DE102004008319A1

DE102004008319A1 - Kontinuierlich arbeitendes eindimensionales Festphasenreaktor-System

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Publication number: DE102004008319A1
Application number: DE200410008319
Authority: DE
Inventors: Peter-Jürgen Müller; Jörg-Hermann Ozegowski; Enrico Stang; Horst Dr. Ahlers
Original assignee: Hans-Knoll-Institut fur Naturstoff-Forschung Ev; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; Hans Knoell Institut fuer Naturstoffforschung
Current assignee: Hans-Knoll-Institut fur Naturstoff-Forschung Ev; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; Hans Knoell Institut fuer Naturstoffforschung
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2024-02-18
Also published as: DE102004008319B4

Abstract

Für die kontinuierliche Durchführung von chemisch/biochemischen Reaktionen bzw. Transformationen, diagnostischen Bindungsassays, von Stoffgewinnungs- oder Stofftransportprozessen sowie für Informationsübertragungen wird ein Festphasenreaktor-System vorgeschlagen, das bewegliche eindimensionale Elemente (1-D-Elemente) in Form von Fäden, Filamenten oder auch in Form von Bändern enthält, wobei die 1-D-Elemente substanzbindende bzw. (bio)affine und gegebenenfalls detektorische Eigenschaften besitzen, die kontinuierlich modifiziert werden können. Das Reaktorsystem kann miniaturisiert und/oder als Mikroarray ausgelegt werden. Die affinen Eigenschaften werden beispielsweise durch die Immobilisierung oder Adsorption von Antikörpern, Antigenen, Enzymen, Coenzymen und bioreaktiven Substanzen wie spezifischen Rezeptoren, Aktivatoren, Inhibitoren oder Lektinen erzeugt. DOLLAR A Durch longitudinale Bewegung unter Richtungsänderungen wird das 1-D-Element nacheinander durch unterschiedliche Reaktionszonen bewegt, bei denen ein oder mehrere Reaktionsschritte wie Funktionalisierung der Oberfläche, Bindung von Edukten bzw. analyten, Schritte der Reaktionsbeeinflussung und Detektion bzw. Aufsammeln und Freisetzung der Produkte örtlich getrennt nacheinander erfolgen. DOLLAR A Das erfindungsgemäße System kann beispielsweise als diagnostischer Bindungsassay zum Nachweis von Wirkstoffen, Metaboliten und biopolymeren Substanzen wie Toxine, Enzyme, Rezeptoren, Viren bzw. Mikroorganismen eingesetzt werden.

Description

Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Prozesse, bei denen zeitabhängige Prozeßparameter auftreten, deren Kinetik in Echtzeit bzw. on line bestimmt werden soll. Sie ist vor allem bei der kontinuierlichen Prozeßüberwachung und kontinuierlichen Regelung bzw. Qualitätsüberwachung von Prozessen in wäßriger Umgebung (Trinkwasser, Milch, Getränke), Chlorierung von Wasser, Überwachung natürlicher Gewässer und Prozesswässer, Abwässer und bei mikrobieller Fermentation oder Zellkultur einsetzbar. Ein Gebiet ist dabei die Überwachung von Nahrungsmitteln beispielsweise auf Kontaminationen mit toxischen Stoffen und Mikroorganismen (Biohazard). Ein anderes das Gebiet ist die Überwachung von Luft auf solche Stoffe oder der Einsatz als Konstruktionselemente miniaturisierter biochemischer oder evolutionären Maschinen beim kontinuierlichen Stofftransport beispielsweise bei DNA-Amplifikation mit Rückkopplung bei der Herstellung von DNA-Antikörpern (Aptamere) und der Übertagung und Speicherung von chemisch biochemischen Informationen.
Integrierte mikrofluidische Systeme, auch lab on the chip bzw. μ – totale analysis systems (μ-TAS) geben die Möglichkeit, chemische und biologische Größen mit geringem Aufwand zu bestimmen. Bei der Entwicklung dieser Systeme müssen Subsysteme mit unterschiedliche Funktionen in miniaturisierter Form zusammengefügt werden.
Bekannt sind kontinuierliche Reaktoren, bei denen Flüssigkeitströme durch Kanäle, Rohre, Kapillaren, Schläuche oder ähnliches durch Reaktionszonen, wie beispielsweise bei der durch Luftblasen segmentierte Flüssigkeitsströme oder nicht-segmentierte Flüssigkeitsströme bei der „flow injection analysis (FIA)" oder bei gleichzeitiger Auftrennung die Kapillarelektrophorese transportiert wird. Die FIA wird mit Flow Cytometrie verbunden um mikrobielle Populationen zu charakterisieren. Auch bei einer kontinuierlichen Variante der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) wird in einer kontinuierlichen Variante die zu amplifizierende Probe als Flüssigkeitstrom durch Kapillaren mit unterschiedlichen Temperaturen gepumpt, um in den Proben die für die Amplifizierung notwendigen zyklischen Temperaturänderungen zu erzeugen (Kopp MU, Mello AJ, Manz A., 1998. Chemical amplification: continuous-flow PCR on a chip. Science 280(5366): 1046–8).
