DE102013215168A1 - Method for multiplying nucleic acids - Google Patents

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    • C12Q1/6844Nucleic acid amplification reactions
    • C12Q1/6853Nucleic acid amplification reactions using modified primers or templates

Abstract

Eine Verwendung von einem oder mehreren Nanopartikeln (9), die jeweils mit mindestens einem Oligonukleotid (4) konjugiert sind, zum Vervielfältigen von Nukleinsäuren (1), wobei eines oder mehrere der Oligonukleotide (4) wenigstens eine Primersequenz (5) aufweisen sowie einen weiteren Abschnitt, der sich von dem nanopartikelnahen Ende der Primersequenz in Richtung des Nanopartikels erstreckt, und wobei der weitere Abschnitt wenigstens eine abasische Modifikation (7) aufweist. Außerdem ein Verfahren zum Vervielfältigen von Nukleinsäuren (1) in einer Probe mit einem Vervielfältigungsschritt zum Vervielfältigen der Nukleinsäuren und einem Testschritt zum Bestimmen der Konzentration der Produkte der Vervielfältigungsreaktion, wobei der Testschritt nach dem Ende des Vervielfältigungsschritts beginnt, und wobei indem Testschritt entweder wenigestens einem Teil der Probe in Stoffe zugeführt werden oder keine Stoffe zugeführt werden. Außerdem Verfahren zum Vervielfältigen von Nukleinsäuren (1), wobei Nanopartikel (8) in einem Reaktionsvolumen (2) durch Anregung Wärme an ihre Umgebung übertragen. Schließlich ein Verfahren zum Vervielfältigen einer Nukleinsäure mittels einer Polymerase-Kettenreaktion, bei der ein Zyklus bestehend aus den Schritten Denaturierung, Annealing und Elongation, wiederholt durchlaufen wird.A use of one or more nanoparticles (9), which are each conjugated with at least one oligonucleotide (4), for amplifying nucleic acids (1), one or more of the oligonucleotides (4) having at least one primer sequence (5) and another Section extending from the nanoparticle end of the primer sequence in the direction of the nanoparticle, and wherein the further section has at least one abasic modification (7). In addition, a method for amplifying nucleic acids (1) in a sample with a amplification step for amplifying the nucleic acids and a test step for determining the concentration of the products of the amplification reaction, wherein the assay step begins after the end of the amplification step, and wherein at least one part in the assay step the sample are fed into substances or no substances are supplied. In addition, a method for amplifying nucleic acids (1), wherein nanoparticles (8) in a reaction volume (2) by excitation heat to their environment. Finally, a method for amplifying a nucleic acid by means of a polymerase chain reaction in which a cycle consisting of the steps of denaturation, annealing and elongation, is repeated.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vervielfältigen von Nukleinsäuren.The invention relates to a method for amplifying nucleic acids.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Verfahren zum Vervielfältigen von Nukleinsäuren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Patentschrift US 4 683 202 offenbart ein Verfahren, mit dem mindestens eine spezifische Nukleinsäuresequenz aus einer Nukleinsäure oder aus einem Gemisch von Nukleinsäuren vervielfältigt werden kann, wobei jede Nukleinsäure aus zwei getrennten, komplementären Strängen, von gleicher oder ungleicher Länge, besteht. Das Verfahren umfasst: (a) Das Behandeln der Stränge mit zwei Primern für jede unterschiedliche spezifische Sequenz, die vervielfältigt wird, unter derartigen Bedingungen, dass für jede unterschiedliche Sequenz, die vervielfältigt wird, ein Extensionsprodukt für jeden Primer synthetisiert wird, das komplementär zu dem jeweiligen Nukleinsäurestrang ist; dabei werden besagte Primer so ausgewählt, dass sie im Wesentlichen komplementär zu unterschiedlichen Strängen jeder spezifischen Sequenz sind, so dass das Extensionsprodukt, das aus einem Primer synthetisiert wird, wenn es von seinem Komplement getrennt ist, als eine Vorlage für die Synthese des Extensionsprodukts des anderen Primers dienen kann; (b) das Trennen der Primer-Extensionsprodukte von den Vorlagen, an denen sie synthetisiert wurden, so dass einzelsträngige Moleküle entstehen; (c) das Behandeln der einzelsträngigen Moleküle aus dem Schritt (b) mit den Primern aus Schritt (a) unter derartigen Bedingungen, dass ein Primer-Extensionsprodukt synthetisiert wird, wobei jeder der Einzelstränge aus Schritt (b) als Vorlage verwendet wird. Die Schritte können nacheinander oder gleichzeitig ausgeführt werden. Zudem können die Schritte (b) und (c) wiederholt werden bis das erwünschte Ausmaß der Sequenz-Vervielfältigung erreicht ist. In dem Fall, dass in dem Verfahren die Schritte (a) und (c) mit Hilfe einer Polymerase ausgeführt werden, wird das Verfahren gewöhnlich als Polymerase-Kettenreaktion (PCR) bezeichnet.Methods of amplifying nucleic acids are known in the art. The patent US 4,683,202 discloses a method by which at least one specific nucleic acid sequence can be amplified from a nucleic acid or from a mixture of nucleic acids, each nucleic acid consisting of two separate, complementary strands of equal or unequal length. The method comprises: (a) treating the strands with two primers for each different specific sequence being amplified under such conditions that for each different sequence being amplified, an extension product is synthesized for each primer complementary to that respective nucleic acid strand; said primers are selected to be substantially complementary to different strands of each specific sequence such that the extension product synthesized from one primer, when separated from its complement, serves as a template for the synthesis of the extension product of the other Can serve primers; (b) separating the primer extension products from the templates to which they were synthesized to form single-stranded molecules; (c) treating the single-stranded molecules of step (b) with the primers of step (a) under conditions such that a primer extension product is synthesized using each of the single strands of step (b) as a template. The steps can be performed sequentially or simultaneously. In addition, steps (b) and (c) may be repeated until the desired extent of sequence replication is achieved. In the case that in the method steps (a) and (c) are carried out by means of a polymerase, the method is commonly referred to as polymerase chain reaction (PCR).

In der Internationalen Offenlegungsschrift WO 2007/143034 A1 werden Verfahren offenbart, die zur Durchführung einer PCR geeignet sein sollen. Die Verfahren können die Benutzung einer optischen Strahlenquelle zur Erhitzung in einer PCR umfassen. Die Verfahren können auch die Verwendung der Oberflächenplasmonenresonanz oder des Fluoreszenz-Resonanzenergietransfers zur Überwachung einer PCR in Echtzeit einschließen. Die Verfahren können weiterhin die Immobilisierung eines Templates, Primers oder einer Polymerase auf einer Oberfläche wie Gold oder einer anderen Oberfläche, die in Bezug auf die Oberflächenplasmonenresonanz aktiv ist, umfassen.In the International Publication WO 2007/143034 A1 discloses methods which should be suitable for carrying out a PCR. The methods may include using an optical radiation source for heating in a PCR. The methods may also include the use of surface plasmon resonance or fluorescence resonance energy transfer to monitor PCR in real time. The methods may further comprise immobilizing a template, primer or polymerase on a surface, such as gold or another surface, that is active with respect to surface plasmon resonance.

Die Patentanmeldung US 2002/0061588 A1 offenbart Verfahren, um Nukleinsäuren lokal und direkt auf ein externes Signal ansprechbar zu machen. Das Signal wirkt nur auf eine oder mehrere spezifische lokalisierte Anteile der Nukleinsäure. Gemäß der Erfindung kann das Signal die Eigenschaften einer spezifischen Nukleinsäure und dadurch auch ihre Funktion verändern. Dementsprechend stellt die Erfindung Verfahren bereit, die die Struktur und Funktion einer Nukleinsäure in einer biologischen Probe regeln, ohne andere Bestandteile der Probe zu beeinflussen. In einer Ausführungsform transferiert ein Modulator Hitze auf eine Nukleinsäure oder einen Teil einer Nukleinsäure, was z. B. darin resultiert, dass inter- oder intramolekulare Bindungen destabilisiert werden und sich die Struktur und Stabilität der Nukleinsäure ändert. Bevorzugte Modulatoren schließen Metallnanopartikel, halbleitende Nanopartikel, magnetische Nanopartikel, Oxidnanopartikel und Chromophore ein. Es wird auch angeregt, diese Verfahren in Zusammenhang mit einer PCR zu verwenden. Insbesondere wird vorgeschlagen, eine PCR-Reaktion mit einem Modulator zu steuern.The patent application US 2002/0061588 A1 discloses methods for making nucleic acids locally and directly responsive to an external signal. The signal acts only on one or more specific localized portions of the nucleic acid. According to the invention, the signal can alter the properties of a specific nucleic acid and thereby also its function. Accordingly, the invention provides methods that control the structure and function of a nucleic acid in a biological sample without affecting other components of the sample. In one embodiment, a modulator transfers heat to a nucleic acid or part of a nucleic acid, e.g. B. results in that inter- or intramolecular bonds are destabilized and the structure and stability of the nucleic acid changes. Preferred modulators include metal nanoparticles, semiconducting nanoparticles, magnetic nanoparticles, oxide nanoparticles, and chromophores. It is also suggested to use these methods in conjunction with a PCR. In particular, it is proposed to control a PCR reaction with a modulator.

Die Patentanmeldung US 2003/0143604 A1 betrifft die Verwendung von Nanopartikel-Detektions-Sonden zur Überwachung von Vervielfältigungsreaktionen, insbesondere PCR. Vornehmlich beschäftigt sich die Patentanmeldung mit der Verwendung von Nanopartikel-Oligonukleotid-Konjugaten, die mit einem Schutzreagens, wie bovines Serumalbumin, behandelt sind, um ein Target-Polynukleotid quantitativ und qualitativ zu detektieren. Die Patentanmeldung offenbart eine Nukleinsäure-Vervielfältigung und -Detektion unter Verwendung von Gold-Nanopartikel-Primern. In einem ersten Schritt wird dabei das Nukleinsäure-Target denaturiert in Anwesenheit der Gold-Nanopartikel, an denen Primer angebracht sind. In einem zweiten Schritt hybridisieren die Gold-Nanopartikel mit den daran angebrachten Primern an das Nukleinsäure-Target und eine Kopie der komplementären DNA-Sequenz wird erzeugt ausgehend von den Nukleinsäure-Primern, die an die Nanopartikel angebracht sind. Die Schritte eins und zwei werden wiederholt und das optische Signal, das durch das Binden von komplementären Nanopartikel-Sonden, die amplifiziert wurden, entsteht, wird gemessen.The patent application US 2003/0143604 A1 relates to the use of nanoparticle detection probes for monitoring replication reactions, in particular PCR. Primarily, the patent application is concerned with the use of nanoparticle-oligonucleotide conjugates treated with a protective reagent, such as bovine serum albumin, to quantitatively and qualitatively detect a target polynucleotide. The patent application discloses nucleic acid amplification and detection using gold nanoparticle primers. In a first step, the nucleic acid target is denatured in the presence of the gold nanoparticles to which primers are attached. In a second step, the gold nanoparticles with the primers attached thereto hybridize to the nucleic acid target and a copy of the complementary DNA sequence is generated from the nucleic acid primers attached to the nanoparticles. Steps one and two are repeated and the optical signal produced by the binding of complementary nanoparticle probes that have been amplified is measured.

Die nachveröffentlichte Patentanmeldung DE 10 2012 201 475.6 betrifft ein Verfahren zum Vervielfältigen von Nukleinsäuren. In diesem Verfahren übertragen Nanopartikel in einem Reaktionsvolumen durch Anregung Wärme an ihre Umgebung. The post-published patent application DE 10 2012 201 475.6 relates to a method for amplifying nucleic acids. In this process, nanoparticles in a reaction volume excite heat to their environment.

Der Erfindung zugrundeliegende AufgabeThe problem underlying the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Verwendung von einem oder mehreren Nanopartikeln, die jeweils mit mindestens einem Oligonukleotid konjugiert sind, zum Vervielfältigen von Nukleinsäuren bereitzustellen. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Vervielfältigung von Nukleinsäuren bereitzustellen.The object of the invention is to provide an improved use of one or more nanoparticles, which are each conjugated with at least one oligonucleotide, for the amplification of nucleic acids. The invention is further based on the object to provide an improved method for the amplification of nucleic acids.

Erfindungsgemäße LösungInventive solution

In einem Aspekt der Erfindung wird die Erfindungsaufgabe durch eine Verwendung eines oder mehrerer Nanopartikeln, die jeweils mit mindestens einem Oligonukleotid konjugiert sind, zum Vervielfältigen von Nukleinsäuren gelöst, wobei eines oder mehrere der Oligonukleotide wenigstens eine Primersequenz aufweisen sowie einen weiteren Abschnitt, der sich von dem nanopartikelnahen Ende der Primersequenz in Richtung des Nanopartikels erstreckt, und wobei der weitere Abschnitt wenigstens eine abasische Modifikation aufweist.In one aspect of the invention, the invention object is achieved by using one or more nanoparticles, each conjugated to at least one oligonucleotide, for amplifying nucleic acids, one or more of the oligonucleotides having at least one primer sequence, and another portion other than the one nanoparticle near the end of the primer sequence in the direction of the nanoparticle, and wherein the further section has at least one abasic modification.

Es ist ein erreichbarer Vorteil dieser Ausführung der Erfindung, dass in dem Fall, dass die Primersequenz, typischerweise aber nicht notwendigerweise nach ihrer Elongation, als Vorlage für die Synthese eines komplementären Strangs mittels einer DNA-Polymerase dient, eine Aktivität der Polymeralse jenseits der abasischen Modifikation teilweise oder sogar vollständig unterbunden wird. Mit anderen Worten, es kann vermieden werden, dass ein Teil des Abschnitts, der sich von der Primersequenz aus gesehen jenseits der abasischen Modifikation befindet, von der DNA-Polymerase als Vorlage für die Synthese eines komplementären Strangs herangezogen wird.It is an achievable advantage of this embodiment of the invention that in the event that the primer sequence, typically but not necessarily after its elongation, serves as a template for the synthesis of a complementary strand by means of a DNA polymerase, an activity of the polymer is beyond the abasic modification partially or even completely prevented. In other words, it can be avoided that a part of the portion which is beyond the abasic modification, viewed from the primer sequence, is used by the DNA polymerase as a template for the synthesis of a complementary strand.

Mithin kann durch diese Ausführung der Erfindung einer unnötigen Länge des Syntheseprodukts entgegengewirkt werden. Dadurch kann z. B. Problemen entgegengewirkt werden, die darauf zurückzuführen sind, dass ein unnötig langer komplementärer Strang eine erhöhte Schmelztemperatur für die Dehybridisierung von dem mit dem Nanopartikel konjugierten Oligonukleotiden benötigen könnte. Auch kann z. B. Problemen entgegengewirkt werden, die dadurch entstehen, dass der unnötig lange komplementäre Strang in folgenden Hybridisierungsschritten unnötig unspezifisch hybridisiert und dadurch die Spezifität des Vervielfältigungsverfahrens leidet.Thus, an unnecessary length of the synthesis product can be counteracted by this embodiment of the invention. As a result, z. For example, problems can be counteracted by the fact that an unnecessarily long complementary strand might require an increased melting temperature for the dehybridization of the oligonucleotide conjugated to the nanoparticle. Also, z. B. problems are counteracted by the fact that the unnecessarily long complementary strand in the following hybridization steps unnecessarily hybridizes non-specific and thereby suffers the specificity of the amplification process.

Die erfindungsgemäßen Nanopartikel sind bevorzugt Partikel, die aufgrund ihrer Größe besondere optische Eigenschaften aufweisen, z. B. charakteristische Absorptions- oder Streuspektren, die so im Volumenmaterial nicht oder nicht so deutlich hervortreten. Die Nanopartikel haben vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 2 und 500 nm, besonders vorzugsweise zwischen 3 und 300 nm und ganz besonders vorzugsweise zwischen 5 und 200 nm. Bevorzugte Nanopartikel haben einen Durchmesser zwischen 7 und 150 nm. Die Nanopartikel können sphärisch sein, es kommen aber insbesondere auch nicht-globuläre Formen in Frage, z. B. elongierte Nanopartikel (Nanorods). In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst der Nanopartikel mindestens einen Halbleiter oder ein Metall, vorzugsweise ein Edelmetall, z. B. Gold oder Silber. In einer Ausführung besteht der Nanopartikel vollständig aus dem Metall, in einer anderen bildet das Metall nur einen Teil des Nanopartikels, z. B. seine Hülle. Ein bevorzugter Nanopartikel kann ein Schale-Kern-Nanopartikel sein. Ein bevorzugter Nanopartikel kann an seiner Oberfläche Poren besitzen, die von Atomen oder Molekülen mit einer durch die Eigenschaften der Poren bestimmten Größe und Ladung besetzt werden können, besonders vorzugsweise lagern sich diese Atome oder Moleküle erst dann an den Nanopartikel an, wenn dieser sich in einer Lösung befindet. Erfindungsgemäß umfasst der Nanopartikel auch die an seiner Oberfläche angelagerten Atome und Moleküle. Bevorzugte Nanopartikel eignen sich aufgrund ihrer Materialabsorption oder Plasmonenresonanz dazu, optische Energie zu absorbieren.The nanoparticles according to the invention are preferably particles which, due to their size, have special optical properties, eg. B. characteristic absorption or scattering spectra, which do not emerge so clearly in the bulk material or not so clearly. The nanoparticles preferably have a diameter between 2 and 500 nm, more preferably between 3 and 300 nm and most preferably between 5 and 200 nm. Preferred nanoparticles have a diameter between 7 and 150 nm. The nanoparticles can be spherical, but in particular also non-globular forms in question, for. B. elongated nanoparticles (nanorods). In a preferred embodiment of the invention, the nanoparticle comprises at least one semiconductor or a metal, preferably a noble metal, for. Gold or silver. In one embodiment, the nanoparticle consists entirely of the metal, in another, the metal forms only a part of the nanoparticle, z. B. his shell. A preferred nanoparticle may be a shell-core nanoparticle. A preferred nanoparticle may have pores on its surface that can be occupied by atoms or molecules having a size and a charge determined by the properties of the pores; more preferably, these atoms or molecules do not attach to the nanoparticle until it is in one Solution is located. According to the invention, the nanoparticle also comprises the atoms and molecules deposited on its surface. Preferred nanoparticles are suitable for absorbing optical energy because of their material absorption or plasmon resonance.

Der Begriff Oligonukleotid umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht nur (Desoxy)-Oligo-Ribonukleide, sondern auch Oligonukleotide, die ein oder mehrere Nukleotid-Analoga mit Modifikationen an ihrem Backbone (z. B. Methylphosphonate, Phosphothioate oder Peptide Nucleic Acids [PNA], insbesondere an einem Zucker des Backbone (z. B. 2'-O-Alkylderivate, 3'- und/oder 5'-Aminoribosen, Locked Nucleic Acids [LNA], Hexitol Nucleic Acids, Morpholinos, Glycol Nucleic Acid (GNA), Threose Nucleic Acid (TNA) oder Tricyclo-DNA, vergleiche hierzu den Aufsatz von D. Renneberg und C. J. Leumann, ”Watson-Crick base-pairing properties of Tricyclo-DNA”, J. Am. Chem. Soc., 2002, Bd. 124, Seiten 5993–6002 , dessen diesbezüglicher Inhalt durch Verweis Teil der vorliegenden Offenbarung ist) enthalten oder die Basen-Analoga enthalten, z. B. 7-Deazapurine oder Universalbasen wie Nitroindol oder modifizierte natürliche Basen wie N4-Ethyl-Cytosin. In einer Ausführung der Erfindung sind die Oligonukleotide Konjugate oder Chimären mit nicht-nukleosidischen Analoga, z. B. PNA. Die Oligonukleotide enthalten in einer Ausführung der Erfindung, an einer oder mehreren Positionen nicht-nukleosidische Einheiten wie Spacer, z. B. Hexaethylenglycol oder Cn-Spacer mit n zwischen 3 und 6. Soweit die Oligonukleotide Modifikationen enthalten, sind diese so gewählt, dass auch mit der Modifikation eine Hybridisierung mit natürlichen DNA/RNA-Analyten möglich ist. Bevorzugte Modifikationen beeinflussen das Schmelzverhalten, vorzugsweise die Schmelztemperatur, insbesondere um Hybride mit unterschiedlichen Graden der Komplementarität ihrer Basen unterscheiden zu können (Mismatch-Diskriminierung). Bevorzugte Modifikationen umfassen LNA, 8-Aza-7-Deaza-Purine, 5-Propinyl-Uracil und -Cytosin und/oder abasische Unterbrechungen oder Modifikationen im Oligonukleotid. Weitere Modifikationen im Sinne der Erfindung sind z. B. Modifikationen mit Biotin, Thiol und Fluoreszenzdonor- und Fluoreszenzakzeptormolekülen.For the purposes of the present invention, the term oligonucleotide encompasses not only (deoxy) -oligo ribonucleides, but also oligonucleotides which contain one or more nucleotide analogues with modifications to their backbone (for example methylphosphonates, phosphorothioates or peptides nucleic acids [PNA]). especially sugar of the backbone (eg 2'-O-alkyl derivatives, 3'- and / or 5'-amino riboses, Locked Nucleic Acids [LNA], Hexitol Nucleic Acids, Morpholinos, Glycol Nucleic Acid (GNA), Threose Nucleic Acid (TNA) or Tricyclo DNA, see the article by D. Renneberg and CJ Leumann, "Watson-Crick base-pairing properties of tricyclo-DNA", J. Am. Chem. Soc., 2002, Vol. 124, pp. 5993-6002 , the related content of which is incorporated herein by reference) or which contain base analogs, e.g. Eg 7- Deazapurines or universal bases such as nitroindole or modified natural bases such as N4-ethyl-cytosine. In one embodiment of the invention, the oligonucleotides are conjugates or chimeras with non-nucleoside analogs, e.g. B. PNA. The oligonucleotides in one embodiment of the invention contain at one or more positions non-nucleosidic units such as spacers, e.g. As hexaethylene glycol or C n spacer with n between 3 and 6. As far as the oligonucleotides contain modifications, they are chosen so that even with the modification hybridization with natural DNA / RNA analytes is possible. Preferred modifications influence the melting behavior, preferably the melting temperature, in particular in order to distinguish hybrids with different degrees of complementarity of their bases (mismatch discrimination). Preferred modifications include LNA, 8-aza-7-deaza-purines, 5-propynyl-uracil and cytosine and / or abasic breaks or modifications in the oligonucleotide. Further modifications within the meaning of the invention are, for. B. Modifications with biotin, thiol and fluorescence donor and fluorescence acceptor molecules.

Eine abasische Modifikation im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Abschnitt des Oligonukleotids, in welchem die Abfolge von Nukleotiden durch die Einführung von einem oder mehreren Molekülen, welche keine Nukleotide darstellen, unterbrochen ist; dergestalt, dass eine Polymerase die Synthese eines ansonsten vollständig oder teilweise hybridisierten, komplementären Oligonukleotids auf Höhe dieses Abschnitts vollständig oder teilweise abbricht, da an diesem Abschnitt keine hinreichende Basenkomplementarität gegeben ist.An abasic modification within the meaning of the present invention is a portion of the oligonucleotide in which the sequence of nucleotides is disrupted by the introduction of one or more non-nucleotide molecules; in such a way that a polymerase completely or partially breaks off the synthesis of an otherwise completely or partially hybridized, complementary oligonucleotide at the level of this segment, since there is insufficient base complementarity at this segment.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Erfindungsaufgabe durch ein Verfahren zum Vervielfältigen von Nukleinsäuren in einer Probe, gelöst, wobei das Verfahren einen Vervielfältigungsschritt zum Vervielfältigen der Nukleinsäuren und einen Testschritt zum Bestimmen der Konzentration der Produkte des Vervielfältigungsschritts umfasst, wobei der Testschritte nach dem Ende des Vervielfältigungsschritts beginnt und wobei der Probe oder einem Teil der Probe in dem Testschritt Stoffe zugeführt werden. Dies schließt auch Fälle ein, in denen die Probe oder ein Teil der Probe einer anderen Zubereitung, z. B. einer Testsonden enthaltenden Testzubereitung, zugeführt wird.In a further aspect of the invention, the invention object is achieved by a method for amplifying nucleic acids in a sample, the method comprising a amplification step for amplifying the nucleic acids and a test step for determining the concentration of the products of the amplification step, the test steps after the end the replication step begins and wherein the sample or a portion of the sample in the test step substances are supplied. This also includes cases in which the sample or part of the sample of another preparation, eg. B. a test probe containing test preparation supplied.

Es ist ein erreichbarer Vorteil dieser Ausführung der Erfindung, dass der Vervielfältigungsschritt und der Testschritt unter unterschiedlichen Reaktionsbedingungen stattfinden können. So können vorteilhafterweise weitere Reaktionspartner, die die Reaktionsbedingungen für den Testschritt verbessern, z. B. ein Salz, ein Puffer oder ein Detergenz, erst nach Abschluss des Vervielfältigungsschritts zugegeben werden. Vorteilhafterweise kann vermieden werden, dass bei den in der Probe befindlichen Stoffen ein Kompromiss zwischen den Erfordernissen des Vervielfältigungsschritts und des Testschritts geschlossen werden muss.It is an achievable advantage of this embodiment of the invention that the amplification step and the assay step can take place under different reaction conditions. Thus, advantageously, further reactants which improve the reaction conditions for the test step, for. As a salt, a buffer or a detergent, be added only after completion of the amplification step. Advantageously, it can be avoided that a compromise between the requirements of the duplicating step and the test step must be concluded for the substances in the sample.

Ein Vervielfältigungsschritt ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, in dem in der Probe vorliegende Nukleinsäuren vervielfältigt werden. Der Vervielfältigungsschritt kann mehrere Unterschritte haben, in denen jeweils eine Vervielfältigung stattfindet. Zum Beispiel kommen als ein solcher Unterschritt ein Durchlauf eines Vervielfältigungszyklus in Frage, wie er bei einer Polymerasekettenreaktion (PCR) typischerweise wiederholt durchlaufen wird. Es ist möglich, dass sich an den Testschritt, der sich an den Vervielfältigungsschritt anschließt, ein weiterer Vervielfältigungsschritt anschließt. Das Verfahren kann also einen oder mehrere Vervielfältigungsschritte umfassen.A amplification step in the sense of the present invention is a step of the method according to the invention in which nucleic acids present in the sample are amplified. The amplification step may have several sub-steps, in each of which a duplication takes place. For example, as such a sub-step, one pass of a duplication cycle may be considered, as typically repeated in a polymerase chain reaction (PCR). It is possible that the test step followed by the amplification step is followed by a further amplification step. The method may thus comprise one or more amplification steps.

Ein Testschritt ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, in dem die Konzentration der Produkte des Vervielfältigungsschritts bestimmt wird. Auch dies kann in mehreren Unterschritten geschehen. Es ist möglich, dass sich an den Testschritt ein weiterer Vervielfältigungsschritt anschließt, an den sich ein weiterer Testschritt anschließt, sodass zwei Testschritte vorliegen. Das Verfahren kann also einen oder mehrere Testschritte umfassen. Die alternierende Abfolge von Vervielfältigungs- und Testschritten lässt sich fortsetzen, so dass das Verfahren viele Vervielfältigungsschritte und viele Testschritte umfasst.A test step in the sense of the present invention is a step of the method according to the invention, in which the concentration of the products of the amplification step is determined. This too can be done in several substeps. It is possible that the test step is followed by a further amplification step, followed by another test step, so that two test steps are present. The method may thus comprise one or more test steps. The alternating sequence of replication and test steps can be continued so that the method involves many replication steps and many test steps.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Erfindungsaufgabe durch ein Verfahren zum Vervielfältigen von Nukleinsäuren in einer Probe gelöst, wobei das Verfahren einen Vervielfältigungsschritt zum Vervielfältigen der Nukleinsäuren und einen Testschritt zum Bestimmen der Konzentration der Produkte des Vervielfältigungsschritts umfasst und wobei der Probe in dem Testschritt keine Stoffe zugeführt werden. Dabei kann der Testschritt auf den Vervielfältigungsschritt folgen oder sich mit dem Vervielfältigungsschritt überlappen, auch vollständig überlappen.In a further aspect of the invention, the invention object is achieved by a method for amplifying nucleic acids in a sample, the method comprising a amplification step for amplifying the nucleic acids and a test step for determining the concentration of the products of the amplification step and wherein the sample in the test step no Substances are supplied. In this case, the test step can follow the duplication step or overlap with the amplification step, even completely overlapping.

Mit dieser Ausführung der Erfindung ist vorteilhafterweise erreichbar, dass der Testschritt ohne weitere Arbeitsschritte und ohne weiteren Zeitverlust schon während der Vervielfältigungsreaktion oder direkt nach der Vervielfältigungsreaktion stattfindet. Reaktionspartner, die die Reaktionsbedingungen für den Testschritt verbessern, z. B. ein Salz, ein Puffer oder ein Detergenz, sind bei dieser Ausführung der Erfindung vorteilhafterweise schon während der Vervielfältigungsreaktion im Reaktionsvolumen enthalten.With this embodiment of the invention is advantageously achievable that the test step takes place without further steps and without further loss of time already during the amplification reaction or directly after the amplification reaction. Reactants that the reaction conditions for the test step improve, for. As a salt, a buffer or a detergent, are advantageously already included in the reaction volume during the amplification reaction in this embodiment of the invention.

In einem weiteren Aspekt der der Erfindung wird die Erfindungsaufgabe durch ein Verfahren zum Vervielfältigen von Nukleinsäuren gelöst, bei dem Nanopartikel in einem Reaktionsvolumen durch Anregung Wärme an ihre Umgebung übertragen.In a further aspect of the invention, the object of the invention is achieved by a method for amplifying nucleic acids, in which nanoparticles transfer heat to their environment in a reaction volume by excitation.

Bekannte Verfahren zum Vervielfältigen von Nukleinsäuren enthalten einen oder mehrere Schritte, in denen wenigstens Teile der Probe erhitzt werden müssen. Durch die Erfindung ist es erreichbar, dass in dem Verfahren zur Vervielfältigung von Nukleinsäuren nicht das ganze Reaktionsvolumen erhitzt werden muss. Es ist hingegen möglich, nur spezifische Teile des Reaktionsvolumens durch Anregung von Nanopartikeln zu erhitzen. So ist es vorteilhafterweise möglich, nur die Teile des Reaktionsvolumens zu erhitzen, die zur Vervielfältigung der Nukleinsäuren erhitzt werden müssen. Auf diese Weise können hitzeempfindliche Bestandteile der Probe geschont werden. Das lokale Erhitzen kann schneller sein als das globale Erhitzen des ganzen Reaktionsvolumens, wenn weniger Energie übertragen werden muss. Somit ist es durch die Erfindung mit Vorteil möglich, ein Verfahren zur Vervielfältigung von Nukleinsäuren bereitzustellen, das schneller ist und weniger Energie benötigt.Known methods for amplifying nucleic acids include one or more steps in which at least portions of the sample must be heated. It can be achieved by the invention that the entire reaction volume does not have to be heated in the process for the amplification of nucleic acids. On the other hand, it is possible to heat only specific parts of the reaction volume by excitation of nanoparticles. Thus, it is advantageously possible to heat only those parts of the reaction volume which have to be heated to duplicate the nucleic acids. In this way, heat-sensitive components of the sample can be spared. Local heating may be faster than global heating of the entire reaction volume when less energy needs to be transferred. Thus, it is advantageously possible by the invention to provide a method of amplifying nucleic acids that is faster and requires less energy.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft in einem Raum, der nachfolgend als Reaktionsvolumen bezeichnet wird, ab. Das Reaktionsvolumen kann von einem Reaktionsgefäß umgeben sein. Das Reaktionsvolumen enthält eine Probe, in der für gewöhnlich die zu vervielfältigende(n) Nukleinsäure(n) vorliegen. Die Probe kann eine Flüssigkeit umfassen, vorzugsweise Wasser. Die Flüssigkeit kann vorteilhafterweise als Suspensionsmedium und/oder Lösungsmittel, für die Originale und Komplemente und/oder andere Bestandteile der Probe dienen.The process according to the invention takes place in a space which is referred to below as the reaction volume. The reaction volume may be surrounded by a reaction vessel. The reaction volume contains a sample in which usually the nucleic acid (s) to be amplified are present. The sample may comprise a liquid, preferably water. The liquid may advantageously serve as a suspension medium and / or solvent for the originals and complements and / or other constituents of the sample.

