DE102012206638A1 - Apparatus and method for ultrafast and quantitative analysis of asymmetric molecules in liquid, especially aqueous, solutions - Google Patents

Apparatus and method for ultrafast and quantitative analysis of asymmetric molecules in liquid, especially aqueous, solutions Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines Analyten in einer Probe, aufweisen folgende Schritte: Bestrahlen der Probe (1) mit monochromatischer kohärenter Strahlung (5) im Röntgenwellenlängenbereich; Erfassen (9) eines von der Probe gestreuten oder reflektierten Streuungsmusters (11); und qualitatives und/oder quantitatives Detektieren des Analyten anhand des Streuungsmusters (11).The invention relates to a method for detecting an analyte in a sample, comprising the following steps: irradiating the sample (1) with monochromatic coherent radiation (5) in the X-ray wavelength range; Detecting (9) a scattering pattern (11) scattered or reflected by the sample; and qualitatively and / or quantitatively detecting the analyte using the scattering pattern (11).

Description

Die Erfindung betrifft eine Apparatur und Verfahren zur ultraschnellen und quantitativen Analyse von asymmetrischen Molekülen in flüssigen, insbesondere wässerigen Lösungen. The invention relates to an apparatus and method for ultrafast and quantitative analysis of asymmetric molecules in liquid, especially aqueous solutions.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Aufbau einer Anisotropie in in-vitro Proben für streuspektroskopische Verfahren. The invention further relates to a method for building an anisotropy in in vitro samples for Streusspektroskopische method.

Bei der Analyse von biologischen Strukturen ist die Röntgenkristallographie ein verbreitetes Verfahren. In the analysis of biological structures, X-ray crystallography is a common method.

Bei der konventionellen Röntgenkristallographie wird die Beugung von Röntgenstrahlung an Kristallen analysiert. Ein Problem hierbei ist, dass das zu untersuchende material in kristalliner Form vorliegen muss. In conventional X-ray crystallography, the diffraction of X-rays on crystals is analyzed. A problem here is that the material to be investigated must be in crystalline form.

Für viele Anwendungen, z.B. in der in-vitro Diagnostik, wird ein Verfahren benötigt, mit dem in sehr kurzer Zeit komplexe, insbesondere asymmetrische Moleküle in wässeriger Flüssigkeit qualitativ oder quantitativ bestimmt werden können, ohne die Probenflüssigkeit besonders aufbereiten zu müssen. For many applications, e.g. In in vitro diagnostics, a method is needed with which complex, in particular asymmetric molecules in aqueous liquid can be determined qualitatively or quantitatively in a very short time, without having to process the sample liquid particularly.

Ein solches Verfahren ist nicht bekannt. Bekannt sind dagegen Röntgenlaser, z.B. aus DE 10 2010 023 632.2 . Bekannt sind außerdem Röntgenflachbilddetektoren aus der radiologischen Technik, mit der ein 2D Röntgenbild innerhalb sehr kurzer Zeit und bei hohen Wiederholraten und hohem Kontrastumfang gemessen werden können. Such a method is not known. By contrast, X-ray lasers are known, for example DE 10 2010 023 632.2 , X-ray flat-panel detectors from the radiological technique are also known, with which a 2D X-ray image can be measured within a very short time and at high repetition rates and a high contrast range.

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Detektion eines Analyten in einer Probe, aufweisen folgende Schritte:

  • – Bestrahlen der Probe mit monochromatischer, bevorzugt kohärenter Strahlung im Röntgenwellenlängenbereich;
  • – Erfassen eines von der Probe gestreuten oder reflektierten Streuungsmusters;
  • – qualitatives und/oder quantitatives Detektieren des Analyten anhand des Streuungsmusters.
In particular, the invention relates to a method for detecting an analyte in a sample, comprising the following steps:
  • - irradiating the sample with monochromatic, preferably coherent radiation in the X-ray wavelength range;
  • Detecting a scattering pattern scattered or reflected by the sample;
  • Qualitative and / or quantitative detection of the analyte using the scattering pattern.

