DE10038706A1 - Adapter zur Ankopplung von Lichtleitern oder Mikroskopobjektiven an kleine dialysierbare Volumina - Google Patents

Abstract

Die Detektion optischer Eigenschaften von Substanzen in wässriger Lösung und an Substrate adsorbierten Materialien gibt Aufschluss über physikalisch-chemische Prozesse, die bei der Untersuchung der Interaktion pharmakologischer Wirkstoffe mit Biomolekülen von Bedeutung sind. Der angegebene Adapter ermöglicht die Ankopplung von Lichtleitern oder Mikroskopobjekten an wässrige Probenvolumina und ermöglicht die Dialyse des beobachteten Testvolumens. Stoffaustausch an adsorbierten Materialschichten bei gleichzeitiger optischer Detektion wird dadurch mechanisch störungsfrei ermöglicht. Der modulare Aufbau des Adapters erlaubt eine einfache mechanische Anpassung an bestehende Gerätekomponenten, wodurch die simultane Messung von Probeneigenschaften, die von den mittels des Adapters detektierten Signalen unabhängig sind, ermöglicht wird.

Description

Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften von natürlichen und künstlichen Substanzen bilden die Grundlage für ihre Detektion durch Wechselwirkung mit Strahlung ausgewählter Wellenlängen. Zur Untersuchung von Materialien, die gegenüber anderen Eingriffen sehr empfindlich sind, hat sich diese weitgehend störungsfreie optische Detektion mittels spezifischer Indikatorfarbstoffe bewährt und wird zur Untersuchung von Biometerialien wie Biomolekülen oder lebenden Zellen eingesetzt. So existieren beispielsweise Indikatoren für die absorptionspektroskopische Messung der Protonenkonzentration oder für die fluoreszenzspektroskopische Messung der Kalziumionenkonzentration in wässrigen Lösungen oder in lebenden Zellen. Ein Hauptanliegen solcher medizinisch relevanter Untersuchungen ist es, diese Messungen in Abhängigkeit von Testsubstanzen durchzuführen, um deren Wirkung auf Biomaterialien zu bestimmen. Dabei ist gewünscht, an möglichst kleinen Probenvolumina zahlreiche Messungen durchzuführen. Im Falle, dass die Materialien an ein Substrat adsorbiert und mit wässrigen Lösungen überschichtet werden können, lässt sich ein Wechsel der Testsubstanzen leicht durch Überströmung durchführen. Dabei interessiert oft die optische Detektion der Bindung der Testsubstanzen an die Materialschicht. Dabei besteht die Gefahr der mechanischen Beeinträchtigung der Proben durch Fortschwemmen, was insbesondere bei Biomaterialien mit nur schwacher Adsorptionsfähigkeit auftritt. Es ist bekannt, dass Dialyse, also Stoffaustausch über eine halbdurchlässige Membran definierter Porengrösse, solche mechanischen Störungen vermeidet. Diese Form des Stofftransportes ist im Zusammenhang mit optischen Messungen an einer auf einem Wellenleiter adsorbierten Materialschicht beschrieben (Patent. DE 196 12 877 C1). Dabei erfolgt die Messlichtabsorption in einem dünnen Segment der Materialschicht von der Grössenordnung der Messlichtwellenlänge innerhalb eines evaneszenten Feldes an der unmittelbaren Oberfläche des Wellenleiters. Dem Stand der Technik entsprechend können jedoch simultan zu solchen Messungen nicht die Fluoreszenz- oder die Absorptionseigenschaften der Proben ausserhalb des evaneszenten Feldes und unabhängig vom Wellenllängenbereich des im Wellenleiter fortgeleiteten Messlichts erfasst werden. Es ist aber wünschenswert, solche Simultanmessungen durchzuführen, um eine gösstmögliche Information in einem Messvorgang zu erzielen. Beispielsweise ist es wünschenswert, die Fluoreszenzemission von Indikatorfarbstoffen in Kontakt mit einer Materialschicht zeitgleich mit den Infrarotabsorptionseigenschaften der auf einem Wellenleiter adsorbierten Materialschicht zu bestimmen.

Mechanisch empfindliche Materialschichten können ferner an Grenzflächen zwischen einer flüssigen und einer gasförmigen Phase vorliegen, wie beispielsweise monomolekulare Lipidschichten auf Wasser. Die Wirkung vieler pharmakologisch bedeutsamer Substanzen korelliert mit ihrem Einfluss auf die Oberflächenspannung solcher Lipidfilme. Bei solchen Schichten erlaubt der Stand der Technik zwar die Beobachtung von optischen Merkmalen der Lipidschicht (Fluoreszenz, Reflexionsvermögen) durch Mikroskopobjektive mit grossem Arbeitsabstand bei simultaner Messung der Oberflächenspannung. Es ist jedoch nicht möglich, in dem optisch erfassten Volumen einen auf Dialyse beruhenden Stoffaustausch für die serielle Messung verschiedener Testsubstanzen vorzunehmen. Eine Dialyse­ möglichkeit ist insbeondere hier wünschenswert, da eine direkte Zugabe der Testsubstanz zu Volumenänderungen führt, wodurch die Messung des Spreitungsdrucks oder der Oberflächenspannung verfälscht werden kann.