Wenn durch Anregung eines Nanopartikels Wärme an seine Umgebung übertragen wird, bedeutet das erfindungsgemäß, dass Energie auf den Nanopartikel übertragen wird, wobei der Nanopartikel durch die Übertragung der Energie seine Umgebung erhitzt. Dabei wird vorzugsweise durch die Anregung der Nanopartikel die unmittelbare Umgebung der Nanopartikel stärker erhitzt als die weitere Umgebung der Nanopartikel. Gewöhnlich werden die Nanopartikel zunächst durch Anregung erhitzt und übertragen dann Wärme an ihre Umgebung. Es ist jedoch auch denkbar, dass durch die Anregung der Nanopartikel Wärme an deren Umgebung übertragen wird, ohne dass die Nanopartikel zuerst selbst erhitzt werden. Bevorzugt ist die Umgebung der Nanopartikel ein sphärisches Volumen, das den 100fachen Durchmesser des Nanopartikels hat, der sich in seinem Mittelpunkt befindet, besonders vorzugsweise hat es den 10fachen Durchmesser, ganz besonders vorzugsweise den 4fachen Durchmesser und vorzugsweise weniger als den 2fachen Durchmesser.If heat is transferred to its surroundings by excitation of a nanoparticle, this means according to the invention that energy is transferred to the nanoparticle, whereby the nanoparticle heats its surroundings by the transmission of the energy. In this case, preferably by the excitation of the nanoparticles, the immediate environment of the nanoparticles heated more than the wider environment of the nanoparticles. Usually, the nanoparticles are first heated by excitation and then transfer heat to their environment. However, it is also conceivable that heat is transferred to the environment by the excitation of the nanoparticles without the nanoparticles themselves first being heated. Preferably, the environment of the nanoparticles is a spherical volume 100 times the diameter of the nanoparticle located at its center, more preferably it is 10 times the diameter, most preferably 4 times the diameter, and preferably less than 2 times the diameter.

In einem weiteren Aspekt der der Erfindung wird die Erfindungsaufgabe durch ein Verfahren zum Vervielfältigen von Nukleinsäuren mittels einer Polymerase-Kettenreaktion (PCR), bei der ein Zyklus bestehend aus den Schritten Denaturierung, Annealing und Elongation wiederholt durchlaufen wird, gelöst.In a further aspect of the invention, the invention object is achieved by a method for amplifying nucleic acids by means of a polymerase chain reaction (PCR), in which a cycle consisting of the steps denaturation, annealing and elongation is repeated.

Wenn wenigstens zwei Schritte der PCR bei unterschiedlichen Temperaturen ausgeführt werden, kann es notwendig sein, in dem Zyklus einen oder mehrere Heizschritte und/oder Kühlschritte vorzusehen, in denen das Reaktionsvolumen oder Teile des Reaktionsvolumens erhitzt beziehungsweise gekühlt werden. Ein Heiz- oder Kühlschritt kann vor oder nach einem der Schritte Denaturierung, Annealing und Elongation stattfinden. Dabei überlappt sich typischerweise ein Heiz- oder Kühlschritt mit dem vorangehenden und/oder dem nachfolgenden Denaturierungs-, Annealing- oder Elongationsschritt. Vorzugsweise wird das Erhitzen in dem oder mindestens einem der Heizschritte zumindest teilweise durch Anregung der Nanopartikel erreicht und ist vorzugsweise ein lokales Erhitzen.If at least two steps of the PCR are performed at different temperatures, it may be necessary to provide one or more heating steps and / or cooling steps in the cycle in which the reaction volume or portions of the reaction volume are heated or cooled. A heating or cooling step may take place before or after any of the denaturing, annealing and elongation steps. In this case, a heating or cooling step typically overlaps with the preceding and / or subsequent denaturing, annealing or elongation step. Preferably, the heating in the or at least one of the heating steps is achieved at least in part by excitation of the nanoparticles and is preferably local heating.

Bei einer PCR wird ein Zyklus, der die Schritte Denaturierung, Annealing (auch als Hybridisierung bezeichnet) und Elongation umfasst, wiederholt durchlaufen, und zwar vorzugsweise in dieser Reihenfolge. Zudem ist vorzugsweise jeder dieser Schritte in allen Durchläufen gleich lang. Dies ist aber keineswegs notwendig; so kann einer der Schritte oder können mehrere der Schritte durchaus in einem Durchlauf eine kürzere Dauer als in einem anderen Durchlauf haben. Die Dauer tc eines Durchlaufs des Zyklus wird im Folgenden als Zyklusdauer bezeichnet.In a PCR, a cycle comprising the steps denaturing, annealing (also called hybridization) and elongation is repeated, preferably in this order. In addition, preferably, each of these steps in all passes is the same length. But this is by no means necessary; so one of the steps or several steps may well have a shorter duration in one run than in another run. The duration t c of a cycle is referred to below as the cycle duration.

Im Folgenden wird eine zu vervielfältigende Nukleinsäure als Original bezeichnet; eine andere geläufige Bezeichnung ist Amplikon. Das Original ist ein Einzelstrang und kann in dem Reaktionsvolumen zusammen mit seinem komplementären Strang, der als Komplement bezeichnet wird, einen Doppelstrang bilden. Dabei ist nach jedem Durchlauf eine entstandene Kopie des Originals ein Original für den nächsten Durchlauf und eine entstandene Kopie des Komplements ist ein Komplement für den nächsten Durchlauf. Bei einem Durchlauf des Zyklus kann die Anzahl der Exemplare des Originals und Komplements erhöht werden. Die Zyklen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zumindest in einem Teil der Probe durchlaufen.In the following, a nucleic acid to be amplified is referred to as an original; another common name is Amplikon. The original is a single strand and can form a duplex in the reaction volume along with its complementary strand, called the complement. In this case, after each pass a resulting copy of the original is an original for the next pass and one resulting copy of the complement is a complement for the next pass. One cycle of the cycle can increase the number of copies of the original and complement. The cycles of the process according to the invention are run through at least in part of the sample.

Der Denaturierungsschritt dient dazu, einen Nukleinsäure-Doppelstrang zu denaturieren, d. h. in ihre beiden Einzelstränge aufzutrennen. So kann in dem Denaturierungsschritt z. B. das Original von dem Komplement getrennt werden. Denaturieren wird auch als Schmelzen bezeichnet. Das Denaturieren des Nukleinsäure-Doppelstrangs wird gewöhnlich thermisch induziert, d. h. zumindest ein Teil des Nukleinsäure-Doppelstrangs oder der ganze Doppelstrang wird einer Temperatur, als Denaturierungstemperatur bezeichnet, ausgesetzt, die ein Trennen der Nukleinsäure-Doppelstränge hervorruft oder zumindest begünstigt. Die Denaturierungstemperatur muss keine feste Temperatur sein, sondern kann auch ein Temperaturintervall sein, innerhalb dessen die Temperatur im Denaturierungsschritt variiert. Die bevorzugte Denaturierungstemperatur ist einerseits so hoch gewählt, dass Nukleinsäure-Doppelstränge aufgetrennt werden können. Andererseits ist die bevorzugte Denaturierungstemperatur so niedrig gewählt, dass eine DNA-Polymerase, die sich möglicherweise ebenfalls in der Probe befindet, nicht wesentlich geschädigt wird. Ein typischer Wert für die Denaturierungstemperatur ist 95°C.The denaturation step serves to denature a nucleic acid duplex, i. H. to separate into their two single strands. Thus, in the denaturation step, for. For example, the original may be separated from the complement. Denaturing is also referred to as melting. The denaturation of the nucleic acid duplex is usually thermally induced, i. H. at least a portion of the nucleic acid duplex or whole duplex is exposed to a temperature, called the denaturation temperature, which causes or at least favors separation of the nucleic acid duplexes. The denaturation temperature need not be a fixed temperature, but may also be a temperature interval within which the temperature varies in the denaturation step. On the one hand, the preferred denaturing temperature is chosen so high that nucleic acid double strands can be separated. On the other hand, the preferred denaturation temperature is chosen so low that a DNA polymerase possibly also present in the sample is not significantly damaged. A typical value for the denaturation temperature is 95 ° C.

Das Reaktionsvolumen enthält ferner vorzugsweise mindestens einen, besonders vorzugsweise mindestens zwei Oligonukleotide, die als Primer bezeichnet werden. Einer dieser Primer wird als Vorwärtsprimer und ein anderer als Rückwärtsprimer bezeichnet. Der Vorwärtsprimer ist komplementär zum 3'-Ende des Originals. Der Rückwärtsprimer ist komplementär zum 3'-Ende des Komplements. Unter einem Annealing versteht man das Hybridisieren der Vorwärtsprimer mit dem Original und der Rückwärtsprimer mit dem Komplement. Der Annealingschritt dient dem Hybridisieren der Vorwärts- und Rückwärtsprimer an deren komplementäre Sequenzen im Original bzw. Komplement. Auch das Annealing wird gewöhnlich thermisch induziert, d. h. zumindest ein Teil des Originals bzw. des Komplements oder das ganze Original bzw. Komplement wird einer Temperatur, als Annealingtemperatur bezeichnet, ausgesetzt, die ein Hybridisieren der Vorwärts- und Rückwärtsprimer an deren komplementäre Sequenzen im Original bzw. Komplement hervorruft oder zumindest begünstigt. Wie die Denaturierungstemperatur kann auch die Annealingtemperatur ein Temperaturbereich sein, innerhalb dessen die Temperatur im Annealingschritt variiert. Der Annealingschritt findet typischerweise bei Temperaturen von 50°C bis 65°C statt. Die Annealingtemperatur wird dabei so gewählt, dass ein möglichst spezifisches Hybridisieren der Primer erfolgen kann.The reaction volume also preferably contains at least one, more preferably at least two, oligonucleotides termed primers. One of these primers is referred to as a forward primer and another as a reverse primer. The forward primer is complementary to the 3 'end of the original. The reverse primer is complementary to the 3 'end of the complement. Annealing is understood to mean hybridizing the forward primer to the original and the reverse primer to the complement. The annealing step serves to hybridize the forward and reverse primers to their complementary sequences in the original or complement, respectively. Also annealing is usually thermally induced, i. H. at least a portion of the original or complement or the whole original or complement is exposed to a temperature, termed the annealing temperature, which causes or at least favors hybridization of the forward and reverse primers to their complementary sequences in the original or complement, respectively. Like the denaturation temperature, the annealing temperature may be a temperature range within which the temperature varies in the annealing step. The annealing step typically takes place at temperatures of 50 ° C to 65 ° C. The annealing temperature is chosen so that the most specific possible hybridization of the primer can be done.

Hybridisieren bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung das Ausbilden eines Doppelstrangs aus zwei Einzelsträngen, die jeweils aus einer Nukleinsäure und/oder einem Oligonukleotid bestehen können. In geeigneten Reaktionsbedingungen führt das Hybridisieren in der Regel zu dem geringstmöglichen Energiezustand, der durch die Verbindung der beiden Einzelstränge erreicht werden kann. Mit anderen Worten binden unter geeigneten Bedingungen die beiden Einzelstränge vorzugsweise so aneinander, dass in Bezug auf die Sequenzen der beiden Einzelstränge die größtmögliche Komplementarität (d. h. Spezifität) hergestellt ist. Wenn eine Nukleinsäure A teilweise komplementär zu einer Nukleinsäure B ist, bedeutet dies, dass die Nukleinsäure A in einem Teil zu einem Teil der Nukleinsäure B komplementär ist.Hybridization in the context of the present invention means the formation of a double strand from two single strands, each of which may consist of a nucleic acid and / or an oligonucleotide. In suitable reaction conditions, hybridization usually results in the lowest possible energy state that can be achieved by the connection of the two single strands. In other words, under suitable conditions, the two single strands preferably bind to each other in such a way that the greatest possible complementarity (i.e., specificity) is produced with respect to the sequences of the two single strands. If a nucleic acid A is partially complementary to a nucleic acid B, this means that the nucleic acid A in one part is complementary to a part of the nucleic acid B.

Das Reaktionsvolumen enthält ferner vorzugsweise eine DNA-Polymerase. Die DNA-Polymerase kann in einem Elongationsschritt ausgehend von dem Vorwärtsprimer eine Kopie des Komplements synthetisieren. Ausgehend von dem Rückwärtsprimer kann die DNA-Polymerase eine Kopie des Originals synthetisieren. Durch die Synthese ist die Kopie des Komplements mit dem Original hybridisiert und die Kopie des Originals ist mit dem Komplement hybridisiert. Zum Zweck der Elongation wird die DNA-Polymerase einer Temperatur, die als Elongationstemperatur bezeichnet wird, ausgesetzt, die eine Elongation ermöglicht oder zumindest begünstigt. Auch bei der Elongationstemperatur kann es sich um einen Temperaturbereich handeln, innerhalb dessen die Temperatur im Elongationsschritt variiert. Bei der Verwendung einer Polymerase von Thermus aquaticus (Taq) wird typischerweise eine Elongationstemperatur von 72°C verwendet. In manchen Auführungsformen der PCR sind die Annealing- und die Elongationstemperaturen identisch, das heißt, beide Schritte finden bei der gleichen Temperatur statt.The reaction volume also preferably contains a DNA polymerase. The DNA polymerase can synthesize a copy of the complement in an elongation step from the forward primer. Starting from the reverse primer, the DNA polymerase can synthesize a copy of the original. Through the synthesis, the copy of the complement is hybridized with the original and the copy of the original is hybridized with the complement. For the purpose of elongation, the DNA polymerase is exposed to a temperature called the elongation temperature, which allows or at least favors elongation. The elongation temperature can also be a temperature range within which the temperature varies in the elongation step. When using a polymerase from Thermus aquaticus (Taq), an elongation temperature of 72 ° C is typically used. In some embodiments of the PCR, the annealing and elongation temperatures are identical, that is, both steps occur at the same temperature.

Bevorzugte Ausgestaltungen der ErfindungPreferred embodiments of the invention

Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Advantageous embodiments and developments, which can be used individually or in combination with each other, are the subject of the dependent claims.

Vorzugsweise werden mit der Erfindung speziell Nukleinsäuren vervielfältigt, welche ihren Ursprung aus Organismen, einschließlich Viren, haben, und dem entsprechend beispielsweise genomische DNA, Organellen-DNA, Plasmid-DNA, RNA und mRNA umfassen kann. Preferably, the invention specifically amplifies nucleic acids originating from organisms, including viruses, which may include, for example, genomic DNA, organelle DNA, plasmid DNA, RNA and mRNA.

Die Erfindung ist besonders gut geeignet für die Vervielfältigung von Nukleinsäuren, die kürzer als 150 Basen, besonders vorzugsweise kürzer als 100 Basen, besonders vorzugsweise kürzer als 80 Basen, besonders vorzugsweise kürzer als 60 Basen sind.The invention is particularly well suited for the amplification of nucleic acids shorter than 150 bases, more preferably shorter than 100 bases, more preferably shorter than 80 bases, even more preferably shorter than 60 bases.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Nanopartikel mit Oligonukleotiden konjugiert. Die Nanopartikel bilden in dieser Weise Nanopartikel-Oligonukleotid-Konjugate. Damit kann mit Vorteil erreicht werden, dass die Oligonukleotide durch Anregung der Nanopartikel spezifisch erhitzt werden, ohne dass das ganze Reaktionsvolumen erhitzt werden muss. In einer besonders bevorzugten Ausführung sind die Nanopartikel mit Primern konjugiert. Ganz besonders vorzugsweise sind die Nanopartikel mit den Vorwärts- und Rückwärtsprimern der PCR konjugiert. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind auf einer Sorte von Nanopartikel-Oligonukleotid-Konjugaten Vorwärtsprimer, jedoch keine Rückwärtsprimer und auf einer anderen Sorte Rückwärtsprimer, jedoch keine Vorwärtsprimer angebracht.In a preferred embodiment of the invention, the nanoparticles are conjugated with oligonucleotides. The nanoparticles form in this way nanoparticle-oligonucleotide conjugates. Thus, it can be achieved with advantage that the oligonucleotides are specifically heated by excitation of the nanoparticles without the entire reaction volume having to be heated. In a particularly preferred embodiment, the nanoparticles are conjugated with primers. Most preferably, the nanoparticles are conjugated with the forward and reverse primers of the PCR. In a preferred embodiment of the invention, one type of nanoparticle-oligonucleotide conjugate has forward primers but no reverse primer and reverse primer on another type but no forward primer.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist eine Sorte von Konjugaten aus Nanopartikeln und Oligonukleotiden sowohl mit Vorwärts- als auch Rückwärtsprimern konjugiert. In dieser Ausführung wird in einer PCR ausgehend von dem Vorwärtsprimer auf einem Nanopartikel ein zu dem Original komplementärer neuer DNA-Einzelstrang geschrieben. Dieser neue DNA-Einzelstrang ist mit dem Nanopartikel konjugiert, da der neue DNA-Einzelstrang den Vorwärtsprimer enthält. Unmittelbar nach dem Schreiben bildet der neue DNA-Einzelstrang mit dem Original einen Doppelstrang. In einem darauffolgenden Denaturieren wird der neue DNA-Einzelstrang vom Original getrennt. Bei einer Annealingtemperatur hybridisiert der neue DNA-Einzelstrang mit einem Rückwärtsprimer, der sich auf der Oberfläche des Nanopartikels befindet, so dass eine Schleife entsteht. Für das Hybridisieren mit dem Rückwärtsprimer desselben Nanopartikels muss nur ein kurzer Weg zurückgelegt werden. Für das Hybridisieren mit einem Rückwärtsprimer auf einem anderen Nanopartikel muss bei bevorzugten Konzentrationen von Nanopartikeln im Mittel ein längerer Weg zurückgelegt werden. Somit ist es in dieser Ausführungsform mit Vorteil erreichbar, dass das Annealing schneller stattfindet und eine PCR schneller durchlaufen werden kann.In another preferred embodiment, a variety of conjugates of nanoparticles and oligonucleotides are conjugated to both forward and reverse primers. In this embodiment, in a PCR, starting from the forward primer on a nanoparticle, a new DNA single strand complementary to the original is written. This new DNA single strand is conjugated to the nanoparticle because the new DNA single strand contains the forward primer. Immediately after writing, the new DNA single strand forms a double strand with the original. In a subsequent denaturation, the new DNA single strand is separated from the original. At an annealing temperature, the new DNA single strand hybridizes with a reverse primer located on the surface of the nanoparticle to form a loop. For hybridization with the reverse primer of the same nanoparticle, only a short distance has to be traveled. For hybridization with a reverse primer on another nanoparticle, a longer pathway must be taken on average at preferred nanoparticle concentrations. Thus, in this embodiment, it can be achieved with advantage that the annealing takes place more quickly and a PCR can be run through more quickly.

In einer bevorzugten Ausführung ist die Wärme, die durch die Anregung der Nanopartikel auf deren Umgebung übertragen wird, ausreichend, um die Oligonukleotide auf der Oberfläche der Nanopartikel von mit den Oligonukleotiden hybridisierten Nukleinsäuren zu dehybridisieren. In dieser Ausführung sind Nanopartikel mit Oligonukleotiden konjugiert und zumindest ein Teil dieser Oligonukleotide sind mit zumindest teilweise komplementären Nukleinsäuren hybridisiert. Durch die Anregung der Nanopartikel wird thermische Energie an das umliegende Wasser übertragen, so dass bevorzugt die Temperatur des Wassers um die Nanopartikel ausreicht, um die Oligonukleotide von den mit ihnen verbundenen Nukleinsäuren zu denaturieren.In a preferred embodiment, the heat transferred to the environment by the excitation of the nanoparticles is sufficient to dehybridize the oligonucleotides on the surface of the nanoparticles of nucleic acids hybridized to the oligonucleotides. In this embodiment, nanoparticles are conjugated to oligonucleotides and at least a portion of these oligonucleotides are hybridized with at least partially complementary nucleic acids. By excitation of the nanoparticles, thermal energy is transferred to the surrounding water, so that preferably the temperature of the water around the nanoparticles is sufficient to denature the oligonucleotides of the nucleic acids connected to them.

Bei der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise ein oder mehrere Nanopartikel, die jeweils mit mindestens einem Oligonukleotid konjugiert sind, zum Vervielfältigen von Nukleinsäuren verwendet, wobei eines oder mehrere der Oligonukleotide wenigstens eine Primersequenz aufweisen sowie einen weiteren Abschnitt, der sich von dem nanopartikelnahen Ende der Primersequenz in Richtung des Nanopartikels erstreckt, und wobei der weitere Abschnitt wenigstens eine abasische Modifikation aufweist.In the present invention, preferably one or more nanoparticles, each conjugated to at least one oligonucleotide, are used to amplify nucleic acids, wherein one or more of the oligonucleotides has at least one primer sequence and another portion extending from the nanoparticle end of the primer sequence Direction of the nanoparticle extends, and wherein the further section has at least one abasic modification.

Die bevorzugte abasische Modifikation ist an dem der Primersequenz zugewandten Ende des weiteren Abschnitts angrenzend an die Primersequenz angeordnet. Durch diese Ausführung der Erfindung kann vorteilhafterweise eine Elongation eines komplementären Strangs über den Primer hinaus teilweise oder sogar vollständig unterbunden werden.The preferred abasic modification is located at the primer sequence-facing end of the further portion adjacent to the primer sequence. Advantageously, this embodiment of the invention can partially or even completely inhibit elongation of a complementary strand beyond the primer.

Die bevorzugte abasische Modifikation ist 3'-seitig bezüglich der Primersequenz angeordnet. Mit dieser Ausführung der Erfindung ist vorteilhafterweise eine Elongation der Primersequenz in 3'-Richtung über die abasische Modifikation hinaus teilweise oder sogar vollständig unterbunden werden.The preferred abasic modification is located 3 'to the primer sequence. With this embodiment of the invention, elongation of the primer sequence in the 3 'direction beyond the abasic modification is advantageously partially or even completely prevented.

Die abasische Modifikation ist vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die umfasst: 1',2'-Dideoxyribose (dSpacer), Triethylen-Glycol (Spacer9) und Hexa-Ethylenglycol (Spacer18).The abasic modification is preferably selected from the group comprising: 1 ', 2'-dideoxyribose (dSpacer), triethylene glycol (Spacer9) and hexa-ethylene glycol (Spacer18).

Soweit der weitere Abschnitt mehrere abasische Modifikationen aufweist, sind diese vorzugsweise einander unmittelbar benachbart angeordnet. Soweit der weitere Abschnitt mehrere abasische Modifikation aufweist, ist vorzugsweise jede abasische Modifikation aus der Gruppe 1',2'-Dideoxyribose, Triethylen-Glycol und Hexa-Ethylenglycol ausgewählt.As far as the further section has several abasic modifications, these are preferably arranged directly adjacent to each other. As far as the further section several abasic modification Preferably, each abasic modification is preferably selected from the group 1 ', 2'-dideoxyribose, triethylene glycol and hexa-ethylene glycol.

Der weitere Abschnitt hat vorzugsweise zumindest unter anderem die Funktion eines Abstandhalters (im Folgenden auch als Spacersequenz und Spacer bezeichnet), der einen Abstand zwischen der Primersequenz und dem Nanopartikel herstellt oder einen solchen Abstand vergrößert. Mit anderen Worten, die Spacersequenz dient dem übrigen Teil des Oligonukleotids als Abstandhalter. Dadurch, dass die Primersequenz durch die Spacersequenz von den Nanopartikeln weiter beabstandet ist, können vorteilhafterweise die zu vervielfältigenden Nukleinsäuren und die DNA-Polymerasen einen besseren Zugang zu den Primersequenzen finden. In einer bevorzugten Ausführung bleiben nach ihrer Synthese die Kopien des Originals und des Komplements über die Spacersequenz auf der Oberfläche der Nanopartikel befestigt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Spacersequenz eine Erkennungssequenz einer Restriktionsendonuklease auf, so dass die synthetisierten Kopien von den Nanopartikeln abgeschnitten werden können. Dies geschieht bevorzugt nachdem die Vervielfältigung abgeschlossen ist, kann aber auch während der Vervielfältigung geschehen. So ist es mit der Erfindung möglich, Kopien von Nukleinsäuren herzustellen, die frei in der Probe vorliegen.The further section preferably has at least inter alia the function of a spacer (hereinafter also referred to as spacer sequence and spacer), which establishes a distance between the primer sequence and the nanoparticle or increases such a distance. In other words, the spacer sequence serves as a spacer for the remainder of the oligonucleotide. Because the primer sequence is further spaced apart from the nanoparticles by the spacer sequence, the nucleic acids to be amplified and the DNA polymerases can advantageously find better access to the primer sequences. In a preferred embodiment, after their synthesis, the copies of the original and the complement remain attached to the surface of the nanoparticles via the spacer sequence. In a particularly preferred embodiment, the spacer sequence has a recognition sequence of a restriction endonuclease, so that the synthesized copies of the nanoparticles can be cut off. This happens preferably after the duplication is completed, but can also happen during the duplication. Thus, it is possible with the invention to produce copies of nucleic acids which are freely present in the sample.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind auf den Nanopartikeln Füllmoleküle aufgebracht. Die Füllmoleküle verhindern die unerwünschte Aggregation der Nanopartikel in der Probe. Damit dienen die Füllmoleküle mit Vorteil der Stabilisierung der Nanopartikel. Durch die Füllmoleküle kann die Ladung der Nanopartikel moduliert werden. Dadurch kann die Salzkonzentration, die sich in der Umgebung der Nanopartikel befindet so angepasst werden, dass die DNA-Polymerase möglichst schnell synthetisieren kann und das Verfahren mit Vorteil schnell durchgeführt werden kann. Die Füllmoleküle können aus Oligonukleotiden bestehen, die jedoch keine Primer sind und bevorzugt kürzer als die Primer sind. Die Füllmoleküle können auch z. B. aus Polymeren, wie z. B. Polyethylenglykol, bestehen. Die Füllmoleküle erlauben es in einer bevorzugten Ausführungsform, die Anzahl der Primer auf den Nanopartikeln zu verringern und stattdessen mehr Füllsequenzen zu verwenden, ohne dass wesentliche Einbußen an der Effizienz des Verfahrens verursacht werden. In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens sind die Spacersequenzen mindestens genauso lang wie die Füllmoleküle. Dadurch kann vorteilhafterweise vermieden werden, dass die Primersequenzen durch die Füllmoleküle verdeckt werden.In a preferred embodiment of the invention, filling molecules are applied to the nanoparticles. The filling molecules prevent the unwanted aggregation of the nanoparticles in the sample. Thus, the filling molecules serve with advantage the stabilization of the nanoparticles. Through the filling molecules, the charge of the nanoparticles can be modulated. As a result, the salt concentration that is located in the vicinity of the nanoparticles can be adapted so that the DNA polymerase can synthesize as quickly as possible and the process can advantageously be carried out quickly. The filling molecules may consist of oligonucleotides, which are not primers and are preferably shorter than the primers. The filling molecules can also z. B. of polymers such. For example, polyethylene glycol, exist. The filling molecules, in a preferred embodiment, allow the number of primers on the nanoparticles to be reduced and instead use more filling sequences without causing significant sacrifices in the efficiency of the process. In a preferred embodiment of the method, the spacer sequences are at least as long as the filling molecules. As a result, it can advantageously be avoided that the primer sequences are obscured by the filling molecules.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Nanopartikel so mit den Oligonukleotiden verbunden, dass kovalente Bindungen mit mehr als einem Thiol zwischen Olionukleotiden und Nanopartikeln vorhanden sind. PCR-Puffer enthalten in der Regel Dithiothreitol, das die Thiolbindung zwischen einem Gold-Nanopartikel und einem Oligonukleotid destabilisiert, und das insbesondere bei thermischer Belastung, wie z. B. während des Denaturierens, dazu führen kann, dass sich Oligonukleotide von den Nanopartikeln lösen. Kovalente Bindungen mit mehr als einem Thiol zwischen Oligonukleotid und Nanopartikel können das Ablösend der Oligonukleotide verringern und so die Effizienz der PCR erhöhen.In a preferred embodiment of the invention, the nanoparticles are linked to the oligonucleotides such that covalent bonds with more than one thiol are present between oligonucleotides and nanoparticles. PCR buffers usually contain dithiothreitol, which destabilizes the thiol bond between a gold nanoparticle and an oligonucleotide, and in particular under thermal stress, such as. During denaturing, for example, oligonucleotides may be released from the nanoparticles. Covalent bonds with more than one thiol between the oligonucleotide and nanoparticles can reduce the rate of oligonucleotide release and thus increase the efficiency of the PCR.

Bei einer Ausführung der der vorliegenden Erfindung umfasst das Vervielfältigen von Nukleinsäuren in einer Probe einen Vervielfältigungsschritt zum Vervielfältigen der Nukleinsäuren und einen Testschritt zum Bestimmen der Konzentration der Produkte des Vervielfältigungsschritts, wobei der Testschritt nach dem Ende des Vervielfältigungsschritts beginnt und wobei der Probe in dem Testschritt Stoffe zugeführt werden.In one embodiment of the present invention, replicating nucleic acids in a sample comprises a amplification step to amplify the nucleic acids and a test step to determine the concentration of the products of the amplification step, wherein the assay step begins after the end of the amplification step and wherein the sample in the substance be supplied.

Bei einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren zum Vervielfältigen von Nukleinsäuren einen Vervielfältigungsschritt zum Vervielfältigen der Nukleinsäuren und einen Testschritt zum Bestimmen der Konzentration der Produkte des Vervielfältigungsschritts, wobei der Probe in dem Testschritt keine Stoffe zugeführt werden. Dabei kann der Testschritt auf den Vervielfältigungsschritt folgen oder sich mit dem Vervielfältigungsschritt überlappen, auch vollständig überlappen. Vorzugsweise sind die Salzbedingungen und/oder der Puffer, besonders vorzugsweise alle chemischen Reaktionsbedingungen im Vervielfältigungsschritt und im Testschritt gleich.In another embodiment of the present invention, the method of amplifying nucleic acids comprises a amplification step of amplifying the nucleic acids and a step of assaying the concentration of the products of the amplification step, wherein no substances are added to the sample in the assay step. In this case, the test step can follow the duplication step or overlap with the amplification step, even completely overlapping. Preferably, the salt conditions and / or the buffer, most preferably all chemical reaction conditions in the amplification step and in the assay step are the same.

Bei der Erfindung ist in einer bevorzugten Ausführung eine globale Temperatur der Probe während des Testschritts unterschiedlich zu einer globalen Temperatur des Vervielfältigungsschritts. Mit anderen Worten, zu wenigstens einem Zeitpunkt des Testschritts ist die globale Temperatur der Probe unterschiedlich zu der globalen Temperatur der Probe zu wenigstens einem Zeitpunkt des Vervielfältigungsschritts. Besonders vorzugsweise ist eine globale Temperatur der Probe während des Testschritts, besonders vorzugsweise am Anfang des Testschritts, besonders vorzugsweise während der überwiegenden Zeit des Testschritts, besonders vorzugsweise während des gesamten Testschritts unterschiedlich zu einer globalen Temperatur während des Vervielfältigungsschritts, besonders vorzugsweise am Ende des Vervielfältigungsschritts, besonders vorzugsweise während der überwiegenden Zeit des Vervielfältigungsschritts, besonders vorzugsweise während des gesamten Vervielfältigungsschritts.In the invention, in a preferred embodiment, a global temperature of the sample during the test step is different than a global temperature of the replication step. In other words, at least at one point in the test step, the global temperature of the sample is different than the global temperature of the sample at at least one time of the replication step. Particularly preferably, a global temperature of the sample during the test step, particularly preferably at the beginning of the test step, is especially preferably during the majority of the test step, more preferably throughout the test step, different from a global temperature during the amplification step, more preferably at the end of the amplification step, most preferably during the majority of the amplification step, most preferably throughout the amplification step.

