Magnetic fluidized bed for sample preconcentration and immunoextraction in microfluidic systems
Lit magnétique fluidisé en vue de la préconcentration et l'immunoextraction d'un échantillon dans des systèmes microfluidiques
Résumé
We developed a novel microfluidic device in which magnetic particles are maintained dynamically in a microchamber and undergo hydrodynamic recirculation. From a physical point of view, this dense dynamical system is reminiscent of fluidized beds and its behaviour has been interpreted in this frame. Gravitational fluidized beds were widely investigated in the macroscopic worlds but their integration in microfluidics is hardly possible as they provide a very limited dynamic range. Magnetic forces offer the opportunity to extend the concept of fluidized bed to miniaturized systems and to our knowledge, this is the first implementation of a magnetically stabilized fluidized bed in microfluidics. Previous systems consisted in either low density static or dynamic systems in which columns are trapped in a strong and local field potential. These systems have a higher potential capacity, but limited capture efficiency. The new system developed here bridges the gap between these two previous strategies and opens new regimes of operation combining a high density of magnetic particles, for high capacity, an active hydrodynamic stirring for increased kinetics and a high flow rate allowing concentration of very dilute analytes from a rather large sample volume. This system was validated in an immunoassay using a stop-and-go strategy taking full advantage of the dynamic nature of the magnetic microcolumn. We believe, however, that it also has strong potential of preconcentration of analytes from ml to µl or nl sized sample downstream microfluidic analysis modules. This laboratory is involved in the EU Nadine, aimed at developing early diagnosis of Alzheimer's disease in blood.
Nous avons développé un système microfluidique où des particules magnétiques entraînées par un flux hydrodynamique restent confinées dynamiquement grâce à un champ magnétique au sein d'une micro-chambre. Ces particules sont employées comme support pour un immuno-dosage. Le projet européen Nadine dans lequel s'inscrit ce travail vise au développement d'un module destiné au diagnostic précoce de la maladie d'Alzheimer à partir du sang. Ce système dense et dynamique évoque un lit fluidisé, et son comportement a été interprété dans cette perspective. Bien que les lits fluidisés gravitationnels aient été largement étudiés à une échelle macroscopique, leurs intégrations en microfluidique demeurent impossible, la force de gravitation n'équilibrant plus les forces hydrodynamiques à cette échelle. Les forces magnétiques offrent l'opportunité d'étendre le principe du lit fluidisé aux systèmes miniaturisés, et à notre connaissance, notre système constitue la première réalisation d'un lit fluidisé stabilisé magnétiquement en microfluidique. Ce nouveau système autorise une forte densité en particules (nécessaire pour une capacité élevée), une agitation hydrodynamique (pour accroître la cinétique de capture et son efficacité) et un flux élevé (permettant la concentration d'analytes très diluées). Ce module a été validé à l'aide d'un immuno-dosage-modèle (IgG/anti-IgG), par l'emploi d'une stratégie de type stop-and-go, qui permet de bénéficier pleinement de la nature dynamique des colonnes magnétiques. Le système permet par ailleurs l'enrichissement continu en analytes du lit de particules, ce qui augmente significativement la sensibilité de détection (LOD ~ 6,5 pM).