DE10163313B4

DE10163313B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung einer Reaktion von in einem Medium angeordneten Reaktionspartnern

Info

Publication number: DE10163313B4
Application number: DE2001163313
Authority: DE
Inventors: Benno Radt; Gereon Hüttmann; Björn Lange
Original assignee: MED LASERZENTRUM LUEBECK GmbH; Medizinisches Laserzentrum Luebeck GmbH
Current assignee: MED LASERZENTRUM LUEBECK GmbH; Medizinisches Laserzentrum Luebeck GmbH
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2021-12-22
Also published as: DE10163313A1

Abstract

Verfahren zum Beeinflussen einer Reaktion von in einem Medium vorhandenen Reaktionspartnern durch Energiezufuhr, dadurch gekennzeichnet, dass im Medium wenigstens ein Mikroabsorber mit Energie, welche von dem Werkstoff des Mikroabsorbers stärker als vom Medium absorbiert wird, zeitlich und/oder räumlich gesteuert versorgt wird und die absorbierte Energie an die in unmittelbarer Umgebung des jeweiligen Mikroabsorbers vorhandenen Reaktionspartner abgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beeinflussen, insbesondere Steuern einer Reaktion von in einem Medium angeordneten Reaktionspartnern durch Energiezufuhr.

Aus US 4,774,026 ist eine Vorrichtung mit einer Reaktionskammer, einer Energiequelle und mit in der Reaktionskammer sich befindenden Reaktionspartnern bekannt. In der Reaktionskammer befinden sich verteilt in einer Lösung halbleitende Photokatalysatorpartikel mit einer Teilchengröße im Submikrometer- und Mikrometerbereich. Die Photokatalysatorpartikel absorbieren eingestrahlte Lichtenergie, wobei bei den in unmittelbarer Umgebung der Photokatalysatorpartikel befindlichen Reaktionspartner Redoxvorgänge initiiert werden. Die zugeführte Lichtenergie wird von den Photokatalysatorpartikeln stärker absorbiert als vom umgebenden Trägermedium.

Aus der DE 39 36 716 C2 ist es bekannt, durch Licht, insbesondere Laserstrahlpulse strukturiert differenzierte Veränderungen von Materialeigenschaften zu erzielen. Hierbei wird die zugeführte Energie in natürlich vorhandenen oder künstlich geschaffenen Absorptionsstrukturen im Material räumlich begrenzt absorbiert und durch Energieausbreitungsmechanismen, wie Wärmeleitung, Wärmekonvektion, akustische Wellen, räumlich ausgeweitet, um die gewünschten Materialeffekte zu erreichen.

Bei chemischen Reaktionen ergeben sich durch Parallelreaktionen häufig ungewollte Nebenprodukte. Zur Diskriminierung unterschiedlicher Reaktionswege wählt man geeignete extreme Reaktionsbedingungen, wie hohe Temperaturen, Drücke, elektromagnetische Felder, Vakuum, freie Elektronen und dergleichen. Bei der Optimierung der Reaktionswege in großvolumigen Reaktoren ergeben sich Schwierigkeiten dahingehend, dass Temperaturen oberhalb der Verdampfungstemperatur eines Lösungsmittels erforderlich sein können, so dass das große aufgeheizte Volumen unter Druck gesetzt werden muss. Ferner ist es nicht möglich, die Temperatur in den Proben sprunghaft zu verändern, so dass durch Wärmeleitung ein räumliches und zeitliches Reaktionsprofil mit unterschiedlichen Reaktionsprodukten in den Proben entsteht. Zudem lassen sich Temperatursprungzeiten in herkömmlichen Reaktoren nicht beliebig verkürzen, da die Abkühldauer infolge Wärmeleitung die minimalen Zeiten der Temperatursprünge begrenzt.

Um schnelle Temperatursprünge zu erreichen, ist es bekannt (LIGA news Fourth Issue/April 1996), auf einem Kapillarsystem beruhende Mikroreaktoren zu verwenden. Dabei werden die Reagenzien durch temperierbare Kapillaren geleitet und aufgeheizt. Typische Temperierungszeiten, welche hierbei erreicht werden, liegen im Bereich einiger hundert Millisekunden. Die Temperatursprungzeit ist durch die Wärmeleitung und durch die Diffusion der Reaktionspartner in dem meist laminaren Strömungsprofil nach unten begrenzt.

[Aufgabe der Erfindung]

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Heizzeiten insbesondere unter eine Millisekunde verkürzt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und die Merkmale des Patentanspruches 22 gelöst.

Hierzu werden in dem Medium, in welchem die Reaktion stattfindet, Mikropartikel angeordnet, deren Werkstoff die zugeführte Energie stärker als das Medium absorbiert, wobei die Energiezufuhr zeitlich und/oder räumlich gesteuert erfolgt. Die von den Mikropartikeln absorbierte Energie wird an die in unmittelbarer Umgebung der jeweiligen Mikropartikel vorgesehenen Reaktionspartner vorzugsweise als Wärmemenge abgegeben.

