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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Probengefäß für Analysen,
insbesondere einen Biochip-Träger,
umfassend eine Trägerplatte
mit mindestens einer Reaktionskammer, das zur medizinischen Diagnostik
oder zur pharmazeutischen Wirkstoffsuche geeignet ist.
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Mikroplatten für die Titration von biologischen
oder chemischen Materialien beziehungsweise zur Durchführung von
Fluoreszenz-, Lumineszenz- oder anderen Messungen sind bekannt.
Mikroplatten, die als Multiküvetten
ausgebildet sind, finden insbesondere in Forschung, Klinik und Industrie
Verwendung, beispielsweise bei der Durchführung von Blutgruppenserologie,
Antibiotika-Testreihen, Komplementtitrationen und anderen Laborarbeiten,
bei denen beispielsweise geometrische Verdünnungsreihen erforderlich sind.
Das allgemeine Standardformat für
biochemische und zellbiologische Untersuchungen sind Mikrotiterplatten
mit 96 Wells („Probentöpfchen" oder Vertiefungen)
mit einem Reaktionsvolumen von bis zu 500 μl pro Vertiefung. Zunehmend werden
auch Mikrotiterplatten mit 384 Vertiefungen oder sogar mit 1536
Vertiefungen eingesetzt. Dieser Trend zur immer stärker werdenden
Miniaturisierung wird vor allem durch die kombinatorische Chemie und
das Hochdurchsatz-Screening,
auch HTS (High Throughput Screening) genannt, forciert. Beide Bereiche
gehören
heute zu den Grundpfeilern der modernen pharmazeutischen Wirkstoffsuche.
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Mittels HTS wird beispielsweise untersucht, ob
sich in einer Substanzbibliothek ein Wirkstoff befindet, der als
Basis für
neue Medikamente eingesetzt werden kann. Die Komponenten der Substanzbibliothek
werden dabei in einem Testverfahren bezüglich ihrer Reaktivität mit einem
Target (Zielmolekül)
untersucht. Die aufgefundenen Substanzen sind mögliche Kandidaten für einen
Wirkstoff, der die Funktion des betreffenden Zielmoleküls beeinflussen kann.
Die Detektion der Wirkstoffe erfolgt dabei entweder über optische
Verfahren wie Absorption, Fluoreszenz, Lumineszenz oder über den
Nachweis von Radioaktivität über Szintillation.
Die Vielzahl der zu untersuchenden Wechselwirkungen bedingt eine große Varianz
bei den Testsystemen und den damit verknüpften Detektionsarten.
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Die Wirkstoffsuche erfordert, dass
zunächst die
Targets gefunden werden, die für
das Entstehen von Krankheiten verantwortlich sind. Durch das wachsende
Verständnis
der modernen Molekularbiologie werden immer mehr krankheitsverursachende beziehungsweise
krankheitsbeeinflussende Gene identifiziert, auf die dann mit geeigneten
Medikamenten eingewirkt werden kann. Einen Meilenstein bei der Analyse
von biologisch aktiven Molekülen,
insbesondere zur Identifizierung der für das Entstehen von Krankheiten
verantwortlichen Gene, stellen miniaturisierte Träger, sogenannte
Biochips dar. An der Oberfläche
solcher Träger
können
biologisch aktive Moleküle
bekannter Zusammensetzung vollflächig
oder in einem geordneten Raster immobilisiert oder synthetisiert
werden. Bei den immobilisierten biologischen Molekülen kann
es sich beispielsweise um Nucleinsäuren oder Fragmente davon beziehungsweise
Proteine oder Fragmente davon handeln. Mit Hilfe von immobilisierte
Nucleinsäuren
aufweisenden Biochips, die auch als DNA-Arrays bezeichnet werden, kann
beispielsweise die Nucleinsäure-Bestimmung in
zu untersuchenden Proben wesentlich vereinfacht, beschleunigt, parallelisiert,
automatisiert und präzisiert
werden. DNA-Chips oder DNA-Arrays
werden beispielsweise in der klinischen Diagnostik von Infektions-,
Krebs- und Erbkrankheiten eingesetzt. Die Effizienz solcher DNA-Chips
bei der Analyse von Proben beruht insbesondere darauf, dass nur
noch geringe Probenvolumina benötigt
werden und die Auswertung mittels hochempfindlicher Messverfahren
erfolgen kann. Unter Verwendung solcher Chips lassen sich daher
große
Probenzahlen sehr schnell untersuchen. Auch Protein-Arrays sind
bekannt, bei denen analog zu den DNA-Chips Proteine oder Peptide
auf beispielsweise Kunststoffmembranen in einem geordneten und bekann ten
Raster angeordnet sind. Derartige Protein-Arrays werden vor allem
zur Untersuchung der wechselseitigen Bindung von Proteinen, zum
Beispiel Rezeptor-Ligand-Wechselwirkung, zur Identifizierung intrazellulärer Proteinkomplexe,
zur Untersuchung von DNA-Protein- und
RNA-Protein-Wechselwirkungen oder zur Analyse von Protein-Antikörper-Interaktionen
eingesetzt. Mit Hilfe der Protein-Chip-Technologie konnten bereits zahlreiche Proteinmarker
für Krebserkrankungen
oder Krankheiten wie die Alzheimer-Demenz identifiziert werden.
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Die Miniaturisierung der Mikroplatten-Testsysteme
bringt zwar erhebliche Vorteile auf der Kostenseite, ist aber auch
mit großen
Problemen bei der technischen Realisierung verbunden. Aufgrund der Miniaturisierung
der Mikrotiterplatten müssen
auch die in den Wells durchzuführenden
Tests immer stärker
miniaturisiert werden. Dadurch bedingt werden auch an die Detektions-Vorrichtungen
mit zunehmend kleineren Volumina erhöhte Anforderungen gestellt.
