrichment electrode 118b changes its status and becomes an active electrode 103 while the electrode 118a now an inactive electrode 102 is.

Anschließend, sobald die Lyse abgeschlossen ist, wird die Ansteuerung der Elektroden wiederum geändert, so dass nunmehr in der Auftrennstrecke 101 die verschiedenen Bestandteile des Lysats, wie Zucker, Proteine und Nukleinsäuren, elektrophoretisch aufgetrennt werden können. Die aufgereinigten Nukleinsäuren können dann in der Sammelkammer entweder detektiert oder eluiert werden. Subsequently, as soon as the lysis is completed, the control of the electrodes is again changed so that now in the separation distance 101 the various components of the lysate, such as sugars, proteins and nucleic acids, can be separated by electrophoresis. The purified nucleic acids can then be either detected or eluted in the collection chamber.

Für manche Anwendungsfälle ist es besser, die Zellen nicht komplett zu lysieren, sondern lediglich mit Hilfe einer Elektroporation zu öffnen. Für eine Elektroporation der Zellpartikel sind sehr hohe Feldstärken und damit vorzugsweise sehr geringe Elektrodenabstände erforderlich. Um diese geringen Abstände zu ermöglichen, wird, wie in 11 gezeigt, zunächst an der Grenzfläche zur Separationsstrecke 101 ein homogener und über eine definierte Strecke verteilter Bakterienfilm aufkonzentriert. Im Gegensatz zu den vorigen Ausführungsformen ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Elektrodenpaar 118b, 118d in unmittelbarer Nähe der Anreicherungsoberfläche platziert und bleibt während des Anreicherungsschrittes inaktiv (Bezugszeichen 102). For some applications, it is better not to completely lyse the cells, but rather only with the help of an electroporation to open. For electroporation of the cell particles very high field strengths and thus preferably very small electrode distances are required. To enable these small distances, as in 11 shown, first at the interface to the separation line 101 a homogeneous and distributed over a defined distance bacterial film concentrated. In contrast to the previous embodiments, according to the present embodiment, a pair of electrodes 118b . 118d placed in the immediate vicinity of the enrichment surface and remains inactive during the enrichment step (reference numeral 102 ).

Wie in 12 gezeigt, wird nach erfolgter Anreicherung bei Gleichspannung zwischen den Elektroden 118a und 118c die Ansteuerung der Elektroden so geändert, dass zwischen den Elektroporationselektroden 118b und 118d eine ausreichend große Gleichspannung anliegt. Neben den hier gezeigten balkenförmigen Elektrodengeometrien können in vorteilhafter Weise auch andere Geometrien verwendet werden, wie beispielsweise eine Sägezahnstruktur, die jeweils in den Spitzen durch Bündelung der Feldlinien die erforderlichen äußerst hohen Feldstärken erzeugt. As in 12 is shown after accumulation at DC voltage between the electrodes 118a and 118c the driving of the electrodes changed so that between the electroporation electrodes 118b and 118d a sufficiently large DC voltage is applied. In addition to the beam-shaped electrode geometries shown here, other geometries can be used in an advantageous manner, such as a sawtooth structure, which generates the required extremely high field strengths in the tips by bundling the field lines.

Wurden die Zellen dann ausreichend lysiert oder haben sie einen ausreichenden Teil ihres Inhalts durch die erzeugten Poren an das Lysat abgegeben, so können die Analytmoleküle ohne Verzögerung aufgereinigt werden. Hierzu wird, wie in 13 gezeigt, wiederum mit Hilfe der Elektroden 118a und 118c ein elektrisches Feld erzeugt, das nach dem bekannten Prinzip der Gelelektrophorese die Analytmoleküle aus dem Lysat entfernt und in die Sammelkammer 106 führt. When the cells have been sufficiently lysed or have delivered a sufficient portion of their contents to the lysate through the generated pores, the analyte molecules can be purified without delay. For this purpose, as in 13 shown, again with the help of the electrodes 118a and 118c generates an electric field which, according to the known principle of gel electrophoresis, removes the analyte molecules from the lysate and into the collection chamber 106 leads.