Durch die Kombination absorbierender Mikrostrukturen, insbesondere mit Abmessungen im Nanometer- bis Mikrometerbereich mit zeitlich und/oder räumlich gesteuerter Energiezufuhr erreicht man die Beeinflussung, insbesondere Steuerung chemischer oder biologischer oder physikalischer Reaktionen in der unmittelbaren Umgebung der absorbierenden Strukturen. Durch geeignete Steuerung, beispielsweise einer Strahlquelle, welche die zuzuführende Energie liefert, erreicht man eine bestimmte und/oder zeitliche Struktur der absorbierten Energie, welche insbesondere in Form von Wärme an die unmittelbare Umgebung der absorbierenden Struktur zur Beeinflussung und/oder Steuerung der Reaktion in kurzen Zeiträumen, beispielsweise von Femto- bis Mikrosekunden (Millisekunden) abgegeben wird.

Durch die Miniaturisierung der energieabsorbierenden Struktur erreicht man Heiz- und Abkühlzeiten im Bereich unter einer Millisekunde. Vorzugsweise erfolgt die Energiezufuhr durch Strahlung. Als Strahlungsquelle kommt vorzugsweise eine Laserstrahlquelle, insbesondere Piko- oder Femto-Laser, welche ultrakurze Lichtimpulse erzeugen, zum Einsatz.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Reaktionsvolumen, in welchen die Reaktionspartner vorliegen, in kleine Tröpfchen vereinzelt, wobei die Tröpfchen als Energieabsorber wirken. Die kleinen Tröpfchen können in einem gasförmigen oder flüssigen Medium vernebelt werden oder mit Hilfe von Dispensiervorrichtungen vereinzelt werden. Sie werden dabei auf eine Größe gebracht, durch die nach der Energieabsorption die erforderliche rasche Abkühlzeit bzw. Energieabgabe an die unmittelbare Umgebung, in welcher die Reaktionspartner angeordnet sind, erreicht wird.

Die Energiezufuhr kann durch Strahlung erfolgen, die von dem Lösungsmittel oder von den im Lösungsmittel enthaltenen Stoffen oder Partikeln absorbiert wird. Wenn als Lösungsmittel Wasser zur Anwendung kommt, eignet sich die Energiezufuhr in Form von Mikrowellen- oder Infrarotlaserstrahlung.

Es ist jedoch auch möglich, beim Vernebeln die Energiezufuhr durch eine geheizte Verneblerdüse, in welcher die Lösung nur entsprechend kurz verweilt, durchzuführen. Das Abkühlen erfolgt dann durch Wärmediffusion in die unmittelbare umgebende Gasphase.

Ferner kann die Reaktion in einer Emulsion mit definierter Tröpfchengröße oder in Lösungen mit Micellen oder inversen Micellen mit definierter Tröpfchengröße stattfinden. Vorzugsweise kommt für die zuzuführende Energie eine Strahlung geeigneter Wellenlänge zur Anwendung, welche von den Tröpfchen oder den darin enthaltenen Stoffen absorbiert wird, während das umgebende Medium für diese Energieform transparent ist. Beispielsweise kommen inverse Micellen zur Anwendung, wobei das Wasser in den Micellen durch absorbierte Infrarotlaserstrahlung erhitzt wird und diese Strahlung von dem umgebenden wasserunlöslichen Medium, insbesondere Öl nicht absorbiert wird, sondern durch dieses Medium hindurchtritt.

Ferner lassen sich extrem schnelle Heizzeiten durch Mikroabsorber realisieren, die eine thermische Relaxationszeit in der Größenordnung in der gewünschten raschen Heizzeit aufweisen. An der Oberfläche derartiger Mikroabsorber kann durch eine Energiezufuhr eine hohe Temperatur dadurch erreicht werden, dass die Energiezufuhr innerhalb der thermischen Relaxationszeit erfolgt. Durch die ausbleibende Wärmeleitung werden die Reagentien in unmittelbarer Absorbernähe erhitzt, wobei Heizzeiten im Pikosekunden-Bereich erreicht werden, da die beheizte Schichtdicke auf wenige Nanometer begrenzt werden kann.

Vorzugsweise werden die Reaktionen an Kolloiden, welche die Energieabsorber bilden, ausgeführt. Insbesondere Metallkolloide können durch auftretende optische Resonanzen gut geheizt werden, wobei durch die gute Wärmeleitung an der Oberfläche der Kolloide mit Abmessungen im Nanometerbereich Temperatursprünge bis in den Pikosekundenbereich erreicht werden.

Durch mikrostrukturierte, insbesondere nanostrukturierte Energieabsorber als Reaktionszentren oder -vermittler erreicht man eine extrem große Reaktionsoberfläche. Außerdem kann man im mikrostrukturierten Reaktionsvolumen die Temperatur überhöhen, da bei Ausdehnungen unterhalb von einem Mikrometer die Strukturen nicht mehr als Siedekeime im klassischen Sinne wirken, sondern ein Siedeverzug in der Umgebung derartiger Strukturen sich einstellt. Hierdurch wird ein Aufheizen auf Temperaturen oberhalb der klassischen Siedetemperaturen erreicht.