So ist bekannt, dass bei den einzelnen Detektions-arten in extrem
kleinen Volumina spezielle Probleme auftreten. Bei der Lumineszenzmessung
bedeutet beispielsweise ein geringeres Probenvolumen auch ein geringeres
Signal für
die optische Detektion, was die Sensitivität der Messung beeinträchtigt.
Die Absorptionsmessung wird vor allem durch den Meniskuseffekt der
Flüssigkeitsoberfläche gestört, da der
Meniskus in extrem kleinen Probenräumen sehr variabel verläuft. Einzig
und allein die Fluoreszenzmessung unterliegt keiner Volumeneinschränkung. Allerdings
ist hier die erreichbare Empfindlichkeit durch die Eigenfluoreszenz
des Kunststoffmaterials der Mikrotiterplatten, die von den meisten
Verfahren miterfasst wird, begrenzt.
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Probleme ergeben sich insbesondere
bei Mikroplatten mit mehreren hundert Wells. Da die Öffnung solcher
Wells sehr klein und zudem häufig
noch durch Ringwülste
begrenzt ist, während
das Volumen gleichzeitig relativ groß ist, lassen sich die zum
Nachweis der Reaktionen in den Wells verwendeten Detektionssysteme,
beispielsweise Scanner-Vorrichtungen, nicht senkrecht in einem optimalen
Winkel von 90° über beziehungsweise
in der Öffnung
der Wells anordnen, sondern müssen
schräg
oberhalb beziehungsweise innerhalb der Öffnungen angeordnet werden,
wobei der Winkel teilweise erheblich kleiner als 90° ist. Dadurch
ergibt sich ein Abschattungseffekt, der die mittels der Detektionssysteme
erfassten Analyse-Ergebnisse zusätzlich
verfälscht.
Auch für Spotter-Vorrichtungen,
die dazu dienen, den Boden der Vertiefungen beispielsweise mit Nucleinsäuren zu
beschichten, ergeben sich technische Probleme, da der Spotter relativ
tief in die Wells eingeführt
werden muss.
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In der forschenden pharmazeutischen
Industrie beziehungsweise in der Grundlagenforschung können die
im Zusammenhang mit der Miniaturisierung stehenden Probleme bei
Mikrotiterplatten häufig toleriert
werden. Hier wird primär
angestrebt, auf einer Platte sehr viele Proben in parallelen Ansätzen dem
gleichen Testverfahren zu unterziehen. Daher ist es hier oftmals
völlig
ausreichend, den Unterschied der Signalintensität zwischen einzelnen Wells zu
erfassen und somit eine mehr qualitative Aussage zu erhalten. In
der klinischen Diagnostik ist die Situation jedoch vollkommen anders.
Hier müssen
beispielsweise sehr häufig
Proben, zum Beispiel Körperflüssigkeiten,
eines Patienten mehreren unterschiedlichen Testverfahren unter Verwendung
unterschiedlicher Reaktanten unterzogen werden, wobei jeder Test
vergleichsweise wenig Parallel-Ansätze umfassen kann. Umgekehrt
ist es häufig
auch notwendig, sehr viele Proben verschiedener Patienten auf einen
einzigen Parameter zu testen. Im Gegensatz zum High Throughput-Screening
müssen
die einzelnen klinischen Tests allerdings aussagekräftige quantitative
Aussagen ermöglichen,
um beispielsweise den Ausbruch oder Verlauf einer Krankheit bei
einem Einzelpatienten nachweisen zu können. Die bei den Detektions-Systemen
in extrem kleinen Volumina auftretenden Probleme können daher
in der klinischen Diagnostik zu gravierenden Fehlern der erhaltenen
Messwerte führen.
Die Genauigkeit der Detektion spielt daher in der klinischen Diagnostik
eine erheblich größe re Rolle
als beispielsweise beim High Throughput-Screening von Wirkstoffen.
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Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende
technische Problem besteht darin, ein Analysen-Probengefäß insbesondere
für patientenspezifische
klinisch-chemische Untersuchungen bereitzustellen, das nach Immobilisierung
biologisch aktiver Moleküle
insbesondere als Biochip eingesetzt werden kann und das die im Stand
der Technik bekannten Nachteile überwindet
und eine schnelle und zuverlässige
Bestimmung klinischer Parameter erlaubt, wobei insbesondere eine
quantitative fehlerfreie Detektion relevanter klinischchemischer
Parameter unter Verwendung automatisierter Detektions-Technik möglich ist.
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Die vorliegende Erfindung löst das ihr
zugrunde liegende technische Problem durch die Bereitstellung eines
Biochip-Trägers,
umfassend eine Trägerplatte
mit mindestens einer dreidimensionalen Reaktionskammer, wobei die
Reaktionskammer ein Bodenteil und das Bodenteil seitwärts begrenzende Seitenwände aufweist
und wobei das Verhältnis
des Zahlenwertes der in mm2 angegebenen
Fläche
des Bodenteils zu dem Zahlenwert der in mm angegebenen Höhe der Seitenwände, gemessen
vom tiefsten Teil des, bevorzugt ebenen, Bodenteils zur Oberkante
der Seitenwände
mit bevorzugt jeweils gleicher Höhe,
größer oder
gleich 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80 oder 90 ist. Besonders vorteilhaft
ist es, wenn das Verhältnis
des Zahlenwertes der Bodenteil-Fläche zum Zahlenwert der Höhe der Seitenwände 30 bis 100,
vorzugsweise 32 bis 80 beträgt.
Besonders bevorzugt ist das Verhältnis
der Größe der Bodenteil-Fläche zur
Höhe der
Seitenwände
größer oder gleich
50. Erfindungsgemäß bevorzugt
bildet die Oberkante der Seitenwände
der Reaktionskammer den höchsten
Teil des Biochip-Trägers.