Nachteilig an all diesen Fluid-Systemen ist, dass ihre Miniaturisierung und die Anordnung als Arrays an physikalisch technische Grenzen stößt. Besonders die in das System integrierten mechanischen Mikropumpen stellen eine störanfällige Fehlerquelle dar.
Es gibt bereits Versuche, an Stelle der fluidischen Systeme die Adsorptionseigenschaften von festen Oberflächen, darunter auch solcher, die als Fäden ausgebildet sind, zu nutzen. Bekannt ist die Mikrophasenextraktion, bei der anorganische meist poröse Fasern zur Adsorption von Bestandteilen von Gasen in Dampfräumen (head space) belegten werden (belegte Fäden), die dann in geeignete Detektoren, beispielsweise der Massenspektroskopie analysiert werden.
Marinkovich (US4459360) verwendet Baumwollfäden oder andere Filamente, an die Allergene kovalent gebunden sind. Die Fäden werden mit der zu untersuchenden Körperflüssigkeiten in Kontakt gebracht und es werden eventuell anwesende Antikörper des IgE-Typs gebunden. Anschließend werden mit einem zweiten markierten Antikörper die gebundenen Antikörper nachgewiesen. Auch US 4567149 verwendet analytspezifisch funktionalisierte bzw. bioaffine Fäden für die Durchführung eines diagnostischen Bindungsassays für Allergene. Die Probenlösung fließt hierbei durch eine längliche Kammer, in der die Fäden quer zur Strömungsrichtung aufgespannt sind. Die an die Fäden gebunden Analyten werden anschließend direkt am Faden detektiert oder mit einer Flüssigkeit abgelöst und bestimmt.
Nach US 5171989 wird bei der Laser-Desorptionmassenspektroskopie die Probe in Form eines gefrorenen Eisfadens in die Vakuumkammer der massenspektrografischen Analysenzone eingeführt.
EP 0451686 schlägt die Verwendung eines Fadens vor, an dem zu detektierende Moleküle fixiert sind, um mit ihnen die Funktion flächenhaft ausgebildeter Detektionszonen zu erproben. Hierzu wird der Faden zusammen mit dem Analyten in eine Detektionszone gezogen und beispielsweise an Hand eines Farbumschlags das Funktionieren des analytischen Systems angezeigt.
Alle die aufgeführten Beispiele, bei denen textile und andere Fäden zur Aufnahme von Probenmaterial eingesetzt werden, um anschließend in ein Detektorsystem eingeführt werden, funktionieren diskontinuierlich und die mit ihrer Hilfe durchgeführten Reaktionen beschränken sich auf die Funktionen des Beladen mit den Analyten und der anschließenden Detektion.
Um jedoch selektiv bestimmte Substanzen, Edukte oder Analyten aus einer Vielzahl anderer Verbindungen spezifisch zu binden und dann nach dem jeweiligen Anwendungsgebiet zu nutzen, müssen in der Regel sehr komplexe chemisch/physikalische Prozesse realisiert werden. Um solche Prozesse kontinuierlich durchzuführen, ist ein erheblicher Technologiefortschritt gegenüber dem Stand der Technik notwendig.
Das Ziel der Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zu beschreiben, mit der die Durchführung von hochkomplexen chemischen oder biochemischen oder physikalischen Reaktionen bei Analytik sowie bei Stoff- und Informationstransport bei hohem Automatisierungs- sowie Miniaturisierungsgrad bevorzugt kontinuierlich möglich ist. Mit dem System soll ein breites Feld von Anwendungen abgedeckt werden, bei dem sowohl Konzentrationsänderungen chemisch/biochemischer Stoffe als auch Reaktionen oder Transportvorgänge, Stoffumwandlungen und Stoffdetektion bevorzugt on line durchgeführt oder kontrolliert werden. Weiterhin wird gefordert, dass unterschiedlich große Distanzen zwischen Beladungszone und Funktionszone überbrückt werden können.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Reaktorsystem vorgeschlagen wird, das auf der Bindung von Edukten, Analyten oder Substanzen an feste Phasen basiert und bisher nicht genutzte strukturellen Vorteile der biegsamen, eindimensionalen, praktisch unbegrenzt langen und affin zu funktionalisierenden 1-D-Elemente, dazu gehören auch die textilen Fäden, nutzt. Erfindungsgemäß sind an dem vorgeschlagenen Festphasenreaktor-System, dass in ihm ein oder mehreren annähernd eindimensional geformte bewegliche und biegsame Reaktorelemente (1-D-Elemente) angeordnet sind, deren Querschnittsabmessung (größte Ausdehnung) im Bereich zwischen 1 μm und 1 mm liegt. Sie werden bevorzugt in longitudinaler oder aber auch in transversaler Richtung nacheinander durch drei oder mehrere örtlich getrennte Reaktionszonen bewegt, wobei mehrere Richtungsänderung der Fadenbewegung erfolgen. An den 1-D-Elemente, an denen adsorptive, affine, bioaffine, substratspezifische oder gruppenspezifische Targetmoleküle oder bindende Materialien vorhanden sind, finden bei Durchlaufen der Reaktionszonen physikalische, chemische oder biochemische Reaktionen zur Durchführung von Stoff- bzw. Informationsübertragung, Stoffwandlungen, Analyse oder Detektion und Regeneration statt. Targetmoleküle können beispielsweise Proteine wie Enzyme, Rezeptoren oder Antikörper, Allergene, Nukleinsäuren wie DNA, RNA oder DNA-Antikörper (Aptamere) oder Polysaccharide wie Lectine oder Wirkstoffe oder Zellen und Zellmembranen oder andere zur Adsorption geeignete Materialien sein.
