Separarea continua a biomoleculelorprin magnetoforeza
Marius-Andrei Avram, Elena Barbarini, Alina Popescu
Cuprins
1. Introducere
2. Obiective
3. Aspecte teoretice
4. Valve de spin
5. Simulari
6. Structura
7. Microfabricatie
8. Teste si rezultate
9. Optimizari si proiect de viitor
1. Introducere
Manipularea globulelor rosii in camp magnetic este posibila datorita hemoglobineicontinuta de acestea. Hemoglobina este o proteina-metal conjugata, formata din patru
lanturi polipeptidice legate covalent de un atom de fier. Astfel, hemoglobinafunctioneaza ca transportor de oxigen. Atunci cand este dezoxigenata, datorita
electronilor de valenta, proteina si celula capata un moment paramagnetic substantial. Principiul de functionare al acestui dispozitiv se bazeaza pe faptul ca spre deosebire de
globulele rosii care datorita hemoglobinei sunt paramagnetice, deci sunt atrase spregradienti mari ai campului magnetic, globulele albe necontinand hemoglobina, sunt
diamagnetice si sunt atrase spre gradienti mici. Aceste proprietati ale celulelor sanguine reprezinta punctele de plecare pentru captura celulelor prin flosirea campurilor
magnetice puternic asimetrice. Separarea se realizeaza prin curgerea continua a uneimostre de sange, diluata in PBS, printr-un canal microfluidic care are pe baza un strat
feromagnetic nanostructurat. Prin aplicarea unui camp magnetic perpendicular pedirectia de curgere, nanostructurile magnetice genereaza un gradient de camp magnetic
ce amplifica forta magnetica, astfel incat celulele rosii sunt captate pe fundulmicrocanalului in timp ce restul sangelui este colectat in rezervorul de iesire al
microcanalului.
SEPARARE MAGNETICA
•Separarea magnetica la gradienti de camp mari a biomoleculelor atasate unor nanotransportori magnetici
• Separarea globulelor rosii din sange datorita susceptibilitatii lor native
OBIECTIVELE NOASTRE
• Modelarea, simularea, realizarea si testarea unui sistem microfluidic pentru separarea magnetica continua a celulelor
2. Obiective
Membrana
Hbias
Varf Magnetic Particule magnetice Valve de spin(capcane)
Globulele rosii sunt paramagnetice, in timp ce globulele albe sunt diamagnetice. Asupra unei particule magnetice ce se deplaseaza in campmagnetic uniform actionaza o forta, care in functiede orientarea campului poate fi de atractie sau de repulsie. Valvele de spin atrag particulele paramagnetice (globulele rosii) si le resping pe cele diamagnetice (globulele albe).
araHhw
raVk
aHhw
ra
hwk
raVk
F BCr
BCBC >⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛Δ
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛Δ
−= ,2sin2
2cos2 2
03
202
02
2
3
20
φϕχμ
ϕχμ
Forta cu care este atrasa sau respinsa o molecula este data de expresia:
3. Aspecte teoretice
AVANTAJE
Se poate manipula un numar mare de biomolecule independent si simultan
Se pot aplica campuri magnetice care genereaza o miscare de rotatie a biomoleculelor
Se pot aplica forte de torsiune care induc tranzitii structurale astfel incat se pot evidentia mecanisme biologice la nivel molecular
4. Valve de spin
Valva de spin
biomolecula 0˚ 45˚ 90˚
135˚ 180˚ 225˚
270˚ 315˚ 360˚
4. Valve de spin
Mirowski et al. – Journal of Magnetism and magnetic materials (2007)
Arhitectura si compozitia unei valve de spin.
Pe substrat de siliciu, se depune un strat de Ta (5nm). Ta se depune pe partea superioara a structurii pentru a preveni oxidarea stratului antiferromagnetic si a asigura obtinerea unui contact ohmic. Stratul antiferomagnetic (8nm) are rolul de a fixa magnetizarea valvei.
Multistratul activ se obtine alternand metale magnetice (permalloy si cobalt) si nemagnetice Cu/Au/Ag. Co se depune cu dublu scop: interfata Co/Cu genereaza un raport GMR mai mare; Co serveste si ca bariera de difuzie.