Das Analytgewinnungsmodul 114 gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich aber auch umgekehrt dazu verwenden, Zellen einer Elektroporation zu unterwerfen und anschließend Nukleinsäuren oder Nanopartikel zur Transformation dieser Zellen in die Zellen einzuschleusen. Wie in 14 gezeigt, werden nach Anreicherung der Zellpartikel an der Gelmatrix zum Beispiel ein Nukleinsäurehaltiges Fluid zugegeben, und durch eine Elektrode für eine Elektroporation der Zellpartikel vorbereitet. 15 zeigt den Vorgang der Elektroporation, bei der die Nukleinsäuren in die Zelle eingelagert wurden. The analyte recovery module 114 However, in accordance with the present invention, it is also possible, conversely, to subject cells to electroporation and then to introduce nucleic acids or nanoparticles for transforming these cells into the cells. As in 14 For example, after the cell particles are accumulated on the gel matrix, a nucleic acid-containing fluid is added and prepared by an electrode for electroporation of the cell particles. 15 shows the process of electroporation, in which the nucleic acids were incorporated into the cell.

Anschließend werden die Elektroden 118b und 118c wieder inaktiviert, die Polarität der zwischen den Elektroden 118a und 118c anliegenden Spannung wird im Vergleich zur Anreicherung umgepolt und die transformierten Zellen 104 können durch den Ablauf 110 resuspendiert und abgeführt werden. Subsequently, the electrodes 118b and 118c again inactivates the polarity of the between the electrodes 118a and 118c applied voltage is reversed compared to the accumulation and the transformed cells 104 can through the process 110 be resuspended and removed.

Das Prinzip der Elektroporation und anschließenden Analyse lässt sich gemäß einer weiteren Ausführungsform ebenfalls in zwei Richtungen erweitern. Dies ist in den 18 bis 20 illustriert. Gemäß dieser Ausführungsform werden die Zellpartikel zunächst an zwei Gelmatrizen 101 während des Durchflusses angereichert, wobei für die Elektroporation zusätzliche Elektroden 118d, 118e vorgesehen sind, so dass an jeder Anreicherungsoberfläche ein Porationselektrodenpaar mit geringem Elektrodenabstand ausgebildet ist. Wie in 19 gezeigt, wird die äußere Elektrode 118c sowohl zur Elektroporation wie auch für die Elektrophorese genutzt. Wiederum werden die Nukleinsäuren durch Elektroporation herausgelöst und anschließend durch entsprechendes Aktivieren der Elektroden 118a und 118c in die Sammelkammer 106 befördert. The principle of electroporation and subsequent analysis can also be extended in two directions according to another embodiment. This is in the 18 to 20 illustrated. According to this embodiment, the cell particles are first attached to two gel matrices 101 enriched during the flow, wherein for electroporation additional electrodes 118d . 118e are provided, so that at each enrichment surface a Porationselektrodenpaar is formed with a small electrode spacing. As in 19 shown is the outer electrode 118c used both for electroporation and for electrophoresis. Again, the nucleic acids are eluted by electroporation and then by appropriate activation of the electrodes 118a and 118c in the collection chamber 106 promoted.

Selbstverständlich lässt sich auch die Elektrodenanordnung der 18 bis 20 für die oben beschriebene Zelltransformation verwenden, bei der Stoffe in die Zellen eingeschleust werden. Of course, the electrode arrangement of the 18 to 20 for the cell transformation described above, in which substances are introduced into the cells.

Die Doppelelektrodenanordnung der 18 bis 20 lässt sich selbstverständlich auch mit dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel kombinieren. The double electrode arrangement of 18 to 20 Of course you can also use the in 7 combined embodiment shown.

