微流體系統中的磁性粒子的彌散和積聚的製作方法
2023-06-01 15:40:12
技術領域
本發明涉及一種用於處理含磁性粒子的流體的微流體系統。而且，本發明涉及用於在該微流體系統中分別實現磁性粒子系綜（ensemble）的彌散和積聚的方法。
背景技術：
WO 2010/070461 A1公開了一種微流體裝置，該微流體裝置包括用於液體的磁性毛細管閥，該液體具有包括磁性粒子的可觀的表面張力。該裝置包括各自具有功能化表面的至少兩個平面固體基底，其中至少第一固體基底具有包括由至少一個疏水區域彼此分離的至少兩個親水區域的圖案化表面（同時參閱Remco C. den Dulk、Kristiane A. Schmidt、Gwenola Sabatte、Susana Liebana、Menno W. J. Prins的：「用於核酸和蛋白質的集成淨化和濃縮的磁性毛細管閥（Magneto-capillary valve for integrated purification and enrichment of nucleic acids and proteins）」，Lab Chip, 2013, 13, 106）。
技術實現要素：
鑑於該背景，本發明的一個目的是提供在包括磁性毛細管閥的系統中允許多樣化處理磁性粒子的裝置，同時能夠對系統進行緊湊設計。
通過根據權利要求1所述的微流體系統、根據權利要求8所述的方法和根據權利要求12所述的方法實現該目的。在從屬權利要求中公開了優選實施例。
根據第一方面，本發明的實施例涉及一種用於處理含磁性粒子的流體的系統，所述系統包括以下組件：
a）設置為包括第一流體的至少兩個室；
b）與所述兩個室連通並且設置為包括第二流體的至少一個通道，其中，在第一流體與第二流體之間的兩個流體界面處產生非零表面張力；
c）具有以下特徵的磁性源：
磁性源設置為提供至少兩個分離的磁性梯度區，以將所述各室中的（至少）一個室的流體中存在的磁性粒子吸引至這些區中；
這些梯度區中的一個梯度區的至少一部分可將磁吸力施加至所述磁性粒子的至少一部分上，所述磁吸力足夠高以允許將所述磁性粒子推動和/或拉動通過所述兩個流體界面。
術語「磁性粒子」應該包括永磁性粒子以及可磁化粒子二者，例如超順磁珠。磁性粒子的大小通常在3 nm與50 μm之間的範圍內。而且，磁性粒子可包括令人感興趣的結合目標組分。
所述至少兩個室和關聯的通道通常實現在一體的微流體裝置（或容納盒）中，其中，磁性源是與所述裝置分離的組件。室和通道通常可具有任意形狀。通常，室將具有允許容納大量流體的緊湊形狀，例如立方體形狀。室的容積通常在約1微升與約1000微升之間的範圍內。通道將通常具有細長形狀，具有比關聯的室的容積小（得多）的容積。通道通常沿著直線連接所述兩個室。
室和通道各自可具有功能化表面，從而室中的親水區域通過通道的疏水區域彼此分離（或者反之亦然）。可在WO 2010/070461 Al中找到關於這種實施例的更多細節。
所述兩個室中的第一流體和通道中的第二流體可為相同類型的，或者它們中的一些或全部可為不同類型。第一流體中的每一個產生朝著容納於通道中的第二流體的各流體界面（彎月面）之一。因此，所述界面通常位於室連接至通道的區中。例如，當第一流體與第二流體不相溶時，可實現第一流體與第二流體之間的非零表面張力的產生。可在WO 2011/042828 Al中找到關於這種實施例的更多細節。
通過磁性源的磁特性確定「磁性梯度區」，即，磁性梯度區的定位通常相對於所述源是固定的。當源布置為鄰近於室或者通道時，所述磁性梯度區的至少一部分將到達所述室或通道中，從而導致對位於所述室或通道中的磁性粒子的磁吸力的產生。