Der Analyt kann z.B. ein Molekül, z.B. ein Protein, eine Nukleinsäure, ein, eine biologische Struktur, z.B. ein Mikroorganismus, Bakterium, Virus, eine Spore, eine Zelle oder ein Bestandteil oder Fragment einer biologische Struktur sein. The analyte may be e.g. a molecule, e.g. a protein, a nucleic acid, a, a biological structure, e.g. a microorganism, bacterium, virus, spore, cell or component or fragment of a biological structure.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Probe eine Flüssigkeitsprobe. According to one embodiment of the invention, the sample is a liquid sample.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Einstrahlungswinkel (α) der Strahlung relativ zur Probenoberfläche so gewählt, dass eine Totalreflektion der Strahlung stattfindet. According to one embodiment, the angle of incidence (α) of the radiation relative to the sample surface is chosen such that a total reflection of the radiation takes place.

Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Erfassen des Streuungsmusters mit einem Flachbilddetektor. According to one embodiment, the detection of the scattering pattern is performed with a flat-panel detector.

In der Röntgenbildgebung sind sogenannte Flachbilddetektoren zur Aufnahme von digitalen Röntgenabbildungen eines Objektes bekannt, bei denen eine Röntgenstrahlung auf direktem oder indirektem Weg in elektrische Ladung umgewandelt wird und anschließend mittels sogenannter aktiver Auslesematrizen elektronisch ausgelesen und für die Abbildungserstellung weiterverarbeitet wird. Der Detektor kann z.B. ein Halbleiterbauelement aufweisen, zum Beispiel CCD-Chip, APS-Chip oder CMOS-Chip. In x-ray imaging, so-called flat-panel detectors for recording digital x-ray images of an object are known, in which an x-ray radiation is converted directly or indirectly into electrical charge and then electronically read out by means of so-called active read-out matrices and further processed for imaging. The detector may e.g. a semiconductor device, for example CCD chip, APS chip or CMOS chip.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Strahlung mit einem Röntgenlaser erzeugt. According to one embodiment, the radiation is generated with an X-ray laser.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Strahlung in Impulsen erzeugt. Die Impulse haben bevorzugt eine Dauer von einer Nanosekunde oder weniger, einer Picosekunde oder weniger oder einer Femtosekunde oder weniger. According to one embodiment, the radiation is generated in pulses. The pulses preferably have a duration of one nanosecond or less, one picosecond or less, or one femtosecond or less.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Probe vor der Analyse in einen Flüssigkristall eingebracht oder mit einem Flüssigkeitskristall oder einer Substanz, die in der Probenflüssigkeit Flüssigkeitskristalle bildet, in Kontakt gebracht. Ein Beispiel für derartige Substanzen sind Porphyrinverbindungen. Dazuu kann z.B. der flüssigen Probe eine Substanz, die in der Probenflüssigkeit Flüssigkeitskristalle bildet, zugesetzt werden. Die Substanz kann trocken oder in Lösung zugesetzt werden. According to one embodiment, the sample is introduced into a liquid crystal prior to analysis or brought into contact with a liquid crystal or a substance which forms liquid crystals in the sample liquid. An example of such substances are porphyrin compounds. For this purpose, e.g. the liquid sample, a substance which forms liquid crystals in the sample liquid can be added. The substance can be added dry or in solution.

Gemäß einer Ausführungsform wird während der streuspektroskopischen Analyse wird die Probe bzw. der Flüssigkristall durch elektrische und/oder magnetische Felder anisotrop variiert. According to one embodiment, during the scatter spectroscopic analysis, the sample or the liquid crystal is anisotropically varied by electric and / or magnetic fields.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Probe bzw. der Probenbehälter relativ zur Strahlungsrichtung gedreht, z.B. während oder zwischen den Messungen. According to one embodiment, the sample or sample container is rotated relative to the direction of radiation, e.g. during or between the measurements.

Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Detektion eines Analyten in einer Probe, aufweisend:

  • – Mittel zum Bestrahlen der Probe (1) mit monochromatischer kohärenter Strahlung (5) im Röntgenwellenlängenbereich;
  • – Mittel zum Erfassen (9) eines von der Probe gestreuten oder reflektierten Streuungsmusters (11);
  • – Mittel zum qualitativen und/oder quantitativen Detektieren des Analyten anhand des Streuungsmusters (11).
Furthermore, the invention relates to a device for detecting an analyte in a sample, comprising:
  • - means for irradiating the sample ( 1 ) with monochromatic coherent radiation ( 5 ) in the X-ray wavelength region;
  • - means for detecting ( 9 ) of a scattering pattern scattered or reflected by the sample ( 11 );
  • Means for qualitatively and / or quantitatively detecting the analyte on the basis of the scattering pattern ( 11 ).