Zusammenfassend besitzt das Analytgewinnungsmodul 114 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Abreicherungskammer, in der über integrierte Elektroden ein elektrisches Feld erzeugt wird. Die Zellpartikel werden aufgrund ihrer Membranladung unspezifisch aus der Richtung des Flusses zwischen Zufluss und Abfluss abgelenkt und lagern sich an der Oberfläche eines Auftrennelements, beispielsweise an einem Polyacrylamidgel an. Dadurch wird eine homogen verteilte Schicht aus Bakterien auf der ganzen Länge der Gelgrenzfläche erzeugt. In summary, the analyte extraction module has 114 according to the present invention, a depletion chamber in which an electric field is generated via integrated electrodes. Due to their membrane charge, the cell particles are nonspecifically deflected from the direction of the flow between inflow and outflow and accumulate on the surface of a separation element, for example on a polyacrylamide gel. This produces a homogeneously distributed layer of bacteria along the entire length of the gel interface.

Das Ergebnis dieser Anreicherung ist eine kompakte Akkumulation von Bakterien an einer definierten Oberfläche, beispielsweise einem Hydrogel. Diese Anreicherung besitzt wie erwähnt eine geringe Selektivität, so dass auch unbekannte und vermischte Zellen für eine Gesamtanalyse in einem gemeinsamen Schritt angereichert werden können. Selbstverständlich kann aber diese unspezifische Akkumulation auch durch eine spezifische ersetzt oder ergänzt werden, indem spezifisch wechselwirkende Komponenten an der Akkumulationsoberfläche positioniert werden. Darüber hinaus können auch verschiedene Gelkombinationen zur Akkumulation verschiedener Partikel vorgesehen sein. Insbesondere kann auch eine in den Figuren nicht gezeigte Kaskadierung mehrerer Kammern, die durch Gele getrennt sein können, mit jeweils spezifischen Anreicherungsmodulen und einem eigenen Probeentnahme- oder Analyseteil, vorgesehen sein. The result of this enrichment is a compact accumulation of bacteria on a defined surface, such as a hydrogel. As mentioned, this enrichment has a low selectivity, so that even unknown and mixed cells can be enriched for a total analysis in a single step. Of course, however, this nonspecific accumulation can also be replaced or supplemented by a specific one by positioning specifically interacting components on the accumulation surface. In addition, various gel combinations may also be provided for the accumulation of different particles. In particular, a cascading, not shown in the figures, of several chambers, which may be separated by gels, each with specific enrichment modules and a separate sampling or analysis part may be provided.

In vorteilhafter Weise benötigt der elektrophoretische Ansatz keine beweglichen Teile, wie Ventile oder Zentrifugen. Besondere Vorteile bietet das erfindungsgemäße System im Hinblick auf die Extraktion von Nukleinsäuren durch Elektroporation. Mit dieser Anordnung wird eine sehr kompakte, relativ homogene Bakterienakkumulation an der Gelgrenze oder sonstigen Oberfläche erzeugt. Dies ermöglicht einen geringen, für diese Art der Nukleinsäuregewinnung und insbesondere die Elektroporation vorteilhaften Elektrodenabstand. Ein Ablösen der konzentrierten Schicht von der Gelgrenze durch eine Spannungsumkehrung ist möglich. Advantageously, the electrophoretic approach requires no moving parts, such as valves or centrifuges. This offers special advantages inventive system with respect to the extraction of nucleic acids by electroporation. With this arrangement, a very compact, relatively homogeneous bacteria accumulation is produced at the gel border or other surface. This allows a low, for this type of nucleic acid recovery and in particular the electroporation advantageous electrode spacing. A detachment of the concentrated layer from the gel boundary by a voltage reversal is possible.