Ferner können die Mikroenergieabsorber als flächige Strukturen ausgebildet sein, die nur eine extrem geringe Schichtdicke im Nanometerbereich aufweisen. Beispielsweise können durch Metallverdampfung hergestellte Schichten beheizt werden, indem sie bestrahlt werden oder ein elektrischer Strom durch sie geleitet wird. Beim Bestrahlen (optisches Heizen) wird insbesondere durch Erzeugen von Oberflächenplasmonen die rasche Energieabsorption und Energieabgabe an die in unmittelbarer Nähe befindlichen Reaktionspartner erreicht.

Bei der Erfindung erreicht man eine räumliche Begrenzung der Temperaturerhöhung. Hierdurch ist es möglich, an der Reaktion auch temperaturlabile Stoffe, beispielsweise Katalysatoren, insbesondere Enzyme, die bei den Reaktionstemperaturen nach einer gewissen Zeit denaturieren, zu beteiligen, wenn diese Stoffe sich die meiste Zeit im nicht beheizten Bereich befinden. Beispielsweise durch Diffusion oder ein elektrisches Feld können die Katalysatoren, insbesondere Enzyme zu den Reaktionspartnern an den erhitzten Oberflächen der Mikroenergieabsorber gebracht werden.

Ferner kann einer der Reaktionspartnern an den energieabsorbierenden Mikropartikeln, insbesondere an der von diesen Mikropartikeln gebildeten Schicht immobilisiert werden, wobei der andere Reaktionspartner durch spezifische Bindung in der Kaltphase an den immobilisierten Reaktionspartner gebunden wird. Hierdurch lässt sich eine Konzentration der Reaktionspartner für die in der Heizphase durchzuführenden Reaktionen erreichen. Ferner erzielt man eine Anordnung der Reaktionspartner in unmittelbarer Nähe des energieabsorbierenden und in der Heizphase Wärme abgebenden Mikropartikels. Vorzugsweise kommt hierbei eine mit einem Metall, insbesondere goldbedampfte Glasplatte (Biochip) zum Einsatz, an deren Oberfläche Biomoleküle, welche den einen Reaktionspartner bilden, immobilisiert werden. Die immobilisierten Biomoleküle werden in einer Lösung, welche den anderen Reaktionspartner enthält, angeordnet. Die Lösung kann an den immobilisierten Biomolekülen vorbeifließen. Beispielsweise kann der spezifisch an die immobilisierten Biomoleküle zu bindende Reaktionspartner in einem großvolumigen Kapillarsystem geführt werden. In der Kaltphase werden verschiedene Reaktionspartner auf diese Weise an der metallisierten Oberfläche gebunden und aus der Lösung auf konzentriert. In der Heizphase wird dem Reaktionssystem Energie beispielsweise durch Strahlung oder durch Anlegen eines elektrisches Stromes an die Metallschicht zugeführt und bei der Abgabe der Energie, insbesondere in Form von Wärmemenge wird bei einer entsprechenden Temperatur die Reaktion zwischen den Reaktionspartnern durchgeführt. Die Temperatur wird so gewählt, dass die Reaktion mit der größtmöglichen Ratenkonstanten abläuft. Die Reaktion kann so ablaufen, dass die Reaktionspartner biologisch aktiviert werden oder biologisch inaktiv gemacht werden. Die flächig ausgebildeten Metallschichten können strukturiert sein, um eine vergrößerte Oberfläche zu erhalten.

Vorzugsweise kann ein derartiges Verfahren zur Amplifizierung von Reaktionsprodukten durch mehrfache Vliederholung des Verfahrensablaufs zum Einsatz gebracht werden. Eine bevorzugte Anwendung findet das Verfahren beim Amplifizieren von Nukleodidsträngen in biologischen Proben, beispielsweise bei der Polymerase-Kettenreaktion (PCR, Polymerase-chainreaction), bei welcher eine gezielte Vervielfältigung eines spezifischen DNA-Fragments erhalten wird. Bei der PCR werden drei Reaktionsschritte durchgeführt, die für die Vervielfältigung des spezifischen DNA-Fragmentes mehrfach wiederholt ablaufen.

Beim Ausführungsbeispiel werden auf dem insbesondere mit der Goldschicht bedampfen Träger verschiedene Primersequenzen, insbesondere punktweise gegen verschiedene Nukleinsäuresequenzen immobilisiert. Die Kombination des PCR-Reaktors mit einem derartigen Biochip kann zu einer direkt in den Spots stattfindenden PCR führen. Die entsprechenden Primer sind hierfür an den Detektionsorten der Metall-, insbesondere Goldschicht immobilisiert. Die PCR erfolgt durch Zugabe von Nukleinsäuren einer Polymerase und den zu vervielfältigenden Gensequenzen in den vorzugsweise als Kapillarsystem ausgebildeten PCR-Reaktor. Die zu vervielfältigenden DNA- Fragmenten binden an einige der im Überschuss vorhandenen passenden Primersequenzen und im ersten Verfahrensschritt wird durch die Polymerase der jeweils komplementäre Strang zu den Gensequenzen synthetisiert. Dieser Verfahrensablauf entspricht der bekannten Solid-Phase-PCR.