Die 1-D-Elemente werden in speziellen Reaktionszonen beispielsweise in einer Quellungszone angequollen, in einer Funktionalisierungszone funktionalisiert, in einer Beladungszone mit Probenmaterial beladen, mit Pufferlösungen in einer Waschzone gewaschen, nicht abgesättigte bioaffine Targetmoleküle in einer Blockierungszone blockiert, mit einem Marker in einer Markierungszone umgesetzt, in einer Temperierungszone temperiert, in einer Detektionszone detektiert, in einer Regenerationszone Eigenschaften wiederhergestellt oder adsorbierte Moleküle oder Partikel in einer Desorptionszone desorbiert. Die Zonen, in die das Anwendungsziele realisiert werden, werden als Funktionalzonen bezeichnet. Die Detektion von Analyten oder Partikeln kann in Form von Partikelzählung, Lichtstreuung, Lichtbeugung, Fluoreszenz, Leitfähigkeit oder Extinktionsänderungen, elektrischer Signale oder Magnetismus gemessen werden.
Eine weitere spezifische Eigenschaft bestimmter 1-D-Elemente, die erfindungsgemäß genutzt wird, beruht auf der mehr oder weniger ausgeprägten Eigenschaft, Licht zu leiten. Durch einen zweischichtigen Aurfbau aus einer inneren Hülle mit einem höheren Brechungsindex als die äußere Hülle wird ein 1-D-Element zu einem besonders guten Lichtleiter, der in Form von gläsernen Lichtleitern oder Lichtleiter aus Kunststoff weit verbreitet ist. Mit Hilfe einer erfindungsgemäßen stationäre Vorrichtung kann in geeignete 1-D-Elemente, auch in den sich bewegenden Lichtleiter, Licht mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eingekoppelt werden. Die Vorrichtung wird als in der vorliegenden Erfindung als Lichteinkoppler bezeichnet. Sie besteht in einer Variante aus einem durchstrahlten Lichtleiter, der auf das 1-D-Element gerichtet ist. In einer anderen Ausführung wird konvergentes Licht oder Laserlicht eingestrahlt. Durch eine Abschirmung wird Fremdlicht von der Stelle, wo die Fluoreszenz detektiert wird, ferngehalten. Der Winkel, unter dem das Licht in das 1-D-Element eingekoppelt wird, ist so gewählt, dass es in dem 1-D-Element weitergeleitet wird bzw. dass keine Totalreflexion an der Oberflächen der 1-D-Elemente eintritt. Das eingekoppelte Licht bewirkt nach dem der Totalreflexionsmikroskopie zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen eine Anregung von fluoreszierenden Markern, die sich auf der Oberfläche der 1-D-Elemente an einer von der Einkoppelstelle getrennten Ort befinden. Das emittierte Licht fällt in einen optischen Sensor, der ebenfalls stationär angebracht ist.
Die Bewegung des 1-D-Elements erfolgt in bevorzugt in longitudinaler aber auch in transversaler Richtung mit gleichbleibender Geschwindigkeit oder sie wird durch Stillstandsphasen oder Beschleunigungsphasen unterbrochen. Die 1-D-Element können weiterhin entsprechend den Aufgabenstellung auch zeitlich versetzt zurück bzw. hin und her bewegt werden.
Die Bewegungsenergie wird durch mehrfach mit dem 1-D-Element umwickelten angetriebenen Antriebswellen oder auch angepreßte Antriebs-Reibrollen auf die 1-D-Elemente übertragen. Transversale Bewegungen werden durch seitliche Verschiebungen erreicht. Spannrollen werden zum Straffhalten der 1-D-Elemente eingesetzt.
Mehrere parallel verlaufende 1-D-Elemente werden in einer Ausführung in Arrayform angeordnet, in Reaktionszonen behandelt oder parallel detektiert. Mit dieser Anordnung können mehrere Parameter gleichzeitig gemessen werden.
Die 1-D-Elemente können von einer Spule abgespult und auf eine andere Spule aufgespult werden, wobei eine Spule angetieben und die andere gebremst wird und die genannten Funktionen wechselseitig wählbar sind. Durch das aktive Aufspulen wird eine longitudinale Zugkraft bewirkt werden, die das 1-D-Element in Bewegung setzt.