Der erfindungsgemäße Biochip-Träger umfasst
also eine Trägerplatte
und mindestens eine dreidimensionäle Reaktionskammer, wobei die
Reaktionskammer von einem Bodenteil und von das Volumen der Reaktionskammer
seit wärts
umfassenden und abschließenden Seitenwänden gebildet
wird, wobei die Reaktionskammer nach oben hin eine Öffnung,
bevorzugt mit der gleichen Fläche
und Geometrie wie das Bodenteil aufweist und wobei das Verhältnis zwischen
der Fläche
(F) des Bodenteils und der Höhe
der Seitenwände,
wie oben beschrieben ist, insbesondere größer oder gleich 30, vorzugsweise
größer als
50 ist.
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Die vorliegende Erfindung stellt
also einen Biochip-Träger
bereit, auf dem mindestens eine, in anderen bevorzugten Ausführungsformen
jedoch mehrere Reaktionskammern oder Kavitäten angeordnet sind, wobei
die Reaktionskammer oder die Reaktionskammern eine im Verhältnis zu
ihrer Höhe relativ
große
Fläche
des Bodenteils aufweisen. Bei den im Stand der Technik bekannten
Mikroplatten-Systemen
ist das Verhältnis
zwischen der Fläche des
Bodenteils der Kavität
und ihrer Höhe
kleiner als 5 und somit wesentlich kleiner als bei dem erfindungsgemäßen Biochip-Träger.
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Das erfindungsgemäß erheblich vergrößerte Verhältnis zwischen
der Fläche
des Bodenteils der Reaktionskammer und der Höhe ihrer Seitenwände bietet
einerseits den Vorteil, dass bei kleinem Volumen der Reaktionskammer
eine große
Oberfläche zur
Verfügung
steht, die mit sehr vielen Bindungsstellen zur Immobilisierung biologisch
aktiver Moleküle versehen
und somit zur Durchführung
von Reaktionen genutzt werden kann. Andererseits erlaubt die erfindungsgemäße Reaktionskammer
eine im Vergleich zu bekannten Mikrotiterplatten erheblich verbesserte
Auswertung des in der Reaktionskammer durchgeführten Testes unter Verwendung
herkömmlicher
Detektions-Systeme, da die Messwerte verfälschende, durch die Abmessungen
herkömmlicher Wells
bedingte Fehlerquellen beseitigt sind. Aufgrund ihrer geringen Tiefe
bietet die erfindungsgemäße Reaktionskammer
beispielsweise die Möglichkeit,
einen herkömmlichen
Scanner oder eine andere herkömmliche
Detektions-Vorrichtung senkrecht über beziehungsweise senkrecht
innerhalb der Öffnung
der Reaktionskammer in einem Winkel von 90° zu positionieren und dann die
entsprechende Messung durchzuführen.
Dadurch gibt es im Gegensatz zu bekannten Mikrotiterplatten keine
Abschattungseffekte, die zu einer Verfälschung der erhaltenen Messwerte
führen
können.
Aufgrund ihrer geringen Tiefe bieten die Reaktionskammern des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers auch
problemlos die Möglichkeit,
beispielsweise eine Nucleinsäure
unter Verwendung eines herkömmlichen
Spotters auf das jeweilige Bodenteil der einzelnen Reaktionskammern
aufzutragen, ohne dass der Spotter sehr tief in eine Reaktionskammer
eingeführt
werden muss.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen
Biochips, bei denen biologische Moleküle in Form von Spots auf einen
planaren ebenen Träger,
insbesondere Glasträger,
aufgetragen sind, und bei denen keine abgegrenzte Reaktionskammer
oder getrennte Reaktionskammern vorliegen, weist der erfindungsgemäße Biochip-Träger eine
Kompartimentierung in Form mindestens einer einzigen abgegrenzten
Reaktionskammer oder in weiteren Ausführungsformen auch mehrerer
oder vieler voneinander getrennter Reaktionskammern auf. Der Biochip-Träger lässt sich
daher auch für
Reaktionen mit ausschließlich
in Lösung
befindlichen Reaktanten einsetzen, wobei je nach Bedarf auch unterschiedliche
Reaktionen mit unterschiedlichen Reaktanten durchgeführt werden können. Andererseits
lässt sich
der erfindungsgemäße Biochip-Träger auch
zur Durchführung
solcher Reaktionen einsetzen, bei denen mindestens ein Reaktant
an der Oberfläche
des Bodenteils der Reaktionskammer gebunden ist. Im Gegensatz zu
herkömmlichen
Biochips können
aufgrund der Kompartimentierung des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers bei
Bedarf auch unterschiedliche Reaktionen mit gleichen oder unterschiedlichen
gebundenen Reaktanten in den einzelnen Reaktionskammern des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers durchgeführt werden.
Dadurch, dass die Reaktionskammern des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers als
separate Kavitäten
ausgeführt
sind, lassen sich beispielsweise in den einzelnen Reaktionskammern
eines erfindungsgemäßen Biochip-Trägers gleichzeitig
unterschiedliche Nucleinsäu re-Hybridisierungen
mit unterschiedlichen Nucleinsäuren
und/oder unterschiedliche Protein-Protein-Bindungsreaktionen mit
unterschiedlichen Proteinen durchführen, ohne dass sich diese
einzelnen Reaktionen stören.
Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Biochip-Träger bietet
ein herkömmlicher
Biochip ohne Kompartimentierung diese Möglichkeit nicht. Der erfindungsgemäße Biochip-Träger vereinigt
also in vorteilhafter Weise die Vorzüge der Chip-Technologie mit
den Vorteilen der Mikrotiterplatten-Technologie.
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Der erfindungsgemäße Biochip-Träger ist insbesondere
zur Durchführung
patientenspezifischer Nucleinsäure-Analysen
oder Protein-Analysen geeignet.
