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WO2014060998A1 - Integrated microfluidic component for enriching and extracting biological cell components - Google Patents

Integrated microfluidic component for enriching and extracting biological cell components Download PDF

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Publication number
WO2014060998A1
WO2014060998A1 PCT/IB2013/059450 IB2013059450W WO2014060998A1 WO 2014060998 A1 WO2014060998 A1 WO 2014060998A1 IB 2013059450 W IB2013059450 W IB 2013059450W WO 2014060998 A1 WO2014060998 A1 WO 2014060998A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
chamber
microfluidic component
integrated microfluidic
component according
separation element
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/IB2013/059450
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German (de)
French (fr)
Inventor
Gregory DAME
Sydney HAKENBERG
Hendrik HUBBE
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Albert Ludwigs Universitaet Freiburg filed Critical Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
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Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B01L3/50Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
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    • B01L3/502753Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by bulk separation arrangements on lab-on-a-chip devices, e.g. for filtration or centrifugation
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Definitions

  • 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.
  • a microfluidic component 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.
  • 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.
  • RNA ribonucleic acid
  • RNA is a small, strong Therefore, it is eluted in a relatively pure form by an electrophoresis gel
  • various detection methods such as a real-time PCR (real-time polymerase chain reaction), can be used to detect the RNA molecules.
  • 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.
  • the published patent application 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 (for example NH 2 -COOH or OH-edge groups).
  • a functional coating for example NH 2 -COOH or OH-edge groups.
  • an actuation is always necessary and the magnetic carriers must be added in each case.
  • 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.
  • the object underlying the present invention is therefore to provide a system for rapid, cost-effective and efficient analysis and processing of biological material, which is achieved by the advantageous combination of enrichment, in particular unspecific enrichment, lysis and purification fully automatable and of a degree of integration that allows mobility outside of a laboratory.
  • 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.
  • 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) in the simplest possible way with a lysis and purification step combine.
  • an integrated microfluidic component 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.
  • 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.
  • such an integrated solution with at least one separate outlet for the separated biological sample has the advantage that considerably larger sample quantities can be processed in a significantly shorter time than if the entire quantity of liquid had to pass through the separating element. Furthermore, the components to be detected no longer leave the protected inner area of the component, so that, in particular, no damage is possible by decomposing the enzymes, for example RNAse. 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.
  • 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 ing electric potential gradient between the enrichment surface and, for example, the collection chamber are applied.
  • a pressure difference can also provide for the transport in the case of an alternative separating element.
  • 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.
  • 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.
  • the separating element has a liquid for performing a liquid-liquid separation.
  • 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 lyzed 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.
  • a system for enriching cell particles (but also non-cell particles such as nanoparticles, toxins or ⁇ ) from a flowing sample in a microfluidic system for lysis of the cell particles and for the extraction of nucleic acids from the lysate is integrated.
  • this flows through the Abrei- cationshunt of the chip.
  • 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.
  • 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 tion is thus a compact accumulation of bacteria on a surface, according to a first embodiment, for example on a hydrogel.
  • This method advantageously has an extremely low selectivity, so that unknown and mixed cells can also be enriched for a total analysis in a single step.
  • this nonspecific accumulation can also be replaced or supplemented by a specific enrichment by functionalizing the accumulation surface with specifically interacting components.
  • different gel combinations for the accumulation of different particles can be used.
  • several chambers, which may be separated by gels, can be cascaded with specific enrichment modules and own sampling and analysis devices.
  • 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 Miniaturizier ashamed and cost efficiency can be increased.
  • the integrated microfluidic component according to the invention with regard to the extraction of nucleic acids by electroporation.
  • 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.
  • a detachment of the concentrated layer from the separating element surface is possible for example by a voltage reversal.
  • all the applications mentioned in DE 10 2006 050 871 B4 in particular the extraction of messenger RNA, can be covered with the present inventive integrated microfluidic component.
  • Other applications which use only parts of the possible processing, however, can also advantageously be envisaged with the aid of the arrangement according to the invention.
  • it is possible, for example, ⁇ extract from blood plasma, and in particular advantageously directly in flow mode.
  • phaseguides can be used, as are known, for example, from the published European patent application EP 2 213 364 A1 or 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,
  • phaseguide structures makes it possible, in particular for very small dimensions of the individual chambers, to carry out a complete, complete and bubble-free filling or a complete emptying.
  • FIG. 1 is an overview of the overall concept of a microfluidic platform technology
  • FIG. 2 shows a plan view of an exemplary realization of a completely integrated microfluidic component according to a possible embodiment
  • FIG. 3 a schematic representation of a microfluidic component with an accumulation of cells on a gel front according to a first embodiment
  • Figure 4 is a schematic representation of the arrangement of Figure 3 during direct depletion with free flow electrophoresis
  • Figure 5 is a schematic representation of the pulsed depletion in the arrangement of Figure 3; a schematic representation of a second embodiment of an integrated microfluidic component; a schematic representation of the arrangement of Figure 6 in the presence of differently charged cell particles; a schematic representation of the arrangement of Figure 3 with accumulation of cells during the flow; a schematic representation of the arrangement of Figure 8 during the lysis step; a schematic representation of the arrangement of Figure 8 and 9 during the separation of the lysed particles in the separation distance; a schematic representation of an integrated microfluidic device with alternative electrode design; the component of Figure 1 1 during a Elektroporations Marins; the component of Figure 1 1 and 12 during the separation of the separating element; a schematic representation of another mode for the transformation of cells; the arrangement of Figure 14 in the next step; a representation of the transformed cells; a schematic representation of the resuspension step of the transformed cells; a schematic representation of an integrated microfluidic device with a second electrode pair for electroporation of cell particles on a second side; a representation of the
  • FIG. 1 A possible overall system in which the principles according to the invention are used is shown in FIG. 1 using the example of a miniaturized PCR (polymerase chain reaction) analysis system 100 for biological samples, for example bacteria.
  • a miniaturized PCR (polymerase chain reaction) analysis system 100 for biological samples, for example bacteria.
  • tmRNA transfer messenger ribonucleic acid
  • a bacterial RNA which has both messenger and transfer properties, can be advantageously used.
  • the system 100 according to the invention can be used for example by means of an integrated on-chip PCR for the identification of bacteria by means of the detection of tmRNA.
  • a biological sample 104 is introduced via an inflow 108 into a depletion chamber 105.
  • the cells to be identified accumulate in the depletion chamber 105, while the depleted biological sample leaves the system through the effluent 11.
  • the biological cells to be detected accumulate at the interface with a separation element 101, which in particular comprises a separation and extraction section.
  • the enriched and purified components to be detected are collected in a collection chamber 106, which is also referred to as an elution chamber or detection chamber, depending on their mode of operation, which are subsequently detected by means of on-chip PCR or isothermal amplification, for example via fluorescence detection can.
  • the required amplification reagents are mixed with the purified and enriched sample components to be analyzed and detected and quantified after the corresponding amplification in the detection chamber 12.