通常，每個磁體在周圍空間中產生磁場，對於該周圍空間關聯的磁性梯度在一些位置呈現最大值。「梯度區」在此語境中可定義為空間中的那些區，在那些區中磁性梯度的值在所述最大值的約70%以上的範圍內，優選地在約80%以上的範圍內。在微流體系統的許多實際應用中，「梯度區」可定義為空間中的那些區，在那些區中磁性梯度的值大於約800 T/m、或者約500 T/m、或者約300 T/m、或者約200 T/m或者最優選地約100 T/m。
通常由於所述第一流體與第二流體之間的流體界面處的非零表面張力（即由於毛細管力），防止包括在第一流體之一的磁性粒子進入第二流體。因此，當磁性粒子應該從第一流體通過進入第二流體（或反之亦然）時，通常需要克服在相關流體界面處的一些阻力。在描述的微流體系統中，梯度區之一的至少一部分設置為允許產生足夠高以克服所述阻力的磁吸力。將磁性粒子拉動通過流體界面通常要求對應的梯度區位於前方，即位於界面的另一側，並且需要朝著該區將磁性粒子吸引通過界面。
上述微流體系統由於該微流體系統僅使用單個磁性源從而具有允許緊湊設計的優點。同時，由於通過將所述磁性粒子吸引至不同的梯度區，所述磁性粒子可與室中的第一流體混合，並且由於磁性粒子可（利用相同磁性源）運動通過由所述至少兩個室之間的通道構成的磁性毛細管閥，磁性粒子的多樣化處理變為可能。
在下文中，將更詳細地描述本發明的各個優選實施例。
根據第一優選實施例，磁性源可為永磁體。永磁體具有允許組件小型化的優點。
根據上述永磁體的優選實施例，該永磁體可具有六面體形狀，特別地具有立方體形狀或者平行六面體形狀。可容易地產生這些形狀並且為多個分離的梯度區提供這些形狀。
在另一實施例中，磁性源可為電磁體。電磁體通過該電磁鐵的電源的各種控制來允許電磁鐵的磁性行為的多樣化和柔性控制。
根據另一實施例，磁性源可設置為使得梯度區相對於含磁性粒子的室的相對位置是可改變的。這允許磁性粒子在所述室中的運動或者通過所述室的運動。例如，可開發這種運動用於清洗目的，即，用於將雜質從磁性粒子轉移至周圍流體中。而且，運動可用於根據一些處理試驗的需求來操縱磁性粒子。
在磁性源是電磁體的情況下，可通過改變通過磁體中的不同線圈或線的電流來實現梯度區相對於室的位置的上述改變。可替換地地並且特別地在磁性源是永磁體的情況下，磁性源可設置為相對於室和/或通道是可運動的。通過使整個磁性源運動，可實現梯度區的位置的上述改變。優選地，磁性源在鄰近於包括室和通道的平面的二維平面中是可運動的。
室和通道所填充的流體種類取決於應當利用微流體系統執行的特定處理。例如，第一流體之一可為源自諸如體液的樣本的水性液體，應該在磁性粒子的幫助下從所述體液提取目標物質。此外，第一流體中的至少一個可為這樣的溶劑或緩衝液，應當將磁性粒子（包括結合目標物質）轉移至該溶劑或緩衝液中從而將雜質留在樣本流體中。通常，第一流體可優選地為親水的而相關的第二流體為疏水的。在另一實施例中，也可存在相反的情況，第一流體為疏水的而第二流體為親水的。
根據第二方面，本發明涉及一種用於實現在上述類型的微流體系統的室中的磁性粒子系綜的彌散的方法，所述方法包括：將磁性源布置成鄰近於所述室，以使得系綜的不同部分將受到通過至少兩個梯度區產生的磁吸力，從而實行系綜的分裂。
當溶液中的磁性粒子未受到外部磁力而是可遵循磁性粒子的互相磁性吸引時，通常自然地形成磁性粒子的所述「系綜」（或者雲、簇）。
多個磁性梯度區的存在可隨後被開發用於磁性粒子系綜的彌散，即，用於將所述磁性粒子與周圍流體混合。可通過適當地布置磁性源來簡單地實現磁性粒子系綜的彌散，即，使得系綜在至少兩個不同的梯度區的影響下被撕裂。可選地，磁性粒子系綜可受到多於兩個梯度區的影響，從而允許相關的系綜進一步分裂為多個部分。
根據以上方法的優選實施例，磁性粒子系綜可位於兩個梯度區之間的至少一條連線上。隨後在相對的方向上撕裂系綜的磁性粒子，其中各個粒子將最終運動至通過最大的力對該粒子吸引的梯度區。