Erfindungsgemäß ist beispielsweise
vorgesehen, dass die Bodenfläche
der erfindungsgemäßen Reaktionskammer
mit chemischen Gruppen funktionalisiert ist, die eine Bindung biologischen
Molekülen,
insbesondere von Nucleinsäure-Sonden
mit bekannter Nucleotidsequenz oder mit Proteinen mit bekannter
Aminosäuresequenz
erlauben. Durch Immobilisierung biologisch aktiver Moleküle lässt sich unter
Verwendung des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers mit
funktionalisierten Reaktionskammern also ein Biochip herstellen,
der beispielsweise eine Vielzahl diagnostischer Nucleinsäure-Hybridisierungen
oder Nucleinsäure-Protein-Bindungsreaktionen
oder Protein-Protein-Bindungsreaktionen ermöglicht.
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Erfindungsgemäß ist in einer Ausführungsform
der Erfindung weiterhin vorgesehen, dass der erfindungsgemäße Biochip-Träger Abmessungen aufweist,
die das Einsetzen des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers in
eine herkömmliche
Mikrotiterplatte mit Abmessungen nach SBS (Society of Biomolecular
Screening)-Standard erlauben. In einer Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Biochip-Träger in Form
eines Streifens ausgeführt,
dessen Länge
ein Einsetzen in eine Mikrotiterplatte nach SBS-Standard ermöglicht,
während
die Breite des Streifens variiert werden kann. Die Streifenform
des erfindungsgemäßen Biochips
ist insbesondere in der klinischen Diagnostik, beispielsweise bei
der Erfassung klinisch-chemischer Parameter ei nes Einzelpatienten äußerst vorteilhaft.
Auf einem Streifen können
die Reaktionskammern linear hintereinander in Reihe angeordnet sein,
wobei pro Streifen auch mehrere Reihen nebeneinander angeordnet
sein können.
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Bei der klinischen Diagnostik müssen beispielsweise
verschiedene Proben, zum Beispiel verschiedene Körperflüssigkeiten, eines Einzelpatienten einer
Vielzahl unterschiedlicher klinisch-chemischer Tests unterzogen
werden. Diese unterschiedlichen Tests können sich sowohl bezüglich ihrer
Verfahrensschritte als auch bezüglich
der erforderlichen Bedingungen, beispielsweise hinsichtlich des
benötigten Temperaturbereiches
beziehungsweise -profiles, erheblich voneinander unterscheiden.
Ein gemeinsames Merkmal dieser Tests besteht häufig nur darin, dass die gleiche
Probe, beispielsweise eine Körperflüssigkeit,
in einer begrenzten Anzahl von Paralleluntersuchungen analysiert
werden soll. Der zum Beispiel als Streifen ausgeführte erfindungsgemäße Biochip-Träger kann,
beispielsweise in Abhängigkeit von
der Anzahl der durchzuführenden
Tests, mindestens eine Reaktionskammer, vorzugsweise jedoch mehrere,
beispielsweise 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder mehr Reaktionskammern aufweisen,
zum Beispiel in reihenweiser Anordnung. Erfindungsgemäß kann zum Beispiel
der in Streifenform ausgeführte
erfindungsgemäße Biochip-Träger auch
2n Reaktionskammern mit n ≥ 0, zum Beispiel
2, 4, 8 oder 16 Reaktionskammern aufweisen. Diese Anzahl von Reaktionskammern
auf einem erfindungsgemäßen Biochip-Träger reicht
in aller Regel aus, um beispielsweise einen Einzelpatientenspezifischen
Test mit entsprechenden Kontrollen und Parallel-Ansätzen
durchzuführen. Sofern
in einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Biochip-Träger im Format
einer rechteckigen Mikrotiterplatte zum Beispiel im SBS-Standardformat
ausgeführt
ist, können
insgesamt 1 bis zum Beispiel 1536, vorzugsweise 1, 12, 24, 36, 48,
96 oder weitere Vielfache von 8 oder 12 Reaktionskammern vorhanden
sein, vorzugsweise in Matrixform. Der Biochip-Träger kann in Matrixform auch
so ausgebildet sein, dass er Abmessungen aufweist, die ein Einsetzen
in eine Mikrotiterplatte nach SBS-Standard ermöglicht. Dieser matrixförmige Biochipträger weist in
bevorzugter Ausführungsform
Längen-
und Breitenabmessungen auf, die im Wesentlichen der einer Mikrotiterplatte
entsprechen, so dass der Biochip-Träger, bevorzugt reversibel,
auf oder teilweise in der herkömmlichen
Mikrotiterplatte aufgebracht, aufgesteckt oder eingeclipst werden
kann und diese vollständig
oder im Wesentlichen vollständig
nach oben hin bedeckt.