Es kann alternativ auch nur ein Teil der möglichen Prozessierung durchgeführt werde, z. B. zum Extrahieren von µRNA oder Toxine aus Blutplasma, vorteilhafter Weise direkt im Durchflussbetrieb. In seiner grundlegenden Ausführungsform besitzt das System zumindest eine Kammer, die zumindest durch eine Geloberfläche, deren Poren kleiner als die Zelldurchmesser sind, abgegrenzt wird und mindestens einen Zu- und Ablaufkanal hat. Die Kanäle bilden ein Durchflusssystem, durch welches es möglich ist, auch Proben vom Vielfachen des Kammervolumens anzureichern. Zur Anreicherung wird über die Elektroden ein elektrisches Feld erzeugt, so dass Zellen/Partikel aus der Probe durch ihre Ladung in Richtung der Gelgrenze beschleunigt werden. Dort lagern sich die Zellen in einer meist mehrlagigen Schicht während des gesamten Probendurchflusses über kontinuierlich ab. Durch Vorsehen zusätzlicher Gelgrenzen können auch Zellen umgekehrter Polarität angereichert werden und es kann dadurch bei Bedarf eine Trennung dieser zwei grundlegenden Zelltypen erreicht werden. Die angereicherten Zellen werden erfindungsgemäß direkt im Anschluss an die Anreicherung oder auch während der Anreicherung selbst lysiert. Alternatively, only a part of the possible processing can be carried out, for. B. for extracting μRNA or toxins from blood plasma, advantageously directly in flow mode. In its basic embodiment, the system has at least one chamber, which is delimited at least by a gel surface, whose pores are smaller than the cell diameter, and has at least one inlet and outlet channel. The channels form a flow-through system through which it is possible to enrich even samples of multiples of the chamber volume. For enrichment, an electric field is generated via the electrodes, so that cells / particles are accelerated out of the sample by their charge in the direction of the gel boundary. There, the cells deposit in a mostly multilayered layer during the entire sample flow over continuously. By providing additional gel boundaries, cells of reversed polarity can also be enriched and, if necessary, a separation of these two basic cell types can be achieved. The enriched cells are lysed according to the invention directly after the enrichment or even during the enrichment itself.

Die Lyse kann, wie beispielsweise in der internationalen veröffentlichten Anmeldung WO 2008/049638 A1 beschreiben, unter Nutzung der durch angelegte Wechselspannung erzeugten Jouleschen Wärme oder wie erwähnt durch Elektroporation der Zellwände erfolgen. The lysis may be as described, for example, in the international published application WO 2008/049638 A1 describe using the Joule heat generated by applied AC voltage or as mentioned by electroporation of the cell walls.

Weiterhin können auch andere geeignete Verfahren zum Lysieren der Zellpartikel gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. So sind z. B. aus den Veröffentlichungen

  • Dino Di Carlo, Ki-Hun Jeong and Luke P. Lee: “Reagentless mechanical cell lysis by nanoscale barbs in microchannels for sample preparation“, Lab Chip, 2003, 3, 287–291 ,
  • Matthias Wurm and An-Ping Zeng: “Mechanical disruption of mammalian cells in a microfluidic system and its numerical analysis based on computational fluid dynamics”, Lab Chip, 2012, 12, 1071 ,
  • Institut für Bioprozess- und Biosystemtechnik der TUHH: „Mechanischer Aufschluss von eukaryontischen Zellen“, herunterzuladen von http://www.spe.tuharburg.de/de/forschung/biopartikel.html
so genannte Nanomesseranordnungen bekannt, die in dem mikrofluidischen Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung integriert werden können. Furthermore, other suitable methods for lysing the cell particles according to the present invention may be used. So z. B. from the publications
  • Dino Di Carlo, Ki-Hun Jeong and Luke P. Lee: "Reagentless mechanical cell lysis by nanoscale barbs in microchannels for sample preparation", Lab Chip, 2003, 3, 287-291 .
  • Matthias Wurm and An-Ping Zeng: "Mechanical disruption of mammalian cells in a microfluidic system and its numerical analysis based on computational fluid dynamics", Lab Chip, 2012, 12, 1071 .
  • Institute for Bioprocess and Biosystems Technology of the TUHH: "Mechanical digestion of eukaryotic cells", downloadable from http://www.spe.tuharburg.de/de/forschung/biopartikel.html
So-called nano-knife arrangements are known, which can be integrated in the microfluidic component according to the present invention.