在優選實施例中，在彌散過程期間，磁性源可運動。這種運動可有助於分裂系綜的過程。此外，粒子可運動通過周圍流體，因而實現清洗處理。優選地，可按照來回方式進行運動。而且，磁性源的運動優選地可能具有不同的、可選擇的速度，這是因為對磁性粒子的影響取決於磁性源與粒子之間的相對運動的軌線（trajectory）和速率二者。需要針對給定容納盒幾何形狀和材料的選擇來適當地選擇相對運動的軌線和速率二者。例如，在非常高的速度下，系綜與系綜的基底的摩擦可佔主導，從而粒子完全不動，並且不能實現彌散/聚集。例如，這種效果可用於特意留下粒子系綜。
可通過對涉及的組分的適當計量來實現相對快並且允許系綜分裂為相似大小的多個部分的彌散處理。具體地說，在系綜中產生磁吸力的至少兩個梯度區之間的距離可對應於系綜的直徑的約一倍至約五倍。所述兩個梯度區將通常彼此交界或者在系綜內部分地重疊。
根據第三方面，本發明涉及一種用於對在上述類型的微流體系統的室中的磁性粒子系綜進行積聚的方法，所述方法包括：將磁性源布置成鄰近於所述室，以使得系綜的磁性粒子（優選地，全部磁性粒子）受到僅通過一個梯度區產生的磁吸力。
例如在所述磁性粒子應該被轉移至另一位置的情況下，所述方法允許室所包括的作為單個系綜的所有磁性粒子的操作。通過僅將磁性粒子暴露於單個磁性梯度區的影響來實現單個系綜中的磁性粒子的這種積聚。例如，磁性源可布置為鄰近於室，以使得基本上僅一個梯度區與所述室重疊，而另一個梯度區位於所述室以外。
在方法的優選實施例中，可移動磁性源，從而允許磁性粒子系綜的相關輸送通過室。由於上面已解釋的原因，磁性源的運動可優選地可能具有不同的、可選擇的速率。
附圖說明
本發明的這些和其它方面將通過下文中描述的實施例中變得清楚，並且將參照下文中描述的實施例進行解釋。
在圖中：
圖1示出了根據本發明的實施例的微流體系統在磁性粒子系綜的彌散和輸送階段期間的側視圖；
圖2是圖1的系統的磁性源的三維圖；
圖3示出了在磁性粒子系綜通過四個梯度區開始彌散時磁性源的俯視圖；
圖4示出了在磁性粒子系綜的輸送通過流體界面期間磁性源的俯視圖。
圖中相同的附圖標記指代相同或相似的組件。
具體實施方式
已經在WO 2010/070461 A1中公開了一種具有用於液體的磁性毛細管閥（MCV）的微流體裝置。在利用這種MCV技術的樣本製備期間，磁性粒子與外部磁場互相作用，並且因此通過幾個靜態且分離的體積的不同緩衝溶液移動。在該處理中，隨著原始樣本基質被洗滌緩衝液逐漸稀釋，粒子被洗滌。
MCV需要磁性粒子（從緩衝液至緩衝液）的輸送以及（在新緩衝液中）混合，並且兩種功能需要不同的磁性構造。這可以通過包括兩個磁體（輸送磁體和洗滌磁體）的MCV儀器來實現，這兩個磁體必須分離幾釐米距離以避免串擾。然而，這種提供兩個磁體的需求限制了使MCV儀器小型化的可能性。
為了解決以上需要，本文提出了設計一種可進行輸送和洗滌二者的單個磁體。具體地說，用於處理流體的微流體系統的實施例可包括：
微流體裝置，該微流體裝置包括設置為包括（第一）流體的至少兩個室和與所述兩個室連通並且設置為包括另一（第二）流體的至少一個通道，該微流體裝置還設置為使得在所述流體之間的兩個流體界面（即彎月面）處產生非零的表面張力。由於表面張力條件，前述通道是所述兩個室之間的MCV。
磁性源，該磁性源設置為提供至少兩個分離的磁性梯度區，以將一個室的流體中存在的一些磁性粒子吸引至這些區中，其中，這些區中的一個區的至少一部分對所述粒子的至少一部分施加的磁吸力足夠大，以克服室與通道之間的流體界面的阻力，以防止粒子被磁性地推進或拉出該界面。上述推或拉的效果是來驅動粒子通過MCV。優選地，粒子系綜可位於兩個梯度區之間，以使得至少兩個粒子被拉至不同的吸引地帶。可選地，磁性源還可設置為使得梯度區相對於室的相對位置是可改變的，從而允許磁性粒子的混合。
圖1示意性地示出了根據以上原理的實施例的微流體系統100在該微流體系統100的使用的四個不同階段。
