Microfluidic magnetic fluidized bed for bioanalytical applications

par Iago Pereiro

Thèse de doctorat en Biophysique

Sous la direction de Laurent Malaquin et de Stéphanie Descroix.

Soutenue le 12-02-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec Physico-Chimie-Curie / PCC (laboratoire) .

Le jury était composé de Jean-Louis Viovy, Nicole Pamme, Anne-Marie Haghiri-Gosnet, Christine Ménager, Myriam Taverna, Pierre Sonigo.

  • Titre traduit

    Lit fluidisé magnétique microfluidique pour des applications bioanalytiques


  • Résumé

    Des phénomènes de fluidisation de billes magnétiques apparaissent à l'échelle micrométrique au sein du système de lit fluidisé microfluidique. On obtient un fonctionnement en flux continu à basse pression de travail avec un étroit contact liquide/solide et une recirculation constante des billes, des caractéristiques avantageuses pour des applications dédiées à la pré-concentration de cibles biologiques. La caractérisation du système physique a montré l'influence de paramètres tels que la géométrie de la chambre ou la distribution du champ magnétique, leur optimisation étant nécessaire pour obtenir des phénomènes de fluidisation à cette échelle et améliorer le mélange et la distribution des billes. De plus, le potentiel du lit fluidisé comme plateforme pour des bio-essais analytiques a été exploré avec succès lors d'applications biologiques: 1) la pré-concentration de bio-markers de la maladie d'Alzheimer et leur marquage in situ pour un future couplage avec des techniques de détection sensibles; 2) la détection de bactéries sans besoin de marquage préalable à travers une immuno-capture suivie d'une culture donnant lieu à des changements physiques du support fluidisé; 3) l'extraction d'ADN contenant un gène cible et son ultérieur amplification enzymatique sur la surface des billes, suivie d'une détection multiplexée des mutations présentes par un système de microarray. Ainsi, le lit fluidisé magnétique rend possible des applications au de-là d'un simple système de pré-concentration, permettant son utilisation comme une plateforme efficace de biologie moléculaire allant jusqu'à l'utilisation des propriétés autorégulatrices inhérentes au système comme mécanisme de détection.


  • Résumé

    With the use of an external magnetic field and magnetic microbeads, the microfluidic magnetic fluidized bed system enables fluidization phenomena at the microscale. This results in flow-through operations at low driving pressures with intimate liquid/solid contact and a continuous beads recirculation, interesting for efficient biological target preconcentration applications. The physical system has been characterized, showing the importance of chamber angle of aperture and height confinement as well as magnetic field distribution parameters, to obtain fluidization and further enhance mixing and maximize beads density. Further, the potential of the fluidized bed as a platform for analytical bioassays has been successfully explored with a series of biologically relevant applications: (1) the preconcentration of rare Alzheimer’s biomarkers together with their in situ fluorescence labeling for future enhanced detection with hyphenated techniques; (2) the label-free sensitive detection of bacteria in liquid food samples through the specific immunocapture and on-chip culture of these microorganisms and the resulting physical changes induced in the fluidized support; (3) the gene-specific extraction of DNA and its subsequent enzymatic amplification on the surface of the beads, coupled to a microarray detection system for a multiplexed detection of cancer-inducing mutations. These results show that the applications of the magnetic fluidized bed go beyond its initial conception as a dynamical affinity-based concentrator, serving as an efficient platform for molecular biology protocols and even making use of its inherent auto-regulating properties as a detection mechanism.

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