Es ist ein erreichbarer Vorteil dieser Ausführung der Erfindung, dass der Vervielfältigungsschritt und der Testschritt unter unterschiedlichen Reaktionsbedingungen stattfinden können. Vorteilhafterweise kann vermieden werden, dass bei der globalen Temperatur ein Kompromiss zwischen den Erfordernissen des Vervielfältigungsschritts und des Testschritts geschlossen werden muss.It is an achievable advantage of this embodiment of the invention that the amplification step and the assay step can take place under different reaction conditions. Advantageously, it can be avoided that a compromise must be made at global temperature between the requirements of the replication step and the test step.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die globale Temperatur die durchschnittliche Temperatur der Probe, in der der Vervielfältigungsschritt und der Testschritt durchgeführt werden. Im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet der „überwiegende” Teil der Zeit eines Schritts mehr als 50% der Dauer dieses Schritts.For the purposes of the present invention, the global temperature is the average temperature of the sample in which the amplification step and the test step are performed. For the purposes of the present invention, the "overwhelming" part of the time of a step means more than 50% of the duration of this step.

In einer Ausführung der Erfindung ist „Unterschiedlich zu” speziell „höher als”, in einer anderen speziell „niedriger als”. In einer bevorzugten Ausführung bedeutet „unterschiedlich”, dass sich die Temperaturen um mehr als 1 Grad, besonders vorzugsweise mehr als 2 Grad, besonders vorzugsweise mehr als 5 Grad, besonders vorzugsweise mehr als 10 Grad, besonders vorzugsweise mehr als 20 Grad, besonders vorzugsweise mehr als 40 Grad unterscheiden.In one embodiment of the invention, "different to" is specifically "higher than", in another embodiment "lower than". In a preferred embodiment, "different" means that the temperatures are more than 1 degree, more preferably more than 2 degrees, most preferably more than 5 degrees, more preferably more than 10 degrees, most preferably more than 20 degrees, most preferably more differ as 40 degrees.

Bei der Erfindung ist in einer bevorzugten Ausführung eine globale Temperatur der Probe während des Testschritts im Wesentlichen gleich zu einer globalen Temperatur des Vervielfältigungsschritts. Mit anderen Worten, zu wenigstens einem Zeitpunkt des Testschritts ist die globale Temperatur der Probe im Wesentlichen gleich zu der globalen Temperatur der Probe zu wenigstens einem Zeitpunkt des Vervielfältigungsschritts. Besonders vorzugsweise ist eine globale Temperatur der Probe während des Testschritts, besonders vorzugsweise am Anfang des Testschritts, besonders vorzugsweise während der überwiegenden Zeit des Testschritts, besonders vorzugsweise während des gesamten Testschritts im Wesentlichen gleich zu einer globalen Temperatur während des Vervielfältigungsschritts, besonders vorzugsweise am Ende des Vervielfältigungsschritts, besonders vorzugsweise während der überwiegenden Zeit des Vervielfältigungsschritts, besonders vorzugsweise während des gesamten Vervielfältigungsschritts.In the invention, in a preferred embodiment, a global temperature of the sample during the test step is substantially equal to a global temperature of the replication step. In other words, at least at one point in the test step, the global temperature of the sample is substantially equal to the global temperature of the sample at at least one time of the replication step. More preferably, a global temperature of the sample during the test step, more preferably at the beginning of the test step, most preferably during the majority of the test step, most preferably throughout the test step is substantially equal to a global temperature during the amplification step, most preferably at the end of the test step Reproduction step, more preferably during the majority of the amplification step, most preferably during the entire amplification step.

In einer bevorzugten Ausführung bedeutet „gleich”, dass sich die Temperaturen um weniger als 20 Grad, besonders vorzugsweise weniger als 10 Grad, besonders vorzugsweise weniger als 5 Grad, besonders vorzugsweise weniger als 5 Grad, besonders vorzugsweise weniger als 2 Grad, besonders vorzugsweise weniger als 1 Grad unterscheiden.In a preferred embodiment, "equal" means that the temperatures are less than 20 degrees, more preferably less than 10 degrees, more preferably less than 5 degrees, more preferably less than 5 degrees, most preferably less than 2 degrees, most preferably less differ as 1 degree.

Vorzugsweise werden in dem Testschritt zur Bestimmen der Konzentration der Produkte des Vervielfältigungsschritts Testsonden verwendet, die einen Nanopartikel aufweisen. Die Testsonden werden der Probe in einer Ausführung der Erfindung im Testschritt zugeführt. In einer anderen Ausführung der Erfindung werden die Testsonden der Probe vor dem Testschritt, vorzugsweise vor oder während des Vervielfältigungsschritts, zugeführt.Preferably, in the test step for determining the concentration of the products of the amplification step, test probes comprising a nanoparticle are used. The test probes are supplied to the sample in one embodiment of the invention in the test step. In another embodiment of the invention, the test probes are supplied to the sample prior to the testing step, preferably before or during the amplification step.

In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens weisen die Oligonukleotide auf den Nanopartikeln der Testsonden als Teilsequenz eine Spacersequenz auf. Die Spacersequenz liegt dabei auf der dem Nanopartikel zugewandten Seite des jeweiligen Oligonukleotids. So dient die Spacersequenz dem übrigen Teil des Oligonukleotids als Abstandhalter. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält ein Oligonukleotid sowohl eine Teilsequenz, die als Testsequenz bezeichnet wird, als auch eine Teilsequenz, die eine Spacersequenz ist. In einer bevorzugten Ausführung sind auf den Nanopartikeln Füllmoleküle aufgebracht. Die Testsequenzen können mit Produkten der Vervielfältigungsreaktion hybridisieren. Dabei sind die Testsequenzen vorzugsweise komplementär zu den Produkten der Vervielfältigungsreaktion.In a preferred embodiment of the method, the oligonucleotides have a spacer sequence as partial sequence on the nanoparticles of the test probes. The spacer sequence lies on the side of the respective oligonucleotide facing the nanoparticle. Thus, the spacer sequence serves as a spacer for the remainder of the oligonucleotide. In a preferred embodiment, an oligonucleotide contains both a partial sequence referred to as a test sequence and a partial sequence which is a spacer sequence. In a preferred embodiment, filling molecules are applied to the nanoparticles. The test sequences can hybridize with products of the amplification reaction. The test sequences are preferably complementary to the products of the amplification reaction.

In einer bevorzugten Ausführung tragen die Testsequenzen am 3' Ende eine oder mehrere terminierende Modifikationen wie z. B. Dideoxycytidin (ddC). Diese Modifizierungen kann vorteilhafterweise die 3'-Extension der Testsequenz durch die Polymerase verhindern und so verhindern, dass auch die Testsequenzen als Primer dienen können.In a preferred embodiment, the test sequences at the 3 'end carry one or more terminating modifications such as. B. dideoxycytidine (ddC). These modifications can advantageously prevent the 3 'extension of the test sequence by the polymerase and thus prevent the test sequences can serve as primers.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind Nanopartikel, die der Vervielfältigung dienen, (nachfolgend auch als erste Nanopartikel bezeichnet, um sie von den Nanopartikeln der Testsonden, nachfolgend auch als zweite Nanopartikel bezeichnet, zu unterscheiden) mit Vorwärtsprimern konjugiert. In Anwesenheit des Originals und einer DNA-Polymerase werden die Vorwärtsprimer verlängert, so dass Komplemente entstehen, die über die Vorwärtsprimer an die ersten Nanopartikel gebunden sind. Ein Komplement besteht dabei aus dem Vorwärtsprimer und einer Verlängerungssequenz, die durch das Verlängern des Vorwärtsprimers entsteht. In einem optionalen Zwischenschritt werden die Originale von den Komplementen durch lokales oder globales Erhitzen denaturiert. Die ersten Nanopartikel werden dann mit Testsonden zusammengeführt, wenn dies nicht schon zuvor geschehen ist. Die Testsequenzen der Testsonden sind komplementär zu den Verlängerungssequenzen, so dass die Testsonden über Testsequenzen an die verlängerten Vorwärtsprimer auf den ersten Nanopartikeln binden können. Bei geeigneten Reaktionsbedingungen kommt die Verbindung der ersten Nanopartikel mit den Testsonden in dem Ausmaß zustande, in dem auch nanopartikelgebundene Komplemente vorliegen. Das bedeutet, dass wenn keine Verlängerungssequenzen entstehen, auch keine Verbindung von Testsonden und ersten Nanopartikeln entsteht. Besonders vorzugsweise werden die Reaktionsbedingungen der erfindungsgemäßen Vervielfältigung und des Nachweises durch Testsonden so gewählt, dass das Ausmaß der Verbindung von ersten Nanopartikeln mit Testsonden darüber Rückschlüsse zulässt, welche Konzentration des Originals vor der Vervielfältigung in der Probe vorlag. Durch die Verbindung der ersten Nanopartikel mit den Testsonden kann eine messbare Veränderung entstehen, z. B. eine Rotverschiebung oder Verbreiterung der Plasmonenresonanz im Extinktionsspektrum. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführung ist die messbare Veränderung, die durch die Verbindung von Testsonden und ersten Nanopartikeln entsteht, proportional zur Konzentration des Originals in der Probe vor der Vervielfältigung. So kann mit Vorteil mit einfachen Mitteln ein Konzentrationsnachweis erfolgen.In a preferred embodiment of the invention, nanoparticles which are used for amplification (also referred to as first nanoparticles in order to distinguish them from the nanoparticles of the test probes, also referred to as second nanoparticles hereinafter) are conjugated with forward primers. In the presence of the original and a DNA polymerase, the forward primers are extended to produce complements bound to the first nanoparticles via the forward primers. A complement consists of the forward primer and an extension sequence, which can be extended by extending the Forward primer arises. In an optional intermediate step, the originals are denatured by the complements by local or global heating. The first nanoparticles are then combined with test probes, if not previously done. The test sequences of the test probes are complementary to the extension sequences, so that the test probes can bind via test sequences to the extended forward primer on the first nanoparticles. Under suitable reaction conditions, the compound of the first nanoparticles with the test probes is formed to the extent that nanoparticle-bound complements are present. This means that if no extension sequences arise, no connection of test probes and first nanoparticles arises. Particularly preferably, the reaction conditions of the amplification and the detection according to the invention are selected by test probes such that the extent of the connection of first nanoparticles with test probes allows conclusions to be drawn about the concentration of the original prior to amplification in the sample. By connecting the first nanoparticles with the test probes, a measurable change can occur, eg. B. a redshift or broadening of the plasmon resonance in the extinction spectrum. In a most preferred embodiment, the measurable change produced by the combination of test probes and first nanoparticles is proportional to the concentration of the original in the sample prior to duplication. So can be done with simple means a proof of concentration advantage.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung umfasst das Verfahren Vorwärtsprimer, die mit ersten Nanopartikeln konjugiert sind, und freie, also nicht nanopartikelgebundene, Rückwärtsprimer. In einem ersten Schritt werden die Vorwärtsprimer in Anwesenheit des Originals durch eine DNA-Polymerase zu nanopartikelgebundenen Komplementen verlängert. In einem zweiten Schritt wird, ausgehend von dem freien Rückwärtsprimer, der an das nanopartikelgebundene Komplement bindet, eine Kopie des Originals synthetisiert. Danach werden die ersten Nanopartikel mit Testsonden zusammengeführt, wenn dies nicht schon zuvor geschehen ist. Die Testsequenzen sind in dieser Ausführung komplementär zu den Vorwärtsprimern. Wenn die Vorwärtsprimer nicht verlängert wurden, dann können die Testsonden gut an die ersten Nanopartikel binden. Wenn die Vorwärtsprimer verlängert wurden, dann wird die Bindung von Testsequenzen an Vorwärtsprimern durch sterische Hinderung behindert. Wenn eine neu synthetisierte Kopie des Originals mit dem verlängerten Vorwärtsprimer hybridisiert ist, so wird die Bindung der Testsequenz an den verlängerten Vorwärtsprimer verhindert. In dieser Weise sinkt das Ausmaß der Verbindung zwischen ersten Nanopartikeln und Testsonden in dem Ausmaß in dem Produkte der Vervielfältigungsreaktion, das heißt Komplemente und Kopien des Originals, synthetisiert wurden. Bei geeigneter Wahl der Reaktionsbedingungen kann so ein Konzentrationsnachweis des Originals in der Probe durchgeführt werden, so dass eine messbare Veränderung um so geringer ist, je mehr Original in der Probe vor der Vervielfältigung vorhanden war. Die messbare Veränderung kann dabei z. B. eine Rotverschiebung oder Verbreiterung der Plasmonenresonanz im Extinktionsspektrum sein. So kann mit Vorteil ein einfacher Test gestaltet werden, der die Bestimmungen von Konzentrationen spezifischer Nukleinsäuren zulässt.In a further preferred embodiment, the method comprises forward primers which are conjugated with first nanoparticles and free, that is not nanoparticle-bound, reverse primers. In a first step, the forward primers are extended in the presence of the original by a DNA polymerase to nanoparticle-bound complements. In a second step, starting from the free reverse primer that binds to the nanoparticle-bound complement, a copy of the original is synthesized. Thereafter, the first nanoparticles are combined with test probes, if not previously done. The test sequences in this embodiment are complementary to the forward primers. If the forward primers were not extended then the test probes can bind well to the first nanoparticles. If the forward primers have been extended then binding of test sequences to forward primers is hindered by steric hindrance. When a newly synthesized copy of the original is hybridized with the extended forward primer, binding of the test sequence to the extended forward primer is prevented. In this way, the extent of linkage between first nanoparticles and test probes decreases to the extent that products of the amplification reaction, that is, complements and copies of the original, have been synthesized. With a suitable choice of the reaction conditions, a proof of concentration of the original in the sample can be carried out, so that the more original that was present in the sample before the duplication, the lower the measurable change. The measurable change can be z. B. be a redshift or broadening of the plasmon resonance in the extinction spectrum. Thus, a simple test can be designed with advantage, which allows the determination of concentrations of specific nucleic acids.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind die Rückwärtsprimer ebenfalls mit Nanopartikeln konjugiert. In einer besonders bevorzugten Ausführung sind die Rückwärtsprimer hierbei ebenfalls mit den ersten Nanopartikeln konjugiert, die auch mit den Vorwärtsprimern konjugiert sind.In a further preferred embodiment, the reverse primers are also conjugated with nanoparticles. In a particularly preferred embodiment, the reverse primers are also conjugated to the first nanoparticles, which are also conjugated to the forward primers.

Vorzugsweise weisen die Nanopartikel der Testsonden eine andere Größe als die Nanopartikel auf, die im Vervielfältigungsschritt zum Vervielfältigen der Nukleinsäuren verwendet werden. Besonders vorzugsweise sind die Nanopartikel der Testsonden kleiner als die Nanopartikel, die im Vervielfältigungsschritt zum Vervielfältigen der Nukleinsäuren verwendet werden. Besonders vorzugsweise beträgt das Volumen der Nanopartikel der Testsonden weniger als 50%, besonders vorzugsweise weniger als 25%, besonders vorzugsweise weniger als 12,5% besonders vorzugsweise weniger als 6%, besonders vorzugsweise weniger als 3%, besonders vorzugsweise weniger als 1%, besonders vorzugsweise weniger als 0,1% des Volumens der Nanopartikel, die im Vervielfältigungsschritt zum Vervielfältigen der Nukleinsäuren verwendet werden.Preferably, the nanoparticles of the test probes have a different size than the nanoparticles used in the amplification step for amplifying the nucleic acids. Particularly preferably, the nanoparticles of the test probes are smaller than the nanoparticles which are used in the amplification step for amplifying the nucleic acids. Particularly preferably, the volume of the nanoparticles of the test probes is less than 50%, particularly preferably less than 25%, particularly preferably less than 12.5%, particularly preferably less than 6%, particularly preferably less than 3%, particularly preferably less than 1%, most preferably less than 0.1% of the volume of nanoparticles used in the amplification step to amplify the nucleic acids.

Durch diese Ausführung der Erfindung kann um die Nanopartikel der Testsonden während der Vervielfältigungsreaktion eine andere lokale Temperatur erreicht werden als um die Nanopartikel, die zum Vervielfältigen der Nukleinsäuren verwendet werden. Beispielsweise kann mit Testsonden, die kleiner als die Nanopartikel sind, die zum Vervielfältigen der Nukleinsäuren verwendet werden, erreicht werden, dass zwar die ersten Nanopartikel eine ausreichende Temperatur für die Vervielfältigungsreaktion erreichen, aber die Testsonden eine geringere Temperatur erreichen. Dadurch ist erreichbar, dass die Testsonden weniger thermisch belastet werden. Es ist auch erreichbar, dass auf den Testsonden keine Vervielfältigungsreaktion stattfinden kann. Letzteres ist insbesondere bei Ausführungen der Erfindung vorteilhaft, bei denen die Testsonden sich während der Vervielfältigungsreaktion in der Probe befinden.By this embodiment of the invention, a different local temperature can be achieved around the nanoparticles of the test probes during the amplification reaction than the nanoparticles used to amplify the nucleic acids. For example, with test probes smaller than the nanoparticles used to amplify the nucleic acids, it can be achieved that, although the first nanoparticles reach a sufficient temperature for the amplification reaction, the test probes reach a lower temperature. This achieves that the test probes are less thermally stressed. It is also achievable that no replication reaction can take place on the test probes. The latter is particularly advantageous in embodiments of the invention in which the test probes are in the sample during the amplification reaction.

Bei einer Ausführung der Erfindung übertragen Nanopartikel in einem Reaktionsvolumen durch Anregung Wärme an ihre Umgebung. In one embodiment of the invention, nanoparticles in a reaction volume by excitation transfer heat to their environment.

Bevorzugt wird durch die Anregung der Nanopartikel die Umgebung der Nanopartikel lokal erhitzt, da besonders schnelle Temperaturänderungen vor allem dann möglich sind, wenn das erhitzte Volumen nur einen kleinen Bruchteil des Gesamtvolumens ausmacht. Zum einen kann schon mit einem kleinen Energie-Eintrag durch Bestrahlung eine hohe Temperaturdifferenz erzeugt werden. Zum anderen ist eine sehr schnelle Abkühlung des erwärmten Volumens möglich, wenn ein ausreichend großes kaltes Temperatur-Reservoir im bestrahlten Volumen vorhanden ist, um nach der Bestrahlung die Nanopartikel und ihre Umgebung wieder abzukühlen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Nanopartikel hinreichend stark (um den gewünschten Temperaturhub zu erreichen) und hinreichend kurz (damit die Wärme lokalisiert bleibt) bestrahlt werden. Im dem Fall, dass die Vervielfältigung mittels einer Polymerase, z. B. einer DNA-Polymerase, durchgeführt wird, ist es durch die lokale Erhitzung ist es möglich, die Polymerasen einer geringeren Hitze auszusetzen.The excitation of the nanoparticles preferably locally heats the surroundings of the nanoparticles, since particularly rapid changes in temperature are possible above all when the heated volume accounts for only a small fraction of the total volume. On the one hand, a high temperature difference can already be generated by irradiation with a small energy input. On the other hand, a very rapid cooling of the heated volume is possible if a sufficiently large cold temperature reservoir is present in the irradiated volume in order to cool the nanoparticles and their surroundings again after the irradiation. This can be achieved by irradiating the nanoparticles with sufficient intensity (to achieve the desired temperature rise) and sufficiently short (so that the heat remains localized). In the case that the duplication by means of a polymerase, z. As a DNA polymerase, it is by the local heating, it is possible to expose the polymerases of lower heat.

Eine lokale Erhitzung im Sinne der vorliegenden Erfindung liegt dann vor, wenn die Dauer der Anregung im jeweils bestrahlten Volumen (z. B. im Laserfokus) t kürzer oder vergleichbar kurz einer kritischen Anregungsdauer t1 gewählt wird. Hierbei ist t1 gegeben durch die Zeit, die die Wärme benötigt, um bei mittlerem Nanopartikelabstand von einem Nanopartikel zum nächsten zu diffundieren, multipliziert mit einem Skalierungsfaktor s1, und zwar ist bei einem mittleren Nanopartikelabstand |x| und einer Temperaturleitfähigkeit D des Mediums zwischen den Nanopartikeln t1 geben durch t1 = (s1·|x|)2/D, wobei die Temperaturleitfähigkeit D typischerweise in wässriger Lösung einen Wert von D = 10–7 m2/s hat.A local heating in the sense of the present invention is present if the duration of the excitation in the respective irradiated volume (eg in the laser focus) t is shorter or comparably short of a critical excitation duration t1. Here, t1 is given by the time it takes for the heat to diffuse from one nanoparticle to the next at an average nanoparticle distance multiplied by a scaling factor s1, namely at a mean nanoparticle distance | x | and a thermal diffusivity D of the medium between the nanoparticles t1 are given by t1 = (s1 · | x |) 2 / D, wherein the thermal diffusivity D typically in aqueous solution has a value of D = 10 -7 m 2 / s.

Der Skalierungsfaktor s1 ist ein Maß dafür, wie weit sich die Wärmefront eines Partikels während der Anregungsdauer ausbreitet. Die Temperaturerhöhung durch einen angeregten Nanopartikel im Abstand von einigen Nanopartikeldurchmessern ist nur ein sehr kleiner Bruchteil der maximalen Temperaturerhöhung auf der Partikeloberfläche. In einer Ausführung der Erfindung wird ein Überlapp der Wärmefronten von einigen Nanopartikeln zugelassen in dem Sinne, dass zur Definition der kritischen Anregungsdauer t1 anhand der oben angegebenen Formel ein Skalierungsfaktor s1 größer als 1 verwendet wird. In einer anderen Ausführung der Erfindung wird kein Überlapp der Wärmefronten während der Anregungsdauer zugelassen (entspricht einer stark lokalisierten Erwärmung) in dem Sinne, dass zur Definition der kritischen Anregungsdauer t1 anhand der oben angegebenen Formel ein Skalierungsfaktor s1 kleiner oder gleich 1 verwendet wird. Für die Definition der lokalen Erhitzung ist vorzugsweise s1 = 100, vorzugsweise s1 = 30 vorzugsweise s1 = 10, vorzugsweise s1 = 7, vorzugsweise s1 = 3 und ganz besonders vorzugsweise s1 = 1, vorzugsweise s1 = 0,7, vorzugsweise s1 = 0,3.The scaling factor s1 is a measure of how far the heat front of a particle propagates during the excitation period. The increase in temperature by an excited nanoparticle at a distance of a few nanoparticle diameters is only a very small fraction of the maximum temperature increase on the particle surface. In one embodiment of the invention, an overlap of the heat fronts of some nanoparticles is permitted in the sense that a scaling factor s1 greater than 1 is used to define the critical excitation duration t1 on the basis of the formula given above. In another embodiment of the invention, no overlap of the heat fronts during the excitation period is allowed (corresponds to highly localized heating) in the sense that a scale factor s1 less than or equal to 1 is used to define the critical excitation duration t1 using the formula given above. For the definition of the local heating, preferably s1 = 100, preferably s1 = 30, preferably s1 = 10, preferably s1 = 7, preferably s1 = 3 and very particularly preferably s1 = 1, preferably s1 = 0.7, preferably s1 = 0, third

Werte für s1 > 1 können u. a. beispielsweise in solchen Fällen vorteilhaft sein, in denen das bestrahlte Volumen ein hohes Seitenverhältnis aufweist (etwa im Fokus eines moderat fokussierten Laserstrahls), so dass sich vergleichsweise viele Nanopartikel an der Oberfläche des bestrahlten Volumens befinden und sich daher weniger beheizte Nanopartikel in ihrer Umgebung befinden, und ein starker Wärmeabfluss aus dem bestrahlten Volumen heraus stattfindet, so dass der Erwärmungsbeitrag der weiter entfernten Nachbarn länger vernachlässigbar bleibt.Values for s1> 1 can u. a. for example, be advantageous in those cases in which the irradiated volume has a high aspect ratio (as in the focus of a moderately focused laser beam), so that comparatively many nanoparticles are located on the surface of the irradiated volume and therefore less heated nanoparticles are in their environment, and a strong heat outflow from the irradiated volume takes place, so that the heating contribution of the more distant neighbors remains longer negligible.

Da heißt, dass sich beispielsweise bei einer Nanopartikelkonzentration von 1 nM ein mittlerer Nanopartikelabstand von |x| = 1,2 Mikrometern ergibt, so dass ein erfindungsgemäßes lokales Erhitzen vorliegt, sofern die Anregungsdauer weniger als t1 = 14 Mikrosekunden beträgt (der Skalierungsfaktor ist hier s1 = 1 gewählt).This means that at a nanoparticle concentration of 1 nM, for example, a mean nanoparticle distance of | x | = 1.2 microns, so that a local heating according to the invention is present, provided that the excitation duration is less than t1 = 14 microseconds (the scaling factor is chosen here s1 = 1).

Es ist davon auszugehen, dass wenn t > t1 gewählt wird, die Wärme, die von den Nanopartikeln abgegeben wird, durch Diffusion während der Bestrahlung folglich eine Strecke zurücklegen kann, die größer ist als der mittlere Nanopartikelabstand, und dies im Ergebnis zu einer Überlagerung der Wärmefronten vieler Nanopartikel führt, so dass im gesamten Volumen zwischen den Nanopartikeln eine Temperaturerhöhung stattfindet; die Temperaturerhöhung dürfte im bestrahlten Volumen räumlich umso homogener werden, je länger geheizt wird, da nicht nur die Beiträge der nächsten Nanopartikel, sondern auch weiter entfernter Nachbarn in die Temperaturverteilung um ein Nanopartikel herum eingeht. Wenn das Reaktionsvolumen mit einer von den Nanopartikeln absorbierten Strahlung länger als t1 bestrahlt wird, wird daher die Erhitzung als global bezeichnet. Ein erfindungsgemäß globales Erhitzen kann z. B. auch dadurch stattfinden, dass das Reaktionsvolumen von außen mit einem Peltier-Element oder einer Widerstandsheizung geheizt wird. Das globale Erhitzen kann auch dadurch erfolgen, dass z. B. das Reaktionsvolumen mit einer Strahlung bestrahlt wird, die von dem Wasser in der Probe stärker als oder ähnlich stark wie von den Nanopartikeln absorbiert wird.It can be assumed that, when t> t1 is chosen, the heat given off by the nanoparticles can thus cover a distance greater than the average nanoparticle distance by diffusion during the irradiation, and as a result to a superposition of the nanoparticles Thermal fronts of many nanoparticles leads, so that in the entire volume between the nanoparticles, a temperature increase takes place; the temperature increase in the irradiated volume should be spatially homogeneous the more it is heated, since not only the contributions of the next nanoparticles, but also of more distant neighbors in the temperature distribution around a nanoparticle around. Therefore, when the reaction volume is irradiated with radiation absorbed by the nanoparticles for longer than t1, the heating is said to be global. A global heating according to the invention can, for. B. also take place in that the reaction volume is heated from the outside with a Peltier element or a resistance heater. The global heating can also be done by z. B. the reaction volume is irradiated with a radiation that is absorbed by the water in the sample stronger than or similar to strong as from the nanoparticles.

Temperaturerhöhung bedeutet hierbei die Differenz zwischen der Temperatur an einem Ort zum Beobachtungszeitpunkt unmittelbar nach der Anregung und der Temperatur am gleichen Ort zum Zeitpunkt unmittelbar vor der Anregung. Globales Erhitzen und lokales Erhitzen kann auch gleichzeitig durchgeführt werden. Temperature increase here means the difference between the temperature at a location at the observation time immediately after the excitation and the temperature at the same location at the time immediately before the excitation. Global heating and local heating can also be performed simultaneously.

Die Anregung der Nanopartikel geschieht vorzugsweise durch ein Wechselfeld, besonders vorzugsweise durch ein elektromagnetisches Wechselfeld, ganz besonders vorzugsweise optisch. Vorzugsweise geschieht die Anregung im mit Licht Bereich vom fernen Infrarot bis zum fernen Ultraviolett (in einem Bereich von 100 nm bis 30 μm Wellenlänge), besonders vorzugsweise im Bereich vom nahen Infrarot bis zum nahen Ultraviolett (in einem Bereich von 200 nm bis 3 μm Wellenlänge), ganz besonders bevorzugt durch sichtbares Licht (in einem Bereich von 400 nm bis 800 nm Wellenlänge). Dies kann gegenüber dem herkömmlichen globalen Erhitzen des Reaktionsgefäßes von außen den Vorteil bieten, dass nicht die thermisch isolierende Wand des Reaktionsgefäßes überwunden werden muss, da die Energie direkt auf die Nanopartikel übertragen wird. So kann eine schnellere Heizung des gewünschten Anteils der Probe erreicht werden.The excitation of the nanoparticles is preferably carried out by an alternating field, particularly preferably by an electromagnetic alternating field, most preferably optically. Preferably, the excitation occurs in the far infrared to far ultraviolet light range (in a range of 100 nm to 30 μm wavelength), more preferably in the range of near infrared to near ultraviolet (in a range of 200 nm to 3 μm wavelength ), most preferably by visible light (in a range of 400 nm to 800 nm wavelength). This can offer the advantage over the conventional global heating of the reaction vessel from the outside that does not have to overcome the thermally insulating wall of the reaction vessel, since the energy is transferred directly to the nanoparticles. Thus, a faster heating of the desired portion of the sample can be achieved.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die Nanopartikel durch einen Laser angeregt. Besonders vorzugsweise hat das Laserlicht eine Frequenz, die die Oberflächenplasmonenresonanz der Nanopartikel anregt. Der Laser kann das Licht gepulst oder kontinuierlich zur Verfügung stellen. Wenn der Laser gepulst ist, dann werden vorzugsweise Nanosekunden-Laser verwendet. Der Laser kann z. B. ein Gaslaser, ein Diodenlaser oder ein diodengepumpter Festkörperlaser sein.In a preferred embodiment of the invention, the nanoparticles are excited by a laser. More preferably, the laser light has a frequency that excites the surface plasmon resonance of the nanoparticles. The laser can pulsate the light or provide it continuously. If the laser is pulsed, then nanosecond lasers are preferably used. The laser can z. Example, a gas laser, a diode laser or a diode-pumped solid-state laser.

Der Tastgrad ist das Verhältnis von Zeitintervall der Anregung zu Dauer eines PCR-Zyklus. Der Tastgrad wird vorzugsweise so groß gewählt, dass die Anregung zu einem ausreichenden Denaturieren der DNA-Doppelstränge durch lokales Erhitzen führt. Zugleich wird der Tastgrad vorzugsweise so gewählt, dass die mittlere Temperaturerhöhung der gesamten Probe ausreichend klein gehalten wird, so dass keine störenden Einflüsse auf Hybridisierung, Elongation und Denaturieren auftreten. Vorzugsweise beträgt der Tastgrad für das bestrahlte Volumen weniger als 50%, besonders vorzugsweise weniger als 20% und ganz besonders vorzugsweise weniger als 1%. Der Tastgrad beträgt im bestrahlten Volumen geeigneterweise mehr als 10–12, vorzugsweise mehr als 10–10, besonders vorzugsweise mehr als 10–9 und ganz besonders vorzugsweise mehr als 10–8.The duty cycle is the ratio of the time interval of the excitation to the duration of a PCR cycle. The duty cycle is preferably chosen so large that the excitation leads to a sufficient denaturation of the DNA double strands by local heating. At the same time, the duty cycle is preferably selected so that the average temperature increase of the entire sample is kept sufficiently small, so that no disturbing influences on hybridization, elongation and denaturation occur. Preferably, the duty cycle for the irradiated volume is less than 50%, more preferably less than 20% and most preferably less than 1%. The duty cycle in the irradiated volume is suitably more than 10 -12 , preferably more than 10 -10 , more preferably more than 10 -9 and most preferably more than 10 -8 .

Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Leistungsdichte die optische Leistung pro Fläche des in die Probe einfallenden Lichts; sofern es sich um eine gepulste Lichtquelle handelt ist die Spitzenleistung maßgeblich. Die Leistungsdichte, mit der die Nanopartikel angeregt werden, beträgt vorzugsweise bei mindestens einem Durchlauf des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 10 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 20 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 40 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 80 Durchläufen des Zyklus und ganz besonders vorzugsweise bei mindestens 160 Durchläufen des Zyklus mehr als 10 W/mm2,, besonders vorzugsweise mehr als 50 W/mm2, besonders vorzugsweise mehr als 100 W/mm2, besonders vorzugsweise mehr als 200 W/mm2, besonders vorzugsweise mehr als 300 W/mm2 und ganz besonders vorzugsweise mehr als 400 W/mm2. Mit dieser Ausführung der Erfindung ist vorteilhafterweise erreichbar, dass die Nanopartikel durch die Anregung ausreichend erwärmt werden.For the purposes of the present invention, the power density is the optical power per area of the light incident on the sample; if it is a pulsed light source, the peak power is decisive. The power density at which the nanoparticles are excited is preferably at least one pass of the cycle, more preferably at least 10 passes of the cycle, more preferably at least 20 passes of the cycle, most preferably at least 40 passes of the cycle, most preferably at least 80 cycles, and more preferably at least 160 passes of the cycle more than 10 W / mm 2, more preferably more than 50 W / mm 2 , more preferably more than 100 W / mm 2 , particularly preferably more than 200 W / mm 2 , more preferably more than 300 W / mm 2 and most preferably more than 400 W / mm 2 . With this embodiment of the invention is advantageously achievable that the nanoparticles are heated sufficiently by the excitation.

Die Leistungsdichte, mit denen die Nanopartikel angeregt werden, beträgt vorzugsweise weniger als 20.000 kW/mm2, besonders vorzugsweise bei mindestens einem Durchlauf des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 10 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 20 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 40 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 80 Durchläufen des Zyklus und ganz besonders vorzugsweise bei mindestens 160 Durchläufen des Zyklus weniger als 10.000 kW/mm2,, besonders vorzugsweise weniger als 5.000 kW/mm2, besonders vorzugsweise weniger als 3.000 kW/mm2, besonders vorzugsweise weniger als 1.000 W/mm2, besonders vorzugsweise weniger als 500 kW/mm2, besonders vorzugsweise weniger als 300 kW/mm2, besonders vorzugsweise weniger als 150 kW/mm2 und ganz besonders vorzugsweise weniger als 80 kW/mm2. Mit dieser Ausführung der Erfindung kann vorteilhafterweise einer Beschädigung der Nanopartikel oder der daran gebundenen DNA entgegengewirkt oder diese verhindert werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird die Energie des Lichts durch die Materialabsorption der Nanopartikel auf diese übertragen. Das Licht, das zur Anregung der Nanopartikel verwendet wird, kann auch z. B. von einem thermischen Strahler, z. B. einer Blitzlampe, stammen. In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die Nanopartikel durch ein elektromagnetisches Wechselfeld oder elektromagnetische Wellen angeregt, die Wirbelströme in den Nanopartikeln erzeugen. Es ist bei geeigneter Gestaltung der Nanopartikel auch möglich, die Nanopartikel mit Ultraschall anzuregenThe power density at which the nanoparticles are excited is preferably less than 20,000 kW / mm 2 , more preferably at least one pass of the cycle, more preferably at least 10 passes of the cycle, most preferably at least 20 passes of the cycle, most preferably at at least 40 passes of the cycle, more preferably at least 80 passes of the cycle, and most preferably at least 160 passes of the cycle less than 10,000 kW / mm 2, more preferably less than 5,000 kW / mm 2 , most preferably less than 3,000 kW / mm 2 , more preferably less than 1000 W / mm 2 , more preferably less than 500 kW / mm 2 , more preferably less than 300 kW / mm 2 , even more preferably less than 150 kW / mm 2 and even more preferably less than 80 kW / mm 2 . With this embodiment of the invention, damage to the nanoparticles or the DNA bound thereto can advantageously be counteracted or prevented. In a further preferred embodiment, the energy of the light is transferred to it by the material absorption of the nanoparticles. The light used to excite the nanoparticles may also be e.g. B. from a thermal radiator, z. As a flash lamp, come. In a further preferred embodiment of the invention, the nanoparticles are excited by an electromagnetic alternating field or electromagnetic waves which generate eddy currents in the nanoparticles. It is also possible with suitable design of the nanoparticles to excite the nanoparticles with ultrasound

Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Einwirkdauer tA die Gesamtdauer, in der eine Energiequelle zum Zweck einer Denaturierung, z. B. während des Durchlaufs des Zyklus der PCR, mit einer zum Denaturieren geeigneten Leistung auf einen Punkt in der Probe einwirkt, um eine Erwärmung in der Probe hervorzurufen. For the purposes of the present invention, the exposure time t A is the total duration in which a source of energy for the purpose of denaturation, for. For example, during the cycle of the PCR, a power suitable for denaturing is applied to a point in the sample to cause heating in the sample.

Die Energiequelle überträgt während der gesamten Zeit tA eine Leistung, die zur Denaturierung geeignet ist, auf den besagten Punkt. Eine Energiequelle in Form eines Lasers könnte zum Beispiel bei einer höheren Leistung zur Denaturierung und zu einer anschließenden Extinktionsmessung bei geringerer Leistung verwendet werden. In diesem Fall ist tA lediglich die Zeit, in die der Laser die höhere, zur Denaturierung geeignete Leistung auf den Punkt überträgt.The energy source transmits a power suitable for denaturation to the said point during the entire time t A. For example, a laser-powered energy source could be used at higher power for denaturation and subsequent absorbance measurement at lower power. In this case, t A is merely the time the laser transmits the higher power suitable for denaturation to the point.

Falls mehrere Energiequellen zur Denaturierung verwendet werden, so bezieht sich tA vorzugsweise auf die Zeit, in der alle Energiequellen zur Denaturierung zugleich auf den Punkt einwirken. Bei der Aktivierung mehrerer Energiequellen kann häufig erst das zeitgleiche Einwirken zur Denaturierung führen.If multiple power sources are used for denaturing, so refers to the time t A is preferably in which all energy sources for denaturing at the same time acting on the point. When activating several energy sources, it is often only possible to effect the simultaneous effect of denaturation.

Der besagte Punkt ist dabei innerhalb des Teils der Probe, in der das Verfahren durchgeführt wird, so bestimmt, dass tA den größten möglichen Wert annimmt. Wenn die Erwärmung also beispielsweise von einem feststehenden Peltier-Element hervorgerufen wird, ist tA die Gesamtdauer, in der Wärme vom Peltier-Element in diesem Zyklus zu diesem Punkt fließt (typischerweise etwa die Einschaltdauer während des Heizschritts; in jedem Fall kürzer als die Zyklendauer). Wenn die Erwärmung durch einen Lichtstrahl mit dem Durchmesser d hervorgerufen wird, der mit einer Geschwindigkeit v durch das Probenvolumen geführt („gescannt”) wird, ist tA die Zeitdauer d / v während der der Lichtstrahl hierbei auf einen Punkt in der Probe einwirkt. Wenn die Erwärmung durch eine gepulste Lichtquelle hervorgerufen wird, deren Lichtstrahl während der Pulsdauer nicht relativ zur Probe bewegt wird, ist die Pulsdauer die Einwirkdauer. Wenn die Erwärmung durch eine gepulste Lichtquelle, die durch die Probe gescannt wird, hervorgerufen wird, ist die kürzere der beiden Dauern (Pulsdauer und Zeitdauer d / v ) die Einwirkdauer.The said point is determined within the part of the sample in which the method is carried out so that t A assumes the largest possible value. Thus, for example, if the heating is caused by a fixed Peltier element, t A is the total time that heat from the Peltier element flows to that point during that cycle (typically about the duty cycle during the heating step, in each case shorter than the cycle time ). When the heating is caused by a light beam of diameter d, which is scanned at a velocity v through the sample volume, t A is the time duration d / v during which the light beam acts on a point in the sample. When the heating is caused by a pulsed light source whose light beam is not moved relative to the sample during the pulse duration, the pulse duration is the exposure time. When the heating is caused by a pulsed light source being scanned by the sample, the shorter of the two durations (pulse duration and duration d / v ) the exposure time.

Die Einwirkdauer tA beträgt bei mindestens einem Durchlauf des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 10 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 20 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 40 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 80 Durchläufen des Zyklus und ganz besonders vorzugsweise bei mindestens 160 Durchläufen des Zyklus vorzugsweise mehr als 1 ps (Picosekunde), besonders vorzugsweise mehr als 30 ps, besonders vorzugsweise mehr als 100 ps, besonders vorzugsweise mehr als 300 ps, besonders bevorzugt mehr als 1 ns (Nanosekunde), besonders vorzugsweise mehr als 10 ns, besonders vorzugsweise mehr als 100 ns, besonders vorzugsweise mehr als 300 ns, besonders vorzugsweise mehr als 1 μs (Mikrosekunde), besonders vorzugsweise mehr als 3 μs, besonders vorzugsweise mehr als 10 μs.The exposure time t A is at least one pass of the cycle, more preferably at least 10 passes of the cycle, more preferably at least 20 passes of the cycle, more preferably at least 40 passes of the cycle, most preferably at least 80 passes of the cycle, and more particularly preferably at least 160 passes of the cycle, preferably more than 1 ps (picosecond), more preferably more than 30 ps, more preferably more than 100 ps, more preferably more than 300 ps, even more preferably more than 1 ns (nanosecond), most preferably more as 10 ns, particularly preferably more than 100 ns, particularly preferably more than 300 ns, particularly preferably more than 1 μs (microseconds), particularly preferably more than 3 μs, particularly preferably more than 10 μs.

Die Einwirkdauer tA beträgt bei mindestens einem Durchlauf des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 10 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 20 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 40 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 80 Durchläufen des Zyklus und ganz besonders vorzugsweise bei mindestens 160 Durchläufen des Zyklus vorzugsweise weniger als 10 s (Sekunden), besonders vorzugsweise 1 s, besonders vorzugsweise weniger als 100 ms (Millisekunden), besonders vorzugsweise weniger als 10 ms, besonders vorzugsweise weniger als 1 ms besonders vorzugsweise weniger als 500 μs, besonders vorzugsweise weniger als 100 μs, besonders vorzugsweise weniger als 50 μs, besonders vorzugsweise weniger als 10 μs. Vorzugsweise ist die Einwirkdauer tA kürzer als es im Mittel dauert, bis die Wärme, die in der Umgebung der Nanopartikeln entsteht, den mittleren Teilchenabstand diffundiert, so dass im Mittel kein signifikanter Überlapp der Wärmefronten benachbarter Teilchen stattfindet.The exposure time t A is at least one pass of the cycle, more preferably at least 10 passes of the cycle, more preferably at least 20 passes of the cycle, more preferably at least 40 passes of the cycle, most preferably at least 80 passes of the cycle, and more particularly preferably at least 160 passes of the cycle, preferably less than 10 s (seconds), more preferably 1 s, more preferably less than 100 ms (milliseconds), particularly preferably less than 10 ms, particularly preferably less than 1 ms, more preferably less than 500 μs , more preferably less than 100 microseconds, more preferably less than 50 microseconds, most preferably less than 10 microseconds. Preferably, the exposure time t A is shorter than it takes on average until the heat that arises in the vicinity of the nanoparticles, diffuses the average particle spacing, so that on average no significant overlap of the heat fronts of adjacent particles takes place.

Besonders vorzugsweise ist die Einwirkdauer tA bei mindestens einem Durchlauf des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 10 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 20 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 40 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 80 Durchläufen des Zyklus und ganz besonders vorzugsweise bei mindestens 160 Durchläufen des Zyklus so gewählt, dass die Temperaturerhöhung um jedes bestrahlten Nanopartikel herum im Mittel in einer Entfernung von 20 Nanopartikeldurchmessern, besonders vorzugsweise 2 Nanopartikeldurchmessern, ganz besonders vorzugsweise 1 Nanopartikeldurchmesser, auf weniger als die Hälfte der Temperaturerhöhung auf der Oberfläche der Nanopartikel abfällt.More preferably, the exposure time t A is at least one cycle of the cycle, more preferably at least 10 passes of the cycle, more preferably at least 20 passes of the cycle, more preferably at least 40 passes of the cycle, more preferably at least 80 passes of the cycle and most preferably at least 160 passes of the cycle chosen so that the temperature increase around each irradiated nanoparticle on average at a distance of 20 nanoparticle diameters, more preferably 2 nanoparticle diameters, most preferably 1 Nanopartikeldurchmesser, less than half the temperature increase on the surface the nanoparticles fall off.

In einer Ausführung ist eine kurze Bestrahlungsdauer pro Volumen bevorzugt, so dass ein dehybridisierter DNA-Einzelstrang während des Denaturierens nur weniger als 100 nm (Nanometer), besonders vorzugsweise weniger als 20 nm, besonders vorzugsweise weniger als 5 nm, vom Nanopartikel weg diffundieren kann. Dadurch ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass der dehybridisierte DNA-Einzelstrang an ein Oligonukleotid auf demselben Nanopartikel bindet („Rehybridisierung”). Dies kann ein beschleunigtes erfindungsgemäßes Verfahren ermöglichen. Hierfür sind Einwirkdauern tA zwischen 0,1 ns und 1000 ns vorzuziehen, besonders zwischen 1 ns und 300 ns.In one embodiment, a short irradiation time per volume is preferred so that a dehybridized single strand of DNA diffuses away from the nanoparticle during denaturation only less than 100 nm (nanometers), more preferably less than 20 nm, most preferably less than 5 nm can. This is a high probability that the dehybridized DNA single strand binds to an oligonucleotide on the same nanoparticle ("rehybridization"). This may allow for an accelerated process according to the invention. For this purpose, exposure times t A between 0.1 ns and 1000 ns are preferable, in particular between 1 ns and 300 ns.

In einer bevorzugten Ausführungsform für die Rehybridisierung ist die Konzentration der mit Primern konjugierten Nanopartikel kleiner als 10 nM, dabei beträgt das Einwirkdauer tA vorzugsweise zwischen 1 ns und 10 μs (Mikrosekunde), besonders vorzugsweise zwischen 10 ns und 1 μs und ganz besonders vorzugsweise zwischen 15 ns und 300 ns. Das Zeitintervall der Anregung wird vorzugsweise nicht wesentlich kleiner als 1 ns gewählt, da sonst die Zeit der Erwärmung des DNA-Doppelstranges nicht dazu ausreicht, dass die beiden enthaltenen Einzelstränge sich durch Diffusion ausreichend voneinander trennen können, so dass sie nicht sofort wieder miteinander hybridisieren.In a preferred embodiment for rehybridization, the concentration of primer-conjugated nanoparticles is less than 10 nM, wherein the exposure time t A is preferably between 1 ns and 10 microseconds (microsecond), more preferably between 10 ns and 1 microseconds, and most preferably between 15 ns and 300 ns. The time interval of the excitation is preferably not selected to be significantly smaller than 1 ns, since otherwise the time of heating the DNA double strand is insufficient for the two single strands contained to be sufficiently separated from one another by diffusion, so that they do not immediately hybridize again.

Die Bestrahlungszeiten pro Probenvolumen (d. h. die Zeit die ein bestimmtes Volumen je Zyklus zur Erwärmung optothermisch bestrahlt wird) liegen vorzugsweise unter 1 s/μl liegen, besonders vorzugsweise unter 0,1 s/μl, bzw. 0,01 s/μl, bzw. unter 0,001 s/μl liegen. Vorzugsweise sind die Bestrahlungszeiten pro Volumen, abhängig von der eingesetzten Strahlenquelle gleichzeitig größer als 1 ps/μl, bzw. vorzugsweise größer als 10 ps/μl, bzw. 100 ps/μl (z. B. beim Einsatz gepulster Laser), bzw. in anderen Ausführungsformen (z. B. bei Lasern im CW-Betrieb) größer als 10 ns/μl, bzw. 100 ns/μl.The irradiation times per sample volume (ie the time that a certain volume per cycle is irradiated optothermally for heating) are preferably below 1 s / μl, particularly preferably below 0.1 s / μl, or 0.01 s / μl, respectively less than 0.001 s / μl. Preferably, the irradiation times per volume, depending on the radiation source used, are simultaneously greater than 1 ps / μl, or preferably greater than 10 ps / μl, or 100 ps / μl (eg when pulsed lasers are used) other embodiments (eg lasers in CW mode) greater than 10 ns / μl, or 100 ns / μl.

Die Aufheizzeit beträgt bei mindestens einem Durchlauf des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 10 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 20 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 40 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 80 Durchläufen des Zyklus und ganz besonders vorzugsweise bei mindestens 160 Durchläufen des Zyklus vorzugsweise weniger als 100 ms, besonders vorzugsweise weniger als 10 ms, besonders vorzugsweise weniger als 1 ms, besonders vorzugsweise weniger als 100 μs, besonders vorzugsweise weniger als 50 μs, besonders vorzugsweise weniger als 10 μs, besonders vorzugsweise weniger als 5 μs, besonders vorzugsweise weniger als 1,5 μs.The heating time is at least one pass of the cycle, more preferably at least 10 passes of the cycle, more preferably at least 20 passes of the cycle, more preferably at least 40 passes of the cycle, most preferably at least 80 passes of the cycle, and most preferably at at least 160 passes of the cycle preferably less than 100 ms, more preferably less than 10 ms, particularly preferably less than 1 ms, particularly preferably less than 100 μs, particularly preferably less than 50 μs, particularly preferably less than 10 μs, particularly preferably less than 5 μs, more preferably less than 1.5 μs.

Die Aufheizzeit beträgt bei mindestens einem Durchlauf des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 10 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 20 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 40 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 80 Durchläufen des Zyklus und ganz besonders vorzugsweise bei mindestens 160 Durchläufen des Zyklus vorzugsweise mehr als 1 ns, besonders vorzugsweise mehr als 5 ns, besonders vorzugsweise mehr als 10 ns.The heating time is at least one pass of the cycle, more preferably at least 10 passes of the cycle, more preferably at least 20 passes of the cycle, more preferably at least 40 passes of the cycle, most preferably at least 80 passes of the cycle, and most preferably at at least 160 passes of the cycle, preferably more than 1 ns, particularly preferably more than 5 ns, particularly preferably more than 10 ns.

Die Abkühlzeit beträgt bei mindestens einem Durchlauf des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 10 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 20 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 40 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 80 Durchläufen des Zyklus und ganz besonders vorzugsweise bei mindestens 160 Durchläufen des Zyklus vorzugsweise weniger als 100 ms, besonders vorzugsweise weniger als 10 ms, besonders vorzugsweise weniger als 1 ms, besonders vorzugsweise weniger als 100 μs, besonders vorzugsweise weniger als 50 μs, besonders vorzugsweise weniger als 10 μs, besonders vorzugsweise weniger als 5 μs, besonders vorzugsweise weniger als bzw. 1,5 μs.The cooling time is at least one pass of the cycle, more preferably at least 10 passes of the cycle, more preferably at least 20 passes of the cycle, more preferably at least 40 passes of the cycle, most preferably at least 80 passes of the cycle, and most preferably at at least 160 passes of the cycle preferably less than 100 ms, more preferably less than 10 ms, particularly preferably less than 1 ms, particularly preferably less than 100 μs, particularly preferably less than 50 μs, particularly preferably less than 10 μs, particularly preferably less than 5 μs, more preferably less than or 1.5 μs.

Die Abkühlzeit beträgt bei mindestens einem Durchlauf des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 10 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 20 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 40 Durchläufen des Zyklus, besonders vorzugsweise bei mindestens 80 Durchläufen des Zyklus und ganz besonders vorzugsweise bei mindestens 160 Durchläufen des Zyklus vorzugsweise mehr als 1 ns, besonders vorzugsweise mehr als 5 ns, besonders vorzugsweise mehr als 10 ns.The cooling time is at least one pass of the cycle, more preferably at least 10 passes of the cycle, more preferably at least 20 passes of the cycle, more preferably at least 40 passes of the cycle, most preferably at least 80 passes of the cycle, and most preferably at at least 160 passes of the cycle, preferably more than 1 ns, particularly preferably more than 5 ns, particularly preferably more than 10 ns.

Die Aufheizzeit ist die Zeit, die vergeht, nachdem die Anregungsintensität I(t) der Lichtquelle im jeweils angeregten Volumen ihren Maximalwert erreicht hat, bis sich an jedem Punkt im angeregten Volumen eine Temperatur einstellt, die sich auch bei Verdoppelung der Einwirkdauer um maximal 3°C ändert.The heating-up time is the time that elapses after the excitation intensity I (t) of the light source has reached its maximum value in the respectively excited volume until at each point in the excited volume a temperature is established that does not exceed a maximum of 3 ° even if the exposure time is doubled C changes.

Die Abkühlzeit ist die Zeitdauer nach dem Abschaltzeitpunkt der anregenden Lichtquelle, die vergeht bis sich an jedem Punkt im betrachteten Volumen eine Temperatur einstellt, die um maximal 3°C von der Temperatur vor der Einwirkung abweicht.The cooling time is the period of time after the switch-off time of the exciting light source, which elapses until at each point in the considered volume a temperature is set that deviates by a maximum of 3 ° C from the temperature before the action.

Der Abschaltzeitpunkt toff der anregenden Lichtquelle wird definiert als der Zeitpunkt, an dem die Anregungsintensität I im betrachteten Volumen auf weniger als 5% der maximalen Anregungsintensität zurückgegangen ist (z. B. nach dem Puls eines Lasers). The switch-off time t off of the exciting light source is defined as the time at which the excitation intensity I in the considered volume has decreased to less than 5% of the maximum excitation intensity (eg after the pulse of a laser).

Bestimmung der Aufheiz- und Abkühlzeit: Die zeitliche Temperaturentwicklung im Abstand r vom Zentrum eines Nanopartikels mit Radius rNP erhält man durch numerisches Lösen der Wärmeleitungsgleichung in einer genügend großen Wasserkugel mit Radius rMax um das Nanopartikel, wobei das Nanopartikel selbst aus dem Simulationsbereich heraus genommen wird. Durch Ausnutzen der Kugelsymmetrie ergibt sich eine eindimensionale radiale Wärmeleitungsgleichung im Bereich rNP bis rMax, t > 0: α / r²∂r(r2·∂rT(r, t)) = ∂tT(r, t), wobei T(r, t) die Temperatur an der Stelle r zur Zeit t ist und α die thermische Diffusivität des Wassers bezeichnet (α = 1,43·10–7 m2/s).Determination of the heating and cooling time: The temporal temperature development at distance r from the center of a nanoparticle with radius rNP is obtained by numerically solving the heat equation in a sufficiently large water sphere with radius rMax around the nanoparticle, whereby the nanoparticle itself is taken out of the simulation range. By exploiting the ball symmetry, a one-dimensional radial heat equation results in the range rNP to rMax, t> 0: α / r²∂ r (r 2 · ∂ r T (r, t)) = ∂ t T (r, t), where T (r, t) is the temperature at point r at time t and α denotes the thermal diffusivity of the water (α = 1.43 · 10 -7 m 2 / s).

Als Startbedingung setzt man die Temperatur des umgebenden Mediums vor der optischen Anregung auf T0: T(r, 0) = T0.As a starting condition, the temperature of the surrounding medium is set to T 0 before the optical excitation: T (r, 0) = T 0 .

Die Randbedingungen an den Stellen rNP und rMax werden wie folgt gesetzt: An der Stelle r = rNP erhält man die Steigung des Temperaturverlaufs zum Zeitpunkt t aus der absorbierten Leistung des Nanopartikels zum Zeitpunkt t (Neumann Randbedingung): ∂rT(rNP, t) = P(t)/(4·π·rNP2·k), wobei P(t) die durch das Nanopartikel aufgenommene Leistung und k die thermische Leitfähigkeit von Wasser (k = 0.6 W/(m·K)) ist. Die absorbierte Leistung berechnet sich aus P(t) = I(t)·σ, mit I(t) der zeitabhängigen Anregungsintensität der Lichtquelle und dem Absorptionsquerschnitt des Partikels σ. (D. h. I(t) wäre beispielsweise – so lange die Fokusgröße nicht verändert wird – für einen CW-Laser eine Konstante, und für einen gepulsten Laser würde I(t) die zeitabhängige Pulsform wiedergeben).The boundary conditions at the positions rNP and rMax are set as follows: At the position r = rNP, the slope of the temperature profile at time t is obtained from the absorbed power of the nanoparticle at time t (Neumann boundary condition): ∂ r T (rNP, t) = P (t) / (4 · π · rNP 2 · k), where P (t) is the power absorbed by the nanoparticle and k is the thermal conductivity of water (k = 0.6 W / (m · K)). The absorbed power is calculated from P (t) = I (t) · σ, with I (t) the time-dependent excitation intensity of the light source and the absorption cross-section of the particle σ. For example, (i.e., I (t) would be a constant for a CW laser as long as the focus size is not changed, and for a pulsed laser I (t) would represent the time-dependent pulse shape).

An der Stelle rMax wird die Temperatur konstant gehalten (T(rMax, t)) = T0, Dirichlet Randbedingung). Für rNP < 100 nm wählt man zum Beispiel rMax ≥ 10000 nm. Die thermische Diffusivität und thermische Leitfähigkeit des Wasser wird als konstant angenommen. Allgemein gilt α = k/(C·ρ), mit C der spezifischen Wärmekapazität und ρ der Dichte von Wasser.At temperature rMax the temperature is kept constant (T (rMax, t)) = T 0 , Dirichlet boundary condition). For rNP <100 nm, for example, one chooses rMax ≥ 10000 nm. The thermal diffusivity and thermal conductivity of the water is assumed to be constant. In general, α = k / (C · ρ), where C is the specific heat capacity and ρ is the density of water.

Mittels geeigneter Programme zum numerischen Lösen solcher partieller Differentialgleichungen (z. B. mit dem Befehl NSolve in Mathematica, etc.) kann dann obige Wämeleitungsgleichung gelöst werden und man erhält Werte für die Temperatur als Funktion des Ortes und der Zeit, T(r, t).By means of suitable programs for the numerical solving of such partial differential equations (eg with the command NSolve in Mathematica, etc.) the above-described heat conduction equation can then be solved and values for the temperature as a function of location and time, T (r, t ).

Beispielsweise erhält man für ein sphärisches Gold-Nanopartikel mit rNP = 30 nm, das mit einer konstanten Intensität von 1 kW/mm2 bei 532 nm Wellenlänge für eine Dauer von 100 ns angeregt wird für einen Starttemperatur von T0 = 30°C folgende Werte: T(r = 30 nm, t = 20 ns) = 70°C, T(r = 30 nm, t = 100 ns) = 78°C, T(r = 30 nm, t = 120 ns) = 36°C, T(r = 40 nm, t = 20 ns) = 56°C, T(r = 40 nm, t = 100 ns) = 64°C, T(r = 40 nm, t = 120 ns) = 36°C.For example, for a spherical gold nanoparticle with rNP = 30 nm, which is excited at a constant intensity of 1 kW / mm 2 at 532 nm wavelength for a period of 100 ns, the following values are obtained for a starting temperature of T 0 = 30 ° C. T (r = 30 nm, t = 20 ns) = 70 ° C, T (r = 30 nm, t = 100 ns) = 78 ° C, T (r = 30 nm, t = 120 ns) = 36 ° C, T (r = 40 nm, t = 20 ns) = 56 ° C, T (r = 40 nm, t = 100 ns) = 64 ° C, T (r = 40 nm, t = 120 ns) = 36 ° C.

Zur Ermittlung der erfindungsgemäßen Aufheizzeit wird T(r, t) für verschiedene Zeiten ausgewertet. Die Aufheizzeit ist dann die kürzeste Zeit tauf für die gilt |T(r, tauf) – T(r, 2·tauf)| ≤ 3°C mit r ∊ [rNP; rMAX], d. h. der Betrag der Differenz der Temperaturverteilung für die Zeitpunkte tauf und 2tauf muss für alle Punkte außerhalb des Nanopartikels kleiner 3°C sein.To determine the heating time according to the invention T (r, t) is evaluated for different times. The heating time is then the shortest time t for true | T (r, t on) - T (r, 2 * t on) | ≤ 3 ° C with r ε [rNP; rMAX], ie the amount of the difference of the temperature distribution for the times t on and 2t on must be less than 3 ° C for all points outside the nanoparticle.

Die Abkühlzeit ergibt sich als Differenz tx – toff, wobei tx die kürzeste Zeit ist, für die gilt |T(r, tx) – T0| ≤ 3°C mit r ∊ [rNP; rMAX] und tx > toff.The cooling time is given as the difference t x - t off , where t x is the shortest time for which | T (r, t x ) -T 0 | ≤ 3 ° C with r ε [rNP; rMAX] and t x > t off .

Vorzugsweise ist die Konzentration des Amplikons, das in dem Verfahren vervielfältigt werden soll, zu Beginn des Verfahrens größer als 10–23 M (Mol/Liter), besonders vorzugsweise größer als 10–21 M, besonders vorzugsweise größer als 10–20 M, besonders vorzugsweise größer als 10–19 M. Durch diese Ausführung der Erfindung kann vorteilhaft erreicht werden, dass die Vervielfältigung ausreichend sensitiv ist, um eine zum Nachweis geeignete Menge von Vervielfältigungsprodukten herzustellen.Preferably, the concentration of the amplicon to be amplified in the process at the beginning of the process is greater than 10 -23 M (mol / liter), more preferably greater than 10 -21 M, particularly preferably greater than 10 -20 M, especially preferably greater than 10 -19 M. By this embodiment of the invention can be advantageously achieved that the duplication is sufficiently sensitive to produce a suitable amount of detection amplification products.

Vorzugsweise ist die Konzentration des Amplikons, das in dem Verfahren vervielfältigt werden soll, zu Beginn des Verfahrens kleiner als 1 nM (Nanomol/Liter), besonders vorzugsweise kleiner als 30 pM (Pikoomol/Liter), besonders vorzugsweise kleiner als 900 (Femtomol/Liter), besonders vorzugsweise kleiner als 800 fM (Femtomol/Liter), besonders vorzugsweise kleiner als 500 fM (Femtomol/Liter), besonders vorzugsweise kleiner als 100 fM, besonders vorzugsweise kleiner als 30 fM. Durch diese Ausführung der Erfindung kann vorteilhaft verhindert werden, dass die Vervielfältigung bereits vor ihrem Ende eine Sättigung erreicht.Preferably, the concentration of the amplicon to be amplified in the process at the beginning of the process is less than 1 nM (nanomoles / liter), more preferably less than 30 pM (pico moles / liter), even more preferably less than 900 (femtomoles / liter ), more preferably less than 800 fM (femtomole / liter), more preferably less than 500 fM (femtomole / liter), more preferably less than 100 fM, more preferably less than 30 fM. By this embodiment of the invention can be advantageously prevented that the duplication reached saturation before its end.

Vorzugsweise ist die Anzahl der Amplikons, das in dem Verfahren vervielfältigt werden soll, zu Beginn des Verfahrens kleiner als 500.000, besonders vorzugsweise kleiner als 200.000, besonders vorzugsweise kleiner als 100.000, besonders vorzugsweise kleiner als 10.000. Durch diese Ausführung der Erfindung kann vorteilhaft verhindert werden, dass die Vervielfältigung bereits vor ihrem Ende eine Sättigung erreicht.Preferably, the number of amplicons to be amplified in the process at the beginning of the process is less than 500,000, more preferably less than 200,000, most preferably less than 100,000, most preferably less than 10,000. By this embodiment of the invention can be advantageously prevented that the duplication reached saturation before its end.