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Mittel zum Bestrahlen der Probe (1) einen Röntgenlaser. Bevorzugt kann dieser die Strahlung in Impulsen erzeugen. Die Impulse haben bevorzugt eine Dauer von einer Nanosekunde oder weniger, einer Picosekunde oder weniger oder einer Femtosekunde oder weniger. According to one embodiment, the means for irradiating the sample comprises 1 ) an X-ray laser. Preferably, this can be the radiation in pulses produce. The pulses preferably have a duration of one nanosecond or less, one picosecond or less, or one femtosecond or less.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Mittel zum Erfassen eines von der Probe gestreuten oder reflektierten Streuungsmusters einen Flachbilddetektor. According to one embodiment, the means for detecting a scattering pattern scattered or reflected by the sample comprises a flat-panel detector.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Mittel zum qualitativen und/oder quantitativen Detektieren des Analyten anhand des Streuungsmusters eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Aufnahme und/oder Analyse von erfassten Signalen des Streuungsmusters. According to one embodiment, the means for qualitatively and / or quantitatively detecting the analyte on the basis of the scattering pattern comprises a signal processing device for recording and / or analyzing detected signals of the scattering pattern.

Diese Signalverarbeitungseinrichtung kann eine Computerimplementierte Signalverarbeitungseinrichtung umfassen. Sie kann ein Programm zur Datenverarbeitung und – analyse umfassen. This signal processing device may comprise a computer-implemented signal processing device. It can include a program for data processing and analysis.

Gemäß einer Ausführungsform können Mittel zum Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes an die Probe und/oder Mittel zum Drehen der Probe vorgesehen sein. According to one embodiment, means may be provided for applying an electric or magnetic field to the sample and / or means for rotating the sample.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele erfolgt; es zeigen: The invention and further advantageous embodiments according to features of the subclaims are explained in more detail below with reference to schematically illustrated embodiments in the drawing, without thereby limiting the invention to these embodiments; show it:

Fig. 1Fig. 1

1 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren. 1 schematically shows the inventive method.

Die Probe (1) ist auf einem Probenhalter (3) angeordnet. Sie kann auch in einem Probengefäß (nicht gezeigt) angeordnet sein. The sample ( 1 ) is on a sample holder ( 3 ) arranged. It may also be arranged in a sample vessel (not shown).

Röntgenstrahlung (5) fällt mit konstanter Wellenlänge und konstantem Winkel (α) relativ zu einer Probe (1) bzw. zu einem zum Detektor (9) ein. Das Röntgenstrahlung (5) wird gestreut (7) und der bzw. die Streuwinkel (α’) hängt nur vom Molekültyp ab, an welchem die Strahlung gestreut wird. Die gestreute Röntgenstrahlung erzeugt auf dem Detektor (9), z.B. einem Röntgenflachbilddetektor ein Muster (11), z.B. ein Ringmuster wobei die Durchmesser der einzelnen Ringe einem Molekültyp entsprechen. Durch Fourrieranalyse wird daraus das quantitative Molekülspektrum erzeugt. Dadurch ist das Muster charakteristisch und quantitativ. X-radiation ( 5 ) falls with constant wavelength and constant angle (α) relative to a sample ( 1 ) or to the detector ( 9 ) one. The X-radiation ( 5 ) is scattered ( 7 ) and the scattering angle (α ') depends only on the type of molecule on which the radiation is scattered. The scattered X-radiation is generated on the detector ( 9 ), eg a x-ray flat-panel detector a pattern ( 11 ), eg a ring pattern whereby the diameters of the individual rings correspond to a molecule type. Fourier analysis generates the quantitative molecular spectrum. This makes the pattern characteristic and quantitative.

Der Röntgenlaser durchstrahlt dabei bevorzugt streng monochromatisch die zu untersuchende Probe (1). Das Röntgenlicht (5) wird an den asymmetrischen Molekülen gestreut mit einem molekül-charakteristischen Streuwinkel. The X-ray laser preferably irradiates the sample to be examined strictly monochromatically ( 1 ). The X-ray light ( 5 ) is scattered at the asymmetric molecules with a molecular-characteristic scattering angle.

Bevorzugt wird die Strahlung in Impulsen erzeugt. Die Impulse haben bevorzugt eine Dauer von einer Nanosekunde oder weniger, einer Picosekunde oder weniger oder einer Femtosekunde oder weniger. Preferably, the radiation is generated in pulses. The pulses preferably have a duration of one nanosecond or less, one picosecond or less, or one femtosecond or less.