  • the present invention focuses on the enrichment, lysis and purification components detailed in Figure 1 which form an analyte recovery module 14, which will be described below.
  • cell particles are disrupted in the depletion chamber 105 by corresponding activation of electrodes, for example by lysis or electroporation.
  • the extracts within the "Lab” can be carried out with a lysis cell. and purification step are combined.
  • the cell particles 104 are accumulated in the depletion chamber 105 at an interface to the separation element 101.
  • the cell particles in the same chamber 105 are directly lysed.
  • the analytes can be purified through, for example, a gel filtration section 101 and eluted from the collection chamber or analyzed there directly. That is, according to the invention, the enrichment of cell particles from a sample flowing through the depletion chamber 105 is combined with a microfluidic system for lysing the cell particles and for extracting analyte molecules such as nucleic acids from the lysate.
  • FIG. 2 shows a possible actual realization of a combined analyte recovery module 14 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 Paul Vulto dissertation "A Lab on a Chip for Automated RNA Extraction from Bacteria", Faculty of Applied Sciences of the Albert-Ludwigs-University Dortmund, Freiburg
  • the analyte production module 1 14 according to the invention has a depletion chamber 105 which has at least one inlet 108 and at least one outlet 10 for the sample flow, and the depletion chamber 105 also adjoins a separation element 101 (which is formed here by a gel line), that cell particles can accumulate at this interface
  • lysis of the cell particles can be carried out (this process will be explained in detail with reference to Figure 9) and in a subsequent separation and separation Aufalismssch Ritt carried a transport of the to be detected or to be obtained analytes through the separating element
  • the analyte recovery module 14 has a depletion chamber 105 with an inlet 108 and a drain 110, wherein a wall of the depletion chamber 105 is formed by a separation line, for example a gel matrix.
  • the analyte extraction module 14 according to the invention has three electrodes 11a to 18c, of which the electrodes 103 filled in black are in each case active and the dotted electrode is inactive (reference numeral FIG 102).
  • the module 1 14 combines an enrichment module with an extraction chip, for example for cell particles, proteins or nucleic acids.
  • an enrichment of the cell particles 104 to be detected is carried out on one and the same chip during the flow through the separation element 101.
  • a voltage is applied to the electrodes 1 18a and 1 18c which is suitable for accelerating the cell particles 104 in the direction of the interface of the gel matrix 101 and holding them there.
  • 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 propagating living cells, in which the flow between inflow 108 and outflow 1 10 stopped is, an elution on the process 1 10 takes place. Normally, however, in a next step, the pervious particles to be analyzed are extracted through the gel matrix 101.
  • direct depletion in the flow can also be achieved with the aid of free-flow electrophoresis in the DC mode consequences.
  • smaller charged particles from a sample such as free ⁇ enriched in a plasma matrix at the interface to the extraction section and transported through the extraction section 101 into the collection chamber 106.
  • the flow can also be stopped and then a pulsed depletion into the collecting chamber 106 can take place. This can also be done without electrical current flow.
  • a gel permeation matrix may be provided in the extraction section 101, so that the collection chamber 106 then initially becomes a waste chamber.
  • the separation section usually consists of a hydrogel, for example polyacrylamide, but can be coated with separation matrices.
  • the analyte extraction module 1 14 has an example, centrally arranged depletion chamber 105 (which thus acts as a collection chamber), which borders on two sides of a respective separation element 101 a, 101 b.
  • bioparticles 104 with opposite polarities can be accumulated on the two gel fronts during the flow. Finally, they can be extracted directly or, as shown in FIG. 7, differently charged smaller particles can be guided in a bidirectional manner with free-flow electrophoresis in the DC mode in two directions. According to this embodiment, two collection chambers 106a and 106b are then provided.
  • FIG. 8 again shows the module arrangement from FIGS. 3 to 5, and the mode of operation of the module will be explained below for the case in which additional lysis of the cell particles 104 is carried out.
  • the control of the electrodes is selectively changed.
  • the electrodes 1 18a and 1 18c are first supplied with a DC potential, so that the charged cells are deposited at the interface to the separation element 101. Subsequently, the flow is stopped and an alternating voltage is applied between the electrodes 1 18b and 1 18c, which leads to the lysis of the enriched cells. That is, the inactive electrode 1 18b changes during the enrichment Status and becomes an active electrode 103, while the electrode 1 18a is now an inactive electrode 102.
  • the activation of the electrodes is again changed, so that now in the separation path 101, the various constituents of the lysate, such as sugars, proteins and nucleic acids, can be separated electrophoretically.
  • the purified nucleic acids can then be either detected or eluted in the collection chamber.
  • an electrode pair 1 18b, 1 18d is placed in the immediate vicinity of the enrichment surface and remains inactive during the enrichment step (reference numeral 102).
  • the activation of the electrodes is changed so that a sufficiently large DC voltage is applied between the electroporation electrodes 1 18b and 1 18d.
  • 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.
  • the analyte molecules can be purified without delay.
  • an electric field is once again generated with the aid of the electrodes 1 18a and 1 18c which, according to the known principle of gel electrophoresis, removes the analyte molecules from the lysate and leads them into the collecting chamber 106.
  • the analyte production module 14 according to the present invention can also be used conversely to subject cells to electroporation and then to introduce nucleic acids or nanoparticles into the cells for transforming these cells. smuggle.
  • FIG. 15 shows the process of electropuration in which the nucleic acids were incorporated into the cell. Subsequently, the electrodes 1 18b and 1 18c are inactivated again, the polarity of the voltage applied between the electrodes 18a and 18c is reversed in comparison with the enrichment, and the transformed cells 104 can be resuspended and drained through the process.
  • the principle of electroporation and subsequent analysis can also be extended in two directions according to another embodiment.
  • FIGS. 18 to 20 the cell particles are first enriched in two gel matrices 101 during the flow, wherein additional electrodes 1 18d, 1 18e are provided for the electroporation so that a pair of small electrode spacing pair of electrodes is formed on each enrichment surface.
  • the outer electrode 1 18c is used for both electroporation and electrophoresis.
  • the nucleic acids are dissolved out by electroporation and then conveyed into the collection chamber 106 by activating the electrodes 1 18a and 18c accordingly.
  • FIGS. 18 to 20 can also be used for the cell transformation described above, in which substances are introduced into the cells.
  • FIGS. 18 to 20 can also be combined with the exemplary embodiment shown in FIG.
  • the analyte extraction module 14 has 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. 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.
  • this nonspecific accumulation can also be replaced or supplemented by a specific one by positioning specifically interacting components on the accumulation surface.
  • various gel combinations may also be provided for the accumulation of different particles.
  • a cascading, not shown in the figures, of a plurality of chambers, which may be separated by gels, may be provided, each with specific enrichment modules and a separate sampling or analysis part.
  • the electrophoretic approach requires no moving parts, such as valves or centrifuges.
  • the system according to the invention offers particular advantages with regard 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. Alternatively, only a part of the possible processing can be carried out, for. B. for extracting ⁇ or toxins from blood plasma, advantageously directly in flow mode.
  • 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.
  • 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.
  • the cells deposit in a mostly multilayered layer during the entire sample flow over continuously.
  • 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 following the enrichment or even during the enrichment itself.
  • the lysis can be carried out, as described for example in the international published application WO 2008/049638 A1, using the Joule heat generated by applied alternating voltage or as mentioned by electroporation of the cell walls. Furthermore, other suitable methods for lysing the cell particles according to the present invention may be used. So z. B. from the publications
  • the same electrode configuration that was used for the enrichment also serves as the separation electrode pair.
  • Umpolungsvor bland 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.
  • 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.
  • the system according to the invention allows a rapid cost-effective and efficient analysis of biological material by the enrichment, especially a nonspecific enrichment, with lysis and purification completely automated and with a level of integration that allows mobility outside the laboratory.