In einer Ausführung der Erfindung werden die Nukleinsäuren mittels einer Polymerase-Kettenreaktion (PCR), bei der ein Zyklus bestehend aus den Schritten Denaturierung, Annealing und Elongation wiederholt durchlaufen wird, vervielfältigt.In one embodiment of the invention, the nucleic acids are amplified by means of a polymerase chain reaction (PCR), in which a cycle consisting of the steps denaturation, annealing and elongation is repeated.

Der Zyklus kann so oft durchlaufen werden, bis das gewünschte Ausmaß der Vervielfältigung erreicht ist. Die Anzahl der Durchläufe des Zyklus der Polymerase-Kettenreaktion ist vorzugsweise größer als 45, besonders vorzugsweise größer als 60, besonders vorzugsweise größer als 80, besonders vorzugsweise größer als 100, besonders vorzugsweise größer als 120, besonders vorzugsweise größer als 160, besonders vorzugsweise größer als 200. Mit einer großen Anzahl von Durchläufen kann vorteilhafterweise eine besonders hohe Vervielfältigung erreicht werden.The cycle can be run so many times until the desired amount of duplication is achieved. The number of passes of the polymerase chain reaction cycle is preferably greater than 45, more preferably greater than 60, more preferably greater than 80, more preferably greater than 100, more preferably greater than 120, most preferably greater than 160, most preferably greater than 200. With a large number of passes advantageously a particularly high duplication can be achieved.

Die Anzahl der Durchläufe des Zyklus der Polymerase-Kettenreaktion ist vorzugsweise kleiner als 1000, besonders vorzugsweise kleiner als 750, besonders vorzugsweise kleiner als 500. Mit einer nicht zu hohen Zahl von Durchläufen des Zyklus kann vorteilhafterweise die Dauer der Vervielfältigung verringert werde. Außerdem können vorteilhafterweise negative Einflüsse von Verunreinigungen oder des Verbrauchs oder der Beschädigung von Reaktionspartnern, wie beispielsweise einer bei dem Verfahren eingesetzten Polymerase, gering gehalten werden.The number of cycles of the polymerase chain reaction cycle is preferably less than 1000, more preferably less than 750, most preferably less than 500. With a not too high number of passes of the cycle, advantageously the duration of duplication may be reduced. In addition, advantageously, the negative effects of contaminants or the consumption or damage of reactants, such as a polymerase used in the process can be kept low.

Vorzugsweise verwendet die PCR mit Primern konjugierte Nanopartikel. Beim Durchführen der PCR entstehen so vorzugsweise doppelsträngige PCR-Produkte, wobei jeweils mindestens ein Einzelstrang der doppelsträngigen PCR-Produkte mit einem Nanopartikel konjugiert ist. Durch Anregung der Nanopartikel ist es in dieser Ausführungsform mit Vorteil erreichbar, die Denaturierungstemperatur um die Nanopartikel zu erzeugen und das Denaturieren der doppelsträngigen PCR-Produkte durchzuführen, ohne das gesamte Reaktionsvolumen zu erhitzen. Dadurch kann das Denaturieren beschleunigt werden und so die PCR schneller ablaufen. In einer weiteren bevorzugten Ausführung werden auch die Annealingtemperatur und die Elongationstemperatur durch die Anregung der Nanopartikel erzeugt. So muss vorzugsweise im Vergleich zur Erhitzung der ganzen Probe auf die Annealing- und Elongationstemperatur nur eine geringe Energie übertragen werden. Besonders bevorzugt findet Denaturieren, Annealing und Elongation der PCR ohne ein globales Erhitzen, sondern ausschließlich über ein lokales Erhitzen durch Anregung der Nanopartikel statt. Dadurch kann das Verfahren ohne eine Einrichtung zum globalen Erhitzen durchgeführt werden, so dass ein geringerer apparativer Aufwand zur Durchführung des Verfahrens benötigt wird.Preferably, the PCR uses primers conjugated nanoparticles. When carrying out the PCR, double-stranded PCR products thus preferably arise, wherein in each case at least one single strand of the double-stranded PCR products is conjugated to a nanoparticle. By excitation of the nanoparticles, it is advantageously achievable in this embodiment to generate the denaturation temperature around the nanoparticles and to perform the denaturation of the double-stranded PCR products without heating the entire reaction volume. This can accelerate the denaturing and thus the PCR run faster. In a further preferred embodiment, the annealing temperature and the elongation temperature are also generated by the excitation of the nanoparticles. Thus, preferably only a small amount of energy has to be transferred to the annealing and elongation temperature compared to heating the whole sample. Particularly preferably, denaturation, annealing and elongation of the PCR takes place without global heating, but exclusively via local heating by excitation of the nanoparticles. As a result, the method can be carried out without a means for global heating, so that less equipment is required to carry out the method.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung umfasst das Verfahren einen globalen Erhitzungsschritt. Dabei wird die Temperatur mindestens eines Verfahrensschritts zumindest teilweise durch globales Erhitzen erreicht. In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Verfahren eine PCR und die Annealingtemperatur wird durch globales Erhitzen des Reaktionsvolumens erreicht. Ganz besonders vorzugsweise wird das Reaktionsvolumen über das ganze Verfahren hinweg durch globales Erhitzen in einem vorbestimmten Temperaturbereich gehalten, in dem das Annealing stattfindet. Dabei werden die Elongationstemperatur und die Denaturierungstemperatur durch Anregung der Nanopartikel erreicht. So kann mit Vorteil die Einrichtung, die das globale Erhitzen erzeugt, in ihrer Konstruktion sehr einfach gehalten werden, da sie nur eine vorbestimmte Temperatur halten muss.In a further preferred embodiment, the method comprises a global heating step. In this case, the temperature of at least one process step is at least partially achieved by global heating. In a particularly preferred embodiment of the invention, the method is a PCR and the annealing temperature is achieved by globally heating the reaction volume. Most preferably, the reaction volume is maintained throughout the process by global heating within a predetermined temperature range in which annealing occurs. The elongation temperature and the denaturation temperature are achieved by excitation of the nanoparticles. Thus, advantageously, the device that generates the global heating can be kept very simple in construction because it only needs to hold a predetermined temperature.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird die Annealingtemperatur und die Elongationstemperatur durch globales Erhitzen erreicht und ausschließlich das Denaturieren durch Anregung der Nanopartikel erzeugt. So kann mit Vorteil erreicht werden, dass die Einrichtung, die das globale Erhitzen hervorruft, einen Temperaturzyklus mit nur zwei unterschiedlichen Temperaturen erzeugen muss und damit konstruktiv einfach gehalten werden kann. Die Elongation und das Annealing finden gewöhnlich jeweils in einem engen Temperaturbereich statt. Dahingegen muss zum Denaturieren nur eine bestimmte Temperatur übertroffen werden. Daher können Inhomogenitäten in der Anregung der Nanopartikel zur Erzeugung des Denaturierens ein geringeres Problem sein als beim Einstellen der Annealing- und Elongationstemperatur. Folglich kann eine bevorzugte Ausführung, in der die Anregung der Nanopartikel ausschließlich zum Denaturieren dient, technisch einfacher realisiert werden. Insbesondere gilt dies für den besonders bevorzugten Fall, in dem die Annealingtemperatur und die Elongationstemperatur sehr nah beieinander liegen, z. B. bei einer Annealingtemperatur von 60°C und einer Elongationstemperatur von 72°C, so dass das globale Erhitzen nur eine geringe Temperaturerhöhung erzeugen muss.In a further preferred embodiment, the annealing temperature and the elongation temperature are achieved by global heating and exclusively the denaturation is generated by excitation of the nanoparticles. So can be achieved with advantage that the device that causes the global heating, must produce a temperature cycle with only two different temperatures and thus structurally simple can be kept. The elongation and the annealing usually take place each in a narrow temperature range. On the other hand, only a certain temperature has to be exceeded for denaturing. Therefore, inhomogeneities in the excitation of the nanoparticles to produce the denaturation may be less of a problem than setting the annealing and elongation temperature. Consequently, a preferred embodiment, in which the excitation of the nanoparticles exclusively serves for denaturing, can be realized in a technically simpler manner. This applies in particular to the particularly preferred case in which the annealing temperature and the elongation temperature are very close together, e.g. B. at an annealing temperature of 60 ° C and a elongation temperature of 72 ° C, so that the global heating must produce only a small increase in temperature.

In einer besonders bevorzugten Ausbildung ist die Annealingtemperatur gleich der Elongationstemperatur. Dabei ist das Verfahren als PCR ausgeführt. Wenn die Annealingtemperatur gleich der Elongationstemperatur ist, so ist gewöhnlich zur Durchführung der PCR nur ein Temperaturzyklus mit zwei unterschiedlichen Temperaturen nötig, wodurch das Verfahren in einem einfachen Aufbau durchgeführt werden kann. Besonders vorzugsweise werden die Schmelztemperaturen der Primer und die verwendete DNA-Polymerase so gewählt, dass bei der Schmelztemperatur die verwendete DNA-Polymerase noch mit ausreichender Geschwindigkeit DNA synthetisieren kann. In einer besonders bevorzugten Ausbildung wird die Elongationstemperatur, die gleich der Annealingtemperatur ist, durch globales Erhitzen erreicht und das Denaturieren wird durch Anregung der Nanopartikel erreicht. Auf diese Weise kann die Einrichtung, die das globale Erhitzen hervorruft, konstruktiv einfach gestaltet werden, da sie nur eine Temperatur halten muss.In a particularly preferred embodiment, the annealing temperature is equal to the elongation temperature. The procedure is carried out as a PCR. If the annealing temperature is equal to the elongation temperature, usually only one temperature cycle with two different temperatures is necessary to carry out the PCR, whereby the process can be carried out in a simple structure. Particularly preferably, the melting temperatures of the primer and the DNA polymerase used are chosen so that at the melting temperature, the DNA polymerase used can still synthesize DNA at a satisfactory rate. In a particularly preferred embodiment, the elongation temperature, which is equal to the annealing temperature, is achieved by global heating and the denaturation is achieved by excitation of the nanoparticles. In this way, the device that causes global heating can be made structurally simple because it only needs to maintain one temperature.

In einer bevorzugten Ausführung findet zu jedem Zeitpunkt des Verfahrens die Anregung nur eines Anteils der Nanopartikel statt. Dazu können z. B. die Mittel, die der Anregung der Nanopartikel dienen, so gestaltet sein, dass sie nur in einem Teil des Reaktionsvolumens die dort vorliegenden Nanopartikel anregen. In einer besonders bevorzugten Ausführung werden die Nanopartikel durch einen Laser optisch angeregt und die Optik, die das Licht des Lasers in das Reaktionsvolumen leitet, ist so gestaltet, dass nur in einen Teil des Reaktionsvolumens Licht geleitet wird. Der Anteil der Nanopartikel, der angeregt wird, ändert sich bevorzugt im Laufe des Verfahrens. Mit anderen Worten ist eine erste Menge der Nanopartikel, die zu einem ersten Zeitpunkt angeregt werden, nicht identisch mit einer zweiten Menge der Nanopartikel, die zu einem zweiten Zeitpunkt angeregt werden. In diesem Fall können eine beliebige Zahl von Nanopartikeln in der ersten und eine beliebige Zahl von Nanopartikeln in der zweiten Menge vorhanden sein, solange erste und zweite Menge nicht identisch sind. Von den beiden genannten Mengen kann sich z. B. eine mit der anderen teilweise überschneiden, so dass die beiden Mengen eine Schnittmenge bilden. Die eine Menge kann z. B. eine Teilmenge der anderen Menge sein, so dass die eine Menge weniger Nanopartikel enthält als die andere Menge. Die beiden Mengen können z. B. auch so gestaltet sein, dass sie keine Schnittmenge bilden und damit kein Nanopartikel zugleich in der ersten Menge als auch in der zweiten Menge vorhanden ist. Eine der beiden Mengen kann auch die leere Menge sein, so dass z. B. zu einem Zeitpunkt Nanopartikel angeregt werden und zu einem anderen Zeitpunkt keine Nanopartikel angeregt werden. In einer bevorzugten Ausführung enthalten die erste und die zweite Menge im Wesentlichen die gleiche Anzahl von Nanopartikeln. Besonders vorzugsweise regt ein Laser zu verschiedenen Zeiten verschiedene Anteile der Nanopartikel an. Dadurch kann in der Ausführung des Verfahrens ein Laser mit einer kleineren Leistung verwendet werden, die gerade dazu ausreicht, einen Anteil der Nanopartikel anzuregen. In einer besonders bevorzugten Ausführung werden zwei oder mehrere Laser dazu verwendet, verschiedene Anteile der Nanopartikel anzuregen. Dadurch ist es mit Vorteil möglich, verschiedene Anteile der Nanopartikel anzuregen, ohne dass ein optisches Element benötigt wird, das den Laser auf verschiedene Teile des Reaktionsvolumens richtet.In a preferred embodiment, the excitation of only a portion of the nanoparticles takes place at any point in the process. These can z. For example, the means which serve to excite the nanoparticles can be designed such that they excite the nanoparticles present there only in a part of the reaction volume. In a particularly preferred embodiment, the nanoparticles are optically excited by a laser and the optics which directs the light of the laser into the reaction volume are designed so that light is conducted only in a part of the reaction volume. The fraction of nanoparticles that is excited preferably changes during the course of the process. In other words, a first amount of the nanoparticles that are excited at a first time is not identical to a second amount of the nanoparticles that are excited at a second time. In this case, any number of nanoparticles in the first and any number of nanoparticles in the second amount may be present as long as the first and second amounts are not identical. Of the two mentioned amounts can z. B. one with the other partially overlap, so that the two sets form an intersection. The one lot can z. B. may be a subset of the other amount, so that contains a lot less nanoparticles than the other amount. The two quantities can z. B. also be designed so that they do not form an intersection and thus no nanoparticles at the same time in the first amount and in the second amount is present. One of the two quantities can also be the empty amount, so that z. For example, nanoparticles can be excited at one time, and nanoparticles can not be excited at another time. In a preferred embodiment, the first and second amounts contain substantially the same number of nanoparticles. Particularly preferably, a laser excites different proportions of the nanoparticles at different times. As a result, in the embodiment of the method, a laser with a smaller power can be used which is just sufficient to excite a proportion of the nanoparticles. In a particularly preferred embodiment, two or more lasers are used to excite different portions of the nanoparticles. As a result, it is advantageously possible to excite different proportions of the nanoparticles without the need for an optical element which directs the laser to different parts of the reaction volume.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung findet eine gerichtete Bewegung der Probe relativ zu einem anregenden Feld statt, so dass zu verschiedenen Zeiten Nanopartikel in verschiedenen Teilvolumina der Probe angeregt werden. Besonders bevorzugt ist das anregende Feld das Licht eines Lasers. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführung wird das Licht des Lasers durch ein optisches Element so gelenkt, dass zu verschiedenen Zeiten Nanopartikel in verschiedenen Teilvolumina des Reaktionsvolumens mit dem Licht angeregt werden. Das optische Element kann dazu beweglich angeordnet sein, z. B. kann das optische Element einen beweglichen Spiegel, einen räumlichen Modulator oder einen akustooptischen Modulator enthalten. Es kann auch der Laser selbst beweglich angeordnet sein. Die Bewegung der Probe kann auch so realisiert werden, dass das Reaktionsgefäß, das die Probe enthält, bewegt wird. In einer besonders bevorzugten Ausführung wird sowohl der Laserstrahl als auch das Reaktionsgefäß bewegt. In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird die Probe im Reaktionsvolumen bewegt, so dass das Licht des Lasers zu verschiedenen Zeiten verschiedene Teilvolumina der Probe erfasst. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass die Probe in dem Reaktionsvolumen durchmischt wird, z. B. durch einen Magnetrührer. Das Reaktionsvolumen kann z. B. eine langgestreckte Form annehmen, z. B. ein Kanal oder einen Schlauch. Die Probe kann z. B. durch einen Kanal bewegt werden, wobei die Probe an einer oder mehreren Stellen einen Laserstrahl durchläuft. Besonders vorzugsweise fließt eine Probe durch einen Kanal und passiert n Positionen, an denen jeweils ein Laserstrahl auf die Probe in dem Kanal gerichtet ist, wobei durch den linearen Fluss der Probe durch die n Laserstrahlen eine PCR mit n Zyklen durchlaufen wird. So kann vorteilhafterweise das Verfahren mit einer geringen Anzahl von beweglichen Teilen ausgeführt werden. Durch die Verwendung eines Kanals ist auch eine Miniaturisierung, z. B. im Sinne eines Lab-on-a-Chip möglich. Vorzugsweise wird durch den Laserstrahl das Denaturieren erzeugt, während Elongations- und Annealingtemperatur durch globales Erhitzen erzeugt werden. Besonders bevorzugt ist die Elongations- gleich der Annealingtemperatur, so dass durch globales Erhitzen nur eine Temperatur gehalten werden muss. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise mit einem geringen Aufwand ausgeführt werden.In a further preferred embodiment of the invention, a directed movement of the sample takes place relative to a stimulating field, so that at different times nanoparticles are excited in different partial volumes of the sample. Particularly preferably, the exciting field is the light of a laser. In a very particularly preferred embodiment, the light of the laser is directed by an optical element such that at different times nanoparticles in different subvolumes of the reaction volume are excited by the light. The optical element may be arranged to be movable, for. For example, the optical element may include a movable mirror, a spatial modulator or an acousto-optic modulator. It can also be arranged to be movable itself the laser. The movement of the sample can also be realized by moving the reaction vessel containing the sample. In a particularly preferred embodiment, both the laser beam and the reaction vessel is moved. In a further preferred embodiment, the sample is moved in the reaction volume, so that the light of the laser detects different partial volumes of the sample at different times. This can be z. B. be achieved in that the sample is mixed in the reaction volume, z. B. by a magnetic stirrer. The reaction volume can, for. B. assume an elongated shape, for. As a channel or a hose. The sample can z. B. are moved through a channel, wherein the sample passes through a laser beam at one or more locations. More preferably, a sample flows through a channel and passes n positions at which a laser beam is directed at the sample in the channel, whereby the linear flow of the sample through the n laser beams passes through n-cycle PCR. Thus, advantageously, the method can be carried out with a small number of moving parts. By using a channel, miniaturization, e.g. B. in the sense of a lab-on-a-chip possible. Preferably, by the laser beam denaturing is produced while elongation and annealing temperatures are generated by global heating. The elongation equal to the annealing temperature is particularly preferred, so that only one temperature must be maintained by global heating. In this way, the inventive method can be advantageously carried out with little effort.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird in dem Verfahren eine DNA-Polymerase verwendet, die thermolabil ist. In dem Fall, dass die Anregung der Nanopartikel zum Denaturieren verwendet wird, kann vermieden werden, dass das ganze Reaktionsvolumen hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Es ist vielmehr möglich, nur die unmittelbare Umgebung der Nanopartikel auf die Denaturierungstemperatur zu bringen. Die DNA-Polymerasen, die sich nicht in dieser unmittelbaren Umgebung befinden, werden so keinen hohen Temperaturen ausgesetzt. Dadurch ist es möglich, auch DNA-Polymerasen zu verwenden, die nicht hitzestabil, also thermolabil sind. Somit besteht durch den Einschluss der thermolabilen DNA-Polymerasen eine größere Auswahl an Polymerasen für das erfindungsgemäße Verfahren. Durch die größere Auswahl an DNA-Polymerasen können die Reaktionsbedingungen in einem größeren Ausmaß verändert werden und gleichzeitig eine ausreichende Funktion der jeweiligen DNA-Polymerase aufrechterhalten werden. Damit die zu vervielfältigenden Nukleinsäuren an die negativ geladenen Oligonukleotide auf den Nanopartikeln binden können, kann es notwendig sein, Stoffe – insbesondere Salze – in der Probe in einer Konzentration zu verwenden, die die Funktion einer thermostabilen DNA-Polymerase negativ beeinflussen, was die Effizienz des Verfahrens senkt. Die größere Auswahl an DNA-Polymerasen – insbesondere solchen, die eine hohe Toleranz für Salze haben – kann so dazu führen, dass eine Steigerung der Effizienz des Verfahrens erreicht wird. Teil der größeren Auswahl an DNA-Polymerasen sind kleine DNA-Polymerasen wie z. B. das Klenow-Fragment und Phi29. In der Nähe der Nanopartikel können große thermostabile DNA-Polymerasen durch die aufgebrachten und gegebenenfalls bereits elongierten Primer eine sterische Hinderung erfahren. Dadurch kann es sein, dass die DNA-Polymerase nicht an die zu kopierende Nukleinsäure gelangt oder die DNA-Polymerase abbricht, bevor sie eine vollständige Kopie des Originals oder Komplements synthetisiert hat, was eine Verringerung der Effizienz des Verfahrens bedeutet. Die größere Auswahl an DNA-Polymerasen ermöglicht so eine Erhöhung der Effizienz des Verfahrens. Durch die größere Auswahl an DNA-Polymerasen stehen mit Vorteil auch Enzyme mit niedrigeren Herstellungskosten zur Verfügung. Die DNA-Polymerasen, die sich nicht in der unmittelbaren Umgebung der Nanopartikel befinden, erfahren eine geringere hitzebedingte Deaktivierung. Dadurch kann mit Vorteil eine geringere Menge an DNA-Polymerase in dem Verfahren eingesetzt werden.In a preferred embodiment, the method uses a DNA polymerase which is thermolabile. In the case where the excitation of the nanoparticles is used for denaturation, it can be avoided that the entire reaction volume is exposed to high temperatures. Rather, it is possible to bring only the immediate environment of the nanoparticles to the denaturation temperature. The DNA polymerases that are not in this immediate environment are thus not exposed to high temperatures. This makes it possible to use DNA polymerases that are not heat stable, that are thermolabile. Thus, by including the thermolabile DNA polymerases, a greater variety of polymerases is available for the process of the present invention. The greater variety of DNA polymerases allows the reaction conditions to be altered to a greater extent while maintaining sufficient function of the particular DNA polymerase. In order that the nucleic acids to be amplified can bind to the negatively charged oligonucleotides on the nanoparticles, it may be necessary to use substances - in particular salts - in the sample in a concentration which adversely affect the function of a thermostable DNA polymerase, which increases the efficiency of the Method lowers. The greater variety of DNA polymerases - especially those that have a high tolerance for salts - can thus lead to an increase in the efficiency of the process is achieved. Part of the wider range of DNA polymerases are small DNA polymerases such. The Klenow fragment and Phi29. In the vicinity of the nanoparticles, large thermostable DNA polymerases can be sterically hindered by the applied and optionally already elongated primers. As a result, the DNA polymerase may not get to the nucleic acid to be copied or break off the DNA polymerase before synthesizing a complete copy of the original or complement, which means a reduction in the efficiency of the process. The greater choice of DNA polymerases thus allows an increase in the efficiency of the process. Due to the larger selection of DNA polymerases, enzymes with lower production costs are also advantageously available. The DNA polymerases that are not in the immediate vicinity of the nanoparticles undergo less heat-induced deactivation. As a result, a smaller amount of DNA polymerase can advantageously be used in the process.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind sowohl lösliche Primer als auch Primer auf Nanopartikeln in dem Reaktionsvolumen vorhanden. Die löslichen Primer sind nicht an Nanopartikel konjugiert, sondern liegen gelöst in der Probe vor. Die löslichen Primer haben vorzugsweise kleinere Ausmaße als die Nanopartikel-Primer-Konjugate und können in höherer Konzentration als die Nanopartikel-Primer-Konjugate vorliegen. Daher können die löslichen Primer einen besseren und schnelleren Zugang zu langen, doppelsträngigen Nukleinsäuren, wie z. B. genomischer DNA haben. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden in einem ersten Schritt des Verfahrens die langen, doppelsträngigen Nukleinsäuren durch globales Erhitzen des gesamten Reaktionsvolumens denaturiert, woraufhin die gelösten Primer mit den Nukleinsäuren hybridisieren. Die PCR läuft dabei zunächst in einem oder mehreren Zyklen bei globalem Erhitzen ab, dabei synthetisiert die DNA-Polymerase die gewünschten, kurzen Kopien der langen, doppelsträngigen Nukleinsäuren. Danach wird die PCR fortgeführt, wobei auch lokales Erhitzen durch Anregung der Nanopartikel eingesetzt wird.In a preferred embodiment of the invention, both soluble primers and primers on nanoparticles are present in the reaction volume. The soluble primers are not conjugated to nanoparticles but are present dissolved in the sample. The soluble primers are preferably smaller in size than the nanoparticle-primer conjugates and can be in higher concentration than the nanoparticle-primer conjugates. Therefore, the soluble primers can provide better and faster access to long, double-stranded nucleic acids, such as. B. have genomic DNA. In a particularly preferred embodiment, in a first step of the method, the long, double-stranded nucleic acids are denatured by globally heating the entire reaction volume, whereupon the dissolved primers hybridize with the nucleic acids. The PCR initially takes place in one or more cycles of global heating, while the DNA polymerase synthesizes the desired, short copies of the long, double-stranded nucleic acids. Thereafter, the PCR is continued, with local heating by excitation of the nanoparticles is also used.

Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures

Es zeigen:Show it:

1 in einer schematischen Darstellung die erfindungsgemäßen Nanopartikel, die mit Füllmolekülen, Spacersequenzen, abasischen Modifikationen und Primersequenzen konjugiert sind; 1 in a schematic representation, the nanoparticles according to the invention, which are conjugated with filling molecules, spacer sequences, abasic modifications and primer sequences;

2 in einer weiteren schematischen Darstellung die erfindungsgemäßen Nanopartikel, die mit Füllmolekülen, Spacersequenzen, abasischen Modifikationen und Primersequenzen konjugiert sind; 2 in a further schematic representation, the nanoparticles according to the invention which are conjugated with filling molecules, spacer sequences, abasic modifications and primer sequences;

3 in einer schematischen Darstellung einen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Laser, einem zweidimensionalen Spiegelscanner und einer Probe; 3 in a schematic representation of a structure for carrying out the method according to the invention with a laser, a two-dimensional mirror scanner and a sample;

4 in einer schematischen Darstellung einen weiteren Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Laser, einem Spiegel und einer relativ zum Laserstrahl bewegten Probe; 4 in a schematic representation of a further structure for carrying out the method according to the invention with a laser, a mirror and a relative to the laser beam moving sample;

5 in einer schematischen Darstellung einen weiteren Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Laser, einem eindimensionalen Spiegelscanner und einer eindimensional bewegten Probe; 5 in a schematic representation of another structure for carrying out the method according to the invention with a laser, a one-dimensional mirror scanner and a one-dimensional moving sample;

6 in einer schematischen Darstellung die erfindungsgemäßen Nanopartikel und die erfindungsgemäßen Testsonden zum positiven Nachweis von DNA; 6 in a schematic representation, the nanoparticles according to the invention and the test probes according to the invention for the positive detection of DNA;

7 in einer schematischen Darstellung einen weiteren Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Laser, einem zweidimensionalen Spiegelscanner und Probenröhrchen in einem Wasserbad; 7 in a schematic representation of another structure for carrying out the method according to the invention with a laser, a two-dimensional mirror scanner and sample tube in a water bath;

8 in zwei Diagrammen die Ergebnisse von Vervielfältigungsreaktionen mit globalem und lokalem Erhitzen mit Testsonden zum positiven Nachweis von DNA; 8th in two diagrams the results of amplification reactions with global and local heating with test probes for the positive detection of DNA;

9 in schematischer Darstellung die erfindungsgemäßen Nanopartikel und die erfindungsgemäßen Testsonden mit terminierenden Modifikationen zum negativen Nachweis von DNA; 9 a schematic representation of the nanoparticles according to the invention and the test probes according to the invention with terminating modifications for the negative detection of DNA;

10 in einer schematischen Darstellung einen weiteren Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Laser, zwei Heizblöcken mit Aussparungen, Multiwellplatte und Folie sowie Streuscheibe und Photodiode; 10 in a schematic representation of another structure for carrying out the method according to the invention with a laser, two heating blocks with recesses, multiwell plate and film and lens and photodiode;

11 in einem Diagramm die Ergebnisse von Vervielfältigungsreaktionen mit Testsonden zum negativen Nachweis von DNA; und 11 in a diagram, the results of amplification reactions with test probes for the negative detection of DNA; and

12 in einer schematischen Darstellung einen ersten Laser zum Anregen von Nanopartikeln in einem Probenröhrchen und einen zweiten Laser und eine Photodiode zur Messung der Transmission der Probe. 12 in a schematic representation of a first laser for exciting nanoparticles in a sample tube and a second laser and a photodiode for measuring the transmission of the sample.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung anhand mehrerer AusführungsbeispieleDetailed description of the invention with reference to several embodiments

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vervielfältigung von Nukleinsäuren 1, das als PCR ausgeführt ist. In einem Reaktionsvolumen 2 sind erste Nanopartikel 3 enthalten. Die ersten Nanopartikel 3 weisen an ihrer Oberfläche Oligonukleotide 4 auf, wie in 1a gezeigt. Eine Sorte von Oligonukleotiden 4 enthalten jeweils als Teilsequenz eine Primersequenz 5 mit der Sequenz A und als weitere, optionale Teilsequenz eine Spacersequenz 6 S und eine optionale abasische Modifikation 7 zwischen Primersequenz 5 A und Spacersequenz 6 S. Die Spacersequenz 6 S dient dazu, die Primersequenz 5 weit genug von der Oberfläche der Nanopartikel 9 wegzuhalten, so dass eine zu vervielfältigende Nukleinsäure 1 mit einer besseren Effizienz an die Primersequenz 5 binden kann und die DNA-Polymerase 11 einen besseren Zugang zu der Primersequenz 5 finden kann. Die abasische Modifikation 7 verhindert das Überschreiben der Spacersequenz durch die Polymerase 11. Die Oligonukleotide 4 mit der Primersequenz 5 A sind z. B. mit einer Thiol-Bindung an der Oberfläche der ersten Nanopartikel 3 befestigt, so dass das 3'-Ende vom ersten Nanopartikel 3 abgewandt ist. Optional kann sich eine weitere Sorte von Oligonukleotiden 4 auf der Oberfläche der ersten Nanopartikel 3 befinden, dies sind die Füllmoleküle 10 F. Mit den Füllmolekülen 10 kann die Ladung der Nanopartikel 9 moduliert werden, so dass es nicht zu unerwünschten Aggregationen der Nanopartikel 9 kommt. Darüber hinaus können die Füllmoleküle 10 den Abstand der Primersequenzen 5 zueinander auf der Oberfläche der Nanopartikel 9 vergrößern, so dass die zu vervielfältigenden Nukleinsäuren 1 und die DNA-Polymerase 11 einen besseren Zugang zu den Primersequenzen 5 haben. Dies kann die Effizienz des Verfahrens erhöhen. Die Spacersequenz 6 ist dabei bevorzugt mindestens so lang wie die Füllmoleküle 10, so dass mit Vorteil die Primersequenzen 5 aus den Füllmolekülen 10 hervorragen. 1 shows an embodiment of the method according to the invention for the amplification of nucleic acids 1 which is designed as a PCR. In a reaction volume 2 are first nanoparticles 3 contain. The first nanoparticles 3 have on their surface oligonucleotides 4 on, like in 1a shown. A variety of oligonucleotides 4 each contain a primer sequence as a partial sequence 5 with the sequence A and as a further, optional partial sequence a spacer sequence 6 S and an optional abasic modification 7 between primer sequence 5 A and spacer sequence 6 S. The spacer sequence 6 S serves to the primer sequence 5 far enough from the surface of the nanoparticles 9 Keep away so that a nucleic acid to be amplified 1 with a better efficiency to the primer sequence 5 can bind and the DNA polymerase 11 better access to the primer sequence 5 Can be found. The abasic modification 7 prevents overwriting of the spacer sequence by the polymerase 11 , The oligonucleotides 4 with the primer sequence 5 A are z. With a thiol bond on the surface of the first nanoparticles 3 attached, leaving the 3'-end of the first nanoparticle 3 turned away. Optionally, another variety of oligonucleotides may be present 4 on the surface of the first nanoparticles 3 are, these are the filling molecules 10 F. With the filling molecules 10 can the charge of the nanoparticles 9 be modulated so that it does not cause unwanted aggregation of the nanoparticles 9 comes. In addition, the filling molecules 10 the distance of the primer sequences 5 to each other on the surface of the nanoparticles 9 enlarge so that the nucleic acids to be amplified 1 and the DNA polymerase 11 better access to the primer sequences 5 to have. This can increase the efficiency of the process. The spacer sequence 6 is preferably at least as long as the filling molecules 10 so that advantageously the primer sequences 5 from the filling molecules 10 protrude.