Im Unterschied zum herkömmlichen Verfahren erfolgt bei der Doppelstrangdenaturierung der gesuchten Sequenz die Erhitzung auf 94°C nur im unmittelbaren Bereich der am Biochip immobilisierten Doppelstrang-DNA. Da nur ein geringer Anteil der Polymerase in der unmittelbaren Umgebung der denaturierten DNA-Sequenz erhitzt wird, ist es bei der Erfindung nicht erforderlich eine temperaturstabile Polymerase zu verwenden. Die Polymerase kann für die Wiederholung der einzelnen Reaktionsschritte im Reaktor verbleiben. Die Energiezufuhr zur Metallschicht, insbesondere Goldschicht des Biochips erfolgt innerhalb der thermischen Relaxationszeit dieser Schicht im Mikrosekundenbereich und darunter, wobei die für die Denaturierung erforderliche Temperatur (94°C) räumlich auf die Metallisierung von wenigen 100 nm und die daran immobilisierte DNA-Sequenz räumlich begrenzt ist. Die Reaktion kann nach einer Abkühldauer im Mikrosekundenbereich von neuem gestartet werden. Die Zyklusdauer der drei PCR-Schritte kann auf die Dauer der Diffusion und der Polymerase-Synthese-Geschwindigkeit, d.h. auf wenige Minuten reduziert werden.

Wie schon erläutert, können temperaturlabile Polymerasen eingesetzt werden, da eine volumenmäßig begrenzte Temperaturerhöhung bei der Denaturierung der immobilisierten DNA stattfindet. Ferner läßt sich bei einigen Polymerasen, die eine niedrige Reaktionskonstante bezüglich der thermischen Denaturierung haben, die Denaturierungszeit derart wählen, dass man die Schmelztemperatur der DNA erreicht, wobei diese Temperatur nur für eine kurze Zeit vorhanden ist, so dass die Denaturierungswahrscheinlichkeit der Polymerase äußerst gering ist.

Gegenüber herkömmlichen PCR-Verfahren erreicht man eine erhebliche Reduzierung der Zyklusdauer und damit der Reaktionszeit. Ferner können durch die dünnen Heizschichten, insbesondere durch deren Strukturierung eine Oberflächen- und Reaktionsvolumenvergrößerung gegenüber der herkömmlichen Solid-Phase-PCR erreicht werden. Die kurzen Heizzeiten der ausschließlich in der Nähe des Biochips angeordneten Strukturen erlauben auch den mehrmaligen Einsatz bei aufeinanderfolgenden Zyklen von temperaturlabilen Polymerasen und Stoffen.

Anstelle einer Metallschicht als Absorber können auch partikelförmige Absorber, deren Durchmesser 1 nm bis 50 μm betragen, als energieabsorbierende Mikropartikel zum Einsatz kommen. Auf der Partikeloberfläche sind die Primer immobilisiert. Die Energiezufuhr kann durch Strahlung, insbesondere Laserstrahlung oder durch ein starkes magnetisches Wechselfeld erfolgen. Bei Anwendung eines gepulsten Pikosekundenlasers können Heizzeiten für die Denaturierung im Bereich von 10 ps bis 200 μs erreicht werden.

Aufgrund der Oberflächenmaximierung und der Beweglichkeit der Mikropartikel, welche die Primer tragen, erreicht man eine äußerst rasche spezifische Anbindung der gesuchten DNA-Fragmente.

Ferner kann eine komplette Steuerung von Reaktionen mit einem veränderlichen zeitlichen Temperaturprofil, beispielsweise von enzymatischen Reaktionen mit einem kontrollierten Reaktionsstart und einem kontrollierten Reaktionsende, bei dem die Mikroreaktoren in einen irreversibel inaktivierten Zustand versetzt werden, erreicht werden.

Ist die optimale Reaktionstemperatur eines Enzyms, das auf die Absorberfläche gekoppelt ist, z.B. 36°C, so kann die gesamte Probe, enthaltend die verschiedenen Reaktionsedukte und die Mikroabsorber in den Bestrahlungsweg bei Zimmertemperatur gebracht werden, ohne dass eine Reaktion unkontrolliert startet. Durch eine kontinuierliche Bestrahlung bzw. Energiezufuhr ausschließlich in die Mikroabsorber, kann eine Temperatur an deren Oberfläche hergestellt werden, die der optimalen Reaktionstemperatur des Enzyms entspricht. Soll an den Mikroabsorbern zu einem bestimmten Zeitpunkt eine zweite Reaktion stattfinden, die ein anderes Temperaturoptimum hat, oder die sich durch eine höhere temperaturabhängige Reaktionsrate von der Ersten unterscheidet, so kann die kontinuierliche Energiezufuhr modifiziert oder für einen kurzen Zeitraum überhöht werden, wie es z.B. von quasi CW (Continous Wave)-Diodenlasern bekannt ist, oder es kann zusätzlich eine gepulste Strahlenquelle in den Strahlengang eingekoppelt werden. Durch die zeitliche Veränderung erhält man an der Absorberoberfläche ein entsprechend geändertes zeitliches Temperaturprofil, das für den zweiten Schritt der gewünschten Gesamtreaktion nötig ist. Hat die Reaktion so in mehreren Schritten erfolgreich stattgefunden und sollen die Reaktionsprodukte in weiteren Schritten verarbeitet werden, bei denen die Mikroreaktoren und deren Beschichtungen eventuell stören würden, so kann die Oberfläche mit Hilfe einer starken Überhitzung durch einen leistungsstarken Puls irreversibel inaktiviert und zerstört werden.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden Nukleotid- oder Peptidstränge modifiziert. Hierzu werden energieabsorbende Partikel, insbesondere aus Gold (Undekagold) mit Ab messungen von wenigen nm an den gewünschten Reaktionsort (Nukleotidstrang bzw. Peptidstrang) gekoppelt und durch Bestrahlung mit einer geeigneten Energiequelle, beispielsweise mit einem Laser insbesondere Femtosekunden-Laser auf die gewünschte Temperatur kurzzeitig gebracht. Hierbei werden die in der direkten Umgebung der Mikropartikel vorgesehenen Peptidstränge bzw. Nukleotidstränge durch kurzzeitige Erhitzung, insbesondere durch Abspaltung der Nukleotid- bzw. Peptidseitenstänge modifiziert.