Auch für nicht an ein Substrat adsorbierte Substanzen bietet die Kombination optischer Detektionsmethoden mit Dialyse Vorteile gegenüber einer direkten Zugabe der Testsubstanz, da die Testsubstanz wieder entfernt werden kann, ohne dass notwendigerweise alle anderen gelösten Stoffe dabei dem Detektionsvolumen entnommen oder suspendierte Bestandteile, wie z. B. lebende Zellen aus dem Detektionsvolumen herausgespült werden. Die Porengrösse der Dialysemembran definiert dabei die molekulare Grösse der austauschbaren Substanzen.

In den nach dem Stand der Technik möglichen optischen Messungen an wässrigen Lösungen und adsorbierten Materialschichten ist im allgemeinen keine Dialyseoption gegeben oder sie ist nicht für die Simultanmessung in von der bestehenden Messanordnung unabhängigen Wellenlängenbereichen ausgelegt. Es sind insbesondere keine Vorrichtungen vorgesehen, die eine einfache mechanische Ankopplung der für solche optischen Detektionen an kleinen dialysierbaren Volumina nötigen Komponenten, nämlich Lichtleiter oder Mikroskopobjektiv, Dialysekomparti­ ment, Dialysemembran sowie Zu- und Abläufe für die Befüllung des Dialysekomparti­ ments an existierende Messapparaturen erlaubt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Adapter anzugeben, der die Dialyse eines kleinen Probenvolumens über kurze Diffusionsstrecke ermöglicht und dabei eine optische Detektion von Probeneigenschaften über Lichtleiter oder Mikroskopobjektive platzsparend so integriert, dass eine kompakte Einheit entsteht, die den Austausch von Proben und Testlösungen mechanisch störungsfrei erlaubt. Ferner, soll das Problem gelöst werden, Messungen, die z. B. die Lichtreflexion oder Oberflächenspannung einer an der Grenzfläche zwischen flüssiger und gasförmiger Phase befindlichen Materialschicht oder die Totalreflexion in einem als Substrat dienenden Wellenleiter ausnutzen und die von der Detektion von Signalen durch im Adapter angekoppelte Lichtleiter oder Mikroskopobjektive unabhängig sind, nicht zu ehindern. Dabei soll durch modularen Aufbau des Adapters eine Anschluss­ möglichkeit an unterschiedliche, der jeweiligen Messung angepasste Proben­ kompartimente gewährleistet werden. Der Adapter für die Ankopplung von Lichtleitern oder Mikroskopobjektiven an kleine dialysierbare Volumina löst die genannten Probleme. Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt.

Dabei zeigt Abb. 1 eine Hülse H, deren Innenform den Aussenabmessungen eines typischen Lichtleiterausgangs angepasst ist, so dass das Lichtleiterende ohne Spiel in die Hülse eingepasst werden kann. Die Hülse überragt den Lichtleiterausgang und ist in diesem Bereich angeschrägt. Hier münden die Öffnungen von durch die Wandungen der Hülse geführten Kanülen für den Flüssigkeitszu- und abfluss. Auf das Ende der Hülse wird eine Dialysemembran aufgelegt, die sich bei Verschraubung mit der Fassung F mittels der Überwurfmutter flach über das Ende der Hülse spannt. Die Verschraubung wird in dem Ausführungsbeispiel so vorgenommen, dass bei Anziehen der Überwurfmutter der entstehende Anpressdruck die Dialysemembran zwischen Hülse H und Fassung F entlang des O-Rings O abdichtet und der Gummiring D dsurch den Anpressring A allseitig an den Lichtleiter gepresst wird. Auf diese Weise wird mit einer einzigen von Hand vorzunehmenden und leicht zu lösenden Verschraubung eine kompakte und flüssigkeitsdichte Einheit erhalten, die über die Grundfläche der Fassung F mit anderen Gerätekomponenten verbunden werden kann. Dieser Aufbau ist durch entsprechende Dimensionierung der Komponenten gleichfalls zur Ankopplung von Mikroskopobjektiven an kleine dialysierbare Volumina geeignet.