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Unterschiedliche Einzelpatienten-spezifische
Tests können
in vorteilhafter Weise auf unterschiedlichen erfindungsgemäßen Biochip-Trägern beziehungsweise
Biochips durchgeführt
werden, die unter Verwendung unterschiedlicher erfindungsgemäßer Biochip-Träger hergestellt
wurden. Die zur Durchführung
unterschiedlicher klinischchemischer Tests verwendeten Biochip-Träger beziehungsweise Biochips
können
sich beispielsweise dadurch unterscheiden, dass in ihren Kavitäten unterschiedliche Nucleinsäuren oder
Proteine immobilisiert sind. Die für die Diagnose bei einem Einzelpatienten
verwendeten unterschiedlichen Biochip-Träger beziehungsweise Biochips
zum Beispiel ausgeführt
in Streifenform, die für
unterschiedliche Tests eingesetzt werden sollen, können erfindungsgemäß in die
gleiche Mikrotiterplatte eingesetzt werden, um unter Verwendung
geeigneter Pipettiertechnik die gleiche Probe eines Einzelpatienten
gleichzeitig auf alle Biochip-Träger
beziehungsweise Biochips aufzutragen. Nach Auftragen der Probe dieses
Einzelpatienten können
die zur Durchführung
spezifischer Tests verwendeten Biochip-Träger beziehungsweise Biochips mit
entsprechenden Biochip-Trägern
oder Biochips, die Proben anderer Einzelpatienten aufweisen, auf anderen
Mikrotiterplatten kombiniert werden, so dass diese Biochips gemeinsam
den gleichen Test-Verfahrensschritten oder den gleichen Test-Bedingungen unterworfen
werden. Nach erfolgter Testdurchführung können die entsprechenden Einzelpatienten-spezifischen
Biochip-Träger beziehungsweise Biochips
wieder auf einer separaten Mikrotiterplatte kombiniert und gemeinsam
unter Verwendung eines einzi gen Detektions-Systems ausgewertet werden. Die
Streifenform des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers erlaubt
somit eine hohe Flexibilität
bei der Probenaufarbeitung und -auswertung.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden
Erfindung wird unter einem „Biochip" eine Vorrichtung verstanden,
die einen Träger
mit mindestens einer Kavität
oder Reaktionskammer umfasst, in der biologisch aktive Moleküle, beispielsweise
Nucleinsäuren oder
Proteine, immobilisiert oder fixiert sind und mit deren Hilfe beispielsweise
mittels Hybridisierungs- und/oder Bindungsverfahren, auch eine kleine
Menge eines Liganden, der unter geeigneten Bedingungen an diese
biologisch aktive Moleküle
binden kann, auch in einer kleinen Probe nachgewiesen werden kann.
Der Biochip kann als Chipmodul, Reaktionsmodul, Testmodul, Testvorrichtung,
Analysenmodul, Analysenkammer oder Analysenvorrichtung eingesetzt
werden.
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Unter einem „Biochip-Träger" wird im Zusammenhang
mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung verstanden, die
eine Trägerplatte
mit mindestens einer Kavität
oder Reaktionskammer umfasst, in der biologisch aktive Moleküle wie Nucleinsäuren oder
Proteine immobilisiert oder fixiert werden können. Der Biochip-Träger kann
also zur Herstellung eines Biochips verwendet werden, indem biologisch
aktive Moleküle
in der Reaktionskammer, insbesondere an der funktionalisierten Oberfläche des
Bodenteils der Reaktionskammer, immobilisiert oder fixiert werden.
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Unter der „Trägerplatte" des Biochip-Trägers wird ein dünnes und
ebenes Element mit vorzugsweise rechteckiger Form verstanden, das
aus einem Metall, einem Metalloxid, einem Kunststoff, einer Membran,
Glas, Keramik oder einem Hybrid beziehungsweise einer Kombination
davon besteht. Im Zusammenhang mit der Erfindung bedeutet dies,
dass die Trägerplatte
des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers vollständig aus
einem der vorstehend genannten Materialien besteht oder dieses im
Wesentlichen enthält
oder vollständig aus
einer Kombination dieser Materialien besteht oder diese im Wesentlichen
enthält
oder dass die Oberfläche
der Trägerplatte
des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers vollständig aus einem
der vorstehend genannten Materialien besteht oder diese im Wesentlichen
enthält
oder vollständig aus
einer Kombination dieser Materialien besteht oder diese im Wesentlichen
enthält.
Die Trägerplatte oder
ihre Oberfläche
besteht dabei zumindest zu etwa 50 %, 60 %, vorzugsweise zu etwa
70 %, bevorzugt zu etwa 80 % und am bevorzugtesten zu etwa 100 %
aus einem der vorstehend genannten Materialien oder einer Kombination
solcher Materialien. In bevorzugter Ausführungsform besteht die Trägerplatte
des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers zu
etwa 100 % aus Kunststoff. Die Trägerplatte ist Träger der mindestens
einen Reaktionskammer und macht diese handhabbar, dass heißt fungiert
als Rahmen oder Halterung. In bevorzugter Ausführungsform weist die Trägerplatte
Auflageflächen
und/oder Befestigungsvorrichtungen auf, zum Beispiel Einrastvorrichtungen,
Steckvorrichtungen oder sonstige Vorrichtungen, die ein vorzugsweises
reversibles Aufsetzen, Aufstecken, Verbinden oder Aufclipsen des
Mikrochip-Trägers
auf oder in eine herkömmliche
Mikrotiterplatte erlauben, wobei der Biochip-Träger die Kavitäten der
Mikrotiterplatte ganz oder teilweise nach oben abdeckt. Die mindestens
eine Reaktionskammer kann auf oder in der Trägerfläche ausgebildet sein. Die mindestens
eine Reaktionskammer kann also integral, dass heißt einstückig mit
der Trägerplatte
ausgeführt
sein, sie kann in einer anderen Ausführung aber auch auf die Trägerplatte
als separate Einheit aufgesetzt und reversibel oder irreversibel verbunden
sein. Die mindestens eine Reaktionskammer kann demgemäß aus den
Materialen bestehen oder diese umfassen, die für die Trägerplatte vorstehend beschrieben
wurden.
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Unter einer „Reaktionskammer" oder „Kavität" wird ein geometrischer
Körper
verstanden, der aus einem Bodenteil und das Bodenteil seitwärts umgrenzenden
Seitenwänden
besteht und eine Öffnung aufweist,
die von der Oberkante der Seitenwände gebildet wird. Unter einer „Reaktionskammer" oder „Kavität" wird also ein räumliches
Gebilde verstanden, dass aus einem Bodenteil und Seitenwänden besteht;
Bodenteil und Seitenwände
sind so zueinander angeordnet, dass sie ein Volumen nach unten und seitwärts hin
umfassen, wobei das umfasste Volumen nach oben hin eine Öffnung aufweist.