Vorzugsweise kommt eine derartige Reaktion in Kombination mit einer PCR zur Anwendung. Dabei werden die bei der Denaturierung der DNA-Stränge zur Anwendung kommenden Temperatursprünge (94°C) mit Hilfe eines oben beschriebenen Biochips gesteuert und die Abspaltung der Nukleotidseitenstränge erfolgt mit Hilfe der beschriebenen Mikropartikel mit Abmessungen von wenigen Nanometer. Die Temperatursprünge der PCR und die Abspaltung der Nukleotidseitenstränge erfolgt synchronisiert für den Aufbau der einzelnen DNA-Stränge. Dabei ist gleichzeitige eine Charakterisierung und Qualitätskontrolle der Reaktion möglich. Ferner können hierdurch langkettige Moleküle zur Charakterisierung aufgetrennt, wie beispielsweise bei Protein- bzw. DNA- oder Zucker-Sequenzierungen.

Die Mikroabsorber können die absorbierte Energie nicht nur in Form von Wärmemenge, sondern auch in anderen Energieformen abgeben. Wählt man beispielsweise die Pulse, mit welcher die Energie zugeführt wird, kürzer als die akustische Relaxationszeit der Mikroabsorber, so können hohe Druckamplituden in der unmittelbaren Nähe der Mikroabsorber erzeugt werden. Wenn die Mikroabsorber mit sehr hohen Spitzenleistungen bestrahlt werden, so können in deren Umgebung freie Elektro nen oder starke elektromagnetische Felder oder plasmaähnliche Bedingungen durch die Energieabgabe erzeugt werden.