Bezugszeichenliste

A Anpressring zur Druckübertragung auf Gummiring D;
D Gummiring zur Dichtung um Lichtleiterausgang;
F Fassung zur Ankopplung an andere Gerätekomponenten;
H Hülse zur Aufnahme des Lichtleiterausgangs;
O O-Ring zur Abdichtung der Dialysemembran gegen Hülse H und Fassung F.

Claims (9)

1. Adapter für die Ankopplung von Lichtleitern oder Mikroskopobjektiven an kleine dialysierbare Volumina dadurch gekennzeichnet, dass eine Hülse mit Anschlüssen für Zu- und Abflussleitungen für wässrige Lösungen das Ende eines ein- oder mehrarmigen Lichtleiters oder eines Mikroskopobjektivs umschliesst und eine austauschbare Dialysemembran durch eine Fassung so an der Hülse fixiert wird, dass zwischen Lichtleiterausgang und der Dialysemembran bzw. zwischen äusserer Mikroskopobjektivlinse und Dialysemembran ein kleines Volumen entsteht, das über die Zu- und Abflussleitungen befüll- und entleerbar ist. Der Adapter ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse mit unterschiedlichen Fassungen verbunden werden kann, deren Gestalt und Positionierung auf die Erfordernisse der mit der optischen Detektion und Dialyse zu koppelnden Komponenten ohne Veränderung anderer Teile des modular aufgebauten Adapters abstimmbar ist.

2. Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fassung ein Peltierelement zur Temperierung anliegt.

3. Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung Teil eines für die Zellkultur geeigneten Gefässes ist oder mit soeinem verbunden werden kann, wodurch die durch einen Lichtleiter oder Mikroskopobjektiv erfolgende Detektion optischer Signale oder Belichtung lebender Zellen sowie die simultane Dialyse des Nährmediums ermöglicht werden.

4. Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung mit einem für die Mikroskopie geeigneten Fenster ausgesattet ist oder an ein solches befestigt werden kann, wodurch die mikroskopische Beobachtung des Volumens zwischen Dialysembran und dem in der Fassung befindlichen Fenster während Dialyse und bei gleichzeitiger Detektion optischer Signale oder Belichtung des Volumens durch den im Adapter befindlichen Lichtleiter oder das Mikroskopobjektiv ermöglicht wird.

5. Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung mit einem Wellenleiter verbunden ist oder an einen solchen angesetzt werden kann, so dass ein dialysierbares Volumen über der Wellenleiteroberfläche entsteht, wodurch die durch einen Lichtleiter oder Mikroskopobjektiv erfolgende Detektion optischer Signale von der Wellenleiteroberfläche oder deren Belichtung sowie die simultane Dialyse des mit dem Wellenleiter in Kontakt stehenden Volumens ermöglicht werden, ohne die mit dem Wellenleiter durchzuführenden Messungen zu behindern.

6. Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung mit der Fassung eines zweiten Adapters verbunden werden kann, so dass ein dialysierbares Volumen zwischen den sich gegenüberliegenden Enden zweier Lichtleiter entsteht, wodurch dessen optische Transmissionseigenschaften mit Hilfe der im Adapter befindlichen Lichtleiter oder Mikroskopobjektive ermittelt werden können.

7. Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung so mit einem Bio- oder Chemosensor (Chip) verbunden werden kann oder der Sensor so in die Fassung integriert ist, dass ein kleines dialysierbares Volumen über der Sensoroberfläche entsteht, in dem Stoffaustausch mit der Sensoroberfläche über die Dialysemembran erfolgt und die Detektion optischer Signale durch den im Adapter befindlichen Lichtleiter bzw. ein Mikroskopobjektiv oder auch die Belichtung der Sensoroberfläche zeitgleich mit der Messung elektrischer oder sonstiger Signale des Sensors ermöglicht wird.

8. Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung mit einem für den Ablauf biologischer oder chemischer Reaktionen einsetzbaren Gefäss verbunden oder Teil eines solchen ist, so dass die Detektion von optischen Signalen durch den im Adapter befindlichen Lichtleiter oder ein Mikroskopobjektiv möglich ist, die durch Einstrom von an den biologischen oder chemischen Reaktionen beteiligten Substanzen in das dialysierbare Volumen und dort erfolgende spezifische Reaktionen verursacht werden.

9. Adapter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fassung mit einem Trog verbunden werden kann oder Teil eines solchen ist, so dass die Detektion optischer Signale an der Grenzfläche zwischen einer im Trog befindlichen flüssigen und einer darüber befindlichen gasförmigen Phase oder die Belichtung der Phasengrenzfläche durch den im Adapter befindlichen Lichtleiter oder ein Mikroskopobjektiv möglich ist und das Flüssigkeitsvolumen nahe der Phasengrenzfläche dialysiert werden kann.