Die Seitenwände
können
zum Beispiel als Wall, Wand, Steg, Erhebung, Wulst oder Ringwulst
ausgeführt
sein. Die Reaktionskammer umschließt so nach unten und seitwärts mit Öffnung nach
oben ein Volumen, innerhalb dessen biochemische Reaktionen, insbesondere
Nucleinsäure-Hybridisierungen,
DNA-Protein-Bindungsreaktionen, Protein-Protein-Bindungsreaktionen
etc. durchgeführt
werden können.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass der Bodenteil der Reaktionskammer eine ebene, plane Fläche darstellt,
wobei das Bodenteil der Reaktionskammer im Grundriss erfindungsgemäß insbesondere
die Form eines Kreises, Rechtecks, Quadrates, Sechsecks, Polygons
oder einer Ellipse aufweist. Vorzugsweise weisen alle Seitenwände einer
Reaktionskammer die gleiche Höhe
auf. Vorzugsweise stehen alle Seitenwände rechtwinklig auf dem Bodenteil,
wobei jedoch auch davon abweichende Winkel zwischen Seitenwand und
Bodenteil Ausführungsformen
dieser Erfindung darstellen.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung betrifft einen Biochip-Träger, bei dem die Oberkante
der Seitenwände
der Reaktionskammer den höchsten
Teil des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers darstellt.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist die „Oberkante
der Reaktionskammer" der
oberste, das heißt
höchste
Punkt der Reaktionskammer, der durch die Seitenwände der Reaktionskammer vorgegeben
ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Oberkanten von mindestens zwei, vorteilhafterweise allen
Reaktionskammern eines Biochip-Trägers auf gleicher Höhe liegen.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der
Erfindung betrifft einen Biochip-Träger, bei dem die Oberkante
der Reaktionskammer in einer Ebene oberhalb der Oberkante der Trägerplatte
des Biochip-Trägers liegt.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter der „Oberkante
der Trägerplatte" der nach oben, das
heißt
in die gleiche Richtung wie die Öffnung
der Reaktionskammer hin orientierte oberste Bereich der Trägerplatte
verstanden, insbesondere ein Bereich, der im Wesentlichen über die
gleiche Höhe
der gesamten Trägerplatte verläuft und
auch als deren Oberfläche
bezeichnet werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
wird das Bodenteil der Reaktionskammer durch die Trägerplatte
gebildet, während
die Seitenwände
der Reaktionskammer zum Beispiel als Erhebungen auf der Trägerplatte
ausgebildet sind, und in bevorzugter Ausführung im Grundriss zum Beispiel
das Bodenteil quadratisch, polygonal, sechseckig, elliptisch, rechteckig
oder kreisförmig
umfassen. In bevorzugter Ausführungsform
liegt das Bodenteil in einer Ebene mit der Oberfläche der
Trägerplatte.
Die zum Beispiel als Erhebungen ausgebildeten Seitenwände der
Reaktionskammer können
beispielsweise als Ringwulst beziehungsweise Ringwall vorliegen,
das heißt
die Oberkante der Reaktionskammer verläuft um den Umfang der Reaktionskammer
und ist von dem Ringwulst beziehungsweise dem Ringwall der nächsten Reaktionskammer
durch eine Vertiefung getrennt. Die Oberkante der Reaktionskammer
stellt in dieser Ausführungsform
dann den obersten Bereich des Ringwulstes dar.
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In einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gemäß der die
Seitenwände durch
Erhebungen gebildet werden und die Oberkante der Seitenwände oberhalb
der Oberkante der Trägerfläche liegt,
ist der Biochip-Träger
derart ausgestaltet, dass die mindestens eine Reaktionskammer auf
einem Sockel, Podest oder Erhebung auf der Trägerplatte angeordnet ist. Der
Grundriss dieses Sockels entspricht in bevorzugter Ausführungsform dem
Grundriss des Bodenteils der jeweiligen Reaktionskammer. Eine derartig
ausgestaltete Ausführungsform
umfasst daher eine Trägerplatte,
auf der sich mindestens eine auf einem Sockel angeordnete Reaktionskammer
befindet. Die vorzugsweise ebene, planare Fläche des Bodenteils befindet
sich dementsprechend oberhalb der Oberkante der Trägerplatte
und zwar in einer vertikalen Distanz, die der Höhe des Sockels entspricht.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass für
jede Reaktionskammer des Biochip-Trägers ein eigener Sockel vorgesehen
ist, so dass die Anzahl der Sockel der Anzahl der Reaktionskammern
entspricht. Die Ausgestaltung der Reaktionskammer selbst, insbesondere
das Verhältnis der
Grundfläche
des Bodenteils zu der Höhe
der Seitenwände
sowie die geometrische Ausgestaltung der Seitenwände des Grundrisses der Reaktionskammer etc.,
ist wie für
die anderen Ausführungsformen
vorstehend beschrieben.
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Die Erfindung stellt in einer weiteren
bevorzugten Ausführungsform
einen Biochip-Träger
bereit, wobei die Oberkante der Reaktionskammer und die Oberkante
der Trägerplatte
in der gleichen Ebene liegen und das Bodenteil unterhalb der Oberkante
der Trägerplatte
angeordnet ist. Das heißt,
erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Reaktionskammer innerhalb und/oder unterhalb der Trägerplatte
als Vertiefung angeordnet ist, gleichsam also in die Trägerplatte
abgesenkt ist, wobei die Öffnung
der Reaktionskammer mit der Oberkante der Trägerplatte abschließt, ohne
dass die Öffnung
der Reaktionskammer von als Erhebung ausgeführten Seitenwänden, zum
Beispiel einem Ringwulst oder einem Ringwall umgeben ist. Die Höhe der vertikalen
Seitenwände entspricht
in dieser Ausführung
der Distanz zwischen, bevorzugt ebenem, Bodenteil zu der Oberkante
der Trägerplatte.