Anschließend erfolgt erfindungsgemäß eine Aufreinigung der lysierten Komponenten, eine anschließende Detektion der Biomoleküle oder auch eine Elution oder sonstige Weiterverarbeitung der Extrakte. Dabei dient vorzugsweise dieselbe Elektrodenkonfiguration, die zur Anreicherung verwendet wurde, auch als Separationselektrodenpaar. Subsequently, according to the invention, a purification of the lysed components, a subsequent detection of the biomolecules or else an elution or other further processing of the extracts. In this case, preferably the same electrode configuration that was used for the enrichment also serves as the separation electrode pair.

Umpolungsvorgänge der Elektrodenpotentiale können außerdem auf vorteilhafte Weise dazu genutzt werden, die angereicherte Zellpartikelschicht aufzulockern, um Verklumpungen oder Verstopfungen zu vermeiden. Umpolungsvorgänge the electrode potentials can also be used in an advantageous manner to loosen the enriched cell particle layer in order to avoid clumping or clogging.

Selbstverständlich kann aber auch mindestens eine entsprechende Pumpe, insbesondere Mikropumpe, und mindestens ein Ventil vorgesehen sein, um ein geeignetes Druckgefälle aufzubauen. Of course, however, at least one corresponding pump, in particular a micropump, and at least one valve may be provided in order to build up a suitable pressure gradient.

Das erfindungsgemäße System erlaubt also eine schnelle kostengünstige und effiziente Analyse von biologischem Material, indem es die Anreicherung, besonders eine unspezifische Anreicherung, mit einer Lyse und Aufreinigung vollständig automatisierbar und mit einem Integrationsgrad, der eine Mobilität auch außerhalb des Labors gestattet, zur Verfügung stellt. Thus, the system according to the invention allows a rapid, cost-effective and efficient analysis of biological material by making the enrichment, especially a nonspecific enrichment, completely automatable with lysis and purification and with a degree of integration which also allows mobility outside the laboratory.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • US 8097140 B2 [0007] US8097140 B2 [0007]
  • DE 10149803 A1 [0008] DE 10149803 A1 [0008]
  • EP 2213364 A1 [0029] EP 2213364 A1 [0029]
  • DE 102006050871 B1 [0052] DE 102006050871 B1 [0052]
  • WO 2008/049638 A1 [0084] WO 2008/049638 A1 [0084]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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  • Matthias Wurm and An-Ping Zeng: “Mechanical disruption of mammalian cells in a microfluidic system and its numerical analysis based on computational fluid dynamics”, Lab Chip, 2012, 12, 1071 [0085] Matthias Wurm and An-Ping Zeng: "Mechanical disruption of mammalian cells in a microfluidic system and its numerical analysis based on computational fluid dynamics", Lab Chip, 2012, 12, 1071 [0085]
  • Institut für Bioprozess- und Biosystemtechnik der TUHH: „Mechanischer Aufschluss von eukaryontischen Zellen“, herunterzuladen von http://www.spe.tuharburg.de/de/forschung/biopartikel.html [0085] Institute for Bioprocess and Biosystems Technology of TUHH: "Mechanical Digestion of Eukaryotic Cells", download from http://www.spe.tuharburg.de/de/forschung/biopartikel.html [0085]

Claims (18)