Die Reaktionszonen sind in flüssigkeitsgefüllten Gefäßen untergebracht. Damit die 1-D-Elemente beladen oder behandelt werden können, werden sie durch die entsprechend ihrer Funktion geformten Gefäße bewegt bzw. gezogen. Die notwendigen erfindungsspezifischen Richtungsänderungen der 1-D-Elemente, die für das Hindurchführen durch die Reaktionszonen bzw. den entsprechenden Gefäßen notwendig sind, erfolgen in einer Ausführung durch Umlenkvorrichtungen wie Rollen oder Gleiteinrichtungen. Magnetische 1-D-Elemente können mit magnetischen Kräften in ihrer Richtung ausgelenkt werden.
Um eine definierte Geschwindigkeit des longitudinal bewegten 1-D-Elementes zu erreichen, werden Spulenkörper vorgeschlagen, die über einen Antrieb in rotierende Bewegung versetzt werden. Eine andere Ausführung verwendet Reibräder bzw. Reibwalzen zur Übertragung der Bewegung oder eine mit einem Motor verbundene Antriebswelle, die mit dem 1-D-Element schlupffrei umwickelt wird, spult das 1-D-Element auf der einen Seite auf und auf der wieder anderen ab. Hierdurch wird die Verweilzeit des 1-D-Elemnets in einem Reaktor vergrößert bzw. zur Detektion eine vergrößerte, aus parallel angeordneten 1-D-Elementen bestehende Fläche erzeugt.
Die 1-D-Elementen sind als monofiler oder polyfiler Draht, Strick, Faden, Filament oder Band ausgebildet. Sie können ein von der Kreissymetrie abweichendes Profil beispielsweise ein ovales oder kleeblattförmiges Profil besitzen. Das Material der 1-D-Elementen kann entweder aus Naturfasern, wie Wolle oder Zellulosefasern, Flachs, Lein, Hanf, Baumwolle oder Regeneratfasern aus Protein oder Zellulose oder bevorzugt aus den aus durch niedere Tiere produzierten Gespinsten wie Seidenfäden, wie beispielsweise durch die Seidenspinnerlarve (Bombyx mori (L.), durch die Goldenen Radnetzspinne (Nephila clavipes) oder aus Fibroin, gewonnen durch rekombinante Mikroorganismen bestehen wobei die Seidenfäden Durchmesser zwischen 12 und 25 μm aufweisen und können als Filament oder Zwirn eingesetzt werden oder aus Synthesefasern wie Polyethylen, Polystyrol, Polyacrylnitril, Polyamid, Polyester, Polyharnstoff, Polyurethan oder Polyvinylchlorid, hydrophile Polymere wie Alginat, Acrylat oder Chitosan oder können auch aus durchsichtigem oder auch nicht durchsichtigem Glas, aus Metall oder Kohlenstoff bestehen.
Das 1-D-Element kann eine glatte aber auch eine mikroporöse oder nanoporöse durchgehende Struktur oder eine solche Oberflächenstruktur aufweisen. Die Poren können als Nanoporen in Form molekular „imprinted" Materialien (MIP's) vorliegen, die dann spezifische Edukte- oder Analyte-bindende Eigenschaften aufweisen.
Ein oder mehrere 1-D-Elemente können geschlossene Schleifen bilden. Diese Schleifen können als nicht verdrilltes Band oder in Form eines einmal verdrillten sogenannten Möbiussches Bands oder als mehrfach verdrilltes Band angeordnet sein.
Das 1-D-Element kann magnetisiert oder magnetisierbar sein oder magnetische Partikel enthalten. Ein 1-D-Element mit magnetischen Eigenschaften kann mit magnetisch markierten Analyten, Edukten oder partikuläre Stoffe beladen und diese dann untersucht werden.
Die affine oder bioaffine Targetmoleküle liegen über die Längenausdehnung des 1-D-Elements homogen, heterogen, in einer festgelegter Reihenfolge oder abschnittsweise immobilisiert, fixiert oder adsorbiert vor.
In der Beladungszone können nicht nur Moleküle sondern auch Viren, Zellbestandteile, Organellen oder Mikroorganismen bioaffin gebunden und in den Reaktionszonen behandelt werden. Somit ist in einfacher Weise ist der Nachweis gefährlicher Keime in der Luft, in wässriger Umgebund und/oder auf Oberflächen möglich, wobei bei letzteren das 1-D-Element mit der zu untersuchenden Oberfläch in Kontakt gebracht wird. Die Beladung der 1-D-Elemente mit dem Analyten bzw. Edukt erfolgt, wenn bioaffine Bindungsprinzipien angewendet werden, meistens aus wäßrigen Lösungen durch Kontakt des 1-D-Elementes mit der Flüssigkeit. Auch die Adsorption an Oberflächen ohne Anwesenheit flüssiger Phasen ist erfindungsgemäß, wenn weitere Reaktionszonen verbunden mit Richtungswechsel der Bewegung durchlaufen werden. Bei der Kontrolle von Gasen, insbesondere der Luft zum Nachweis von Inhaltsstoffen, beispielsweise von giftigen Substanzen, wird das Gas unter Anwesenheit von Wasser mit dem 1-D-Element kontaktiert oder die Beladung der 1-D-Elementen erfolgt in einer Beladungszone in der die Gasphase durch eine wäßrige Reaktionszone strömt. Probennahme aus flüssigen Phasen kann aus Fermentationslösungen, Zellkulturen oder Körperflüssigkeiten gegebenenfalls nach Verdünnen aus Extrakten, Lysaten, Suspensionen von Zellbestandteilen, Organellen oder Zellen erfolgen. Erfindungsgemäß ist auch die Beladung aus lösemittelhaltigen Lösungen oder Suspensionen.