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Abstract

The invention relates to a microfluidic component, such as those which can be used in particular in the identification of bacteria on the basis of genetic information of the bacteria in the field of molecular diagnostics. An integrated microfluidic component comprises 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, said inlet (108) and outlet (110) being arranged such that the fluid can flow between the inlet (108) and the outlet (110); at least one separating element (101), at least one surface of which delimits the depletion chamber (105); and at least one collection chamber (106) for receiving the enriched components of the fluid to be processed, said components having been purified by the separating element (101), wherein the collection chamber (106) is connected to the depletion chamber (105) via the separating element (101) such that a transportation between the depletion chamber (105) and the collection chamber (106) can be carried out through the separating element (101).

Description

INTEGRIERTES MIKROFLUIDISCHES BAUTEIL ZUR ANREICHERUNG UND  INTEGRATED MICROFLUIDIC COMPONENT FOR ENRICHMENT AND

EXTRAKTION BIOLOGISCHER ZELLBESTANDTEILE  EXTRACTION OF BIOLOGICAL CELL COMPONENTS

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mikrofluidisches Bauteil, wie es insbesondere bei der Identifizierung von Bakterien auf der Basis ihrer genetischen Information im Be- reich 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 thesis Paul Vulto: "A Lab on a chip for automated RNA extraction from bacteria", Faculty of Applied Sciences of the Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Freiburg 2008. The chip disclosed in this dissertation uses the Joule thermal 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, strong Therefore, it is eluted in a relatively pure form by an electrophoresis gel After the elution, various detection methods, such as a real-time PCR (real-time polymerase chain reaction), can be 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 Analytmole- külen 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 disclosed in German Patent DE 10 2006 050 871 B4.

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. 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 201 1 , 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 Ver- bindung mit diesem Anreicherungsschritt. 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. 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 Puchberger-Enengl et al. "Microfluidic Concentration of Bacteria by On-Chip Electrophoresis", Biomicrofluidics 5 (4) December 201 1 An electrophoretic enrichment device based on an elongated channel flanked by two walls of gel behind which are specially coated electrodes Enrichment method no possibility to analyze analyte molecules, such as from cells in direct connection 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 the enrichment of species to be analyzed, wherein the enrichment is shown 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 Aktuie- rung 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 published patent application 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 (for example NH 2 -COOH or OH-edge groups). However, in this known arrangement, an actuation is always necessary and the magnetic carriers must be added 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 thermoelektri- sehe 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 Figuren 41 bis 44 der Patentschrift DE 10 2006 050 gen Ausgang hat, der sowohl für abgereicherte Probenlösung wie auch für die angereicherten Analytmoleküle verwendet wird. From the patent DE 10 2006 050 871 B4 an integrated microfluidic device for purifying analyte molecules is known in which cells are split by a thermoelectric see 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 shown in Figures 41 to 44 of the patent DE 10 2006 050 output, which is used for both depleted sample solution as well as for the enriched analyte molecules.

Generell existieren diverse Ansätze, eine elektrische Lyse durchzuführen. Dabei sind spezielle Anordnungen und Formen von Elektroden notwendig, um eine Zerstörung der Memb- ran, 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. 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 Die- lektrophorese, als auch eine anschließende Lyse durchführen. 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. Generally, there are various approaches to perform an electrical lysis. In this case, special arrangements and forms of electrodes are necessary in order to ensure destruction of the membrane, for example of bacterial cells, by means of a sufficiently strong field. In the article Lee Sang-Wook et al.: "A micro cell lysis device", Sensors and Actuators 73 (1999), pages 74 to 79, for example sawtooth interlocking PTFE (polytetrafluoroethylene) coated electrodes are shown with which as low as possible A similar system was later presented by another group, in particular the low required voltage of only 8 V at a frequency of 10 kHz for a microfluidic component with potential for point-of-care application is of great importance (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 known 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. Here discloses a checkerboard distribution of 25 platinum electrodes on silicon that perform both separation of E. coli and blood by dielectrophoresis and subsequent lysis.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 biologi- sehen 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 au ßerhalb eines Labors gestattet. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. The object underlying the present invention is therefore to provide a system for rapid, cost-effective and efficient analysis and processing of biological material, which is achieved by the advantageous combination of enrichment, in particular unspecific enrichment, lysis and purification fully automatable and of a degree of integration that allows mobility outside of a laboratory. 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 ei- nen 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) in the simplest possible way with a lysis and purification step combine.