在圖la中，示出了微流體系統100的微流體裝置。第一室110包括具有磁性粒子MP的第一流體（例如，生物樣本），第二室120包括另一（第一）流體（例如，緩衝液），並且將第一室110連接至第二室120的通道130填充有分別與第一室和第二室中的第一流體不相溶的第二流體。例如，第二流體可為空氣或者一些其它氣體。在第一流體與第二流體之間形成兩個流體界面131和132，在流體界面131和132處有非零表面張力。而且，室110、120和通道130的壁的至少一部分可具有不同的功能化表面，具體地說，作為微流體構造的可選的細緻化，親水表面在室中而疏水表面在通道中。
第一室110中的第一流體包括磁性粒子MP。磁性粒子MP往往由於互相的磁吸力而形成系綜（或者雲、簇）。
在圖lb中，通過使磁性粒子MP受到磁力的磁性源150來完成微流體系統100。
在圖2中示出了磁性源150的可能的實施例。該源150是立方體形狀的永磁體，在該永磁體的頂側表現為磁北極N並且在該永磁體的底側表現為磁南極S。由於立方體形狀，在磁性源150的磁性梯度特別高的四個角形成四個梯度區GR。在圖中通過虛線示意性地表示了一個這種梯度區GR。梯度區GR從磁性源150的表面在一定程度上延伸至相鄰空間中。這些區中的磁性梯度基本上位於相關坐標系的xy平面中。因此在梯度區GR中並通過梯度區GR施加在磁性粒子上的力也將位於該平面中，並且基本上指向磁性源150的角。
返回圖lb，可以看出，磁性粒子MP的系綜同時受到幾個梯度區GR（圖中可看到兩個）的影響。磁性粒子MP的系綜因此分裂為幾個部分，這幾個部分在對應的梯度區中聚集。如箭頭所指示的，磁性源150還可另外地相對於第一室110移動以促進分裂的效果，並且通過使磁性粒子運動通過周圍流體來實現洗滌效果。
因此，微流體系統100提供了一種方法通過以下方式來實現積聚的磁性粒子系綜的彌散，即，以一些給定速率將磁性源布置為鄰近於微流體裝置，從而當突出至微流體裝置的平面中時，粒子系綜位於至少兩個磁性梯度區之間的至少一條連線上，以使得施加在粒子系綜的不同部分上的磁力的場呈現至少兩個吸引地帶，從而實行粒子系綜的分裂。
在圖1c和圖1d中，示出了磁性粒子MP的系綜通過由通道130形成的磁性毛細管閥的轉移。在該過程中，第一室110中的樣本的全部磁性粒子MP被吸引至磁性源150的一個梯度區。當源150向右運動時，磁性粒子MP的系綜首先被拉動通過第一界面131，然後在通道130中運動，最後被拉動通過第二界面132，以釋放至第二室120的流體中。
因此，微流體系統100提供了一種方法通過以下方式來積聚磁性粒子系綜，即，以一些給定速率將磁性源布置為鄰近於微流體裝置，從而當突出至微流體裝置的平面中時，粒子系綜被定位為使得施加在粒子系綜的不同部分上的磁力的場僅呈現一個吸引地帶，即在各磁性梯度區中的一個磁性梯度區的附近。
因此，磁性源150可用於粒子輸送和混合二者，這允許了系統100中的磁性致動器的尺寸減小和速度需求。
磁性源150可附著於這樣的致動器，該致動器允許磁體在兩個維度（圖中的x和y）上的位移同時保持到MCV微流體裝置的底側恆定距離。通過為在容納盒內輸送粒子和混合粒子兩者僅使用一個磁體，致動器的行進範圍不必大於容納盒的相關流體結構的最大範圍。
通常，磁性源150可為電磁體和/或永磁體。在具體實施例中，磁性源150可實現為具有六面體形狀的單個永磁體。該形狀可特別地為立方體（如圖2所示）或平行六面體。這種磁體的磁場在包括磁體的磁極的面的四個角（末梢）呈現最強梯度（即，在該具體實施例中有四個磁性梯度區）。當移動磁體時，粒子系綜將朝著所述末梢之一被拉動。
如圖3所示，在磁性源150的俯視圖中，磁體150可布置為使得粒子系綜由磁體的末梢包圍。所得磁力將朝著不同的點拉動粒子，因此導致磁性粒子系綜的分裂。因此當磁性粒子MP的系綜位於磁體的頂面中心上方時可實現混合。如果粒子系綜的突出面積沒有顯著大於磁體的頂面，則磁性粒子云將受到源於磁體150的四個角的大約相等的力F。假設例如通過與長高分子糾纏，粒子之間的內聚力不會大於施加的磁力，粒子團體將彌散。重要的是，粒子的彌散不需要磁體快速運動。
