Grundlagen einer magnetischen Manipulation von Partikeln für Anwendungen in der miniaturisierten kombinatorischen chemischen Reaktionstechnik

Albrecht, Arne GND

Abstract The miniaturisation and parallelisation of combinatorial methods in chemistry, which are used for the pharmaceutical research require new ways for manipulating substances. A variety of technical solutions is available for the dosage of substances down to the picolitre area. However, new solutions are required for the transfer of substances between micro reaction plates, i.e. to take the substance out from one plate and unload it to another plate. In this thesis, a new principle of the very parallel substance transfer is introduced based on the principle of solid phase synthesis by means of magnetic particles. Magnetic microparticles have been used in the biochemistry untill now. Contrary to this, for the new principle magnetic macroparticles are used. The forces due to the magnetic field are strong enough to overcome the surface force of the solution and thereby allow these particles to be taken out from the solution. Due to the large working distance of the magnetic field, this can be done without direct contact of the magnetic system to the reaction solution and thereby reducing the danger of contamination. In the first part of this thesis, different concepts for the magnetic manipulation of the particles are developed and resulting solutions are dimensioned. These calculations are based on the description of the relevant fluid-mechanical and magnetic effects as well as on experimental experiences. The scaling behaviour is represented and also the minimal particle size assessed. The developed magnetic manipulation system consists of several components. A narrow magnet produces such a immense force, that the magnetic particles are taken into a transportation plate by sweeping off the reaction plates. The particles are fixed there during the transportation by a magnetic matrix that corresponds to the grid of the reaction chambers. The second part of the thesis deals with the technological realisation of the magnetic macroparticles and the reaction chamber plates with an integrated magnetic matrix. Different methods of the production of the magnetic particles are compared and the magnetic qualities are evaluated. Suitable production methods of the reaction chamber plates, the embedding of the magnet matrix and the construction of the sandwich plates are examined. The focus lies on micro powder blasting. The most promising technological methods are evaluated on reaction chamber plates with 1536 and 6144 chambers.

Die Miniaturisierung und Parallelisierung kombinatorischer Verfahren in der Chemie, die beispielsweise für die pharmazeutische Wirkstoffsuche genutzt werden, erfordert neue Wege für die Substanzmanipulation. Während eine Vielzahl von technischen Lösungen für die Substanzdosierung bis hinunter in den Picoliterbereich verfügbar sind, erfordert der Substanztransfer im Mikrobereich, d.h. das Aufnehmen und erneute Abgeben kleinster Substanzmengen bei mehrstufigen Reaktionen neue Lösungen. In dieser Arbeit wird aufbauend auf dem Prinzip der Festphasensynthese ein neues Prinzip zum hochparallelen Substanztransfer mittels magnetischer Partikel vorgestellt. Im Gegensatz zu bisher vor allem in der Biochemie üblichen magnetischen Mikropartikeln werden makroskopische Magnetpartikel verwendet, auf die im magnetischen Feld so große Kräfte einwirken, dass sie aus einer Reaktionslösung durch die Flüssigkeitsoberfläche hindurch entnommen werden können. Durch die große Wirkdistanz des magnetischen Feldes kann diese Entnahme ohne direkten Kontakt des Magnetsystems zur Reaktionslösung erfolgen, wodurch sich die Gefahr der Kontamination reduziert. Im ersten Teil dieser Arbeit werden, ausgehend von der Beschreibung der relevanten fluid-mechanischen und magnetischen Effekte sowie experimentellen Untersuchungen, Konzepte für die magnetische Manipulation entwickelt und Lösungsvarianten dimensioniert. Dabei wird auch das Skalierungsverhalten dargestellt und die minimal mögliche Partikelgröße abgeschätzt. Das entwickelte magnetische Manipulationssystem besteht aus mehreren Komponenten. Ein zeilenförmiger Magnet erzeugt bei Überstreichen der Reaktionsplatten eine so große Kraft auf die magnetischen Partikel, dass sie in eine Transportplatte übernommen werden. Dort werden sie durch eine Magnetmatrix, die dem Raster der Reaktionskammern entspricht, während des Transports fixiert. Der zweite Teil der Arbeit ist der technologischen Realisierung der magnetischen Makropartikel und der Reaktionskammerplatten mit integrierter Magnetmatrix gewidmet. Es werden verschiedene Verfahren zur Herstellung der magnetischen Partikel verglichen und die magnetischen Eigenschaften bewertet. Ebenso werden geeignete Verfahren zur Herstellung der Reaktionskammerplatten, zur Einbettung der Magnetmatrix und zum Aufbau der Verbundplatten untersucht. Der Fokus liegt dabei auf dem Mikropulverstrahlen. Die favorisierten technologischen Verfahren werden an Reaktionskammerplatten mit 1536 und 6144 Kammern evaluiert.

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Albrecht, Arne: Grundlagen einer magnetischen Manipulation von Partikeln für Anwendungen in der miniaturisierten kombinatorischen chemischen Reaktionstechnik. 2004.

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