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 abgerei- cherte 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 detektie- renden 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. 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 entspre- chende elektrische Potentialgefälle zwischen der Anreicherungsoberfläche und beispielsweise der Sammelkammer angelegt werden. On the one hand, such an integrated solution with at least one separate outlet for the separated biological sample has the advantage that considerably larger sample quantities can be processed in a significantly shorter time than if the entire quantity of liquid had to pass through the separating element. Furthermore, the components to be detected no longer leave the protected inner area of the component, so that, in particular, no damage is possible by decomposing the enzymes, for example RNAse. 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. 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 ing electric potential gradient between the enrichment surface and, for example, the collection chamber are applied.

Alternativ kann aber auch bei einem alternativen Trennelement ein Druckunterschied für den Transport sorgen. Darüber hinaus kann auch ein steuerbares oder permanentes Mag- netfeld 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 wer- den 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 Flüssig- keit 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 ly- siert werden. Anschließend oder währenddessen können die gewonnenen Analytteilchen direkt über die Gelfiltrationsstrecke aufgereinigt und eluiert oder unmittelbar analysiert wer- den. Depending on the application, it may also be provided that the separating 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 lyzed 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 μΡιΝΑ) 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 Abrei- cherungskammer 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. So kann in vorteilhafter Weise eine homogen verteilte Schicht aus Bakterien auf der ganzen Länge der Grenzfläche zum Auftrennelement erzeugt werden. Das Ergebnis der Anreiche- rung ist somit eine kompakte Akkumulation von Bakterien an einer Oberfläche, gemäß einer ersten Ausführungsform beispielsweise an einem Hydrogel. According to the present invention, a system for enriching cell particles (but also non-cell particles such as nanoparticles, toxins or μΡιΝΑ) from a flowing sample in a microfluidic system for lysis of the cell particles and for the extraction of nucleic acids from the lysate is integrated. To enrich the sample, this flows through the Abrei- cationskammer 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. 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 tion 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 äu ßerst geringe Selektivität, so dass auch unbekannte und vermischte Zellen für eine Gesamtanalyse in einem gemeinsamen Schritt angereichert werden können. This method advantageously has an extremely low selectivity, so that unknown and mixed cells can also 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. Insbesonde- re 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 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 Span- nungsumkehrung 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 ge- fasst werden. So ist es zum Beispiel möglich, μΡιΝΑ 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. A detachment of the concentrated layer from the separating element surface is possible for example by a voltage reversal. In principle, all the applications mentioned in DE 10 2006 050 871 B4, in particular the extraction of messenger RNA, can be covered with the present inventive integrated microfluidic component. Other applications which use only parts of the possible processing, however, can also advantageously be envisaged with the aid of the arrangement according to the invention. Thus, it is possible, for example, μΡιΝΑ extract from blood plasma, and in particular advantageously 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: In order to define the meniscus of a phase boundary when filling or emptying the microfluidic component according to the invention, phaseguides can be used, as are known, for example, from the published European patent application EP 2 213 364 A1 or from the following articles:

Vulto, P. et al.:„A microfluidic appproach for high efficiency extraction of low molecu- lar 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.: "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, 201 1 , Volume 1 1 , No. 9, 1561 - 1700. Vulto, P. et al: "Phaseguides: A paradigm shift in microfluidic priming and emptying", Lab on a Chip, 201 1, Volume 1 1, No. 9, 1561-1700.

Durch den Einsatz von Phaseguide-Strukturen kann insbesondere bei sehr kleinen Abmes- sungen 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 for 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 Bezugszei- chen 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 article according to the 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:

Figur 1 eine Übersichtsdarstellung des Gesamtkonzepts einer mikrofluidischen Plattformtechnologie; Figur 2 eine Draufsicht auf eine beispielhafte Realisierung eines vollständig integrierten mikrofluidischen Bauteils gemäß einer möglichen Ausführungsform; Figure 1 is an overview of the overall concept of a microfluidic platform technology; FIG. 2 shows a plan view of an exemplary realization of a completely integrated microfluidic component according to a possible embodiment;