Die Seitenwände
werden in dieser Ausführungsform
von der Trägerplatte
gebildet.
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Selbstverständlich kann die Reaktionskammer
auch nur teilweise in die Trägerplatte
abgesenkt sein, so dass das Bodenteil zwar unterhalb der Oberkante
der Trägerplatte
liegt, der untere Teil der Seitenwände durch die Trägerplatte
gebildet wird und oberhalb der Trägerplatte sich die Seitenwände in Verlängerung
der Seitenwandan teile aus der Vertiefung über die Oberkante der Vertiefung
hinaus erstrecken. Die Oberkante der Seitenwand liegt dann oberhalb
der Oberkante der Trägerplatte,
so dass auch in dieser Ausführung
die Seitenwände
als Erhebungen ausgeführt
sind.
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In bevorzugter Ausführungsform
der Erfindung weist der erfindungsgemäße Biochip-Träger wie
bereits erläutert
Abmessungen auf, die das passgenaue Einsetzen des Biochip-Trägers in
eine Mikrotiterplatte mit Abmessungen gemäß SBS (Society of Biomolecular
Screening)-Standard erlauben. Wenn der Biochip-Träger exakt
oder im Wesentlichen exakt die Abmessungen einer Mikrotiterplatte
nach SBS-Standard aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Anzahl
von Reaktionskammern auf der Trägerplatte
mindestens 1, 4, 8, 12 oder ganzzahlige Vielfache von 8 oder 12
davon beträgt.
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Erfindungsgemäß bevorzugt ist vorgesehen, dass
der erfindungsgemäße Biochip-Träger als
Streifen ausgeführt
ist. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
weist der erfindungsgemäße Biochip-Träger Abmessungen
von etwa 75 × 25
mm (Länge × Breite,
Länge im
folgenden: größere Abmessung
in der Ebene der Matrix oder des Streifens, Breite im folgenden:
kleinere Abmessung in der genannten Ebene) auf. Wenn der erfindungsgemäße Biochip-Träger diese
Abmessungen aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass auf der
Trägerplatte
mindestens eine, aber auch zwei parallele Reihen von Reaktionskammern
angeordnet sind, wobei jede Reihe jeweils mindestens eine, aber
auch zwei oder mehrere, zum Beispiel acht hintereinander angeordneten
beabstandete Reaktionskammern umfasst.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass der in Streifenform vorliegende
erfindungsgemäße Biochip-Träger eine
Breite von 9 mm aufweist. Die Länge
des Streifens ist bevorzugt so gewählt, dass sie das Einsetzen
des Biochip-Trägers in
eine Standard-Mikrotiterplatte (SBS) ermöglicht, vorzugs weise so, dass die
Länge des
Streifens rechtwinklig zur Länge
der Standard-Mikrotiterplatte angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass auf dem erfindungsgemäßen Biochip-Träger, der
diese Abmessung aufweist, eine Reihe von acht hintereinander angeordneten
beabstandeten Reaktionskammern angeordnet ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weisen die auf dem erfindungsgemäß in Streifenform ausgeführten Biochip-Träger, insbesondere
auf dem Biochip-Träger mit
den Abmessungen von etwa 75 × 25
mm und dem Biochip-Träger
mit einer Breite von 9 mm, angeordneten Reaktionskammern eine kreisförmige Bodenfläche mit
einem Durchmesser von 6 mm und eine Seitenwand-Höhe von 0,5 mm auf. Das Verhältnis des
Zahlenwertes der Bodenteil-Fläche
zum Zahlenwert der Höhe
der Seitenwände
beträgt
in dieser Ausführungsform
der Reaktionskammer etwa 56. In einer weiteren besonders bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung weisen die auf den in Streifenform ausgeführten Biochip-Träger angeordneten
Reaktionskammern eine quadratische Bodenfläche mit einer Seitenlänge von
6 mm und eine Seitenwand-Höhe
von 0,5 mm auf. In dieser Ausführungsform
beträgt
das Verhältnis
des Zahlenwertes der Bodenteil-Fläche zum Zahlenwert der Höhe der Seitenwände 72.
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Erfindungsgemäß ist in einer bevorzugten Ausführungsform
vorgesehen, dass die Trägerplatte und
die Reaktionskammern des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers einstückig ausgeführt sind,
wobei die Reaktionskammern ein integraler Bestandteil der Trägerplatte
sind. Vorzugsweise besteht der Biochip-Träger aus Kunststoff. Besonders
bevorzugt handelt es sich bei dem zur Herstellung des Biochips verwendeten
Kunststoff um Cycloolefin-Copolymer (COC), Cycloolefinpolymer (COP),
Acrylbutadienstyrol, Polyamid, Polycarbonat, Polyester, Polymethylmethacrylat,
Polypropylen, Polystyrol, SMA (Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymer) oder
Styrolacrylnitril.
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In besonders bevorzugter Ausführungsform besteht
insbesondere das Bodenteil der Reaktionskammer aus einem Polymer,
das an der Oberfläche mindestens
eine funktionelle Gruppe aufweist, die durch kovalente Bindung oder
auch durch Brönstedt Säure-Base-Wechselwirkung
ein biologisch aktives Molekül
immobilisieren kann. Das Bodenteil der Reaktionskammer ist also
erfindungsgemäß eine Bindematrix
mit einer funktionellen chemischen Gruppe, die die Bindung, insbesondere
kovalente Bindung, an eine komplementäre Gruppe eines biologischen
Moleküls
ermöglicht.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird daher unter
einer „funktionellen
Gruppe" eine auf
dem Bodenteil der Reaktionskammer aufgebrachte chemische Gruppe
verstanden, die in der Lage ist, mit einem zu immobilisierenden
biologisch aktiven Molekül
derart zu interagieren, dass insbesondere eine kovalente oder ionische
Bindung zwischen den beiden Bindungspartnern stattfinden kann.