Eine Vergrößerung der Oberfläche der 1-D-Elemente wird durch vielfaches Umwickeln einer drehbaren Welle erreicht, auf die sie aufgespult und wieder abgespult werden. Die Flächenvergrößerung ist besonders dann günstig, wenn Inhaltsstoffe nachgewiesen werden sollen, die nur in geringen Konzentrationen vorliegen, wie bei der Untersuchung von Gas bzw. Luftbestandteilen. Dieses erfindungsgemäße Prinzip wird vor allem für den Nachweis von Schadstoffen, Umweltgiften, chemischen und biologischen Kampfstoffen, Sprengstoff oder Rauschmittel in Räumen und im Freien im Sinne einer künstlichen Nase angewendet.
Durch spezifische Funktionalisierung kann die spezifische Bindung von Einzelsubstanzen als auch die Bindung von unterschiedlichen Substanzen mit Substanzgruppen spezifischen Eigenschaften, wie hydrophil oder hydrophob oder von Substanzen mit aromatischen oder aliphatischen Eigenschaften oder mit vergleichbaren funktionellen Gruppen erfolgen.
Das Material der 1-D-Elemente kann mit einem zweiten Material wie Nitrozellulose beschichtet sein und ganze Substanzklassen so beispielsweise Proteine bevorzugt binden.
Die 1-D-Elemente können als langzeitstabile Transportform vorgehalten werden. Sie müssen dann vor dem Einsatz in dem Feststoffreaktor aktiviert werden.
Das funktionalsierte oder partiell funktionalisierte 1-D-Element kann in einer trockenen Transportform vorliegen, die vor Anwendung zuerst in einem Quellungszone aktiviert werden muß. Die langzeitstabile Transportform kann auch in einer feuchten, gegen bakteriellen Bewuchs geschützten Umgebung aufbewahrt werden. In diesem Fall entfällt der Quellungschritt.
Die Funktionalsierung kann in einer anderen Ausführung auch erst im Feststoffreaktor in einer Funktionalsierungszone erfolgen, durch die das 1-D-Elementes hindurchgeführt wird.
Die 1-D-Elemente können weiterhin durch allseitig geschlossene Vorrichtungen wie Kapillaren oder Röhren oder bevorzugt durch einseitig offene Führungen wie Kanäle oder auch über eine ebene Plattform bzw. eine als Array ausgebildete und mit Flüssigkeit gefüllten flachen miniaturisierten Wanne bewegt werden. Vorteilhaft an offenen Führungseinrichtungen ist, dass das 1-D-Element einfach eingelegt werden kann.
Durch Sägen von Kanälen in einem speziellen an sich bekannten Halbleiterbauelement werden an gegenübeliegeneden Wänden optische Aktoren und optische Sensoren erzeugt. In diesen Kanälen werden die 1-D-Elemente geführt und kontionuierlich optisch abgetastet.
Die Detektion magnetischer Analyten kann durch Sensoren erfolgen, die magnetische Felder nachweisen wie beispielsweise magnetorestriktiven Widerstände.
Die Erfindung soll, ohne dass sie dadurch einschränkt wird, an Hand der Abbildungen durch folgende Ausführungen näher erläutert werden:
In 1 wird in Seitenansicht schematisch das 1-D-Element, im weiteren der Einfachheit wegen als Faden bezeichnet, von einer Spule 1 abgespult und nachdem es durch die Reaktorzonen bzw. Reaktionsgefäße 6, 7, 8, 9 in der Richtung 5 gezogen wurde, auf der Spule 2 aufgespult. Die für das Durchlaufen der flüssigkeitsgefüllten Reaktionsgefäße notwendigen Richtungsänderungen werden durch Umlenkrollen 4 erzeugt. Während die Reaktionszonen bzw. Reaktorgefäße 6, 8, 9 in der Zeichnung 1 stellvertretend für viele mögliche Funktionen dargestellt sind, ist die Reaktionszone 7 von Bedeutung. Sie ist für die Beladung mit den Inhaltsstoffen eines Gases, beispielsweise von Luft, die über die Zuleitung 10 in die flüssige Phase der Reaktionszone 7 eingeleitet wird ausgelegt. Die Inhaltsstoffe lösen sich in der flüssigen Phase oder werden im Fall von Partikeln oder Mikroorganismen in ihr suspendiert. Aus der flüssigen Phase heraus werden sie dann an den Faden gebunden bzw. der Faden wird mit ihnen beladen. In der Reaktionszone 6 kann beispielsweise die Quellung eines mit Antikörpern funktionalsierten Fadens erfolgen, der als langzeitstabiler, getrockneter, auf die Spule 1 aufgewickelter Faden vorliegt kann. In der Reaktionszone 8 erfolgt die Markierung mit einem zweiten, fluoreszenz-markierten Antikörper (Markierungszone) und in der Reaktionszone 9 ein Waschprozeß (Waschungszone). Anschließend wird durch eine Lichtquelle 11 die Fluoreszenz des Fluroszenzmarkers angeregt und über den optischen Sensor 12 gemessen.