Pad de polarizare
Valva de spinFir de aur
4. Valve de spin
Mom
ent
Mag
net
ic (
emu
/cm
3)
Intensitatea campului magnetic (Oe)250200150100500-50-100-150
feromagnetic
antiferomagnetic
AntiparalelCuplaj Antiferomagnetic
ParalelCuplaj Feromagnetic
antiferomagnetic
Stare ON
Stare OFF
700
650
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0feromagnetic
COMPORTAREA BISTABILA A VALVEI DE SPIN
4. Valve de spin
0
0.5
1
1.5
2
2.5
-150 -100 -50 0 50 100 150
ΔR
/R (%
)
Intensitatea campului magnetic (Oe)
VARIATIA RAPORTULUI GMR IN FUNCTIE DE INTENSITATEA CAMPULUI MAGNETIC APLICAT
4. Valve de spin
Campul magnetic• campul magnetic extern este determinat de forma structurilor feromagnetice
• intensitatea este mai mare in lateralul structurilor si scade deasupra lor
• materialele din jur au efecte determinante asupra campului magnetic
• in cazul plachetei de sticla, campulmagnetic este mai putin intens
B at 5 um distance on 2um glass structure
0.45
0.47
0.49
0.51
0.53
0.55
0.57
0
3.58
7.15
10.7
14.3
17.9
21.5 25
28.6
32.2
35.8
39.3
42.9
46.5
50.1
53.6
57.2
60.8
64.4
67.9
71.5
75.1
x [um]
B [T
]
B at 5 um distance on 2um silicon structure
0.45
0.47
0.49
0.51
0.53
0.55
0.57
0
3.53
7.06
10.6
14.1
17.6
21.2
24.7
28.2
31.8
35.3
38.8
42.3
45.9
49.4
52.9
56.5 60
63.5 67
70.6
74.1
x [um]
B [T
]
5. Simulari
Camp magnetic pe o structura de siliciu de 2μm
Camp magnetic pe o structura de sticla de 2μm
Inductia campului magnetic (B)la o distanta de 5μm pe o placheta de siliciu
Inductia campului magnetic (B)la o distanta de 5μm pe o placheta de sticla
BBVF fccm ))((0 ∇•−= χχμ
Forta magnetica este unul din factorii importanti, alaturi de gravitatie si vascozitate, care are rol in deplasarea particulelor prin microcanale Rezultatele arata cum, in functiede dimensiunea canalului, celulele pot fi captate intr-o perioada relativ scurta.
Magnetic force at 20 um on 1 mm structure
-5.00E-21
0.00E+00
5.00E-21
1.00E-20
1.50E-20
2.00E-20
2.50E-20
0
315
631
946
1261
1577
1892
2207
2523
2838
3153
3468
3784
4099
4414
4730
x [um]
Fmy
[N]
glasssilicon
5. Simulari
Forta magnetica la distanta de 20μm fata de structura
Forta magnetica
Dependenta magnetorezistentei gigant de intensitatea campului magnetic aplicat pentru diferite valori de acoperire a suprafetei cu biomolecule, campul magnetic fiind aplicat in plan: (a) paralel cu axa de usoara magnetizare (b) perpendicular pe axa de
usoara magnetizare
5. Simulari
Zoom in
5. Simulari
Campul magnetic la 2 microni in interiorul siliciului
Campul magnetic pesuprafata siliciului
Zoom in
5. Simulari
Campulmagnetic pe
suprafata sticlei
5. Simulari
6. Structura
7. Microfabricatie
7. Microfabricatie
Rezultate
Peste 93% din celulele rosii au fost captate de dispozitivul structurat pe siliciu
Peste 89% din celulele rosii au fost captate de dispozitivul structurat pe siliciu
Cele mai bune performante s-au obtinut in cazul structurilor feromagnetice mici
Rezultatele simularilor au fost confirmate
Procentul de celule rosii colectate la iesireStructura pe sticla
0.00%
2.00%
4.00%
6.00%
8.00%
10.00%
stripes square tango quadri
0.5 ml/h0.6 ml/h
Procentul de celule rosii colectate la iesireStructura pe siliciu
7.00%
0.00%
1.00%
2.00%
3.00%
4.00%
5.00%
6.00%
stripes square tango quadri
0.5 ml/h0.6 ml/h
8. Teste si rezultate
Ce am facut• am studiat efectul campului magnetic extern asupra unor structuri ferromagnetice de diferite forme.• am studiat miscarea particulelor in canalul microfluidic sub influenta unei forte magnetice.• am realizat si testat dispozitivul de separare a celulelor dupa susceptibilitatea nativa
Ce vom face in viitor…• vom modifica structura dispozitivului pentru a creste forta magnetica a structurii feromagnetice asupra biomoleculelor
• scaderea dimensiunilor dispozitivului pentru a micsora timpul de separare.
• analiza efectului campului magnetic asupra proprietatilor biomoleculelor.
9. Optimizari si proiect de viitor