Anhand der Figuren, welche Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen, wird die Erfindung noch näher erläutert.
Es zeigt
1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einer Reaktionskammer, in welcher die Reaktionen in Gasphase stattfindet;
2 ein Ausführungsbeispiel mit einer Reaktionskammer, in welcher in Flüssigkeiten die Reaktionen stattfinden;
2a bis 2c verschiedene Ausführungsformen für flüssige Reaktionsräume;
3 ein Ausführungsbeispiel mit einem als flächige Struktur ausgebildeten Mikroabsorber;
4 einen partikelförmigen Mikroabsorber, welcher die absorbierte Energie als Wärmemenge an die unmittelbare Umgebung abgibt;
5 einen partikelförmigen Mikroabsorber, welcher die absorbierte Energie als elektromagnetisches Feld an die Umgebung abgibt;
6 einen partikelförmigen Mikroabsorber, welcher die absorbierte Energie in Form von freien reaktiven Elektronen abgibt; und
7 einen partikelförmigen Mikroabsorber, welcher die absorbierte Energie zur Anregung photochemischer Reaktionen an die unmittelbare Umgebung abgibt.
Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Reaktionsvolumen in kleine Tröpfchen 4 mit Hilfe einer Zuleitungseinrichtung 2, beispielsweise Dispensers vereinzelt. Aus der Zuleitungseinrichtung 2 werden die Tröpfchen 4 in eine umgebende Gasphase einer Reaktionskammer 1 eingebracht. Die Tröpfchen 4 dienen als Energieabsorber. Die Tröpfchen enthalten ferner die Reaktionspartner, welche beim Aufheizen miteinander reagieren. Die Aufheizung erfolgt durch Absorption der von der Energiestrahlquelle 3 eingestrahlten Energie. Diese wird mit rascher Abkühlung der Mikroabsorber wieder an die Umgebung abgegeben, wobei die Reaktion der Reaktionspartner stattfindet. Das in der Reaktionskammer 1 befindliche Gas absorbiert die von der Energiestrahlquelle 3 eingebrachte Strahlung nicht oder nur in geringem Umfang. Anstelle des Dispensers 2 kann auch eine Verneblerdüse oder ein Mischgerät, gegebenenfalls beheizt, zum Einsatz kommen.
Bei dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich in einer Reaktionskammer 6 eine Flüssigkeit 7, in welcher die gewünschte Reaktion stattfindet. Die Reaktionspartner werden ebenfalls als Tröpfchen einer wässrigen Lösung 5 in die Flüssigkeit 7 der Reaktionskammer 6 eingebracht. Dies kann mit Hilfe beispielsweise einer geeigneten Zuleitungseinrichtung 2, Dispensers oder eines Mischers erfolgen. Ferner ist es möglich, eine geeignete Lösung, Emul sion, Liposomen, Micellen oder inverse Micellen über eine geeignete Zuleitungseinrichtung 2 in die Reaktionskammer 6 zu bringen. Bei den in 2 dargestellten Ausführungsformen wird die Reaktion in einer Emulsion mit bestimmter Tröpfchengrösse oder Micellen oder inversen Micellen durchgeführt. Die Reaktionskammer 6 ist ein geeigneter Ort beispielsweise in einem Kappillarsystem, an welchem die Tröpfchen 5 von der Energiestrahlquelle 3 bestrahlt werden können.
Bei der Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels gemäß 2a befinden sich die Reaktionsprodukte in Tröpfchen insbesondere einer wässrigen Lösung 5. Eine Flüssigkeit 7, in welcher die Tröpfchen der wässrigen Lösung 5 dispergiert sind, kann beispielsweise Öl sein. Bei dem in der 2b dargestellten Ausführungsbeispiel sind beschichtete, partikelförmige Mikroabsorber 8 in den Lösungsmitteltröpfchen 5 angeordnet, wobei die Lösungsmitteltröpfchen in der insbesondere als Transportmedium wirkenden Flüssigkeit 7, insbesondere Öl dispergiert sind. Die Beschichtung der Mikroabsorber bildet den einen Reaktionspartner und im Lösungsmittel der Tröpfchen (wässrige Lösung 5) befindet sich der andere Reaktionspartner. Bei Erhitzung des durch die Tröpfchen 5 gebildeten Reaktionsvolumens infolge der von den Mikroabsorbern absorbierten und an die unmittelbare Umgebung wieder abgegebenen Energie erfolgt die Reaktion der Reaktionspartner in den Flüssigkeitströpfchen (wässrige Lösung 5) direkt an der Oberfläche der partikelförmigen Mikroabsorber 8.
Bei dem in der 2c dargestellten Ausführungsbeispiel sind partikelförmige Mikroabsorber 8 mit einer für eine gewünschte Reaktion spezifisch aktivierten Schicht, insbesondere Metallschicht, vorzugsweise aus Gold und SAM (Self Assembling Monolayer)-Schicht als ein immobilisierter Reakti onspartner 10 versehen, durch die Reaktionspartner 9 einer Art oder unterschiedlicher Art, insbesondere biologische Reaktionspartner immobilisiert werden. In der wässrigen Lösung 5 befinden sich weitere andere Reaktionspartner 9, welche vorzugsweise durch spezifische Bindungen an die immobilisierten Reaktionspartner 9 gebunden werden. Bei Energiezufuhr wird diese von den Mikroabsorbern 8 absorbiert und beispielsweise als Wärme an die unmittelbare Umgebung insbesondere an die spezifisch miteinander verbundenen Reaktionspartnern 9, 10 abgegeben, so dass die gewünschte Reaktion, beispielsweise eine Denaturierung oder eine andere Modifizierung erfolgt.
Die in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele sind insbesondere dann von Vorteil, wenn kontinuierliche Produktionsprozesse gewährleistet werden sollen, bei denen die Reaktionen bekannt sind und die Dimensionen der Reaktionsvolumina herunterskaliert werden müssen. Die Gründe hierfür können darin liegen, dass große Volumina, beispielsweise bei explosiven Stoffen zu gefährlich sind. Die in 1 dargestellte Ausführungsform ist insbesondere dann noch von Vorteil, wenn das Gas, in dem die reaktiven Tröpfchen zur Reaktion gebracht werden, selber als Reaktionspartner zur Verfügung steht. Dies ist beispielsweise bei Sauerstoff der Fall, der sich in so kleinen Tröpfchen extrem schnell löst.