In dem Reaktionsvolumen 2 befindet sich eine Probe 12, die die ersten Nanopartikel 3 aus 1a mit den Primersequenzen 5, Spacersequenzen 6, abasischer Modifikation 7 und Füllmolekülen 10 enthält und die darüber hinaus dNTPs und DNA-Polymerase 11 aufweist, zudem weitere, für eine PCR nötige Reagenzien. Eine nachzuweisende Nukleinsäure 1 kann in der Probe 12 vorhanden sein. In diesem Ausführungsbeispiel ist die nachzuweisende Nukleinsäure 1 ein DNA-Einzelstrang, der auch als Original 13 bezeichnet wird und eine Teilsequenz A' sowie eine Teilsequenz B' aufweist. Das Original 13 kann auch noch weitere Teilsequenzen aufweisen, z. B. als Überhänge am 5'- oder 3'-Ende oder zwischen den beiden Teilsequenzen A' und B'. In 1b bindet das Original 13 mit seiner Teilsequenz A' an die Primersequenz 5 A auf der Oberfläche der ersten Nanopartikel 3. In 1c ist gezeigt, dass eine DNA-Polymerase 11 an das Original 13 und die mit dem Original 13 hybridisierte Primersequenz 5 A bindet. Daraufhin synthetisiert die DNA-Polymerase 11 in einem Elongationsschritt, der in 1d gezeigt wird, ausgehend vom 3'-Ende der Primersequenz 5 A eine zum Original 13 komplementäre Nukleinsäure 1, die als Komplement 14 bezeichnet wird und die mit der Spacersequenz 6 auf der Oberfläche des ersten Nanopartikels 3 verbunden ist. In 1e wird der erste Nanopartikel 3 dann mit Licht bestrahlt, das von dem ersten Nanopartikel 3 aufgrund seiner plasmonischen oder materiellen Eigenschaften absorbiert wird und in Wärme umgewandelt wird. Die Wärme wird an die Umgebung des ersten Nanopartikels 3 abgegeben und ist im Bereich des Originals 13 und des mit ihm hybridisierten, neu synthetisierten Komplements 14 dazu ausreichend, dass das Original 13 von dem Komplement 14 denaturiert. Das Original 13 ist nunmehr erneut frei, wie in 1f dargestellt, so dass es an eine weitere Primersequenz 5 binden kann und weitere nanopartikelgebundene Komplemente 14 in weiteren Zyklen des Verfahrens synthetisiert werden können. Dabei entsteht ein linearer Anstieg der Konzentration der Komplemente 14 mit steigender Zyklenzahl.In the reaction volume 2 there is a sample 12 containing the first nanoparticles 3 out 1a with the primer sequences 5 , Spacer sequences 6 , Abasian modification 7 and filling molecules 10 contains and in addition dNTPs and DNA polymerase 11 has, in addition, further, necessary for a PCR reagents. A nucleic acid to be detected 1 can in the sample 12 to be available. In this embodiment, the nucleic acid to be detected is 1 a single-stranded DNA, also called the original 13 is designated and has a partial sequence A 'and a partial sequence B'. The original 13 may also have other subsequences, z. B. as overhangs at the 5 'or 3' end or between the two partial sequences A 'and B'. In 1b binds the original 13 with its partial sequence A 'to the primer sequence 5 A on the surface of the first nanoparticles 3 , In 1c is shown to be a DNA polymerase 11 to the original 13 and those with the original 13 hybridized primer sequence 5 A binds. Thereupon synthesizes the DNA polymerase 11 in one Elongation step in 1d is shown starting from the 3 'end of the primer sequence 5 A to the original 13 complementary nucleic acid 1 that as complement 14 is called and with the spacer sequence 6 on the surface of the first nanoparticle 3 connected is. In 1e becomes the first nanoparticle 3 then irradiated with light from the first nanoparticle 3 due to its plasmonic or material properties is absorbed and converted into heat. The heat is transferred to the environment of the first nanoparticle 3 and is in the range of the original 13 and the hybridized, newly synthesized complement 14 sufficient for that the original 13 from the complement 14 denatured. The original 13 is now free again, as in 1f so it attaches to another primer sequence 5 can bind and other nanoparticle-bound complements 14 can be synthesized in further cycles of the process. This results in a linear increase in the concentration of the complements 14 with increasing number of cycles.

In einer Ausführung des Verfahrens wird nach dem Verlängern der Primersequenz 5 auf der Oberfläche der ersten Nanopartikel 3, bei der ein nanopartikelgebundenes Komplement 14 entsteht, ein freier Rückwärtsprimer 16 verwendet, der an das 3'-Ende des Komplements bindet. In 1g ist gezeigt, dass das bereits synthetisierte Komplement 14 mit den Teilsequenzen A und B, das über eine Spacersequenz 6 und eine abasische Modifikation 7 auf der Oberfläche des ersten Nanopartikels 3 verbunden ist, mit einem zuvor frei in der Probe 12 vorhandenen Primer 8 B' hybridisiert. Dabei hat der Primer 8 die Sequenz B' und ist mit der Teilsequenz B des Komplements 14 verbunden. Ausgehend vom Primer 8 mit der Sequenz B' synthetisiert die DNA-Polymerase eine Kopie des Originals 13. In 1g wird auch gezeigt, dass das Original 13 an eine weitere Primersequenz 5 A auf der Oberfläche des ersten Nanopartikels 3 gebunden hat und eine DNA-Polymerase 11 ausgehend von der Primersequenz 5 A ein weiteres Komplement 14 synthetisiert. Das Original 13, die Kopie des Originals 13 und die beiden mit dem ersten Nanopartikel verbundenen Komplemente 14 sind in 1h dargestellt. Eine nachfolgende Denaturierung durch Anregung der ersten Nanopartikel 3 führt dazu, dass das Original 13 und seine Kopie frei werden. Dabei können sowohl das Original 13 als auch seine Kopie in folgenden Schritten des Verfahrens als Vorlage zur Vervielfältigung dienen. Nach einer Wartedauer, die gegebenenfalls zur Hybridisierung von Original 13 und Kopien des Originals 13 mit Primersequenzen 5 A auf den ersten Nanopartikeln 3 und von freien Primern 8 B' mit auf den ersten Nanopartikeln 3 bereits elongierten Primersequenzen 5 nötig ist, kann mit einer weiteren Anregung der ersten Nanopartikel 3 der nächste Zyklus des Verfahrens durchgeführt werden. Vorzugsweise wird der Zyklus wiederholt, bis sich ausreichend viele verlängerte Primersequenzen 5 auf den ersten Nanopartikeln 3 befinden und/oder ausreichend viele Kopien des Originals 13 in der Probe 12 befinden, um einen Nachweis der erfolgten Vervielfältigung beziehungsweise des Vorhandenseins des Originals 13 in der Probe 12 durchführen zu können. Durch einen freien Primer 8 B' ist, wie in 1g und 1h gezeigt, eine exponentielle Vervielfältigung des Originals 13 möglich. In 1a bis 1f ist ohne diesen freien Primer 8 jedoch nur eine lineare Vervielfältigung des nanopartikelgebundenen Komplements 14 zu erreichen.In one embodiment of the method, after extending the primer sequence 5 on the surface of the first nanoparticles 3 in which a nanoparticle-bound complement 14 arises, a free reverse primer 16 used, which binds to the 3 'end of the complement. In 1g is shown to be the already synthesized complement 14 with the partial sequences A and B, via a spacer sequence 6 and an abasic modification 7 on the surface of the first nanoparticle 3 is connected with a previously free in the sample 12 existing primer 8th B 'hybridizes. It has the primer 8th the sequence B 'and is with the partial sequence B of the complement 14 connected. Starting from the primer 8th with sequence B ', the DNA polymerase synthesizes a copy of the original 13 , In 1g it is also shown that the original 13 to another primer sequence 5 A on the surface of the first nanoparticle 3 has bound and a DNA polymerase 11 starting from the primer sequence 5 A another complement 14 synthesized. The original 13 , the copy of the original 13 and the two complements associated with the first nanoparticle 14 are in 1h shown. Subsequent denaturation by excitation of the first nanoparticles 3 causes the original 13 and release his copy. It can both the original 13 as well as his copy in subsequent steps of the procedure as a template for duplication serve. After a waiting period, if necessary for hybridization of original 13 and copies of the original 13 with primer sequences 5 A on the first nanoparticles 3 and of free primers 8th B 'with on the first nanoparticles 3 already elongated primer sequences 5 necessary, may be with a further excitation of the first nanoparticles 3 the next cycle of the process will be performed. Preferably, the cycle is repeated until there are enough extended primer sequences 5 on the first nanoparticles 3 and / or enough copies of the original 13 in the sample 12 proof of the duplication or the presence of the original 13 in the sample 12 to carry out. Through a free primer 8th B 'is as in 1g and 1h shown an exponential duplication of the original 13 possible. In 1a to 1f is without this free primer 8th but only a linear amplification of the nanoparticle-bound complement 14 to reach.

In 2 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, in dem Nanopartikel 9 sich in einer Probe 12 befinden. Die Nanopartikel 9 weisen an ihrer Oberfläche Füllmoleküle 10 F auf. Ferner sind die Nanopartikel 9 mit Oligonukleotiden 4 konjugiert. Eine erste Sorte von Oligonukleotiden 4 bestehen aus einer Spacersequenz 6 S und einer Primersequenz 5 A und einer optionalen abasischen Modifikation 7 zwischen Primersequenz 5 A und Spacersequenz 6 S. Eine zweite Sorte von Oligonukleotiden 4 besteht aus einer Spacersequenz 6 S und einer Primersequenz 5 B' und einer optionalen abasische Modifikation 7 zwischen Primersequenz 5 B und Spacersequenz 6 S. Das zu vervielfältigende Original 13 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein einzelsträngiges DNA-Molekül mit den Teilsequenzen A, C und B (nicht gezeigt). Durch eine DNA-Polymerase 11 wurde ein zu dem Original 13 komplementärer Strang ausgehend von der Primersequenz B' auf der Oberfläche des Nanopartikels 9 synthetisiert, so dass, wie in 2a gezeigt, sich nun auf dem Nanopartikel 9 ein DNA-Einzelstrang mit der Sequenz S, B', C' und A' befindet. Zugleich ist in 2a zu sehen, dass durch eine DNA-Polymerase eine Kopie des Originals 13 ausgehend von der Primersequenz 5 A, die mit der Spacersequenz 6 S und der optionalen abasischen Modifikation 7 auf der Oberfläche des Nanopartikels 9 verbunden ist, synthetisiert wurde. Wie durch einen Pfeil in 2a gezeigt, hybridisiert die auf dem Nanopartikel 9 befestigte Kopie des Originals 13 mit ihrer Teilsequenz B an eine Primersequenz 5 B' auf der Oberfläche desselben Nanopartikels 9. Durch einen zweiten Pfeil in 2a ist gezeigt, dass das auf der Oberfläche des Nanopartikels 9 synthetisierte Komplement 14 mit seiner Teilsequenz A' an eine Primersequenz 5 A auf der Oberfläche desselben Nanopartikels 9 hybridisiert. Das Ergebnis der beiden genannten Hybridisierungen ist in 2b dargestellt. Dabei bilden sowohl das Original 13 als auch das Komplement 14 eine Schleife auf der Oberfläche des Nanopartikels 9. In 2c ist zu sehen, dass ausgehend von dem Primer 8 B' ein zu dem Original 13 komplementärer Strang synthetisiert wird, der über eine Spacersequenz 6 S mit der Oberfläche des Nanopartikels 9 verbunden ist. Durch eine weitere DNA-Polymerase 11 wird ausgehend von der Primersequenz 5 A eine Kopie des Originals 13 synthetisiert, die ebenfalls über eine Spacersequenz 6 mit der Oberfläche des Nanopartikels 9 verbunden ist. Die Synthese der Polymerase 11 endet jeweils an der abasischen Modifikation 7. Das Ergebnis der beiden Synthesen ist in 2d zu sehen. In dieser Ausführungsform befinden sich sowohl der Vorwärtsprimer 15 als auch der Rückwärtsprimer 16 auf demselben Nanopartikel 9. Auf diese Weise kann ein neu synthetisierter DNA-Strang zurück an einen Primer 8 auf demselben Nanopartikel 9 hybridisieren. Dies kann zu einer Beschleunigung des erfindungsgemäßen Verfahrens führen, da der neu synthetisierte DNA-Strang keine weiten Wege zurücklegen muss, um auf einen komplementären Primer 8 zu treffen. Vielmehr kann der neu synthetisierte DNA-Strang besonders schnell an einen komplementären Primer 8 auf der Oberfläche desselben Nanopartikels 9 binden, was besonders dadurch erleichtert wird, dass die lokale Konzentration der Primer 8 auf dem Nanopartikel 9 besonders hoch ist. Nach dem Anregen des Nanopartikels 9 in 2d, zum Beispiel durch einen Laser 17, dehybridisieren die Kopien des Originals 13 und die Kopien des Komplements 14, die jeweils über Spacersequenzen 6 optionale abasische Modifikation 7 auf der Oberfläche des Nanopartikels 9 befestigt sind. Daraufhin kann eine Kopie des Originals 13, die an einem Nanopartikel 9 befestigt, ist mit einem Komplement 14, das auf der Oberfläche eines anderen, identischen Nanopartikels 9 befestigt ist, hybridisieren. Durch die Hybridisierung werden die Nanopartikel 9 verbunden, so dass eine messbare Veränderung entsteht. Die messbare Veränderung kann zum Beispiel in einem Farbumschlag der Probe 12 bestehen. Durch die in 2a bis 2e dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, einen einfachen Test bereitzustellen, der zum Nachweis des Originals 13 dient.In 2 an embodiment of the method according to the invention is shown, in which nanoparticles 9 in a rehearsal 12 are located. The nanoparticles 9 have filling molecules on their surface 10 F on. Further, the nanoparticles 9 with oligonucleotides 4 conjugated. A first sort of oligonucleotides 4 consist of a spacer sequence 6 S and a primer sequence 5 A and an optional abasic modification 7 between primer sequence 5 A and spacer sequence 6 S. A second variety of oligonucleotides 4 consists of a spacer sequence 6 S and a primer sequence 5 B 'and an optional abasic modification 7 between primer sequence 5 B and spacer sequence 6 S. The original to be duplicated 13 in this embodiment is a single-stranded DNA molecule having partial sequences A, C and B (not shown). By a DNA polymerase 11 became one to the original 13 complementary strand starting from the primer sequence B 'on the surface of the nanoparticle 9 synthesized, so that, as in 2a shown now on the nanoparticle 9 a single strand of DNA having the sequence S, B ', C' and A 'is located. At the same time is in 2a to see that by a DNA polymerase a copy of the original 13 starting from the primer sequence 5 A, with the spacer sequence 6 S and the optional abasic modification 7 on the surface of the nanoparticle 9 is synthesized. As indicated by an arrow in 2a shown hybridizes on the nanoparticle 9 attached copy of the original 13 with its partial sequence B to a primer sequence 5 B 'on the surface of the same nanoparticle 9 , By a second arrow in 2a This is shown to be on the surface of the nanoparticle 9 synthesized complement 14 with its partial sequence A 'to a primer sequence 5 A on the surface of the same nanoparticle 9 hybridized. The result of the two mentioned hybridizations is in 2 B shown. In doing so form both the original 13 as well as the complement 14 a loop on the surface of the nanoparticle 9 , In 2c can be seen that starting from the primer 8th B 'one to the original 13 Complementary strand is synthesized via a spacer sequence 6 S with the surface of the nanoparticle 9 connected is. By another DNA polymerase 11 is starting from the primer sequence 5 A is a copy of the original 13 synthesized, which also has a spacer sequence 6 with the surface of the nanoparticle 9 connected is. The synthesis of the polymerase 11 ends at the abasic modification 7 , The result of the two syntheses is in 2d to see. In this embodiment, both the forward primer are located 15 as well as the reverse primer 16 on the same nanoparticle 9 , In this way, a newly synthesized strand of DNA can be returned to a primer 8th on the same nanoparticle 9 hybridize. This can lead to an acceleration of the method according to the invention since the newly synthesized DNA strand does not have to travel far to access a complementary primer 8th hold true. Rather, the newly synthesized DNA strand can be particularly fast to a complementary primer 8th on the surface of the same nanoparticle 9 which is particularly facilitated by the local concentration of primers 8th on the nanoparticle 9 is particularly high. After exciting the nanoparticle 9 in 2d , for example by a laser 17 , dehybridize the copies of the original 13 and the copies of the complement 14 , each using spacer sequences 6 optional abasic modification 7 on the surface of the nanoparticle 9 are attached. Thereupon can be a copy of the original 13 attached to a nanoparticle 9 attached, is with a complement 14 that is on the surface of another, identical nanoparticle 9 attached, hybridize. Hybridization turns the nanoparticles 9 connected, so that a measurable change arises. The measurable change may be, for example, in a color change of the sample 12 consist. By the in 2a to 2e illustrated embodiment of the method according to the invention, it is possible to provide a simple test, the proof of the original 13 serves.

In 3 ist ein Aufbau dargestellt, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Der Aufbau enthält eine Lichtquelle 18, die in diesem Beispiel als Laser 17 ausgeführt ist und einen zweidimensionalen Spiegelscanner 19, der Licht von dem Laser 17 auf die Probe 12 lenken kann. Der zweidimensionale Spiegelscanner 19 kann dabei den Laserstrahl in zwei Dimensionen ablenken. Die Denaturierung in der Probe 12 geschieht in diesem Aufbau dadurch, dass ein Laserstrahl auf einen Teil der Probe 12 fokussiert wird. Im Laufe des Verfahrens wird der Laserstrahl so abgelenkt, dass er auf unterschiedliche Teile der Probe 12 trifft. In dem in 3 gezeigten Beispiel wird der Laserstrahl durch den Spiegelscanner 19 so abgelenkt, dass der Laserstrahl das Reaktionsvolumen 2, in dem sich die Probe 12 befindet, zeilenförmig abfährt. Der Weg, den der Laserstrahl zurücklegt wird in 3 in der Probe 12 gestrichelt dargestellt. Dadurch, dass zu jedem Zeitpunkt des Verfahrens nur Teile der Probe 12 angeregt werden, kann Laser 17 mit einer kleineren Leistung verwendet werden. Da Anregungen von unter einer Mikrosekunde ausreichen, um DNA mit Hilfe von optothermisch geheizten Nanopartikeln 9 zu denaturieren, kann bei typischen Fokusdurchmessern eines Lasers 17 von etwa 10 bis 100 μm ein Laserstrahl mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 bis 100 m/s die Probe 12 abtasten und dabei an jedem Punkt, den der Laserstrahl überfährt, zu einer Denaturierung der DNA führen. Dies ermöglicht ein sehr schnelles Abtasten auch von großen Probenvolumina. Das komplette Abtasten einer Fläche von 1 cm2 dauert z. B. bei einem Fokusdurchmesser von 78 μm und 128 Zeilen im Zeilenabstand von 78 μm und einer Zeilenlänge von 1 cm bei einer Geschwindigkeit des abtastenden Laserstrahls von 10 m/s nur 128 ms. Hat das Volumen z. B. eine Tiefe von 10 mm, kann so ein Volumen von 1 ml prozessiert werden (hierzu muss natürlich u. a. sichergestellt werden, dass die Intensität der Anregung über die gesamte Tiefe ausreichend hoch ist). Dies ist vorteilhafterweise wesentlich kürzer, als es ein Denaturierungsschritt durch globales Erhitzen in der Regel erfordern würde. Mit optischen Elementen wie z. B. einem in 3 gezeigten Spiegelscanner 19, der als galvanometrischer Scanner ausgeführt sein kann, und sogenannten F Theta Linsen können eine gute Homogenität der Fokusqualität und -größe über die gesamte abgetastete Probe 12 erreicht werden. Alternativ zu einem kontinuierlich emittierenden Laser 17 kann auch ein gepulster Laser 17 oder ein thermischer Strahler eingesetzt werden.In 3 a structure is shown which is suitable for carrying out the method according to the invention. The structure contains a light source 18 which in this example is called a laser 17 is executed and a two-dimensional mirror scanner 19 , the light from the laser 17 to the test 12 can direct. The two-dimensional mirror scanner 19 can deflect the laser beam in two dimensions. The denaturation in the sample 12 happens in this structure in that a laser beam on a part of the sample 12 is focused. During the process, the laser beam is deflected so that it hits different parts of the sample 12 meets. In the in 3 As shown, the laser beam passes through the mirror scanner 19 so distracted that the laser beam is the reaction volume 2 in which the sample is 12 is located, descends lines. The path that the laser beam travels in 3 in the sample 12 shown in dashed lines. This means that at any point in the procedure only parts of the sample 12 can be excited, can laser 17 be used with a smaller power. Since excitations of under one microsecond are sufficient to DNA using optothermisch heated nanoparticles 9 denature, can at typical focus diameters of a laser 17 from about 10 to 100 microns, a laser beam at a speed of about 10 to 100 m / s, the sample 12 and thereby denature the DNA at each point crossed by the laser beam. This allows a very fast scanning even of large sample volumes. The complete scanning of an area of 1 cm 2 takes z. B. at a focus diameter of 78 microns and 128 lines in the line spacing of 78 microns and a line length of 1 cm at a speed of the scanning laser beam of 10 m / s only 128 ms. Does the volume z. B. a depth of 10 mm, so a volume of 1 ml can be processed (of course, this must, inter alia, ensure that the intensity of the stimulation over the entire depth is sufficiently high). This is advantageously much shorter than would normally require a denaturation step by global heating. With optical elements such. B. a in 3 shown mirror scanner 19 , which may be implemented as a galvanometric scanner, and so-called F theta lenses can provide good homogeneity of focus quality and size over the entire sample being scanned 12 be achieved. Alternatively to a continuously emitting laser 17 can also be a pulsed laser 17 or a thermal radiator can be used.

In 4 ist ein Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei dem ein Laser 17, und ein Spiegel 20 unbeweglich angeordnet ist und der Laserstrahl des Lasers 17 durch den Spiegel 20 auf die Probe 12 gelenkt wird. Dabei ist die Probe 12 in zwei Dimensionen beweglich angeordnet, so dass durch Bewegung der Probe 12, die ganze Probe 12 oder große Teile der Probe 12 von dem Fokus des Lasers 17 erfasst werden können.In 4 a structure for carrying out the method according to the invention is shown, in which a laser 17 , and a mirror 20 is immovably arranged and the laser beam of the laser 17 through the mirror 20 to the test 12 is steered. Here is the sample 12 movably arranged in two dimensions, allowing movement of the sample 12 , the whole rehearsal 12 or large parts of the sample 12 from the focus of the laser 17 can be detected.

In 5 ist ein Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei dem ein Laser 17 unbeweglich angeordnet ist und ein Spiegelscanner 19 den Laserstrahl des Lasers 17 in einer Richtung ablenken kann. Die Probe 12 ist dabei in einer Richtung beweglich angeordnet, so dass durch Bewegung des Spiegelscanners 19 und der Probe 12 die ganze Probe 12 oder große Teile der Probe 12 durch den Laserstrahl erfasst werden können.In 5 a structure for carrying out the method according to the invention is shown, in which a laser 17 is immovably arranged and a mirror scanner 19 the laser beam of the laser 17 can distract in one direction. The sample 12 is arranged to be movable in one direction, so that by movement of the mirror scanner 19 and the sample 12 the whole sample 12 or large parts of the sample 12 can be detected by the laser beam.

Eine Möglichkeit zum Nachweis einer Nukleinsäure 1 durch erfindungsgemäße PCR ist in 6 dargestellt. Dabei befinden sich in einer Probe erste Nanopartikel 3, die an ihrer Oberfläche Füllmoleküle 10F und erste Oligonukleotide 21 aufweisen. Die ersten Oligonukleotide 21 bestehen aus einer Spacersequenz 6S und einer Primersequenz 5 A, wie in 6a gezeigt. Wenn ein Original 13 mit den Teilsequenzen A' und B' in der Probe 12 vorhanden ist, so hybridisiert das Original 13 auf die komplementäre Primersequenz 5 A auf einem der ersten Nanopartikel 3. Durch eine DNA-Polymerase 11 wird ausgehend von der Primersequenz 5 A das Komplement 14 mit den Teilsequenzen A und B geschrieben, so dass das Komplement 14 über die Spacersequenz 6S mit der Oberfläche des ersten Nanopartikels 3 verbunden ist, wie in 6c gezeigt. In einem nächsten Schritt werden die in 6d gezeigten Testsonden 22 zur Probe gegeben. Die Testsonden 22 sind zweite Nanopartikel 23, die an ihrer Oberfläche Füllmoleküle 10 und zweite Oligonukleotide aufweisen. Die zweiten Oligonukleotide enthalten eine Spacersequenz 6S und eine Testsequenz 5B'. Die Testsequenz 5B' kann mit der komplementären Teilsequenz B des Komplements 14 auf der Oberfläche des ersten Nanopartikels 3 hybridisieren, wie in 6f gezeigt. Dadurch werden erste Nanopartikel 3 und zweite Nanopartikel 23 verbunden, so dass eine messbare Veränderung entstehen kann. Wenn das Original 13 in der Probe 12 nicht vorhanden ist, so entsteht an der Oberfläche der ersten Nanopartikel 3 kein Komplement 14, wie in 6b zu sehen ist. Da sich auf den ersten Nanopartikeln 3 jedoch kein Komplement 14 befindet, können erste Nanopartikel 3 und zweite Nanopartikel 23 sich nicht verbinden und die messbare Veränderung entsteht nicht. Die Sequenz B' ist in dieser Ausführungsform komplementär zur Sequenz B, sie kann aber auch zu Teilen der Sequenz A komplementär sein. Die Spacersequenz 6S auf den ersten Nanopartikeln 3 ist mit der Spacersequenz 6S auf den zweiten Nanopartikeln 23 identisch. In einer weiteren Ausführungsform können jedoch auf den ersten Nanopartikeln 3 und zweiten Nanopartikeln 23 auch unterschiedliche Spacersequenzen 6 verwendet werden. Es können auch mehrere unterschiedliche Spacersequenzen 6 auf derselben Sorte von Nanopartikeln verwendet werden. Die Puffer- und Hybridisierungsbedingungen, z. B. Temperatur, Salzkonzentrationen, Nanopartikelkonzentrationen, Konzentrationen sonstiger Pufferzusätze, pH-Wert, werden bevorzugt so gewählt, dass nur nach erfolgter Verlängerung der Primersequenz 5 A auf den ersten Nanopartikeln 3 eine Hybridisierung entstehen kann, die die ersten Nanopartikeln 3 mit den zweiten Nanopartikeln 23 verbindet. Die Verbindung der ersten Nanopartikel 3 mit den zweiten Nanopartikeln 23 kann z. B. als Rotverschiebung und Verbreiterung der Plasmonenresonanz im Extinktionsspektrum nachgewiesen werden. Die Verbindung kann auch z. B. durch Messung der Transmissionsänderung bei einer oder mehreren Wellenlängen nach optothermischer Anregung der Nanopartikel und hieraus resultierender Denaturierung der Nukleinsäuren 1, die die ersten Nanopartikel 3 mit den zweiten Nanopartikeln 23 verbinden, detektiert werden. Die Testsonden 22 können in einem speziellen Hybridisierungspuffer zur Verfügung gestellt werden, zu dem zumindest ein Teil der Probe 12, die die ersten Nanopartikel 3 enthält, nach dem Verfahrensschritt, der die Synthese des Komplements 14 ermöglicht, hinzugegeben wird. Die Testsonden 22 können auch bereits von Beginn des Verfahrens an in der Probe zusammen mit den ersten Nanopartikeln 3 vorliegen. In diesem Fall können die Testsonden 22 passiviert werden, so dass sie nicht als Primer 8 wirken. Das Passivieren der Testsonden 22 kann darin bestehen, dass die Primersequenz 5 auf den Testsonden 22 so gewählt wird, dass bei der Annealingtemperatur während der PCR keine Hybridisierung der genannten Primersequenz 5 mit dem Original 13 stattfindet, sondern erst nach anschließender Absenkung der Temperatur. Das Passivieren der Testsonden 22 kann auch so geschehen, dass die zweiten Oligonukleotide, die Teilsequenzen des Originals 13 enthalten, am 3'-Ende auf den zweiten Nanopartikeln 23 befestigt sind, so dass die DNA-Polymerase 11 die zweiten Oligonukleotide nicht verlängern kann. In diesem Fall können die zweiten Oligonukleotide an ihrem 5'-Ende frei sein oder mit den zweiten Nanopartikeln 23 verbunden sein. Die Testsonden 22 können auch dadurch passiviert sein, dass eine Basenmodifikation, z. B. mit Dideoxycytosin (ddC) am 3'-Ende der zweiten Oligonukleotide die Elongation verhindert.One way to detect a nucleic acid 1 by PCR according to the invention is in 6 shown. The first nanoparticles are located in a sample 3 that have filling molecules on their surface 10F and first oligonucleotides 21 exhibit. The first oligonucleotides 21 consist of a spacer sequence 6S and a primer sequence 5 A, as in 6a shown. If an original 13 with the partial sequences A 'and B' in the sample 12 is present, the original hybridizes 13 on the complementary primer sequence 5 A on one the first nanoparticle 3 , By a DNA polymerase 11 is starting from the primer sequence 5 A is the complement 14 written with the subsequences A and B, so the complement 14 via the spacer sequence 6S with the surface of the first nanoparticle 3 is connected, as in 6c shown. In a next step, the in 6d shown test probes 22 given to the sample. The test probes 22 are second nanoparticles 23 that have filling molecules on their surface 10 and second oligonucleotides. The second oligonucleotides contain a spacer sequence 6S and a test sequence 5B '. The test sequence 5B 'can with the complementary partial sequence B of the complement 14 on the surface of the first nanoparticle 3 hybridize, as in 6f shown. This will be the first nanoparticles 3 and second nanoparticles 23 connected, so that a measurable change can occur. If the original 13 in the sample 12 is absent, then arises on the surface of the first nanoparticles 3 no complement 14 , as in 6b you can see. As reflected on the first nanoparticles 3 but no complement 14 can, first nanoparticles 3 and second nanoparticles 23 do not connect and the measurable change does not arise. The sequence B 'in this embodiment is complementary to the sequence B, but it may also be complementary to parts of the sequence A. The spacer sequence 6S on the first nanoparticles 3 is with the spacer sequence 6S on the second nanoparticles 23 identical. In a further embodiment, however, on the first nanoparticles 3 and second nanoparticles 23 also different spacer sequences 6 be used. There may also be several different spacer sequences 6 be used on the same sort of nanoparticles. The buffering and hybridization conditions, e.g. As temperature, salt concentrations, nanoparticle concentrations, concentrations of other buffer additives, pH, are preferably chosen so that only after the extension of the primer sequence 5 A on the first nanoparticles 3 a hybridization can occur that involves the first nanoparticles 3 with the second nanoparticles 23 combines. The connection of the first nanoparticles 3 with the second nanoparticles 23 can z. B. be detected as redshift and broadening of the plasmon resonance in the extinction spectrum. The connection can also z. Example by measuring the change in transmission at one or more wavelengths after opto-thermal excitation of the nanoparticles and resulting denaturation of the nucleic acids 1 containing the first nanoparticles 3 with the second nanoparticles 23 connect, be detected. The test probes 22 can be provided in a specific hybridization buffer to which at least a portion of the sample 12 containing the first nanoparticles 3 contains, after the process step, the synthesis of the complement 14 allows, is added. The test probes 22 may also be present from the beginning of the procedure in the sample along with the first nanoparticles 3 available. In this case, the test probes 22 be passivated, so they are not considered primers 8th Act. The passivation of the test probes 22 may be that the primer sequence 5 on the test probes 22 is chosen so that at the annealing temperature during the PCR no hybridization of said primer sequence 5 with the original 13 takes place, but only after subsequent lowering of the temperature. The passivation of the test probes 22 can also be done so that the second oligonucleotides, the partial sequences of the original 13 contained at the 3 'end on the second nanoparticles 23 are attached, leaving the DNA polymerase 11 the second oligonucleotides can not extend. In this case, the second oligonucleotides may be free at their 5 'end or with the second nanoparticles 23 be connected. The test probes 22 may also be passivated by a base modification, e.g. B. with dideoxycytosine (ddC) at the 3 'end of the second oligonucleotides prevents the elongation.