Bevorzugt ist der Einfallwinkel (α) so gewählt, dass eine Totalreflektion des einfallenden Röntgenlichts erreicht wird. Preferably, the angle of incidence (α) is chosen so that a total reflection of the incident X-ray light is achieved.

Durch Normierung werden einzelnen Abschnitten des Spektrums die korrekten Molekültypen zugeordnet. Durch Intensitätsnormierung erhält man die Konzentrationen. Normalization assigns the correct types of molecules to individual sections of the spectrum. Intensity normalization gives the concentrations.

Da der Laser und der Flachbilddetektor mit sehr hoher Wiederholrate bzw. sogar DC-mäßig betrieben werden können, kann die Analyse sehr schnell und sogar kontinuierlich durchgeführt werden. Since the laser and the flat-panel detector can be operated at very high repetition rate or even DC-moderate, the analysis can be carried out very quickly and even continuously.

Mögliche Ausführungsformen umfassen ferner einen Laboranalyseautomat zur Durchführung von Analysen von Blut, Urin und anderen Körperflüssigkeiten, ein Leitungsabschnitt (z.B. eines Schlauchs) eines geschlossenen Systems mit kontinuierlicher Überwachung, z.B. bei der Dialyse oder in einem System zu Wasseraufbereitung oder in einem Schwimmbad. Possible embodiments further include a laboratory analyzer for performing analyzes of blood, urine and other body fluids, a conduit section (e.g., a tube) of a closed system with continuous monitoring, e.g. in dialysis or in a system for water treatment or in a swimming pool.

Flüssige, insbesondere wässerige Proben sind isotrop. Daher ist die Streuung von eingestrahlter elektromagnetischer Strahlung – sofern nicht weitere Maßnahmen ergriffen werden – isotrop. Liquid, especially aqueous, samples are isotropic. Therefore, the scattering of radiated electromagnetic radiation - unless further action is taken - isotropic.

Damit streuspektroskopische Verfahren genutzt werden können sollte bevorzugt eine Anisotropie in der Probe erzeugt werden. Hierfür ist kein Verfahren bekannt. In order to use scatter spectroscopic methods, preference should be given to producing anisotropy in the sample. No method is known for this.

Die Probe wird vor der Analyse in einen Flüssigkristall eingebracht. Die zu untersuchenden Moleküle ordnen sich regelmäßig um die Flüssigkristalle. Der Flüssigkristall kann ein Porphyrin sein. Als Flüssigkristall bezeichnet man eine Substanz, die einerseits flüssig ist wie eine Flüssigkeit, andererseits aber auch richtungsabhängige (anisotrope) physikalische Eigenschaften aufweist, wie ein Kristall. The sample is introduced into a liquid crystal prior to analysis. The molecules to be examined arrange themselves regularly around the liquid crystals. The liquid crystal may be a porphyrin. A liquid crystal is a substance which, on the one hand, is liquid like a liquid, but on the other hand also has direction-dependent (anisotropic) physical properties, such as a crystal.

Während der streuspektroskopischen Analyse wird der Probenbehälter gedreht, z.B. während oder zwischen den Messungen. Während der streuspektroskopischen Analyse wird der Flüssigkristall durch elektrische und/oder magnetische Felder anisotrop variiert, oder anders ausgedrückt kann durch einbringen der Probe in elektrische und/oder magnetische Felder eine Anisotropie in der Probe erzeugt werden. During the scatter spectroscopic analysis, the sample container is rotated, for example during or between the measurements. During scattered spectroscopic analysis, the liquid crystal is anisotropically varied by electric and / or magnetic fields, or in other words, by introducing the sample into electrical and / or magnetic fields magnetic fields are generated anisotropy in the sample.