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

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

Figur 5 eine schematische Darstellung der gepulsten Abreicherung bei der Anordnung aus Figur 3; eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines integrierten mikrofluidischen Bauteils; eine schematische Darstellung der Anordnung aus Figur 6 bei Vorhandensein unterschiedlich geladener Zellpartikel; eine schematische Darstellung der Anordnung aus Figur 3 bei Anreicherung von Zellen während des Durchflusses; eine schematische Darstellung der Anordnung aus Figur 8 während des Lyse- schritts; eine schematische Darstellung der Anordnung aus Figur 8 und 9 während des Auftrennens der lysierten Partikel in der Auftrennstrecke; eine schematische Darstellung eines integrierten mikrofluidischen Bauteils mit alternativer Elektrodenausgestaltung; das Bauteil aus Figur 1 1 während eines Elektroporationsschritts; das Bauteil aus Figur 1 1 und 12 während der Auftrennung an dem Auftrennelement; eine schematische Darstellung einer weiteren Betriebsart zur Transformation von Zellen; die Anordndung aus Figur 14 im nächsten Verfahrensschritt; eine Darstellung der transformierten Zellen; eine schematische Darstellung des Resuspendierungsschritts der transformierten Zellen; eine schematische Darstellung eines integrierten mikrofluidischen Bauteils mit zweitem Elektrodenpaar für eine Elektroporation von Zellpartikeln auf einer zweiten Seite; eine Darstellung der Herauslösung von Nukleinsäuren aus angereicherten Zellpartikeln; Figur 20 eine schematische Darstellung des Schritts der Extraktion und Überführung der Nukleinsäuren in die Sammelkammer nach dem Schritt der Figur 19. Figure 5 is a schematic representation of the pulsed depletion in the arrangement of Figure 3; a schematic representation of a second embodiment of an integrated microfluidic component; a schematic representation of the arrangement of Figure 6 in the presence of differently charged cell particles; a schematic representation of the arrangement of Figure 3 with accumulation of cells during the flow; a schematic representation of the arrangement of Figure 8 during the lysis step; a schematic representation of the arrangement of Figure 8 and 9 during the separation of the lysed particles in the separation distance; a schematic representation of an integrated microfluidic device with alternative electrode design; the component of Figure 1 1 during a Elektroporationsschritts; the component of Figure 1 1 and 12 during the separation of the separating element; a schematic representation of another mode for the transformation of cells; the arrangement of Figure 14 in the next step; a representation of the transformed cells; a schematic representation of the resuspension step of the transformed cells; a schematic representation of an integrated microfluidic device with a second electrode pair for electroporation of cell particles on a second side; a representation of the release of nucleic acids from enriched cell particles; FIG. 20 shows a schematic representation of the step of extraction and transfer of the nucleic acids into the collecting chamber after the step of FIG. 19.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren im Detail erläutert. Ein mögliches Gesamtsystem, in dem die erfindungsgemäßen Prinzipien verwendet wer- den, ist in Figur 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. A possible overall system in which the principles according to the invention are used is shown in FIG. 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 described in the patent DE 10 2006 050 871 B1, the system 100 according to the invention can be used 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 Ab- fluss 1 10 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 100 according to the invention, a biological sample 104 is introduced via an inflow 108 into a depletion chamber 105. As will be explained in more detail below, the cells to be identified accumulate in the depletion chamber 105, while the depleted biological sample leaves the system through the effluent 11. In particular, the biological cells to be detected accumulate at the interface with a separation element 101, which in particular comprises a separation and extraction section. The enriched and purified components to be detected (for example, tmRNA) are collected in a collection chamber 106, which is also referred to as an elution chamber or detection chamber, depending on their mode of operation, which are subsequently detected by means of on-chip PCR or isothermal amplification, for example via fluorescence detection can.

Die erforderlichen Amplifikationsreagenzien werden mit den zu analysierenden aufgereinig- ten und angereicherten Probenkomponenten vermischt und nach der entsprechenden Amplifikation in der Detektionskammer 1 12 nachgewiesen und quantifiziert. The required amplification reagents are mixed with the purified and enriched sample components to be analyzed and detected and quantified after the corresponding amplification in the detection chamber 12.

Die vorliegende Erfindung ist auf die in Figur 1 als Detail dargestellte Komponenten zur Anreicherung, Lyse und Aufreinigung fokussiert, die ein Analytgewinnungsmodul 1 14 bilden, das nachfolgend beschrieben wird. 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 kom- biniert werden. The present invention focuses on the enrichment, lysis and purification components detailed in Figure 1 which form an analyte recovery module 14, which will be described below. According to the invention, cell particles are disrupted in the depletion chamber 105 by corresponding activation of electrodes, for example by lysis or electroporation. Without further processing steps, the extracts within the "Lab As already mentioned, with the aid of the arrangement according to the invention on the microfluidic scale on-chip, an enrichment of cells, virus particles or other analytically relevant particles such as spores, generally referred to as cell particles, can be carried out with a lysis cell. and purification step are combined.

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

Dabei werden zunächst während eines Durchstroms zwischen Zufluss 108 und Abfluss 1 10 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. 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. In this case, first during a throughflow between inflow 108 and outflow 10, the cell particles 104 are accumulated in the depletion chamber 105 at an interface to the separation element 101. In a subsequent step, the cell particles in the same chamber 105 are directly lysed. Subsequently, the analytes can be purified through, for example, a gel filtration section 101 and eluted from the collection chamber or analyzed there directly. That is, according to the invention, the enrichment of cell particles from a sample flowing through the depletion chamber 105 is combined with a microfluidic system for lysing the cell particles and for extracting analyte molecules such as nucleic acids from the lysate.

Figur 2 zeigt eine mögliche tatsächliche Realisierung eines kombinierten Analytgewin- nungsmoduls 1 14 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 1 14 eine Abreicherungskammer 105, die mindestens einen Einlass 108 und mindestens einen Auslass 1 10 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 Figur 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. Um das Einfüllen und Entleeren der Flüssigkeiten zu erleichtern, können, wie bereits erwähnt, Phaseguide-Elemente 1 16 vorgesehen sein. Im Fall des Auftrennelements 101 dienen die Phaseguides 1 16 dazu, bei der Herstellung das Befüllen mit dem Gel zu erleichtern. FIG. 2 shows a possible actual realization of a combined analyte recovery module 14 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 Paul Vulto dissertation "A Lab on a Chip for Automated RNA Extraction from Bacteria", Faculty of Applied Sciences of the Albert-Ludwigs-University Freiburg, Freiburg However, in contrast to the known systems, the analyte production module 1 14 according to the invention has a depletion chamber 105 which has at least one inlet 108 and at least one outlet 10 for the sample flow, and the depletion chamber 105 also adjoins a separation element 101 (which is formed here by a gel line), that cell particles can accumulate at this interface After lysing, lysis of the cell particles can be carried out (this process will be explained in detail with reference to Figure 9) and in a subsequent separation and separation Aufreinigungssch Ritt carried a transport of the to be detected or to be obtained analytes through the separating element 101 into the collection chamber 106 inside. In order to facilitate the filling and emptying of liquids, as already mentioned, phase guide elements 1 16 may be provided. In the case of the separating element 101, the Phaseguides 1 16 serve to facilitate the 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 1 18 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. Eine erste Ausführungsform und ein erster Betriebsmodus des Analytgewinnungsmoduls 1 14 gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf Figuren 3 und 4 erläutert. Das Analytgewinnungsmodul 1 14 besitzt eine Abreicherungskammer 105 mit einem Einlass 108 und einem Ablauf 1 10, wobei eine Wandung der Abreicherungskammer 105 durch eine Separationsstrecke, beispielsweise eine Gelmatrix, gebildet ist. Die Aus- gangsseite der Gelmatrix grenzt an die Sammelkammer 106. Erfindungsgemäß besitzt das Analytgewinnungsmodul 1 14 gemäß einer ersten Ausführungsform drei Elektroden 1 18a bis 1 18c, von denen die schwarz ausgefüllt dargestellten Elektroden 103 jeweils aktiv sind und die gepunktet dargestellte Elektrode inaktiv ist (Bezugszeichen 102). Both the enrichment, as well as the transport through the separating element 101 and also an optionally provided lysis or electroporation of the cell particles 104 is controlled by means of planar, integrated in the microsystem electrodes 1 18. In this case, an essential idea of the present invention is that different functions can be fulfilled by changing between an inactive and an active state and by applying different voltages. A first embodiment and a first mode of operation of the analyte recovery module 14 according to the present invention will be explained below with reference to FIGS. 3 and 4. The analyte recovery module 14 has a depletion chamber 105 with an inlet 108 and a drain 110, wherein a wall of the depletion chamber 105 is formed by a separation line, for example a gel matrix. According to a first embodiment, the analyte extraction module 14 according to the invention has three electrodes 11a to 18c, of which the electrodes 103 filled in black are in each case active and the dotted electrode is inactive (reference numeral FIG 102).