In der Ausführung des Verfahrens, die in 6 gezeigt ist, werden erste Nanopartikel 3 aus Gold mit einem Durchmesser von 60 nm mit Oligonukleotiden 4 funktionalisiert (nach J. Hurst et al., Anal. Chem., 78(24), 8313–8318, 2006 , dessen diesbezüglicher Inhalt durch Verweis Teil der vorliegenden Offenbarung ist). Dabei werden zu einem Teil Oligonukleotid 4 ID1 und als Füllmolekül 10 zu vier Teilen Oligonukleotid 4 ID2 eingesetzt. Nach Funktionalisierung und 6 Waschschritten liegen die ersten Nanopartikel 3 in einer Konzentration von 200 pM in einem PBS Puffer (20 mM PBS, 10 mM NaCl, 0,01% Tween 20, 0,01% Azid, 1 mM EDTA, pH 7,5) vor. Die Vervielfältigungsreaktion wird in einem Gesamtvolumen von 10 μl in 200 μl Probenröhrchen 24 durchgeführt (5 μl DreamTaq PCR Mastermix 2x (bezogen von Fermentas), 0,1 μl NaCl 5 M, 0,1 μl MgCl2 250 mM, 0,1 μl MgSO4 250 mM, 1 μl der funktionalisierten ersten Nanopartikel 200 pM, 1 μl Oligonukleotid 4 ID3 (als zu vervielfältigendes Original 13, dabei beträgt die zu bestimmende Konzentration des Originals 13 in dem Gesamtvolumen von 10 μl z. B. 0 pM, 10 pM, 20 pM oder 50 pM) gelöst in Wasser mit 100 nM Oligonukleotid 4 ID4 (Oligonukleotid 4 ID4 dient hierbei zur Absättigung von Oberflächen, z. B. während der Aufbewahrung des Original 13 vor der Reaktion), 2,7 μl Wasser).In the execution of the procedure, which in 6 shown are first nanoparticles 3 of gold with a diameter of 60 nm with oligonucleotides 4 functionalized (after J. Hurst et al., Anal. Chem., 78 (24), 8313-8318, 2006 the content of which is incorporated herein by reference). In this case, part of an oligonucleotide 4 ID1 and as a filling molecule 10 to four parts oligonucleotide 4 ID2 used. After functionalization and 6 washes, the first nanoparticles are located 3 at a concentration of 200 pM in a PBS buffer (20 mM PBS, 10 mM NaCl, 0.01% Tween 20, 0.01% azide, 1 mM EDTA, pH 7.5). The amplification reaction is carried out in a total volume of 10 μl in 200 μl sample tubes 24 5 μl of DreamTaq PCR Master Mix 2x (purchased from Fermentas), 0.1 μl of NaCl 5 M, 0.1 μl of MgCl 2 250 mM, 0.1 μl of MgSO 4 250 mM, 1 μl of the functionalized first nanoparticles 200 μM, 1 μl oligonucleotide 4 ID3 (as original to be reproduced 13, while the concentration of the original to be determined is 13 in the total volume of 10 .mu.l z. 0 pM, 10 pM, 20 pM or 50 pM) dissolved in water with 100 nM oligonucleotide 4 ID4 (oligonucleotide 4 ID4 serves for the saturation of surfaces, eg. During storage of the original 13 before the reaction), 2.7 μl of water).

Wie in 7 dargestellt, werden die Probenröhrchen 24 in einer Glasküvette 25 in einem Wasserbad 26 auf eine Temperatur von 65°C, was sowohl die Annealing- als auch die Elongationstemperatur darstellt, gebracht. Das Wasserbad 26 dient neben der Temperierung auch der besseren Einkopplung des Lasers 17 in die nicht-plane Oberfläche der Probenröhrchen 24. Das Wasser im Wasserbad 26 ermöglicht, dass der Brechungsindexunterschied zwischen dem Äußeren und dem mit PCR-Reaktionsmix gefüllten Inneren der Probenröhrchen 24 reduziert wird und somit eine Brechung des Laserstrahls und damit ein negativer Einfluss auf die Fokusqualität und -schärfe unterdrückt wird. Dadurch wird mit Vorteil das Einkoppeln des Lasers 17 verbessert. Der Laser 17, der zum Anregen der Nanopartikel dient, ist ein frequenzverdoppelter diodengepumpter Nd:YAg-Laser (Coherent Verdi V10), der bei einer Ausgangsleistung von 1,5 W mit einer F-Theta-Linse (Jenoptik, Brennweite 100 mm) hinter einem Spiegelscanner 19 (Cambridge Technologies, Pro Series 1) in die Probenröhrchen 24 im Wasserbad 26 fokussiert wird (Fokusdurchmesser circa 20 μm). Der Spiegelscanner 19 erlaubt, den Fokus zeilenweise durch die Probenröhrchen 24 zu bewegen, wie auch schon in 3 gezeigt, und somit das gesamte PCR-Reaktionsvolumen an der optothermischen Vervielfältigung zu beteiligen. Pro Probenröhrchen 24 werden 400 Zeilen mit einem Abstand von circa 12 μm bei einer Zeilengeschwindigkeit in dem Probenröhrchen 24 von circa 2 m/s mit dem Fokus abgefahren. Dies entspricht einem Zyklus im ersten Probenröhrchen 24. Anschließend werden nacheinander alle anderen Probenröhrchen 24 abgefahren, so dass jedes Probenröhrchen 24 einen Zyklus erfahren hat. Nach einer Wartedauer von 40 s nach dem Durchfahren des ersten Probenröhrchens 24 wird der nächste Zyklus gestartet und dies so oft wiederholt, bis jedes Probenröhrchen 24 insgesamt 25 Zyklen durchlaufen hat. Als Ausgangskonzentration des Originals 13 wird im ersten Probenröhrchen 24 0 pM, im zweiten Probenröhrchen 24 20 pM und im dritten Probenröhrchen 24 50 pM gewählt. Zur Negativkontrolle wird ein viertes Probenröhrchen 24 in das Wasserbad 26 eingesetzt, das ebenfalls das Original 13 in einer Konzentration von 50 pM aufweist, aber nicht vom Laserstrahl getroffen wird. Nachdem das erste, zweite und dritte Probenröhrchen 24 25 Zyklen durchlaufen hat, werden alle vier Probenröhrchen 24 aus dem Wasserbad 26 entfernt. Zur Untersuchung des Effektes der Laserzyklen und der Konzentration des Originals 13 dient eine Testsonde 22, die unter den gewählten Puffer- und Hybridisationsbedingungen nur auf die durch Verlängerung der nanopartikelgebundenen Primer 8 entstandenen Teilsequenzen hybridisieren kann. Dabei ist die Verlängerung der Primer 8 komplementär zum Original 13, wie in 6c gezeigt. Zur Herstellung der Testsonden 22 werden zweiten Nanopartikel 23 aus Gold mit einem Durchmesser von 60 nm mit Oligonukleotiden 4 funktionalisiert (nach J. Hurst, supra ). Dabei wird zu einem Teil Oligonukleotid 4 ID5 und als Füllmolekül 10 zu vier Teilen Oligonukleotid 4 ID2 eingesetzt. Nach Funktionalisierung und 6 Waschschritten liegen die zweiten Nanopartikel 23 in einer Konzentration von 200 pM in einem PBS Puffer (20 mM PBS, 10 mM NaCl, 0,01% Tween 20, 0,01% Azid, 1 mM EDTA, pH 7,5) vor. Für die Hybridisierung der Oligonukleotide 4 auf den ersten Nanopartikeln 3 mit den Oligonukleotiden 4 auf den zweiten Nanopartikeln 23 wird ein modifizierter Phosphatpuffer eingesetzt (13 mM PBS, 200 mM NaCl, 0,02% Tween 20, 1 mM EDTA, 20 mM Natriumcitrat, 1 μg/ml PVP10, pH 7,5). 10 μl Hybridisierungsansatz enthalten 2,25 μl des modifizierten Phosphatpuffers, 3 μl Formamid, 2 μl NaCl 5M, 0,25 μl der 200 pM Testsonden-Lösung und 2,5 μl der entsprechenden PCR-Lösung aus der optothermischen Vervielfältigung, die die ersten Nanopartikel 3 enthält. Falls in dem Probenröhrchen eine ausreichende Menge des Originals 13 mit der Sequenz ID3 vorlag, so wird auf der Oberfläche der ersten Nanopartikel 3 das Oligonukleotid 4 mit der Sequenz ID1 verlängert und kann mit dem Oligonukleotid 4 mit der Sequenz ID5 auf der Oberfläche der Testsonde 22 hybridisieren, wie in 6f dargestellt. Der Nachweis dieser Hybridisierung erfolgt mittels optothermischer Anregung der Nanopartikel (nach EP 2162549 , dessen diesbezüglicher Inhalt durch Verweis Teil der vorliegenden Offenbarung ist). Die Probenröhrchen 24 werden dazu, wie in 12 dargestellt, mit Pulsen eines ersten Lasers 28 beschossen (50 μs Pulsdauer, 532 nm Wellenlänge, circa 700 mW Spitzenleistung, Fokusdurchmesser circa 30 μm). Hierdurch werden die Nanopartikel optothermisch erhitzt und geben Wärme an ihre Umgebung ab. Falls erste Nanopartikel 3 und zweite Nanopartikel 23 durch die Hybridisierung von Oligonukleotiden 4, wie in 6f dargestellt, verbunden sind, so werden sie durch den Laserpuls getrennt. Dies kann durch einen in 12 dargestellten zweiten Laser 29 (Wellenlänge hier 630 nm, Leistung 5 mW kontinuierlich) nachgewiesen werden, dessen Fokus (30 μm Durchmesser) mit dem Fokus des ersten Lasers 28, der vorzugsweise ausschließlich zum Dehybridisieren genutzt wird, überlagert wird und der die Extinktion vor und nach dem Laserpuls des ersten Lasers 28 abfragt. Der optische Pfad auf dem die Extinktionsänderung optothermisch induziert und gemessen wird beträgt circa 2 mm. Die Intensität des durch diese Schicht transmittierten Lichts des zweiten Lasers 29 wird mit einer Photodiode 30 gemessen. Aus der Differenz des Photodiodenstromes vor und nach dem Puls wird die optothermisch induzierte Transmissionsänderung bestimmt, die durch das Dehybridisieren der verlängerten ersten Oligonukleotide und zweiten Oligonukleotide zwischen den Nanopartikeln und das darauffolgende Auseinanderdiffundieren der Nanopartikel erzeugt wird.As in 7 shown, the sample tubes 24 in a glass cuvette 25 in a water bath 26 to a temperature of 65 ° C, which represents both the annealing and the elongation temperature brought. The water bath 26 In addition to the temperature control, the better coupling of the laser is also used 17 into the non-planar surface of the sample tubes 24 , The water in a water bath 26 allows the refractive index difference between the outside and the inside of the sample tubes filled with PCR reaction mix 24 is reduced and thus a refraction of the laser beam and thus a negative influence the focus quality and sharpness is suppressed. As a result, the coupling of the laser is advantageous 17 improved. The laser 17 which serves to excite the nanoparticles, is a frequency doubled diode pumped Nd: YAg laser (Coherent Verdi V10), which at an output power of 1.5 W with an F-theta lens (Jenoptik, focal length 100 mm) behind a mirror scanner 19 (Cambridge Technologies, Pro Series 1) into the sample tubes 24 in a water bath 26 is focused (focus diameter about 20 microns). The mirror scanner 19 allows the focus line by line through the sample tubes 24 to move, as already in 3 shown, and thus the entire PCR reaction volume to participate in the optothermal amplification. Per sample tube 24 become 400 lines with a distance of about 12 microns at a line speed in the sample tube 24 from about 2 m / s with the focus. This corresponds to one cycle in the first sample tube 24 , Subsequently, all other sample tubes are successively 24 trailed off, leaving each sample tube 24 has experienced a cycle. After waiting for 40 seconds after passing through the first sample tube 24 The next cycle is started and this is repeated until each sample tube 24 a total of 25 cycles has passed. As initial concentration of the original 13 will be in the first sample tube 24 0 pM, in the second sample tube 24 20 pM and in the third sample tube 24 50 pM chosen. The negative control is a fourth sample tube 24 in the water bath 26 used, which is also the original 13 in a concentration of 50 pM, but is not hit by the laser beam. After the first, second and third sample tubes 24 Has passed through 25 cycles, all four sample tubes 24 from the water bath 26 away. To study the effect of the laser cycles and the concentration of the original 13 serves a test probe 22 under the chosen buffer and hybridization conditions only to those by extension of the nanoparticle-bound primer 8th can hybridize resulting partial sequences. Here is the extension of the primer 8th complementary to the original 13 , as in 6c shown. For the production of test probes 22 become second nanoparticles 23 of gold with a diameter of 60 nm with oligonucleotides 4 functionalized (after J. Hurst, supra ). It becomes part of an oligonucleotide 4 ID5 and as a filling molecule 10 to four parts oligonucleotide 4 ID2 used. After functionalization and 6 washes, the second nanoparticles are located 23 at a concentration of 200 pM in a PBS buffer (20 mM PBS, 10 mM NaCl, 0.01% Tween 20, 0.01% azide, 1 mM EDTA, pH 7.5). For the hybridization of the oligonucleotides 4 on the first nanoparticles 3 with the oligonucleotides 4 on the second nanoparticles 23 a modified phosphate buffer is used (13 mM PBS, 200 mM NaCl, 0.02% Tween 20, 1 mM EDTA, 20 mM sodium citrate, 1 μg / ml PVP10, pH 7.5). 10 μl of hybridization mixture contains 2.25 μl of the modified phosphate buffer, 3 μl of formamide, 2 μl of NaCl 5M, 0.25 μl of the 200 pM test probe solution and 2.5 μl of the corresponding PCR solution from the optothermal amplification containing the first nanoparticles 3 contains. If there is enough of the original in the sample tube 13 with the sequence ID3 present, it is on the surface of the first nanoparticles 3 the oligonucleotide 4 extended with the sequence ID1 and can with the oligonucleotide 4 with the sequence ID5 on the surface of the test probe 22 hybridize, as in 6f shown. The proof of this hybridization is carried out by means of optothermal excitation of the nanoparticles (according to EP 2162549 the content of which is incorporated herein by reference). The sample tubes 24 become like in 12 shown with pulses of a first laser 28 Shotged (50 μs pulse duration, 532 nm wavelength, about 700 mW peak power, focus diameter about 30 microns). As a result, the nanoparticles are heated optothermally and give off heat to their environment. If first nanoparticles 3 and second nanoparticles 23 by the hybridization of oligonucleotides 4 , as in 6f are connected, they are separated by the laser pulse. This can be done by a in 12 illustrated second laser 29 (Wavelength here 630 nm, power 5 mW continuously), its focus (30 μm diameter) with the focus of the first laser 28 , which is preferably used exclusively for dehybridization is superimposed and the extinction before and after the laser pulse of the first laser 28 queries. The optical path on which the change in absorbance is optothermally induced and measured is approximately 2 mm. The intensity of the light transmitted through this layer of the second laser 29 is using a photodiode 30 measured. From the difference of the photodiode current before and after the pulse, the optothermally induced transmission change is determined, which is produced by dehybridizing the extended first oligonucleotides and second oligonucleotides between the nanoparticles and the subsequent diffusing out of the nanoparticles.

In 8a ist die relative Transmissionsänderung gezeigt, die durch den Laserpuls des ersten Lasers 28 und die hierdurch entstehende Dehybridisierung der Oligonukleotide 4 zwischen den ersten Nanopartikeln 3 und zweiten Nanopartikeln 23 erzeugt wird und Maß für das Vorhandensein von Gold-DNA-Gold-Bindungen in dem Probenröhrchen 24 ist. Unterhalb des Diagramms in 8a ist in einer ersten Zeile die Anzahl der durchlaufenen Zyklen zu sehen. In einer zweiten Zeile, die unterhalb der ersten Zeile liegt, ist die Konzentration des Originals 13 in pM im Probenröhrchen 24 vor der Durchführung der Vervielfältigung dargestellt. Gezeigt sind auf der rechten Seite des Diagramms in 8a im Abschnitt B von links nach rechts das erste, zweite und dritte Probenröhrchen 24, das jeweils 25 optothermische Zyklen durchlaufen hat sowie das vierte Probenröhrchen 24 ohne optothermische Behandlung. Hier ist deutlich zu sehen, dass die gemessene Transmissionsänderung als Indikator für Gold-DNA-Gold-Bindungen mit steigender Konzentration des Originals 13 vor der Vervielfältigung ansteigt, wenn die 25 Zyklen durchlaufen wurden. Für das erste Probenröhrchen 24 ohne Original 13 und das vierte Probenröhrchen 24 ohne optothermische Behandlung ist nur eine geringe Transmissionsänderung zu beobachten. Dies zeigt, dass hier keine Verlängerung der Primersequenzen 5 auf den ersten Nanopartikeln 3 stattgefunden hat und somit auch keine Bindung zur Testsonde 22 möglich ist. Lediglich nach dem Durchlaufen der optothermischen Zyklen und bei Vorhandensein des Originals 13 kann es zu einer Verlängerung der Primersequenzen 5 auf den ersten Nanopartikeln 3 durch die DNA-Polymerase 11 kommen, was zu einer Verbindung der ersten Nanopartikel 3 mit den zweiten Nanopartikeln 23 und schließlich zu einer Transmissionsänderung als Folge der optothermisch induzierten Trennung der Nanopartikel führt.In 8a the relative transmission change is shown by the laser pulse of the first laser 28 and the resulting dehybridization of the oligonucleotides 4 between the first nanoparticles 3 and second nanoparticles 23 and measure the presence of gold-DNA-gold bonds in the sample tube 24 is. Below the diagram in 8a the number of cycles passed can be seen in a first line. In a second line, which is below the first line, is the concentration of the original 13 in pM in the sample tube 24 presented before the duplication. Shown are on the right side of the diagram in 8a in section B from left to right the first, second and third sample tubes 24 , respectively 25 has undergone optothermal cycles as well as the fourth sample tube 24 without optothermal treatment. Here you can clearly see that the measured Transmittance change as an indicator of gold-DNA-gold bonds with increasing concentration of the original 13 before duplication increases when the 25 cycles have been completed. For the first sample tube 24 without original 13 and the fourth sample tube 24 Without optothermal treatment, only a small change in transmission is observed. This shows that here no extension of the primer sequences 5 on the first nanoparticles 3 took place and thus no binding to the test probe 22 is possible. Only after passing through the optothermal cycles and in the presence of the original 13 it may lead to an extension of the primer sequences 5 on the first nanoparticles 3 through the DNA polymerase 11 come, resulting in a compound of the first nanoparticles 3 with the second nanoparticles 23 and finally leads to a change in transmission as a result of the optothermically induced separation of the nanoparticles.

Als Vergleich ist in 8a im Abschnitt A auf der linken Seite das Ergebnis eines analogen Experimentes zu sehen, bei dem das Erhitzen der DNA jedoch nicht lokal durch optothermische Anregung der Nanopartikel 9, sondern global für das gesamte Reaktionsvolumen 2 in einem herkömmlichen Thermocycler (Labnet Multi Gene II) erfolgt. Hier werden von links nach rechts das erste bis vierte Probenröhrchen 24 gezeigt, deren Inhalt identisch zu dem im vorigen Absatz beschriebenen Experiment ist. Erstes, zweites und drittes Probenröhrchen 24 wurden einem klassischen PCR-Protokoll unterzogen (93°C für 1 s, 53°C für 20 s, 35 Zyklen). Wie bei der optothermischen Erhitzung ist auch hier zu sehen, dass je mehr Original 13 vor der Vervielfältigung in dem jeweiligen Probenröhrchen 24 vorhanden war, desto größer die gemessene Transmissionsänderung ausfällt, die durch den Laserpuls und die hierdurch dehybridisierende DNA zwischen den ersten Nanopartikeln 3 und zweiten Nanopartikeln 23 erzeugt wird und das Maß für das Vorhandensein von Gold-DNA-Gold-Bindungen in der Lösung ist. Das vierte Probenröhrchen 24, das zwar 50 pM des Originals 13 enthält, aber nicht zyklisch erhitzt wurde, zeigt nahezu keine Transmissionsänderung. Hier wurde also nicht in einem ausreichenden Umfang Primersequenzen 5 auf den ersten Nanopartikeln 3 verlängert.As comparison is in 8a in section A on the left, we can see the result of an analogous experiment, in which the heating of the DNA is not localized by optothermal excitation of the nanoparticles 9 but globally for the entire reaction volume 2 in a conventional thermocycler (Labnet Multi Gene II) takes place. Here, from left to right, the first to fourth sample tubes 24 whose contents are identical to the experiment described in the previous paragraph. First, second and third sample tubes 24 were subjected to a classical PCR protocol (93 ° C for 1 s, 53 ° C for 20 s, 35 cycles). As in the case of optothermal heating, it can also be seen that the more original 13 before duplication in the respective sample tube 24 was present, the greater the measured change in transmission due to the laser pulse and the thereby dehybridisierende DNA between the first nanoparticles 3 and second nanoparticles 23 and is the measure of the presence of gold-DNA-gold bonds in the solution. The fourth sample tube 24 that is 50 pM of the original 13 contains, but was not heated cyclically, shows almost no change in transmission. Thus, not enough primer sequences were used here 5 on the first nanoparticles 3 extended.

8b zeigt ein ähnliches Experiment mit globaler Erhitzung des gesamten Reaktionsvolumens 2, jedoch bei konstanter Konzentration des Originals 13 im Probenröhrchen 24 von 10 pM vor der Vervielfältigung (zweite Zeile unterhalb des Diagramms) und ansteigender Zyklenzahl (erste Zeile unterhalb des Diagramms). Hier ist deutlich zu sehen, dass mit steigender Zyklenzahl auch die gemessene Transmissionsänderung größer wird, ein klares Zeichen dafür, dass umso mehr Primer auf den ersten Nanopartikeln 3 verlängert werden, je mehr Zyklen durchlaufen werden und somit ein klares Zeichen dafür, dass der Ursprung des gemessenen Signals tatsächlich die erfolgte Elongation der Oligonukleotide 4 auf den ersten Nanopartikeln 3 durch die DNA-Polymerase 11 ist. 8b shows a similar experiment with global heating of the total reaction volume 2 but at a constant concentration of the original 13 in the sample tube 24 of 10 pM before duplication (second row below the chart) and increasing number of cycles (first row below the chart). Here it can clearly be seen that as the number of cycles increases, so does the measured change in transmission, which is a clear sign that there are more primers on the first nanoparticles 3 be extended as more cycles are passed and thus a clear indication that the origin of the signal being measured is actually the elongation of the oligonucleotides 4 on the first nanoparticles 3 through the DNA polymerase 11 is.

Eine weitere Möglichkeit, die erfolgte Vervielfältigung nachzuweisen, ist in 9 dargestellt. 9a und 9c fassen die exponentielle Vervielfältigung unter Verwendung eines gelösten Rückwärtsprimers 16 B' zusammen, wie sie schon in 1a bis 1h gezeigt ist. Zusätzlich befinden sich in der Probe 12 Testsonden 22. Die Testsonden 22 bestehen in diesem Ausführungsbeispiel aus zweiten Nanopartikeln 23, die auf ihrer Oberfläche neben optionalen Füllmolekülen 10F auch mit der Testsequenz 31A' funktionalisiert sind. Optional kann zwischen der Testsequenz 31A' und der Oberfläche der zweiten Nanopartikel 23 noch eine Spacersequenz 6S sein, die nicht identisch mit der Spacersequenz 6S auf den ersten Nanopartikeln 3 aus 1 oder 9a sein muss und eine optionale abasische Modifikation 7 zwischen Testsequenz A und Spacersequenz 6S. Die Testsequenz A' ist zumindest zu einem Teil der Primersequenz 5 A auf den ersten Nanopartikeln 3 komplementär. Die Testsequenz A' tritt gegenüber der Primersequenz 5 A in Konkurrenz mit den in dem Verfahren in 1a bis 1h gebildeten Kopien des Originals 13 mit der Teilsequenz A'. Das heißt, wenn viele Kopien des Originals 13 vorhanden sind, dann sind die Primersequenzen 5 A auf der Oberfläche der ersten Nanopartikel 3 bereits mit den Teilsequenzen A' der Kopien des Originals 13 besetzt. Die Primersequenzen 5 A können dann nicht oder nur in geringem Umfang mit den Testsequenzen A' auf den zweiten Nanopartikeln 23 hybridisieren. Damit werden die ersten Nanopartikel 3 mit den zweiten Nanopartikeln 23 nicht oder nur in einem geringem Ausmaß verbunden. Wie in 9c dargestellt, sind die elongierten Primersequenzen 5 A auf den ersten Nanopartikeln 3 hybridisiert mit dem Original 13 und seinen Kopien und bilden damit starre, doppelsträngige DNA, die ein sterisches Hindernis darstellen kann, auch dadurch wird ein Verbinden von ersten Nanopartikeln 3 und zweiten Nanopartikeln 23 bei hoher Zahl von Kopien des Originals 13 verhindert. Bei Abwesenheit oder geringer Zahl von Original 13 und Kopien des Originals 13, liegen die ersten Nanopartikel 3 überwiegend mit unbesetzten Primersequenzen 5 A vor, wie in 9b gezeigt. Nun können die Testsequenzen 31 der Testsonden 22 mit den unbesetzten Primersequenzen 5 A auf den ersten Nanopartikeln 3 hybridisieren. Dabei werden die ersten mit den zweiten Nanopartikeln 23 verbunden, wie in 9b gezeigt. In dieser Ausführungsform ist das Ausmaß der Verbindung von ersten Nanopartikeln 3 und zweiten Nanopartikeln 23 umso schwächer, je mehr Kopien des Originals 13 durch die Vervielfältigungsreaktion entstanden sind, was wiederum von der Konzentration des Originals 13 zu Beginn der Vervielfältigungsreaktion abhängt. Die Puffer- und Hybridisierungsbedingungen (z. B. Temperatur, Salzkonzentrationen, Nanopartikelkonzentrationen und -größen, Konzentrationen sonstiger Pufferzusätze, pH-Wert) werden so gewählt, dass bei erfolgter spezifischer Verlängerung der Primersequenz 5 A und erfolgter Synthese von Kopien des Originals 13 eine möglichst effiziente Unterdrückung der Hybridisierung der Primersequenzen 5 A mit den Testsequenzen 31 A' stattfindet. Zugleich werden die genannten Bedingungen so gewählt, dass bei nicht erfolgter Vervielfältigung eine möglichst effiziente Hybridisierung der Primersequenzen 5 A mit den Testsequenzen 31A' entsteht. Die aus der Hybridisierung resultierende Verbindung von ersten Nanopartikeln 3 mit zweiten Nanopartikeln 23 kann z. B. als Rotverschiebung und Verbreiterung der Plasmonenresonanz im Extinktionsspektrum nachgewiesen werden oder durch Messung der Transmissionsänderung bei einer oder mehreren Wellenlängen nach optothermischer Anregung der Nanopartikel und hieraus resultierender Denaturierung der nanopartikelverbindenden DNA. Alternativ kann der Nachweis beziehungsweise eine Quantifizierung der in dem Verfahren erzeugten Kopien des Originals 13 z. B. auch durch PCR, Realtime-PCR, quantitative Realtime-PCR, Gel-Elektrophorese oder mittels farbstoffgelabelten Sonden erfolgen. Die Testsonden 22 können passiviert werden, so dass sie nicht als Primer 8 wirken. Das Passivieren der Testsonden 22 kann darin bestehen, dass die Testsequenz 31 auf den Testsonden 22 so gewählt wird, dass bei der Annealingtemperatur während der PCR keine Hybridisierung der genannten Testsequenz 31 mit dem Original 13 stattfindet, sondern erst nach anschließender Absenkung der Temperatur. Das Passivieren der Testsonden 22 kann auch so geschehen, dass die Testsequenzen 31 am 3'-Ende auf den zweiten Nanopartikeln 22 befestigt sind, so dass die DNA-Polymerase 11 die Testsequenzen nicht verlängern kann. In diesem Fall können die Testsequenzen 31 an ihrem 5'-Ende frei sein oder mit den zweiten Nanopartikeln 23 verbunden sein. Die Testsonden 22 können auch dadurch passiviert sein, dass eine Basenmodifikation, z. B. mit Dideoxycytosin (ddC) am 3'-Ende der Testsequenzen 31 die Elongation verhindert. Die Testsonden 22 können auch erst nach Abschluss der optothermischen Vervielfältigungsreaktion zur Probe 12 hinzugegeben werden.Another way to prove duplication is in 9 shown. 9a and 9c summarize the exponential amplification using a resolved reverse primer 16 B 'as already described in 1a to 1h is shown. Additionally are in the sample 12 test probes 22 , The test probes 22 consist in this embodiment of second nanoparticles 23 on their surface next to optional filling molecules 10F also with the test sequence 31A 'are functionalized. Optionally, between the test sequence 31A 'and the surface of the second nanoparticles 23 another spacer sequence 6S which are not identical to the spacer sequence 6S on the first nanoparticles 3 out 1 or 9a must be and an optional abasic modification 7 between test sequence A and spacer sequence 6S , The test sequence A 'is at least part of the primer sequence 5 A on the first nanoparticles 3 complementary. The test sequence A 'occurs over the primer sequence 5 A in competition with those in the process in 1a to 1h formed copies of the original 13 with the partial sequence A '. That is, if many copies of the original 13 are present, then are the primer sequences 5 A on the surface of the first nanoparticles 3 already with the partial sequences A 'of the copies of the original 13 occupied. The primer sequences 5 A can not or only to a small extent with the test sequences A 'on the second nanoparticles 23 hybridize. This will be the first nanoparticles 3 with the second nanoparticles 23 not or only to a limited extent. As in 9c are the elongated primer sequences 5 A on the first nanoparticles 3 hybridizes with the original 13 and its copies, thereby forming rigid, double-stranded DNA that can present a steric barrier, thereby also joining first nanoparticles 3 and second nanoparticles 23 with a high number of copies of the original 13 prevented. In the absence or small number of original 13 and copies of the original 13 , lie the first nanoparticles 3 predominantly with unoccupied primer sequences 5 A before, as in 9b shown. Now the test sequences 31 the test probes 22 with the unoccupied primer sequences 5 A on the first nanoparticles 3 hybridize. In the process, the first with the second nanoparticles 23 connected, as in 9b shown. In this embodiment, the extent of the compound of first nanoparticles 3 and second nanoparticles 23 the weaker the more copies of the original 13 caused by the duplication reaction, which in turn depends on the concentration of the original 13 at the beginning of the amplification reaction. The buffering and hybridization conditions (eg temperature, salt concentrations, nanoparticle concentrations and sizes, concentrations of other buffer additives, pH) are chosen so that when specific extension of the primer sequence 5 A and completed synthesis of copies of the original 13 the most efficient possible suppression of the hybridization of the primer sequences 5 A with the test sequences 31 A 'takes place. At the same time, the conditions mentioned are selected such that, if duplication does not take place, the most efficient possible hybridization of the primer sequences 5 A with the test sequences 31A 'arises. The hybridization resulting compound of first nanoparticles 3 with second nanoparticles 23 can z. B. be detected as redshift and broadening of the plasmon resonance in the extinction spectrum or by measuring the transmission change at one or more wavelengths after opto-thermal excitation of the nanoparticles and resulting denaturation of the nanoparticle-connecting DNA. Alternatively, the detection or quantification of the copies of the original produced in the process 13 z. B. by PCR, real-time PCR, quantitative real-time PCR, gel electrophoresis or by means of dye-labeled probes. The test probes 22 can be passivated, so they are not considered primers 8th Act. The passivation of the test probes 22 may be that the test sequence 31 on the test probes 22 is chosen so that at the annealing temperature during the PCR no hybridization of said test sequence 31 with the original 13 takes place, but only after subsequent lowering of the temperature. The passivation of the test probes 22 can also be done so that the test sequences 31 at the 3 'end on the second nanoparticles 22 are attached, leaving the DNA polymerase 11 can not extend the test sequences. In this case, the test sequences 31 be free at its 5 'end or with the second nanoparticles 23 be connected. The test probes 22 may also be passivated by a base modification, e.g. With dideoxycytosine (ddC) at the 3 'end of the test sequences 31 Elongation prevented. The test probes 22 can also only after completion of the optothermal amplification reaction to the sample 12 be added.