2 stellt in Seitenansicht das Schema eines als flachen, in der Regel flüssigkeitsgefüllten Trog dar, der damit eine wesentliche Voraussetzung für ein Anordnung in Form eines Arrays aufweist. Die Bewegungsrichtung des Fadens 3 wird durch Umlenkeinrichtungen, hier als Umlenkrollen 4 ausgebildet, in den Trog abgelenkt. Es erfolgen Parallelverschiebungen der Bewegungsrichtung 5 in den trogförmigen Reaktor.
3 demonstriert eine Antriebsmöglichkeit, um den Faden bzw. das 1-D-Element in longitudinaler Richtung zu transportieren. Der Faden 3 ist mit den Wicklungen 16 mehrfach um den Antriebszylinder 15 gewickelt. Durch die mehrfache Wicklung wird die Reibung so weit verstärkt, dass eine schlupffreie Übertragung der Rotationsbewegung in Richtung 17 des Zylinders auf den Faden erreicht wird. und sich dieser in Richtung 5 bewegt. Die Achsen des Antriebszylinders 14 sind mit einem Antrieb, hier vermittelt durch Zahnräder 19 verbunden, durch die Rotationsenergie des Motors 18 übertragen wird.
4 stellt in Aufsicht schematisch ein Arrayanordnung dar, bei der die Fäden 3 parallel über eine ebene Reaktionsplattform 20 in Richtung 5 gezogen werden. Auf der Plattform können Reaktionen durchgeführt oder detektiert werden. So werden beispielsweise die Fäden durch Übertragen von Wärmeenergie getrocknet oder sie werden mit einem Laserstrahl abgetastet, um Fluoreszenzmarker anzuregen. Als Abstandhalter fungieren kleine Zylinder oder Rollen 21, die auch Reibungswiderstand erzeugen, der die Fäden straff hält.
5 zeigt schematisch im Querschnitt eine Möglichkeit, die Fäden optisch zu detektieren. Die Fäden durchlaufen einen in eine Halbleiteranordnung aus p- und n-dotierten Halbleiterschichten 22 aufgebaut ist, in die ein Kanal 24 eingesägt ist, dessen eine Wand 23 als Lichtaktor und die gegenüberliegende Wand 26 als Lichtsensor wirkt (Kanalstrahlung). An ein im Kanal 24 befindlicher Faden kann mit dieser Vorrichtung die Fluoreszenz eines Markers angeregt und detektiert werden.
6 zeigt das Schema einen stationär angeordneten Lichteinkoppler, bestehend aus einen weitgehend parallelisierten Lichtbündel 28, welches in der abgebildeten Ausführung als Lichtleiter 27 Licht in den als Lichtleiter ausgebildeten in Richtung 5 beweglichen Faden bzw. 1-D-Element 3 einkoppelt. Das eingekoppelte Licht 32 wird durch Totalreflexion im Inneren des Fadens weitergeleitet. Der Übergang von Fremdlicht in den links davon befindlichen Meßraum wird durch eine Blende 31 verhindert. Das in den Faden eingestrahlte Licht führt an dem auf der Oberfläche des Fadens befindlichen fluoreszierenden Marker 29 zur Emission von Fluoreszenzlicht 30.
7 zeigt das Schema einer Reaktorsystems, mit dessen Hilfe evolutionärer Prozesse DNA-Antikörper bzw. Aptamere, welches bioaffin mit einem Antigen wechselwirken, hergestellt werden können.
Die in der Desorptionszone 33 desorbierten DNA-Moleküle fließen zusammen mit den Edukten der kontinuierlichen DNA-Amplifikation in einem kontinuierlich amplifizierenden sogenannten Conticycler 35. Dieser arbeitet im Gegensatz zu den in der Regel batch-weise verlaufenden Polymerase-Ketten-Reaktionen (PCR) nach einem Prinzip, welches die Einstellung eines Fließgleichgewichtes in einen homogen durchmischten Amplifizierungsreaktors anstrebt. Die mit einer bestimmten Mutationsrate bzw. einer einstellbaren Ungenauigkeit bzw. Mutationrate amplifizierten DNA-Moleküle fließen in die Adsorptionszone 36. Durch die Adsorberzone 36 bewegt sich der mit einem Antigen beladene Faden in Richtung 5. Dieser beläd sich besonders mit den fehlerhaft amplifizierten DNA-Molekülen, die eine hohe Affinität zu dem Antigen aufweisen. In einer Waschzone 37 werden nicht fest gebundene DNA-Moleküle entfernt. Der Faden wird weiter mit Hilfe des Antriebs 15 in die Desorptionszone 33 transportiert, Die DNA-Spezies mit Aptamerenchrakter werden desorbiert und gelangen wieder in den Conticycler, wo sie wieder amplifiziert bzw. vermehrt werden.