Wie in Figur 3 gezeigt, vereint das Modul 1 14 ein Anreicherungsmodul mit einem Extrakti- onschip beispielsweise für Zellpartikel, Proteine oder Nukleinsäuren. Auf ein und demselben Chip wird zunächst, wie in Figur 3 gezeigt, während des Durchflusses an dem Auftrennelement 101 eine Anreicherung der zu detektierenden Zellpartikel 104 durchgeführt. Dabei wird an die Elektroden 1 18a und 1 18c 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 1 10 gestoppt wird, eine Elution über den Ablauf 1 10 erfolgt. Nor- malerweise werden jedoch in einem nächsten Schritt die geldurchgängigen zu analysierenden Partikel durch die Gelmatrix 101 hindurch extrahiert. As shown in FIG. 3, the module 1 14 combines an enrichment module with an extraction chip, for example for cell particles, proteins or nucleic acids. First, as shown in FIG. 3, an enrichment of the cell particles 104 to be detected is carried out on one and the same chip during the flow through the separation element 101. In this case, a voltage is applied to the electrodes 1 18a and 1 18c which is suitable for accelerating the cell particles 104 in the direction of the interface of the gel matrix 101 and holding them 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 propagating living cells, in which the flow between inflow 108 and outflow 1 10 stopped is, an elution on the process 1 10 takes place. Normally, however, in a next step, the pervious particles to be analyzed are extracted through the gel matrix 101.

Alternativ zu dieser einstufigen Extraktion kann auch, wie in Figur 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 μΡιΝΑ in einer Plasmamatrix an der Grenzfläche zur Extraktionsstrecke angereichert und durch die Extraktionsstrecke 101 hindurch in die Sammelkammer 106 transportiert. Wie in Figur 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 an alternative to this one-stage extraction, as shown in FIG. 4, direct depletion in the flow can also be achieved with the aid of free-flow electrophoresis in the DC mode consequences. During the flow, smaller charged particles from a sample, such as free μΡιΝΑ enriched in a plasma matrix at the interface to the extraction section and transported through the extraction section 101 into the collection chamber 106. As shown in FIG. 5, however, alternatively the flow can also be stopped and then a pulsed depletion into the collecting chamber 106 can take place. 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, then a gel permeation matrix may be provided in the extraction section 101, so that the collection chamber 106 then initially becomes 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 Figuren 6 und 7 dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform besitzt das Analytgewinnungsmodul 1 14 eine beispielsweise zentral angeordnete Abreicherungskammer 105 (die somit als Sammelkammer fungiert), die an zwei Seiten an jeweils ein Auftrennelement 101 a, 101 b grenzt. An advantageous development of this concept is shown in FIGS. 6 and 7. According to this embodiment, the analyte extraction module 1 14 has an example, centrally arranged depletion chamber 105 (which thus acts as a collection chamber), which borders on two sides of a respective separation element 101 a, 101 b.

Durch entsprechende Ansteuerung der Elektroden 1 18a und 1 18c 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 Figur 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 activation of the electrodes 18a and 18c, bioparticles 104 with opposite polarities can be accumulated on the two gel fronts during the flow. Finally, they can be extracted directly or, as shown in FIG. 7, differently charged smaller particles can be guided in a bidirectional manner with free-flow electrophoresis in the DC mode in two directions. According to this embodiment, two collection chambers 106a and 106b are then provided.

Figur 8 zeigt wiederum die Modulanordnung aus Figur 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. FIG. 8 again shows the module arrangement from FIGS. 3 to 5, and the mode of operation of the module will be explained below for the case in which additional lysis of the cell particles 104 is carried out.

Erfindungsgemäß wird die Ansteuerung der Elektroden gezielt verändert. Insbesondere werden die Elektroden 1 18a und 1 18c 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 Elekt- roden 1 18b und 1 18c eine Wechselspannung angelegt, die zur Lyse der angereicherten Zellen führt. Das heißt, die während der Anreicherung inaktive Elektrode 1 18b ändert ihren Status und wird zu einer aktiven Elektrode 103, während die Elektrode 1 18a nunmehr eine inaktive Elektrode 102 ist. According to the invention, the control of the electrodes is selectively changed. In particular, the electrodes 1 18a and 1 18c are first supplied with a DC potential, so that the charged cells are deposited at the interface to the separation element 101. Subsequently, the flow is stopped and an alternating voltage is applied between the electrodes 1 18b and 1 18c, which leads to the lysis of the enriched cells. That is, the inactive electrode 1 18b changes during the enrichment Status and becomes an active electrode 103, while the electrode 1 18a is now an inactive electrode 102.