Die dargestellte Erfindung erlaubt die Entwicklung völlig neuartiker Analyse Verfahren z.B. für die in-vitro Technologie. The illustrated invention allows the development of completely novel analysis methods e.g. for in vitro technology.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102010023632 [0006] DE 102010023632 [0006]

Claims (14)

Verfahren zur Detektion eines Analyten in einer Probe, aufweisend folgende Schritte: – Bestrahlen der Probe (1) mit monochromatischer kohärenter Strahlung (5) im Röntgenwellenlängenbereich; – Erfassen (9) eines von der Probe gestreuten oder reflektierten Streuungsmusters (11); – qualitatives und/oder quantitatives Detektieren des Analyten anhand des Streuungsmusters (11). Method for detecting an analyte in a sample, comprising the following steps: irradiating the sample ( 1 ) with monochromatic coherent radiation ( 5 ) in the X-ray wavelength region; - To capture ( 9 ) of a scattering pattern scattered or reflected by the sample ( 11 ); Qualitative and / or quantitative detection of the analyte on the basis of the scattering pattern ( 11 ). Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Probe (1) eine Flüssigkeitsprobe ist. The method of claim 1, wherein the sample ( 1 ) is a liquid sample. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Einstrahlungswinkel (α) der Strahlung relativ zur Probenoberfläche so gewählt ist, dass eine Totalreflektion der Strahlung stattfindet. Method according to one of the preceding claims, wherein irradiation angle (α) of the radiation relative to the sample surface is selected so that a total reflection of the radiation takes place. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Erfassen des Streuungsmusters (11) mit einem Flachbilddetektor (9) erfolgt. Method according to one of the preceding claims, wherein the detection of the scattering pattern ( 11 ) with a flat panel detector ( 9 ) he follows. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Strahlung (5) mit einem Röntgenlaser erzeugt wird. Method according to one of the preceding claims, wherein the radiation ( 5 ) is generated with an X-ray laser. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Probe (1) vor der Analyse in einen Flüssigkristall eingebracht oder mit einem Flüssigkristall in Kontakt gebracht wird. Method according to one of the preceding claims, wherein the sample ( 1 ) is introduced into a liquid crystal prior to analysis or brought into contact with a liquid crystal. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei während der streuspektroskopischen Analyse die Probe (1) bzw. der Flüssigkristall durch elektrische und/oder magnetische Felder anisotrop variiert wird. Method according to one of the preceding claims, wherein during the scatter spectroscopic analysis the sample ( 1 ) or the liquid crystal is anisotropically varied by electric and / or magnetic fields. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Probe (1) oder der Probenbehälter (3) gedreht wird, z.B. während oder zwischen den Messungen. Method according to one of the preceding claims, wherein the sample ( 1 ) or the sample container ( 3 ), for example during or between the measurements. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Strahlung in Impulsen erzeugt wird. Method according to one of the preceding claims, wherein the radiation is generated in pulses. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Impulse eine Dauer von einer Nanosekunde oder weniger, einer Picosekunde oder weniger oder einer Femtosekunde oder weniger haben. The method of claim 9, wherein the pulses have a duration of one nanosecond or less, one picosecond or less, or one femtosecond or less. Vorrichtung zur Detektion eines Analyten in einer Probe, aufweisend: – Mittel zum Bestrahlen der Probe (1) mit monochromatischer kohärenter Strahlung (5) im Röntgenwellenlängenbereich; – Mittel zum Erfassen (9) eines von der Probe gestreuten oder reflektierten Streuungsmusters (11); – Mittel zum qualitativen und/oder quantitativen Detektieren des Analyten anhand des Streuungsmusters (11). Device for detecting an analyte in a sample, comprising: means for irradiating the sample ( 1 ) with monochromatic coherent radiation ( 5 ) in the X-ray wavelength region; - means for detecting ( 9 ) of a scattering pattern scattered or reflected by the sample ( 11 ); Means for qualitatively and / or quantitatively detecting the analyte on the basis of the scattering pattern ( 11 ). Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Mittel zum Bestrahlen der Probe (1) einen Röntgenlaser umfasst. Apparatus according to claim 11, wherein the means for irradiating the sample ( 1 ) comprises an X-ray laser. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Mittel zum Erfassen eines von der Probe gestreuten oder reflektierten Streuungsmusters einen Flachbilddetektor umfasst. Apparatus according to claim 11 or 12, wherein the means for detecting a scattering pattern scattered or reflected by the sample comprises a flat panel detector. Vorrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13, wobei das Mittel zum qualitativen und/oder quantitativen Detektieren des Analyten anhand des Streuungsmusters eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Aufnahme und/oder Analyse von erfassten Signalen des Streuungsmusters umfasst. Apparatus according to claim 11, 12 or 13, wherein the means for qualitatively and / or quantitatively detecting the analyte based on the scattering pattern comprises a signal processing device for receiving and / or analyzing detected signals of the scattering pattern.
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