Bei häufigen Durchlaufen der evolutionären Cyclen reichern sich DNA-Spezies an, die eine immer höhere Affinität zu dem Antigen aufweisen.

Claims

Festphasenreaktor-System, gekennzeichnet dadurch, dass in ihm ein oder mehrere annähernd eindimensional geformte bewegliche Reaktorelementen (1-D-Elemente) angeordnet sind, deren Querschnittsabmessung (größte Ausdehnung) im Bereich zwischen 1 μm und 1 mm liegt, die bevorzugt in longitudinaler Richtung nacheinander durch drei oder mehrere örtlich voneinander getrennte Reaktionszonen bewegt werden, an denen affine, bioaffine, substratspezifische oder substratgruppenspezifische Targetmoleküle vorhanden sind oder das Material des 1-D-Elementes stoffbindende Eigenschaften aufweist und an denen bei Durchlaufen der Reaktionszonen physikalische, chemische oder biochemische Reaktionen zur Durchführung von Stoff- bzw. Informationsübertragung, Stoffwandlungen, Stoffreinigung sowie Analyse-, Detektion- oder Informationsauswertung ablaufen und bei den diese Prozesse bevorzugt kontinuierlich erfolgen.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element in einer Quellungszone angequollen, in einer Funktionalisierungszone funktionalisiert, in einer Beladungszone mit einer Probe beladen, mit Pufferlösungen in einer Waschzone gewaschen, nicht abgesättigte bioaffine Targetmoleküle in einer Blockierungszone blockiert, mit einem Marker in einer Markierungszone umgesetzt, in einer Temperierungszone temperiert, in einer Detektionszone detektiert, in einer Regenerationszone Eigenschaften wiederhergestellt oder adsorbierte Moleküle oder Partikel in einer Desorptionszone desorbiert werden.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Detektion von Analyten oder Partikeln in Form von Partikelzählung, Lichtstreuung, Lichtbeugung, Fluoreszenz, Magnetismus, Leitfähigkeit, Extinktion oder andere Sensorsignale erfolgt.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Bewegung des 1-D-Elementes in transversaler Richtung durch Parallelverschiebung der 1-D-Elemente erfolgt.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Bewegung in longitudinaler oder transversaler Richtung mit gleichbleibender Geschwindigkeit erfolgt oder durch Stillstandsphasen oder Beschleunigungsphasen unterbrochen wird.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, das die 1-D-Element in der longitudinale Richtung zeitlich versetzt zurück bzw. hin und her bewegt werden.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die 1-D-Elemente als monofiler oder polyfiler Draht, Strick, Faden, Filament oder Band ausgebildet sind.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1 und 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Bandbreite nicht das Zwanzigfache des Banddurchmessers überschreitet.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die 1-D-Elementen eine von der Kreissymetrie abweichendes Profil aufweisen.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Material der 1-D-Elemente aus Naturfasern tierischer Herkunft wie Wolle oder Zellulosefasern wie Flachs, Lein, Hanf, Baumwolle oder aus Regeneratfasern aus Protein oder Zellulose bestehen.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die 1-D-Elemente aus durch Tiere produzierten Gespinsten wie Seidenfäden, wie beispielsweise durch die Seidenspinnerlarve (Bombyx mori (L.), durch die Goldene Radnetzspinne (Nephila clavipes) oder aus Fibroin, dass mit Hilfe von rekombinanten Mikroorganismen gewonnen und als Filament oder Zwirn eingesetzt wird, bestehen.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die 1-D-Elementen aus Synthesefasern wie Polyethylen, Polystyrol, Polyacrylnitril, Polyamid, Polyester, Polyharnstoff, Polyurethan, Polyvinylchlorid oder aus hydrophilen Polymeren wie Alginat, Acrylat oder Chitosan bestehen.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element eine mikroporöse oder nanoporöse Struktur oder Teilstrukturen aufweist oder molekular geprägte Materialien (Molecular Imprinted Materials, MIP) eingesetzt werden.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die 1-D-Elementen aus anorganischen Fasern wie Glas, Metall oder Kohlenstoff bestehen.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element eine geschlossene Schleife bildet.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1 und 15, gekennzeichnet dadurch, dass diese ein nicht verdrilltes Band oder ein Möbiussches Band oder mehrfach verdrilltes Band enthält.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element magnetisiert oder magnetisierbar ist oder magnetische Partikel enthält.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1 und 17, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element mit magnetisch markierten Edukten, Analyten oder partikulären Stoffen beladen wird.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, 17 und 18, gekennzeichnet dadurch, dass magnetorestriktive Widerstände zur Detektion eingesetzt werden.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass ein oder mehrerer affine oder bioaffine Targetmoleküle über die Längenausdehnung des 1-D-Elements homogen oder heterogen oder abschnittsweise verteilt sind.