Beispielsweise lässt sich die Synthese von Porphyrinen durchführen. Bei Anwendung großer Reaktionsvolumina erreicht man in herkömmlicher Weise eine Ausbeute von 30%. Bei Anwendung der Erfindung erreicht man jedoch eine Ausbeute von über 80%.
Beim Ausführungsbeispiel der 3 ist der Mikroabsorber als beispielsweise durch Aufdampfen auf einen Träger 12 her gestellte Metallschicht 11, insbesondere Goldschicht ausgebildet. An die Metallschicht 11 können ebenfalls Reaktionspartner, insbesondere biologische Reaktionspartner immobilisiert sein. Im Lösungsmittel 5 sind unterschiedliche spezifisch bindbare Reaktionspartner 9 vorhanden. Das Lösungsmittel 5 kann beispielsweise in einem Kapillarsystem an der Metallschicht 11 und den immobilisierten Reaktionspartner 10 vorbeigeführt werden. Die Reaktionspartner 9 werden dabei spezifisch an die immobilisierten Reaktionspartnern 10 gebunden. Anschließend kann durch Energiezufuhr, beispielsweise eine Strahlung 3, für welche der Träger 12 durchlässig ist, das System erhitzt werden. Hierbei wird, wie schon erläutert, die von der Strahlung zugeführte Energie in der Metallschicht 11 absorbiert und als Wärme an die unmittelbare Umgebung, insbesondere die immobilisierten Reaktionspartner 9, 10 abgegeben. Diese räumlich begrenzte Erhitzung kann beispielsweise für die Doppelstrangdenaturierung bei der Polymerase-Kettenreaktion zum Einsatz kommen.
Die Dicke der Metallschicht 11 beträgt wenige 100 nm, so dass man eine Abkühldauer im Mikrosekundenbereich und weniger erreicht. Als Energiestrahlquelle 3 kann eine Laserstrahlquelle zur Anwendung kommen. Hierbei kann es sich vorzugsweise um einen Mikro- bis Femtosekundenlaser handeln.
In vorteilhafter Weise kann auf dem Träger 12 ein Feld, das aus mehreren Analyseorten besteht, aufgebracht werden. Die Analyseorte können parallel oder auch sequentiell bearbeitet werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil der Analyse mehrerer Stoffe über ihre Reaktivität. Insbesondere bei biochemischen Proben, bei denen eine Vielzahl von möglicherweise störenden Stoffen in der Probe sein kann, ist das Ausführungsbeispiel der 3 von Vorteil. Für die selektiven Reaktionen sind die Oberflächen beschichtet und binden die ge wünschten Reaktionspartner. Bei gleichzeitiger Analyse aller Analyseorte, z.B. auf die Reaktivität in Abhängigkeit von der Wärme ist ein Heizen der Metallschicht 11 oder ein angelegter Stromimpuls vorzugsweise anzuwenden. Wenn die Analyseorte sequentiell und mit unterschiedlicher Energie angeregt werden, eignet sich vorzugsweise eine Bestrahlung mit einem scannenden Energiestrahl, z.B. einem Laserstrahl im grünen Wellenlängenbereich, wenn die absorbierende Metallschicht aus Gold besteht. Es kann jedoch eine zeitlich variable Temperatur an verschiedenen Analyseorten auch dadurch eingestellt werden, dass die zugeführte Energie zeitlich variiert wird.
In den 4 bis 7 sind partikelförmige Mikroabsorber 8 dargestellt, welche die absorbierte Energie in unterschiedlichen Energieformen wieder abgeben.
Die partikelförmigen Mikroabsorber 8 sind mit möglichen Reaktionspartnern 9 in einem Medium, beispielsweise einer wässrigen Lösung oder Transportflüssigkeit angeordnet. Durch die strichlierten und punktierten Linien ist die Reichweite bei der Abgabe der absorbierten Energie dargestellt. Diese lässt sich beispielsweise mit Hilfe der Laserimpulsdauer in Abhängigkeit von der Partikelgröße einstellen. Wird ein partikelförmiger Mikroabsorber 8 mit einem Puls variierender Leistung bestrahlt, kann man in der nahen Umgebung des partikelförmigen Mikroabsorbers 8 ein zeitlich variables Temperaturprofil generieren. Dieses Temperaturprofil kann man auf eine gewünschte Umgebung um den Mikroabsorber 8 beschränken. Durch sowohl räumlich als auch zeitlich vorgegebene Temperaturprofile können komplexe Reaktionen gesteuert werden. Stoffe, die an der Reaktion nicht beteiligt werden sollen, können auf diese Weise vor übermäßiger Erhitzung geschont werden. Diese Stoffen können in einem nachfolgenden Schritt einer chemischen Analyse weiter untersucht werden oder an nachfolgenden Reaktionen beteiligt werden. Wie beim Ausführungsbeispiel der 2 lassen sich chemische Reaktionen, bei denen ein extrem schnelles Heizen von Vorteil ist, durchführen. Die Flüssigkeit um die partikelförmigen Mikroabsorber 8 herum, dient zusätzlich als Schutz im Fall von explosiven Synthesen. Ferner können Reaktionen durchgeführt werden, bei denen, wie im Ausführungsbeispiel der 1, ein kontinuierlicher Durchfluss einer bekannten Probe stattfindet und bei denen die Probe kontinuierlich bearbeitet wird.
Bei dem in der 4 dargestellten Mikroabsorber 8 wird die absorbierte Energie in Form von Wärmemenge an die unmittelbare Umgebung abgegeben, um insbesondere spezifische biologische Reaktionen der Reaktionspartner 9 zu initiieren.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 5 wird die vom Mikroabsorber 8 absorbierte Energie in Form elektrischer oder elektromagnetischer Energie an die unmittelbare Umgebung abgegeben, durch das ebenfalls Reaktionen der Reaktionspartner 9, z.B. Moleküle veranlasst werden.
Bei dem in 6 dargestellten Mikroabsorber 8 wird die absorbierte Energie in Form von freien insbesondere reaktiven Elektronen an die Umgebung abgegeben.
Bei dem in 7 dargestellten Mikroabsorber 8 wird die absorbierte Energie zur Anregung von photochemischen Reaktionen in der unmittelbare Umgebung abgegeben.