如圖4所示，在磁性源150的另一俯視圖中，通過在磁體150的四個上部的角中的任一個上方使粒子MP集中來實現磁性粒子輸送。當輸送磁性粒子系綜通過流體彎月面（例如131或132）時，通過流體彎月面和磁體施加所得的力將朝著磁體的尾部末梢拉動粒子MP。例如，如果磁體的上面的對角線與MCV容納盒的主輸送方向（即，容納盒的長軸線對應於圖中的x軸）對齊，則在室之間輸送期間，磁性粒子MP將被朝著磁體的最後面的角（圖中的左邊的角）拉動。可通過流體彎月面131處的毛細管力與磁性梯度力之間的平衡來解釋這個效果。
示例
為了證明單個立方體磁體150在實現相同的或更好的輸送和混合性能方面的有效性，發明人確定放射性標記的RNA的提取率，即，輸入RNA可通過微流體通道130輸送並且使其可用於下遊處理的百分比。為了建立該證據，發明人將根據本發明的單個立方體磁性源150與在WO 2010/070461的圖5中公開的包括圓柱形磁體的磁性系統進行比較：立方體磁性源150的邊為5 mm而圓柱形磁體的直徑為4 mm，長度為10 mm，二者施加於相同的磁性粒子（即，具有相同特性和相同數量）以將它們從室110經通道130輸送至室120，室110和120各自為220微米高並且容積為約20微升，並且通道130為約5 mm寬。此外，對於圓柱形磁體，為了找到利用單個立方體磁性源150找到的提取率的等效提取率，發明人在所述磁性系統中還增加了磁體陣列，該磁性陣列具有連續地彼此相對的極性，設置為通過在室上方移動該磁性陣列來在室110和/或室120中混合磁性粒子。
利用相同長度和相同樣本基質的致動協議，發明人因此表明了緊湊的方形磁體系統150可與所述雙磁體組件表現得一樣好。具體地說，通過單個立方體磁性源150運用圓柱形磁體的輸送功能和磁性陣列的混合功能二者，並且具有相同的效率，雖然本發明的磁性源150是單個磁性元件，但是清楚的是，它比雙磁體組件更簡單並且沒那麼笨重。
此外，所述雙磁體組件的一體化將導致所述圓柱形磁體從所述磁性陣列分離足夠大的間隙以防止兩種磁體之間串擾。通常，這將導致圓柱形磁體從磁性陣列分離約30 mm，從而顯著增大了該磁性組件的大小。
如已說明的，使用單個磁體（例如立方體、永磁體）操作MCV導致周圍儀器或者儀器的子組件的進一步小型化，這對於與檢測技術集成以及對於在緊湊儀器中操作是必要的。此外，對於磁體致動器的速率要求可降低，這樣可使用低成本致動器，例如，諸如在標準CD驅動器中找到的致動器。
總之，公開了一種方法，其中針對離體診斷，在基於粒子的樣本製備中將磁體的形狀用作致動器。通過選擇具有多個末梢和相當於待致動的粒子系綜的尺寸的磁體，在粒子輸送和混合二者中可使用一個磁體，這降低了磁性致動器的尺寸和速度要求。根據本發明的實施例的微流體系統包括磁性源，該磁性源具有：
（i）至少一個末梢（即，在三維上吸引磁性粒子的增大的磁場梯度的區），該末梢具有足以實行磁性粒子系綜的輸送的大尺寸和末梢銳度，以及
（ii）不止一個末梢優選地間隔開粒子系綜的直徑的一倍與五倍之間，諸如以產生在粒子云內朝著不同末梢拉動粒子的磁力。
例如，本發明的實施例可用作MCV樣本製備系統的磁體致動器組件的一部分。
雖然在附圖和以上描述中詳細示出和描述了本發明，但是這些示圖和描述應該被看作是示出性或示例性的而非限制性的；本發明不限於公開的實施例。本領域技術人員在實施要求保護的本發明時可從對附圖、公開和所附權利要求的學習中理解並產生對公開的實施例的其它變型形式。在權利要求中，詞語「包括」不排除其它元件或步驟，並且不定冠詞「一」或「一個」不排除多個。單個處理器或其它單元可完成在權利要求中所述的幾個項的功能。事實上，在彼此不同的從屬權利要求陳述的特定措施不表示這些措施的組合不可用於獲益。權利要求中的任何參考標誌不應被看作限制了範圍。