Anschließend, sobald die Lyse abgeschlossen ist, wird die Ansteuerung der Elektroden wiederum geändert, so dass nunmehr in der Auftrennstrecke 101 die verschiedenen Be- standteile 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 has been completed, the activation of the electrodes is again changed, so that now in the separation path 101, the various constituents of the lysate, such as sugars, proteins and nucleic acids, can be separated electrophoretically. 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 Figur 1 1 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 1 18b, 1 18d in unmittelbarer Nähe der Anreicherungsoberfläche platziert und bleibt während des Anreicherungsschrittes inaktiv (Bezugszeichen 102). For some applications, it is better not to lyse the cells completely, but to open only by means of electroporation. For electroporation of the cell particles very high field strengths and thus preferably very small electrode distances are required. In order to enable these small distances, as shown in FIG. 11, a homogeneous bacterial film distributed over a defined distance is first concentrated at the interface to the separation section 101. In contrast to the previous embodiments, according to the present embodiment, an electrode pair 1 18b, 1 18d is placed in the immediate vicinity of the enrichment surface and remains inactive during the enrichment step (reference numeral 102).

Wie in Figur 12 gezeigt, wird nach erfolgter Anreicherung bei Gleichspannung zwischen den Elektroden 1 18a und 1 18c die Ansteuerung der Elektroden so geändert, dass zwischen den Elektroporationselektroden 1 18b und 1 18d 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 shown in FIG. 12, after enrichment with DC voltage between the electrodes 1 18a and 1 18c, the activation of the electrodes is changed so that a sufficiently large DC voltage is applied between the electroporation electrodes 1 18b and 1 18d. 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 Figur 13 gezeigt, wiederum mit Hilfe der Elektroden 1 18a und 1 18c ein elektrisches Feld erzeugt, das nach dem bekannten Prinzip der Gelelektrophorese die Analytmoleküle aus dem Lysat entfernt und in die Sammelkammer 106 führt. Das Analytgewinnungsmodul 1 14 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 einzu- schleusen. Wie in Figur 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. Figur 15 zeigt den Vorgang der Elektropo- ration, bei der die Nukleinsäuren in die Zelle eingelagert wurden. Anschließend werden die Elektroden 1 18b und 1 18c wieder inaktiviert, die Polarität der zwischen den Elektroden 1 18a und 1 18c anliegenden Spannung wird im Vergleich zur Anreicherung umgepolt und die transformierten Zellen 104 können durch den Ablauf 1 10 resuspendiert und abgeführt werden. 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 shown in FIG. 13, an electric field is once again generated with the aid of the electrodes 1 18a and 1 18c which, according to the known principle of gel electrophoresis, removes the analyte molecules from the lysate and leads them into the collecting chamber 106. However, the analyte production module 14 according to the present invention can also be used conversely to subject cells to electroporation and then to introduce nucleic acids or nanoparticles into the cells for transforming these cells. smuggle. As shown in Figure 14, after the cellular particles are accumulated on the gel matrix, for example, a nucleic acid-containing fluid is added and prepared by an electrode for electroporation of the cell particles. FIG. 15 shows the process of electropuration in which the nucleic acids were incorporated into the cell. Subsequently, the electrodes 1 18b and 1 18c are inactivated again, the polarity of the voltage applied between the electrodes 18a and 18c is reversed in comparison with the enrichment, and the transformed cells 104 can be resuspended and drained through the process.

Das Prinzip der Elektroporation und anschließenden Analyse lässt sich gemäß einer weite- ren Ausführungsform ebenfalls in zwei Richtungen erweitern. Dies ist in den Figuren 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 1 18d, 1 18e vorgesehen sind, so dass an jeder Anreicherungsoberfläche ein Porationselektrodenpaar mit geringem Elektrodenabstand ausgebildet ist. Wie in Figur 19 gezeigt, wird die äu ßere Elektrode 1 18c sowohl zur Elektroporation wie auch für die Elektrophorese genutzt. Wiederum werden die Nukleinsäuren durch Elektroporation herausgelöst und anschließend durch entsprechendes Aktivieren der Elektroden 1 18a und 1 18c 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 illustrated in FIGS. 18 to 20. According to this embodiment, the cell particles are first enriched in two gel matrices 101 during the flow, wherein additional electrodes 1 18d, 1 18e are provided for the electroporation so that a pair of small electrode spacing pair of electrodes is formed on each enrichment surface. As shown in Figure 19, the outer electrode 1 18c is used for both electroporation and electrophoresis. Again, the nucleic acids are dissolved out by electroporation and then conveyed into the collection chamber 106 by activating the electrodes 1 18a and 18c accordingly.

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

Die Doppelelektrodenanordnung der Figuren 18 bis 20 lässt sich selbstverständlich auch mit dem in Figur 7 gezeigten Ausführungsbeispiel kombinieren. Of course, the double electrode arrangement of FIGS. 18 to 20 can also be combined with the exemplary embodiment shown in FIG.

Zusammenfassend besitzt das Analytgewinnungsmodul 1 14 gemäß der vorliegenden Erfin- dung 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. 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. Selbstver- ständlich 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 ge- trennt sein können, mit jeweils spezifischen Anreicherungsmodulen und einem eigenen Probeentnahme- oder Analyseteil, vorgesehen sein. In summary, the analyte extraction module 14 according to the present invention has 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. 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, 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 a plurality of chambers, which may be separated by gels, may be provided, each with specific enrichment modules and a separate sampling or analysis part.

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 Nukleinsäure- gewinnung und insbesondere die Elektroporation vorteilhaften Elektrodenabstand. Ein Ablösen der konzentrierten Schicht von der Gelgrenze durch eine Spannungsumkehrung ist möglich. Es kann alternativ auch nur ein Teil der möglichen Prozessierung durchgeführt werde, z. B. zum Extrahieren von μΡιΝΑ 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 An- schluss an die Anreicherung oder auch während der Anreicherung selbst lysiert. 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. Weiterhin können auch andere geeignete Verfahren zum Lysieren der Zellpartikel gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. So sind z. B. aus den Veröffentlichungen Advantageously, the electrophoretic approach requires no moving parts, such as valves or centrifuges. The system according to the invention offers particular advantages with regard 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. Alternatively, only a part of the possible processing can be carried out, for. B. for extracting μΡιΝΑ 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 following the enrichment or even during the enrichment itself. The lysis can be carried out, as described for example in the international published application WO 2008/049638 A1, using the Joule heat generated by applied alternating voltage or as mentioned by electroporation of the cell walls. 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 dynam- ics", Lab Chip, 2012, 12, 1071 , 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.tu- harburg.de/de/forschung/biopartikel.html so genannte Nanomesseranordnungen bekannt, die in dem mikrofluidischen Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung integriert werden können. Institut für Bioprozess- und Biosystemtechnik of the TUHH: "Mechanical digestion of eukaryotic cells", download from http://www.spe.tu-harburg.de/de/forschung/biopartikel.html so-called nanometer device arrangements known in the microfluidic component can be integrated according to the present invention.