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass in der Beladungszone Viren, Zellbestandteile, Membranen, Organellen oder Mikroorganismen bioaffin gebunden werden.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass eine gemeinsame Bindung von Substanzen oder Substanzgruppen oder Substanzen mit vergleichbaren Bindungseigenschaften erfolgt.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die 1-D-Elemente in einer langzeitstabilen funktionalisierten bzw. bioaffinen und im Festphasenreaktor-System aktivierbaren Form eingesetzt wird.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Material der 1-D-Elemente mit einem zweiten Material wie Nitrozellulose beschichtet ist.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Material der 1-D-Elementen von einer Spule abgespult und anschließend gegebenenfalls auf eine Spule aufgespult wird.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Beladung der 1-D-Elemente in einer Reaktionszone (Beladungszone) mit den Inhaltstoffen einer zu untersuchenden Gasphase in Anwesenheit einer dispersen wässrigen Phase erfolgt.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Beladung der 1-D-Elementen in einer Beladungszone mit den Inhaltstoffen einer Gasphase in einem durch die Gasphase durchströmten wässriger Reaktionszone erfolgt.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass Fermentationslösungen, Zellkulturen oder Körperflüssigkeiten, Extrakte, Lysate oder wässrige oder wasserhaltige Suspensionen von Feststoffen wie Zellbestandteilen, Organellen, Zellen Böden, Nahrungsmittel, Arzneimittel, Chemikalien oder Schlämmen untersucht werden.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass lösemittelhaltige Lösungen oder Suspensionen untersucht werden.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass stationäre Führungseinrichtungen oder Umlenkvorrichtungen oder stationäre Vorrichtungen mit beweglichen Teilen zur Richtungsänderungen der Bewegung der 1-D-Elemente führen.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass Spannrollen zum Straffhalten der 1-D-Elemente angewendet werden.
Festphasenreaktor-System nach den Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Bewegungsenergie auf die 1-D-Elemente durch ein oder mehrerer angepreßte Antriebs-Reibrollen oder durch eine angetriebene Antriebswelle erfolgt, die mit dem 1-D-Element schlupffrei umwickelt ist.
Festphasenreaktor-System nach den Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass zur Vergrößerung der Wirkfläche des 1-D-Elementes in den Reaktionszonen, bevorzugt bei der Beladung mit mehreren Wicklungen um eine drehbare Welle gewickelt und abgewickelt wird.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere parallel verlaufende 1-D-Elementen in Arrayform angeordnet sind.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die 1-D-Elementen durch Kanäle, Kapillaren und Röhren oder über eine ebene Reaktionsplattform oder eine eingetiefte, mit einer flüssigen Phase gefüllten Wanne, gegebenenfalls in Arrayform, bewegt werden.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass zur optischen Anregung und Detektion die Kantenstrahlung von in Halbleiteranordnungen eingetieften Kanälen genutzt wird.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element für elektromagnetische Strahlung in einem oder mehreren der aufgeführten Bereiche für UV, sichtbaren Bereich und nahen IR-Bereich durchlässig ist.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Material der 1-D-Elemente als Lichtleiter ausgebildet ist.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1 und 37, gekennzeichnet dadurch, dass Licht in die longitudinal bewegten, als Lichtleiter ausgebildeten 1-D-Elemente über stationär angeordnete Lichteinkoppler eingekoppelt wird.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, 37 und 38, gekennzeichnet dadurch, dass das der Totalreflexionsmikroskopie zugrunde liegende Prinzip des evaneszenten Feldes bei der Anregung der Fluoreszenz der an der Oberfläche der 1-D-Elemente vorhandenen fluoreszierenden Markern genutzt wird.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass ein Antigen-spezifischer DNA-Antikörper bzw. Aptamer durch einen Rückkopplungsprozess geschaffen wird, bei dem kontinuierlich mit einem kontinuierlichen Amplifizierungsreaktor, einem Conticycler, hergestellte DNA-Amplifizierungsprodukte in einer Adsorberzone an ein 1-D-Element adsorbiert werden, an dessen Oberfläche als Targetmolekül das Antigen gebunden ist, dass das 1-D-Element eine Waschzone durchläuft, dass die gebunden DNA-Spezies in einer Desorptionszone desorbiert, dass die desorbierten DNA-Moleküle dem DNA-Amplifizierungsprozess wieder zurückgeführt werden und das der Prozess kontinuierlich verläuft.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass es bei der Detektion von chemischen oder biologischen Kampfmittel, bei der Langzeitüberwachung der Umwelt auf Schadstoffe und beim Nachweis von Schadchemikalien wie Rauschmittel oder Sprengstoff im Sinne einer künstlichen Nase eingesetzt wird.