Für die in 9 dargestellte Ausführung des Verfahrens werden erste Nanopartikel 3 aus Gold mit einem Durchmesser von 60 nm mit Oligonukleotiden 4 funktionalisiert, wie schon in dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel, jedoch nun mit Oligonukleotiden ID6. Nach Funktionalisierung und 6 Waschschritten liegen die ersten Nanopartikel 3 in einer Konzentration von 200 pM in einem PBS Puffer (5 mM PBS, 10 mM NaCl, 0,01% Tween 20, pH 7,5) vor. Zur Herstellung der Testsonden 22 werden zweiten Nanopartikel 23 aus Gold mit einem Durchmesser von 10 nm mit Oligonukleotiden 4 ID7 funktionalisiert (nach J. Hurst, supra ), die mit Dideoxycytosin (ddC) am 3'-Ende terminiert sind. Nach Funktionalisierung und 6 Waschschritten liegen die zweiten Nanopartikel 23 in einer Konzentration von 8 nM in einem PBS Puffer (5 mM PBS, 10 mM NaCl, 0,01% Tween 20, pH 7,5) vor. Die Vervielfältigungsreaktion wird in einem Gesamtvolumen von 20 μl in einer Multiwellplatte 32 mit transparentem Boden (geliefert von Greiner Bio One) durchgeführt (4 μl Apta Taq Mastermix 5x mit MgCl2 (bezogen von Roche), 2 μl NaCl 450 mM, 2 μl MgCl2 90 mM, 2 μl Tween 20 1%ig, 2 μl Tetramethylammoniumchlorid, 50 mM, 2 μl Wasser, 2 μl der funktionalisierten ersten Nanopartikel 200 pM, 1 μl der funktionalisierten zweiten Nanopartikel 8 nM, 1 μl Oligonukleotid 4 ID8 als gelöster Rückwärtsprimer und 2 μl Targetsequenz als zu vervielfältigendes Original 13. Dabei befinden sich im Gesamtvolumen z. B. 2E7, 2E6, 2E5, 2E4, 2E3, 2E2 Kopien genomischer DNA des Bakteriums E. coli (Escherischia coli), das als Teilsequenz das Original 13 enthält in der Probe 12, bzw. 2E7 Kopien genomischer DNA des Bakteriums MRSA (Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus), das das Original 13 nicht enthält in der Probe 12. Die genomische DNA von Escherischia coli und MRSA wurde zuvor mit einem kommerziellen Extraktionskit (Qiagen DNeasy Blood & Tissue Kit) aus E. coli Bakterien bzw. MRSA-Bakterien extrahiert. Die so gewonnene genomische DNA wurde zur Lagerung eingefroren und vor Einsetzen in die Vervielfältigungsreaktion für 10 Minuten bei 99°C hitzebehandelt.For the in 9 illustrated embodiment of the method become first nanoparticles 3 of gold with a diameter of 60 nm with oligonucleotides 4 functionalized, as in the in 6 shown embodiment, but now with oligonucleotides ID6. After functionalization and 6 washes, the first nanoparticles are located 3 at a concentration of 200 pM in a PBS buffer (5 mM PBS, 10 mM NaCl, 0.01% Tween 20, pH 7.5). For the production of test probes 22 become second nanoparticles 23 from gold with a diameter of 10 nm with oligonucleotides 4 ID7 functionalized (after J. Hurst, supra ) terminated with dideoxycytosine (ddC) at the 3'-end. After functionalization and 6 washes, the second nanoparticles are located 23 at a concentration of 8 nM in a PBS buffer (5 mM PBS, 10 mM NaCl, 0.01% Tween 20, pH 7.5). The amplification reaction is carried out in a total volume of 20 μl in a multiwell plate 32 with transparent bottom (supplied by Greiner Bio One) (4 μl Apta Taq Master Mix 5x with MgCl 2 (purchased from Roche), 2 μl NaCl 450 mM, 2 μl MgCl 2 90 mM, 2 μl Tween 20 1%, 2 μl tetramethylammonium chloride, 50 mM, 2 μl of water, 2 μl of the functionalized first nanoparticles 200 pM, 1 μl of the functionalized second nanoparticles 8 nM, 1 μl of oligonucleotide 4 ID8 as dissolved reverse primer and 2 .mu.l of target sequence as original to be reproduced 13. It is in the total volume z. B. 2E7, 2E6, 2E5, 2E4, 2E3, 2E2 copies of genomic DNA of the bacterium E. coli (Escherischia coli), the partial sequence of the original 13 contains in the sample 12, or 2E7 copies of genomic DNA of the bacterium MRSA (methicillin-resistant Staphylococcus aureus), which is the original 13 not included in the sample 12 , The genomic DNA of Escherischia coli and MRSA was previously extracted with a commercial extraction kit (Qiagen DNeasy Blood & Tissue Kit) from E. coli bacteria or MRSA bacteria. The genomic DNA thus recovered was frozen for storage and heat treated at 99 ° C for 10 minutes prior to insertion into the amplification reaction.

Wie in 10 dargestellt, wird die Multiwellplatte 32 mit einer Transparenten Folie 33 (geliefert von Carl Roth) verschlossen. Die Multiwellplatte 32 wird von unten mit einem ersten Heizblock 34 in Verbindung gebracht, der Aussparungen 35 derart enthält, dass der Laser 17 ungehindert den transparenten Boden der Multiwellplatte erreichen kann. Durch Temperierung des ersten Heizblockes 34 kann die globale Probentemperatur eingestellt werden, die sowohl Annealing- als auch die Elongationstemperatur darstellt. Die Folie 33 wird mit einem zweiten Heizblock 36 in Verbindung gebracht, der ebenfalls Aussparungen 35 derart enthält, dass sich der Laser nach durchqueren der Probe ungehindert ausbreiten kann. Der zweite Heizblock 36 soll verhindern, dass ein Teil der Probe an der Folie 33 kondensieren kann. Die Temperatur des zweiten Heizblockes 36 wird vorzugsweise mindestens so hoch gewählt wie die des ersten Heizblockes 34, besonders vorzugsweise mindestens 5°C höher und ganz besonders vorzugsweise mindestens 10°C höher als die des ersten Heizblocks. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Temperatur des ersten Heizblockes 62°C, die des zweiten Heizblockes 80°C Unter diesen Bedingungen findet keine Hybridisierung zwischen Testsequenz 24 und Primersequenz 5 statt, somit werden erste Nanopartikel 3 und zweite Nanopartikel 23 nicht miteinander verbunden und die Primersequenz 5 wird für die Vervielfältigungsreaktion nicht blockiert. Bei geringeren Temperaturen, die z. B. während des Mischens der Reaktionskomponenten herrscht, können die ersten Nanopartikel 23 und die Primersequenzen 5 teilweise oder ganz durch die Testsequenzen 31 und die Testsonden 22 blockiert und somit vor unspezifischen Bindungen und Hybridisierungen geschützt sein. Dies kann vorteilhaft für die Spezifität der Vervielfältigungsreaktion genutzt werden. Der Laser 17, der zum Anregen der Nanopartikel dient, ist ein frequenzverdoppelter diodengepumpter Nd:YAg-Laser (Excel, Laser-Quantum), der bei einer Ausgangsleistung von 1,8 W mittels eines Teleskops ca. 3fach aufgeweitet und dann mit einer telezentrischen F-Theta-Linse (Qioptiq, Brennweite 100 mm) hinter einem Spiegelscanner 19 (Cambridge Technologies, Pro Series 1) in die Multiwellplatte 32 fokussiert wird (Fokusdurchmesser circa 20 μm). Der Spiegelscanner 19 erlaubt, den Fokus zeilenweise durch die Multiwellplatte 32 zu bewegen, wie auch schon in 3 gezeigt, und somit das gesamte PCR-Reaktionsvolumen an der optothermischen Vervielfältigung zu beteiligen. Pro Well werden 250 Zeilen mit einem Abstand von circa 15 μm bei einer Zeilengeschwindigkeit im Well von circa 8 m/s mit dem Fokus abgefahren. Dies entspricht einem Zyklus im ersten Well. Anschließend werden nacheinander alle anderen Wells abgefahren, so dass jedes Well einen Zyklus erfahren hat. Nach einer Wartedauer von 3 s nach dem Durchfahren des ersten Wells wird der nächste Zyklus gestartet und dies so oft wiederholt, bis jedes Well insgesamt 210 Zyklen durchlaufen hat.As in 10 shown, the multiwell plate 32 with a transparent foil 33 (supplied by Carl Roth) closed. The multiwell plate 32 is from below with a first heating block 34 associated, the recesses 35 contains such that the laser 17 unhindered to reach the transparent bottom of the multiwell plate. By tempering the first heating block 34 the global sample temperature can be set, representing both annealing and elongation temperatures. The foil 33 comes with a second heating block 36 associated, which also has recesses 35 contains such that the laser can propagate unhindered after passing through the sample. The second heating block 36 It should prevent part of the sample on the film 33 can condense. The temperature of the second heating block 36 is preferably selected to be at least as high as that of the first heating block 34 , more preferably at least 5 ° C higher and most preferably at least 10 ° C higher than that of the first heating block. In the present exemplary embodiment, the temperature of the first heating block is 62 ° C., that of the second heating block is 80 ° C. Under these conditions there is no hybridization between the test sequence 24 and primer sequence 5 instead, so are first nanoparticles 3 and second nanoparticles 23 not connected to each other and the primer sequence 5 is not blocked for the duplication reaction. At lower temperatures, the z. B. prevails during the mixing of the reaction components, the first nanoparticles 23 and the primer sequences 5 partially or completely through the test sequences 31 and the test probes 22 blocked and thus protected against non-specific binding and hybridization. This can be used to advantage for the specificity of the amplification reaction. The laser 17 which serves to excite the nanoparticles, is a frequency-doubled diode-pumped Nd: YAg laser (Excel, Laser-Quantum), which widens at a power output of 1.8 W by means of a telescope approximately 3-fold and then with a telecentric F-theta Lens (Qioptiq, focal length 100 mm) behind a mirror scanner 19 (Cambridge Technologies, Pro Series 1) into the multiwell plate 32 is focused (focus diameter about 20 microns). The mirror scanner 19 allows the focus line by line through the multiwell plate 32 to move, as already in 3 shown, and thus the entire PCR reaction volume to participate in the optothermal amplification. Per well, 250 lines are traversed with a distance of about 15 μm at a line speed in the well of about 8 m / s with the focus. This corresponds to one cycle in the first well. Subsequently, all other wells are sequentially driven, so that each well has undergone a cycle. After a waiting period of 3 s after passing through the first well, the next cycle is started and this is repeated until each well has undergone a total of 210 cycles.

Es werden 6 Wells untersucht, die in 11 von links nach rechts dargestellt sind. Das erste Well enthält als Kontrolle in der Probe 2E7 Kopien genomischer DNA des Bakteriums MRSA (Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus), das das Original 13 nicht enthält. In den zweiten bis sechsten Wells liegen in der Probe 2E7, 2E6, 2E5, 2E4, 2E3, bzw. 2E2 Kopien genomischer DNA des Bakteriums E. coli, das als Teilsequenz das Original 13 enthält, vor. Nachdem alle sieben Wells jeweils 210 Zyklen durchlaufen haben und die optothermische Vervielfältigungsreaktion beendet ist, wird die Temperatur des ersten Heizblocks 34 auf 52°C reduziert, die des zweiten Heizblocks 36 auf 62°C. Unter diesen Bedingungen kann eine Hybridisierung zwischen Testsequenz 24 und Primersequenz 5 stattfinden, wenn keine oder nur wenige Originale 13 in der Probe vorhanden waren und somit die Primersequenzen 5 nicht oder nur in geringem Umfang durch Kopien des Originals 13 blockiert werden. In diesem Fall werden erste Nanopartikel 3 und zweite Nanopartikel 23 miteinander verbunden, wie in 9b dargestellt. Wenn viele Kopien des Originals 13 vorhanden sind, dann sind die Primersequenzen 5 A auf der Oberfläche der ersten Nanopartikel 3 bereits mit den Teilsequenzen A' der Kopien des Originals 13 besetzt. Die Primersequenzen 5 A können dann nicht oder nur in geringem Umfang mit den Testsequenzen A' auf den zweiten Nanopartikeln 23 hybridisieren. Damit werden die ersten Nanopartikel 3 mit den zweiten Nanopartikeln 23 nicht oder nur in einem geringem Ausmaß verbunden. Wie in 9c dargestellt, sind die elongierten Primersequenzen 5 A auf den ersten Nanopartikeln 3 hybridisiert mit dem Original 13 und seinen Kopien und bilden damit starre, doppelsträngige DNA, die ein sterisches Hindernis darstellen kann, auch dadurch wird ein Verbinden von ersten Nanopartikeln 3 und zweiten Nanopartikeln 23 bei hoher Zahl von Kopien des Originals 13 verhindert. Der Nachweis der Hybridisierung erfolgt mittels optothermischer Anregung der Nanopartikel (nach EP 2162549 , dessen diesbezüglicher Inhalt durch Verweis Teil der vorliegenden Offenbarung ist). Die Wells werden dazu, wie in 10 dargestellt, mit Pulsen eines Lasers 17 beschossen (50 μs Pulsdauer, 532 nm Wellenlänge, circa 1 W Spitzenleistung, Fokusdurchmesser circa 20 μm). Hierdurch werden die Nanopartikel optothermisch erhitzt und geben Wärme an ihre Umgebung ab. Falls erste Nanopartikel 3 und zweite Nanopartikel 23 durch die Hybridisierung von Oligonukleotiden, wie in 9b dargestellt, verbunden sind, so werden sie durch den Laserpuls getrennt. Dies kann dadurch nachgewiesen werden, dass der Laser 17 bei geringer Leistung (ca. 50 mW kontinuierlich) die Extinktion vor und nach dem intensiven Laserpuls des Lasers 17 abfragt. Der optische Pfad auf dem die Extinktionsänderung optothermisch induziert und gemessen wird beträgt circa 1 mm. Die geringe Leistung während der Extinktionsmessung verhindert das Dehybridisieren der Primersequenz 5 und der Testsequenz 31, das nur durch den intensiven Laserpuls induziert werden soll. Die Verwendung von nur einem Laser sowohl zur Extinktionsmessung als auch zur optothermischen Dehybridisierung erspart vorzugsweise Kosten und eine Überlappung zweier Laserfoki. Die Intensität des durch diese Schicht transmittierten Lichts des Lasers 17 wird mit einer Photodiode 30 gemessen, nachdem das transmittierte Licht des Lasers 17 an einer Streuscheibe 27 gestreut wird. Dabei erreicht die Streuscheibe, dass ein Teil des Licht, das durch die verschiedenen Wells transmittiert wurde, stets auf den Detektor fällt. Aus der Differenz des Photodiodenstromes vor und nach dem Puls wird die optothermisch induzierte Transmissionsänderung bestimmt, die durch das Dehybridisieren der Primersequenz 5 und der Testsequenz 24 zwischen den Nanopartikeln 8 und das darauffolgende Auseinanderdiffundieren der Nanopartikel 8 erzeugt wird. Das Ergebnis der optothermisch induzierten Änderung der Transmission ist in 11 dargestellt. Der erste Balken zeigt die Messung eines Wells mit genomischer DNA des Bakteriums MRSA, das das Original 13 nicht als Teilsequenz enthält in der Probe. Hier sind die Primersequenzen nicht durch Kopien des Originals besetzt, somit verbinden sich erste Nanopartikel 3 und zweite Nanopartikel 23 miteinander und eine deutliche Transmissionsänderung ist detektierbar. Die folgenden Balken zeigen die Messungen der Wells, die genomische DNA des Bakteriums E. coli enthalten, die als Teilsequenz das Original 13 enthält. Hier ist die Unterdrückung der Hybridisierung und somit die Unterdrückung der Transmissionsänderung um so größer ist, je mehr genomische DNA des Bakteriums E. coli, das als Teilsequenz das Original 13 enthält in der Probe 12 ist.6 wells are examined which are in 11 are shown from left to right. The first well contains as control in the sample 2E7 copies of genomic DNA of the bacterium MRSA (Methicillin-resistant Staphylococcus aureus) containing the original 13 does not contain. In the second to sixth wells are in the sample 2E7, 2E6, 2E5, 2E4, 2E3, and 2E2 copies of genomic DNA of the bacterium E. coli, the partial as the original 13 contains, before. After all seven wells have each undergone 210 cycles and the opto-thermal amplification reaction is completed, the temperature of the first heating block becomes 34 reduced to 52 ° C, that of the second heating block 36 at 62 ° C. Under these conditions, a hybridization between test sequence 24 and primer sequence 5 take place if no or only a few originals 13 were present in the sample and thus the primer sequences 5 not or only to a limited extent by copies of the original 13 be blocked. In this case, first nanoparticles 3 and second nanoparticles 23 interconnected, as in 9b shown. If many copies of the original 13 are present, then are the primer sequences 5 A on the surface of the first nanoparticles 3 already with the partial sequences A 'of the copies of the original 13 occupied. The primer sequences 5 A can not or only to a small extent with the test sequences A 'on the second nanoparticles 23 hybridize. This will be the first nanoparticles 3 with the second nanoparticles 23 not or only to a limited extent. As in 9c are the elongated primer sequences 5 A on the first nanoparticles 3 hybridizes with the original 13 and its copies, thereby forming rigid, double-stranded DNA that can present a steric barrier, thereby also joining first nanoparticles 3 and second nanoparticles 23 with a high number of copies of the original 13 prevented. The proof of the hybridization takes place by means of optothermal excitation of the nanoparticles (according to EP 2162549 the content of which is incorporated herein by reference). The wells are going to, as in 10 shown with pulses of a laser 17 shot (50 μs pulse duration, 532 nm wavelength, about 1 W peak power, focus diameter about 20 μm). As a result, the nanoparticles are heated optothermally and give off heat to their environment. If first nanoparticles 3 and second nanoparticles 23 by the hybridization of oligonucleotides, as in 9b are connected, they are separated by the laser pulse. This can be proved by the fact that the laser 17 at low power (about 50 mW continuous) the extinction before and after the intense laser pulse of the laser 17 queries. The optical path on which the change in absorbance is optothermally induced and measured is about 1 mm. The low power during the absorbance measurement prevents the dehybridization of the primer sequence 5 and the test sequence 31 , which should only be induced by the intense laser pulse. The use of only one laser both for extinction measurement and for optothermal dehybridization preferably saves costs and an overlap of two laser foci. The intensity of the light transmitted through this layer of the laser 17 is using a photodiode 30 measured after the transmitted light of the laser 17 on a diffuser 27 is scattered. In this case, the lens reaches that part of the light that has been transmitted through the different wells always falls on the detector. From the difference of the photodiode current before and after the pulse, the optothermically induced transmission change is determined by the dehybridization of the primer sequence 5 and the test sequence 24 between the nanoparticles 8th and the subsequent diffusion of the nanoparticles 8th is produced. The result of the optothermally induced change in transmission is 11 shown. The first bar shows the measurement of a well with genomic DNA of the bacterium MRSA containing the original 13 not included as a partial sequence in the sample. Here, the primer sequences are not occupied by copies of the original, thus connecting first nanoparticles 3 and second nanoparticles 23 with each other and a significant change in transmission is detectable. The following bars show the measurements of the wells containing genomic DNA of the bacterium E. coli, the partial sequence of the original 13 contains. Here, the suppression of the hybridization and thus the suppression of the transmission change is greater, the more genomic DNA of the bacterium E. coli, the partial sequence of the original 13 Contains in the sample 12 is.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein. The features disclosed in the foregoing description, the claims and the drawings may be of importance both individually and in any combination for the realization of the invention in its various forms.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Nukleinsäurenucleic acid
22
Reaktionsvolumenreaction volume
33
erste Nanopartikelfirst nanoparticles
44
Oligonukleotidoligonucleotide
55
Primersequenzprimer sequence
66
Spacersequenzspacer
77
Abasische ModifikationAbasic modification
88th
Primerprimer
99
Nanopartikelnanoparticles
1010
FüllmolekülFüllmolekül
1111
DNA-PolymeraseDNA polymerase
1212
Probesample
1313
Originaloriginal
1414
Komplementcomplement
1515
Vorwärtsprimerforward primer
1616
Rückwärtsprimerreverse primer
1717
Laserlaser
1818
Lichtquellelight source
1919
Spiegelscannermirror scanner
2020
Spiegelmirror
2121
erste Oligonukleotidefirst oligonucleotides
2222
Testsondetest probe
2323
zweite Nanopartikelsecond nanoparticles
2424
Probenröhrchensample tubes
2525
Glasküvetteglass cuvette
2626
Wasserbadwater bath
2727
Streuscheibediffuser
2828
erster Laserfirst laser
2929
zweiter Lasersecond laser
3030
Photodiodephotodiode
3131
Testsequenztest sequence
3232
MultiwellplatteMultiwell plate
3333
Foliefoil
3434
erster Heizblockfirst heating block
3535
Aussparungrecess
3636
zweiter Heizblocksecond heating block

Sequenzensequences

/iSp9/
= abasische Modifikation Spacer9
/ddC
= Dideoxycytidine
Figure DE102013215168A1_0002
Figure DE102013215168A1_0003
Figure DE102013215168A1_0004
Figure DE102013215168A1_0005
/ ISp9 /
= Abasic modification Spacer9
/ ddC
= Dideoxycytidines
Figure DE102013215168A1_0002
Figure DE102013215168A1_0003
Figure DE102013215168A1_0004
Figure DE102013215168A1_0005

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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 4683202 [0002] US 4683202 [0002]
  • WO 2007/143034 A1 [0003] WO 2007/143034 A1 [0003]
  • US 2002/0061588 A1 [0004] US 2002/0061588 A1 [0004]
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  • DE 102012201475 [0006] DE 102012201475 [0006]
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • D. Renneberg und C. J. Leumann, ”Watson-Crick base-pairing properties of Tricyclo-DNA”, J. Am. Chem. Soc., 2002, Bd. 124, Seiten 5993–6002 [0012] D. Renneberg and CJ Leumann, "Watson-Crick base-pairing properties of tricyclo-DNA", J. Am. Chem. Soc., 2002, Vol. 124, pp. 5993-6002 [0012]
  • J. Hurst et al., Anal. Chem., 78(24), 8313–8318, 2006 [0135] J. Hurst et al., Anal. Chem., 78 (24), 8313-8318, 2006 [0135]
  • J. Hurst, supra [0136] J. Hurst, supra [0136]
  • J. Hurst, supra [0141] J. Hurst, supra [0141]

Claims (24)

Verwendung von einem oder mehreren Nanopartikeln (9), die jeweils mit mindestens einem Oligonukleotid (4) konjugiert sind, zum Vervielfältigen von Nukleinsäuren (1), wobei eines oder mehrere der Oligonukleotide (4) wenigstens eine Primersequenz (5) aufweisen sowie einen weiteren Abschnitt, der sich von dem nanopartikelnahen Ende der Primersequenz in Richtung des Nanopartikels erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Abschnitt wenigstens eine abasische Modifikation (7) aufweist.Use of one or more nanoparticles ( 9 ), each containing at least one oligonucleotide ( 4 ) are conjugated to duplicate nucleic acids ( 1 ), one or more of the oligonucleotides ( 4 ) at least one primer sequence ( 5 ) and a further section which extends from the nanoparticle end of the primer sequence in the direction of the nanoparticle, characterized in that the further section comprises at least one abasic modification ( 7 ) having. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abasische Modifikation (7) an dem der Primersequenz zugewandten Ende des weiteren Abschnitts angrenzend an die Primersequenz (5) angeordnet ist.Use according to claim 1, characterized in that the abasic modification ( 7 ) at the end of the further segment facing the primer sequence adjacent to the primer sequence ( 5 ) is arranged. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die abasische Modifikation (7) 3'-seitig bezüglich der Primersequenz (5) angeordnet ist.Use according to claim 1 or 2, characterized in that the abasic modification ( 7 ) 3'-side with respect to the primer sequence ( 5 ) is arranged. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die abasische Modifikation (7) ausgewählt ist aus der Gruppe, die umfasst: 1',2'-Dideoxyribose, Triethylen-Glycol und Hexa-Ethylenglycol.Use according to one of claims 1 to 3, characterized in that the abasic modification ( 7 ) is selected from the group comprising: 1 ', 2'-dideoxyribose, triethylene glycol and hexa-ethylene glycol. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Abschnitt mehrere abasische Modifikationen (7) aufweist.Use according to one of claims 1 to 4, characterized in that the further section comprises several abasic modifications ( 7 ) having. Verfahren zum Vervielfältigen von Nukleinsäuren (1) in einer Probe (12), wobei das Verfahren einen Vervielfältigungsschritt zum Vervielfältigen der Nukleinsäuren und einen Testschritt zum Bestimmen der Konzentration der Produkte des Vervielfältigungsschritts umfasst und wobei der Testschritte nach dem Ende des Vervielfältigungsschritts beginnt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einem Teil der Probe in dem Testschritt Stoffe zugeführt werden.Method for duplicating nucleic acids ( 1 ) in a sample ( 12 ), the method comprising a amplification step for amplifying the nucleic acids and a test step for determining the concentration of the products of the amplification step and wherein the assay steps begin after the end of the amplification step, characterized in that substances are added to at least a portion of the sample in the assay step. Verfahren zum Vervielfältigen von Nukleinsäuren (1) in einer Probe (12), wobei das Verfahren einen Vervielfältigungsschritt zum Vervielfältigen der Nukleinsäuren und einen Testschritt zum Bestimmen der Konzentration der Produkte des Vervielfältigungsschritts umfasst dadurch gekennzeichnet, dass der Probe (12) in dem Testschritt keine Stoffe zugeführt werden.Method for duplicating nucleic acids ( 1 ) in a sample ( 12 ), the method comprising a amplification step for amplifying the nucleic acids and a test step for determining the concentration of the products of the amplification step, characterized in that the sample ( 12 ) no substances are supplied in the test step. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine globale Temperatur der Probe (12) während des Testschritts unterschiedlich zu einer globalen Temperatur des Vervielfältigungsschritts ist.Method according to claim 6 or 7, characterized in that a global temperature of the sample ( 12 ) during the test step is different from a global temperature of the replication step. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine globale Temperatur der Probe (12) während des Testschritts im Wesentlichen gleich zu einer globalen Temperatur des Vervielfältigungsschritts ist.Method according to claim 6 or 7, characterized in that a global temperature of the sample ( 12 ) during the test step is substantially equal to a global temperature of the replication step. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Testschritt zur Bestimmen der Konzentration der Produkte des Vervielfältigungsschritts Testsonden (22) verwendet werden, die einen Nanopartikel (23) aufweisen.Method according to one of claims 6 to 9, characterized in that in the test step for determining the concentration of the products of the amplification step test probes ( 22 ) which contain a nanoparticle ( 23 ) exhibit. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (23) der Testsonden (22) eine andere Größe als Nanopartikel (9) aufweisen, die im Vervielfältigungsschritt zum Vervielfältigen der Nukleinsäuren (1) verwendet werden.Process according to claim 10, characterized in that the nanoparticles ( 23 ) of the test probes ( 22 ) a size other than nanoparticles ( 9 in the amplification step for amplifying the nucleic acids ( 1 ) be used. Verfahren zum Vervielfältigen von Nukleinsäuren (1), dadurch gekennzeichnet, dass Nanopartikel (8) in einem Reaktionsvolumen (2) durch Anregung Wärme an ihre Umgebung übertragen.Method for duplicating nucleic acids ( 1 ), characterized in that nanoparticles ( 8th ) in a reaction volume ( 2 ) transfer heat to their surroundings by excitation. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einwirkdauer (tA) kürzer als 10 s ist.A method according to claim 12, characterized in that an exposure time (t A ) is shorter than 10 s. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einwirkdauer (tA) länger als 1 ps ist.A method according to claim 12 or 13, characterized in that an exposure time (t A ) is longer than 1 ps. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufheizzeit der Nanopartikel (9) kürzer als 100 ms ist. Method according to one of claims 12 to 14, characterized in that a heating time of the nanoparticles ( 9 ) is shorter than 100 ms. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abkühlzeit kürzer als 100 ms ist.Method according to one of claims 12 to 15, characterized in that a cooling time is shorter than 100 ms. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsdichte, mit der die Nanopartikel (9) angeregt werden, mehr als 10 W/mm2 beträgt.Method according to one of claims 12 to 16, characterized in that a power density with which the nanoparticles ( 9 ) is more than 10 W / mm 2 . Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsdichte, mit der die Nanopartikel (8) angeregt werden, weniger als 20.000 kW/mm2 beträgt.Method according to one of claims 12 to 17, characterized in that a power density with which the nanoparticles ( 8th ), less than 20,000 kW / mm 2 . Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Amplikons, das in dem Verfahren vervielfältigt werden soll, zu Beginn des Verfahrens größer als 10–23 nM ist.Process according to any one of Claims 12 to 18, characterized in that the concentration of the amplicon to be multiplied in the process is greater than 10 -23 nM at the beginning of the process. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Amplikons, das in dem Verfahren vervielfältigt werden soll, zu Beginn des Verfahrens kleiner als 1 pM ist.Process according to any one of Claims 12 to 19, characterized in that the concentration of the amplicon to be multiplied in the process is less than 1 pM at the beginning of the process. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Amplikons, das in dem Verfahren vervielfältigt werden soll, zu Beginn des Verfahrens kleiner als 500.000 ist.Method according to one of claims 12 to 20, characterized in that the number of amplicons to be duplicated in the process at the beginning of the process is less than 500,000. Verfahren zum Vervielfältigen einer Nukleinsäure mittels einer Polymerase-Kettenreaktion, bei der ein Zyklus bestehend aus den Schritten Denaturierung, Annealing und Elongation wiederholt durchlaufen wird.A method for amplifying a nucleic acid by means of a polymerase chain reaction in which a cycle consisting of the steps of denaturing, annealing and elongation is repeated. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Durchläufe des Zyklus der Polymerase-Kettenreaktion größer als 45 ist.A method according to claim 22, characterized in that the number of passes of the cycle of the polymerase chain reaction is greater than 45. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass bei wenigstens einem der Durchläufe eine Zyklusdauer tc kürzer als 40 Sekunden ist.A method according to claim 22 or 23, characterized in that at least one of the passes a cycle time t c is shorter than 40 seconds.
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