1: Reaktionskammer
2: Zuleitungseinrichtung (Dispensen)
3: Energiestrahlquelle
4: Tröpfchen in Gasumgebung
5: Lösung, insbesondere wässrige Lösung, beispielsweise als Tröpfchen in Flüssigkeit, z.B. Öl
6: Reaktionskammer
7: Flüssigkeit als Transportmedium, z.B. Öl
8: partikelförmiger Mikroabsorber
9: Reaktionspartner
10: immobilisierter Reaktionspartner, z.B. für die Reaktion selektiv bindende Schicht
11: Flächiger Mikroabsorber, z.B. Metallschicht
12: Träger für Mikroabsorber

Claims

Verfahren zum Beeinflussen einer Reaktion von in einem Medium vorhandenen Reaktionspartnern durch Energiezufuhr, dadurch gekennzeichnet, dass im Medium wenigstens ein Mikroabsorber mit Energie, welche von dem Werkstoff des Mikroabsorbers stärker als vom Medium absorbiert wird, zeitlich und/oder räumlich gesteuert versorgt wird und die absorbierte Energie an die in unmittelbarer Umgebung des jeweiligen Mikroabsorbers vorhandenen Reaktionspartner abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere partikelförmige Mikroabsorber verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Mikroabsorber Tröpfchen verwendet werden, welche durch Vereinzelung in das energiedurchlässige Medium eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsvolumen, innerhalb welchem die Reaktion stattfindet, durch die die Energie absorbierenden Tröpfchen gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionspartner in den energieabsorbierenden Tröpfchen oder als Schicht auf den Tröpfchen vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Mikroabsorber Micellen oder inverse Micellen verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für das die Tröpfchen umgebende Medium ein wasserunlösliches Medium, insbesondere Öl, als Tröpfchen. Wasser oder eine wässrige Lösung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Mikroabsorber Kolloide verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Metallkolloide verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolloide durch optische Resonanzen aufgeheizt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Mikroabsorber mit Abmessungen von weniger als 10^–6m, insbesondere im Bereich von 10^–9m verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiezufuhr mit Mikrowellen- oder Laserstrahlung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 und 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroabsorber in Tröpfchen, welche das energiedurchlässige Medium bilden, eingebracht werden, wobei die Tröpfchen in einer Flüssigkeit vereinzelt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsvolumen, innerhalb welchem die Reaktion stattfindet, durch die Tröpfchen gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Mikroabsorber eine durch Metallisierung, insbesondere Aufdampfen hergestellte Schicht verwendet wird, welcher durch Strahlung oder elektrischen Strom Energie zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht auf einem für die Strahlung durchlässigen Träger aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass für den schichtförmigen Mikroabsorber Gold als energieabsorbierender Werkstoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass an dem wenigstens einen Mikroabsorber ein Reaktionspartner immobilisiert wird, an welchem aus einer Lösung ein weiterer Reaktionspartner insbesondere spezifisch gebunden wird, und dass dann durch Energie-, insbesondere Wärmeabgabe vom wenigstens einen Mikroabsorber die Reaktion durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktion zur Denaturierung von DNA-Doppelsträngen bei der Polymerase-Kettenreaktion verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte der Immobilisierung und der Durchführung der Reaktion mehrfach wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Reaktionen mit einem veränderlichen zeitlichen Temperaturprofil gesteuert werden.
Reaktor zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Reaktionskammer (1; 6), einer Energiequelle (3) und in der Reaktionskammer (1; 6) vorgesehenen Reaktionspartnern (9; 10), dadurch gekennzeichnet, dass in der Reaktionskammer (1; 6) in oder an einem Trägermedium wenigstens ein Mikroabsorber (4; 5; 8; 11;) vorgesehen ist, welcher die von der Energiequelle (3) zugeführte, zeitlich und/oder räumlich gesteuerte Energie stärker absorbiert als das Trägermedium und die Energie kurzzeitig an die in unmittelbarer Nähe des wenigstens einen Mikroabsorber vorhandenen Reaktionspartner für die Reaktion abgibt.
Reaktor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroabsorber als Tröpfchen (4; 5) ausgebildet sind und die Reaktionspartner innerhalb der Tröpfchen oder als Schicht an den Tröpfchen vorgesehen sind.
Reaktor nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroabsorber als Partikel (8) ausgebildet sind, an denen die Reaktionspartner immobilisierbar sind.
Reaktor nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die partikelförmigen Mikroabsorber (8) in von Tröpfchen (5) gebildeten Reaktionskammern vorgesehen sind.
Reaktor nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche der partikelförmigen Absorber (8) Reaktionspartner immobilisierbar sind.
Reaktor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroabsorber als Metall-, insbesondere Goldschicht (11) ausgebildet ist.
Reaktor nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die räumlichen Abmessungen des Mikroabsorbers im Bereich von Nanometer bis Mikrometer liegen.
Reaktor nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiezufuhr pulsweise im Bereich von Femto- bis Mikrosekunden zugeführt ist.