Anschließend erfolgt erfindungsgemäß eine Aufreinigung der lysierten Komponenten, eine anschließende Detektion der Biomoleküle oder auch eine Elution oder sonstige Weiterver- arbeitung 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 takes place. 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. Selbstverständlich kann aber auch mindestens eine entsprechende Pumpe, insbesondere Mikropumpe, und mindestens ein Ventil vorgesehen sein, um ein geeignetes Druckgefälle aufzubauen. 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. 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 unspezifi- sehe 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 the enrichment, especially a nonspecific enrichment, with lysis and purification completely automated and with a level of integration that allows mobility outside the laboratory.

Claims

Integriertes mikrofluidisches Bauteil umfassend: mindestens eine Abreicherungskammer (105) mit mindestens einem Einlass (108) zum Einleiten eines zu prozessierenden Fluids und mit mindestens einem Auslass (1 10) zum Abführen des abgereicherten Fluids, wobei der Einlass (108) und der Auslass (1 10) so angeordnet sind, dass ein Fluidstrom zwischen dem Einlass (108) und dem Auslass (1 10) 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 with at least one outlet (1 10) for discharging the depleted fluid, the inlet (108) and the outlet (1 10) are arranged so that a fluid stream can flow between the inlet (108) and the outlet (1 10); at least one separation element (101) which delimits the depletion chamber (105) with at least one surface; at least one collection chamber (106) for receiving the enriched components of the fluid to be processed that have been purified by the separation element (101), the collection chamber (106) being connected to the depletion chamber (105) via the separation element (101) in such a way that transport between the depletion chamber (105) and the collecting chamber (106) can take place through the separation element (101). 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 separation element (101) has a gel filtration section with pores of a size that is 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 device according to claim 1 or 2, wherein the separation element (101) has a gel permeation chromatography section with pores of a size that is larger than a diameter of the components 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 separation element (101) has a liquid for carrying out 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 Abrei- cherungskammer (105) in Richtung auf die Oberfläche des Auftrennelements (101 ) beschleunigt werden. 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, further comprising: at least a first and a second electrode for applying a first voltage which generates an electric field through which electrically charged or polarizable components contained in the fluid flow as the fluid flows through the separation. cherungskammer (105) can be accelerated towards the surface of the separation element (101). Integrated microfluidic component according to one of the preceding claims, wherein a controllable or permanent magnetic field and / or a pressure gradient is provided to accelerate cell particles as the fluid flows through the depletion chamber (105) towards the surface of the separation element (101). 7. 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. 7. Integrated microfluidic component according to one of the preceding claims, wherein the at least one separation element (101) is provided with at least one component which specifically interacts with a component of the fluid to be enriched. 8. 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 mikro- fluidischen Bauteils (100) aufweist. 8. Integrated microfluidic component according to one of the preceding claims, wherein the depletion chamber (105) has at least one phase guide structure for guiding the meniscus of a phase boundary when filling or emptying the microfluidic component (100). 9. Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Fließrichtung des Fluidstroms zwischen dem Einlass (108) und dem Aus- lass (1 10) der Abreicherungskammer (105) quer zu einer Transportrichtung zwischen der Abreicherungskammer (105) und der Sammelkammer (106) verläuft. 9. Integrated microfluidic component according to one of the preceding claims, wherein a flow direction of the fluid stream between the inlet (108) and the outlet (1 10) of the depletion chamber (105) is transverse to a transport direction between the depletion chamber (105) and the collection chamber ( 106) runs. 10. 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. 10. Integrated microfluidic component according to one of the preceding claims, wherein a plurality of depletion chambers (105) are arranged cascaded one behind the other, each of which is separated from one another by specifically enriching gels. 1 1 . 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. 1 1 . Integrated microfluidic component according to one of the preceding claims, wherein at least one separation element (101) and, connected thereto, one collecting chamber (106) are arranged on two opposite sides of the depletion chamber (105), and wherein a first and a second electrode are each in a collecting chamber (106) are arranged, so that components of the fluid to be enriched with different electrical polarity are enriched on different separation elements (101). 12. 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. 12. Integrated microfluidic component according to one of the preceding claims, further comprising: at least pair of electrodes are generated to generate an electric field that leads to the lysis or electroporation of the enriched components. 13. Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach Anspruch 12, wobei die mindestens eine Elektrode an der Grenzfläche zwischen der Abreicherungskammer (105) und dem Auftrennelement (101 ) angeordnet ist. 13. Integrated microfluidic component according to claim 12, wherein the at least one electrode is arranged at the interface between the depletion chamber (105) and the separation element (101). 14. Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Sammelkammer (106) weiterhin eine Detektionseinheit zum Detektie- ren der aufgereinigten Bestandteile angeordnet ist. 14. Integrated microfluidic component according to one of the preceding claims, wherein a detection unit for detecting the purified components is further arranged on the collecting chamber (106). 15. Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens eine Reagenzienkammer zum Einspeisen weiterer Reagenzien in die Sammelkammer (106). 15. Integrated microfluidic component according to one of the preceding claims, further comprising at least one reagent chamber for feeding further reagents into the collection chamber (106). 16. Integriertes mikrofluidisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als mikromechanisch hergestellter einteiliger, im wesentlichen ebener Chip ausgebildet ist. 16. Integrated microfluidic component according to one of the preceding claims, which is designed as a micromechanically produced one-piece, essentially flat chip. 17. 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. 17. Use of the integrated microfluidic component (100) according to one of the preceding claims for enriching cells and/or cell particles, wherein the purified components obtained in the at least one collection chamber (106) comprise nucleic acid molecules. 18. Verwendung nach Anspruch 17, wobei in dem mikrofluidischen Bauteil (100) weiterhin ein Inkubationsschritt durchgeführt wird, um die Zellen zu vermehren. 18. Use according to claim 17, wherein an incubation step is further carried out in the microfluidic component (100) in order to multiply the cells.
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