Integriertes mikrofluidisches Bauteil umfassend: mindestens eine Abreicherungskammer (105) mit mindestens einem Einlass (108) zum Einleiten eines zu prozessierenden Fluids und mit mindestens einem Auslass (110) zum Abführen des abgereicherten Fluids, wobei der Einlass (108) und der Auslass (110) so angeordnet sind, dass ein Fluidstrom zwischen dem Einlass (108) und dem Auslass (110) fließen kann; mindestens ein Auftrennelement (101), das mit mindestens einer Oberfläche die Abreicherungskammer (105) begrenzt; mindestens eine Sammelkammer (106) zum Aufnehmen der angereicherten und durch das Auftrennelement (101) aufgereinigten Bestandteile des zu prozessierenden Fluids, wobei die Sammelkammer (106) über das Auftrennelement (101) so mit der Abreicherungskammer (105) verbunden ist, dass ein Transport zwischen der Abreicherungskammer (105) und der Sammelkammer (106) durch das Auftrennelement (101) hindurch erfolgen kann. Integrated microfluidic component comprising: at least one depletion chamber ( 105 ) with at least one inlet ( 108 ) for introducing a fluid to be processed and at least one outlet ( 110 ) for discharging the depleted fluid, wherein the inlet ( 108 ) and the outlet ( 110 ) are arranged so that a fluid flow between the inlet ( 108 ) and the outlet ( 110 ) can flow; at least one separating element ( 101 ) having at least one surface the depletion chamber ( 105 ) limited; at least one collecting chamber ( 106 ) for receiving the enriched and by the separating element ( 101 ) purified components of the fluid to be processed, the collection chamber ( 106 ) over the separating element ( 101 ) so with the depletion chamber ( 105 ), that a transport between the depletion chamber ( 105 ) and the collection chamber ( 106 ) by the separating element ( 101 ) can be done through. Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei das Auftrennelement (101) eine Gelfiltrationsstrecke mit Poren von einer Größe aufweist, die kleiner ist als ein Durchmesser der anzureichernden Bestandteile. Integrated microfluidic component according to claim 1, wherein the separating element ( 101 ) has a gel filtration path having pores of a size smaller than a diameter of the components to be enriched. Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Auftrennelement (101) eine Gelpermeations-Chromatographie-Strecke mit Poren von einer Größe aufweist, die größer ist als ein Durchmesser der anzureichernden Bestandteile. Integrated microfluidic component according to claim 1 or 2, wherein the separating element ( 101 ) has a gel permeation chromatographic stretch having pores of a size greater than a diameter of the constituents to be enriched. Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Auftrennelement (101) eine Flüssigkeit zum Durchführen einer Flüssig-Flüssig-Trennung aufweist. Integrated microfluidic component according to one of the preceding claims, wherein the separating element ( 101 ) has a liquid for performing a liquid-liquid separation. Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: mindestens eine erste und eine zweite Elektrode zum Anlegen einer ersten Spannung, die ein elektrisches Feld erzeugt, durch das in dem Fluid enthaltene elektrisch geladene oder polarisierbare Bestandteile beim Strömen des Fluids durch die Abreicherungskammer (105) in Richtung auf die Oberfläche des Auftrennelements (101) beschleunigt werden.An integrated microfluidic device according to any one of the preceding claims, further comprising: at least first and second electrodes for applying a first voltage generating an electric field through the electrically charged or polarizable components contained in the fluid as the fluid passes through the depletion chamber (16). 105 ) in the direction of the surface of the separating element ( 101 ) are accelerated. Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein steuerbares oder permanentes Magnetfeld und/oder ein Druckgefälle vorgesehen ist, um Zellpartikel beim Strömen des Fluids durch die Abreicherungskammer (105) in Richtung auf die Oberfläche des Auftrennelements (101) zu beschleunigen. Integrated microfluidic component according to one of the preceding claims, wherein a controllable or permanent magnetic field and / or a pressure gradient is provided in order to remove cell particles as the fluid flows through the depletion chamber (FIG. 105 ) in the direction of the surface of the separating element ( 101 ) to accelerate. Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Auftrennelement (101) mit mindestens einer Komponente versehen ist, die spezifisch mit einem anzureichernden Bestandteil des Fluids wechselwirkt. Integrated microfluidic component according to one of the preceding claims, wherein the at least one separating element ( 101 ) is provided with at least one component which interacts specifically with a component of the fluid to be enriched. Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abreicherungskammer (105) mindestens eine Phaseguide-Struktur zum Führen des Meniskus einer Phasengrenze beim Befüllen oder Entleeren des mikrofluidischen Bauteils (100) aufweist. Integrated microfluidic component according to one of the preceding claims, wherein the depletion chamber ( 105 ) at least one phase guide structure for guiding the meniscus of a phase boundary during filling or emptying of the microfluidic component ( 100 ) having. Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Fließrichtung des Fluidstroms zwischen dem Einlass (108) und dem Auslass (110) der Abreicherungskammer (105) quer zu einer Transportrichtung zwischen der Abreicherungskammer (105) und der Sammelkammer (106) verläuft. Integrated microfluidic component according to one of the preceding claims, wherein a flow direction of the fluid flow between the inlet ( 108 ) and the outlet ( 110 ) of the depletion chamber ( 105 ) transversely to a transport direction between the depletion chamber ( 105 ) and the collection chamber ( 106 ) runs. Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von Abreicherungskammern (105) kaskadiert hintereinander angeordnet sind, die jeweils durch spezifisch anreichernde Gele voneinander getrennt sind. Integrated microfluidic component according to one of the preceding claims, wherein a plurality of depletion chambers ( 105 ) are arranged in cascade one behind the other, each separated by specific enriching gels. Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an zwei gegenüberliegenden Seiten der Abreicherungskammer (105) jeweils mindestens ein Auftrennelement (101) und, damit verbunden, je eine Sammelkammer (106) angeordnet sind, und wobei eine erste und eine zweite Elektrode jeweils in einer Sammelkammer (106) angeordnet sind, so dass anzureichernde Bestandteile des Fluids mit unterschiedlicher elektrischer Polarität an jeweils unterschiedlichen Auftrennelementen (101) angereichert werden. Integrated microfluidic component according to one of the preceding claims, wherein on two opposite sides of the depletion chamber ( 105 ) at least one separating element ( 101 ) and, associated therewith, one collecting chamber each ( 106 ) are arranged, and wherein a first and a second electrode in each case in a collecting chamber ( 106 ) are arranged so that to be enriched components of the fluid with different electrical polarity at each different separation elements ( 101 ) are enriched. Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: mindestens Elektrodenpaar zum Erzeugen eines elektrischen Feldes erzeugt, das zur Lyse oder Elektroporation der angereicherten Bestandteile führt. An integrated microfluidic device according to any one of the preceding claims, further comprising: generates at least electrode pair for generating an electric field, which leads to the lysis or electroporation of the enriched components. Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach Anspruch 12, wobei die mindestens eine Elektrode an der Grenzfläche zwischen der Abreicherungskammer (105) und dem Auftrennelement (101) angeordnet ist. The integrated microfluidic device of claim 12, wherein the at least one electrode is located at the interface between the depletion chamber (16). 105 ) and the separating element ( 101 ) is arranged. Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Sammelkammer (106) weiterhin eine Detektionseinheit zum Detektieren der aufgereinigten Bestandteile angeordnet ist. Integrated microfluidic component according to one of the preceding claims, wherein at the collecting chamber ( 106 ) is further arranged a detection unit for detecting the purified components. Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens eine Reagenzienkammer zum Einspeisen weiterer Reagenzien in die Sammelkammer (106). An integrated microfluidic device according to any one of the preceding claims, further comprising at least one reagent chamber for introducing further reagents into the collection chamber ( 106 ). Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als mikromechanisch hergestellter einteiliger, im wesentlichen ebener Chip ausgebildet ist. Integrated microfluidic component according to one of the preceding claims, which is designed as a micromechanically produced one-piece, substantially planar chip. Verwendung des integrierten mikrofluidischen Bauteil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Anreichern von Zellen und/oder Zellpartikel, wobei die aufgereinigten, in der mindestens einen Sammelkammer (106) gewonnenen Bestandteile Nukleinsäuremoleküle umfassen. Use of the integrated microfluidic component ( 100 ) according to one of the preceding claims for enriching cells and / or cell particles, wherein the purified, in the at least one collecting chamber ( 106 ) include nucleic acid molecules. Verwendung nach Anspruch 17, wobei in dem mikrofluidischen Bauteil (100) weiterhin ein Inkubationsschritt durchgeführt wird, um die Zellen zu vermehren. Use according to claim 17, wherein in the microfluidic component ( 100 ), an incubation step is further performed to proliferate the cells.
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