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Die Funktionalisierung der Oberfläche kann erfindungsgemäß unter
Verwendung chemischer Funktionalisierungsverfahren, Plasmafunktionalisierungsverfahren,
UV-Funktionalisierungsverfahren oder unter Verwendung von Graft-Polymeren
erfolgen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung betrifft daher einen Biochip-Träger, wobei die funktionelle
Gruppe unter Verwendung eines chemischen Funktionalisierungsverfahrens
auf die Polymer-Oberfläche aufgebracht
ist.
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Sofern die Bodenfläche der
Reaktionskammer aus einem Polymer mit aromatischen Resten, beispielsweise
Phenyl-Gruppen, wie im Fall von Polystyrol, besteht, kann ein Chloromethyl-Spacer
mittels 1-Chloro-Dimethylether
in Anwesenheit einer Lewis-Säure,
beispielsweise AlCl3, über eine elektrophile aromatische
Substitution des Aromaten auf das Polymer übertragen werden. Die resultierende
Chloromethyl-Funktion ist gegenüber
nucleophilen Reagenzien zur Knüpfung
von Kohlenstoff-Element-Bindungen unter Chloridabspal tung aktiviert.
Die Chloromethyl-Funktion kann dann weiter substituiert werden,
wobei die Substitution durch N-Nucleophile, beispielsweise NH3, oder O-Nucleophile, erfolgen kann. Durch
die Wahl eines geeigneten Nucleophilen, wie zum Beispiel HO-Aryl-CHO
oder Formylessigsäure HO(O)C-CH2-CHO kann dann direkt eine Aldehyd-Funktion eingeführt werden.
Eine weitere Möglichkeit
zur kovalenten Bindung ist durch die Amid-Bindung gegeben. Die dafür benötigte oberflächenfixierte
Carbonsäure
kann durch Reaktion von Dicarbonsäuren mit Chloromethyl-funktionalisiertem Polystyrol
gewonnen werden. Dabei wird eine Säurefunktion auf der Oberfläche fixiert,
während
die zweite zur Bindung mit dem Zielmolekül, also dem zu bindenden biologischen
Molekül
genutzt werden kann. Die verbleibende C(O)OH-Funktion kann dann
durch Überführung in
das entsprechende Säurechlorid
aktiviert werden. Problematisch hierbei ist jedoch die instabile
Funktion, die in situ sofort weiter umgesetzt werden sollte. Die
kovalente Bindung der Säure-Funktion
an das Amin ist jedoch auch ohne vorherige Aktivierung möglich.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der
Erfindung betrifft daher einen Biochip-Träger, wobei das Polymer des
Bodenteils ein Polymer mit aromatischen Resten ist, an dessen Oberfläche Chloromethyl-Gruppen angelagert
sind. Bei dem Polymer mit aromatischen Resten handelt es sich vorzugsweise um
Polystyrol.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung
der Erfindung betrifft einen Biochip-Träger, bei dem das Bodenteil
der Reaktionskammer aus einem Polymer besteht, das an der Oberfläche mindestens
eine derivatisierte Chloromethyl-Funktion aufweist, wobei die Chloromethyl-Gruppe durch eine
Aldehyd-Gruppe, eine Amin-Funktion oder durch eine Carbonsäure substituiert
ist.
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Bei einem gesättigten Polymer, beispielsweise
TOPAS (Cycloolefin-Copolymer,
Grundgerüst Norbornen;
Hersteller Ticona Frankfurt, Deutschland), ist die Einführung einer
CH2Cl-Funktion nicht möglich, da keine aromatischen
Liganden vorliegen. Gesättigte
Polymere können
jedoch über
eine radikalische Chlorierung unter Verwendung eines Katalysators
chloriert werden. Die so erhaltenen Kohlenstoff-Chlor-Einheiten lassen sich ebenfalls
derivatisieren.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der
Erfindung betrifft daher einen Biochip-Träger, bei dem das Bodenteil
der Reaktionskammer aus einem gesättigten Polymer besteht, dessen
Oberfläche
chloriert ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem gesättigten chlorierten
Polymer um chloriertes TOPAS.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung betrifft einen Biochip-Träger, bei dem die funktionelle
Gruppe unter Verwendung eines Plasma-Funktionalisierungsverfahrens
auf die Oberfläche
des das Bodenteil der Reaktionskammer bildenden Polymers aufgebracht
ist.
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Erfindungsgemäß ist also ebenfalls vorgesehen,
eine Oberflächenfunktionalisierung
unter Verwendung eines Plasma-Verfahrens einzuführen. Luftsauerstoffplasma
erzeugt Radikale und verschiedenartigste Ionen, wobei auf der Polymeroberfläche insbesondere
Sauerstoff-Funktionalitäten
gebildet werden. Dabei werden aufgrund der hohen Anregungsenergie
und der sehr harschen Bedingungen Kohlenstoff-Bindungen auf der
Polymeroberfläche gebrochen
und unterschiedliche Kohlenstoff-Sauerstoff-Funktionalitäten gebildet.
Während
C-O-Einfachbindungen gegenüber
kovalenten Bindungen inaktiv sind, sind Carbonsäure-Funktionen gegenüber einer
kovalenten Amid-Bildung aktiv. Aldehyde können aminomodifizierte Biomoleküle unter
Ausbildung einer Schiff-Base immobilisieren.
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Durch eine geeignete Modifikation
der Reaktionsbedingungen können
mittels Plasmafunktionalisierungen Amin-Funktionen auf der Polymer-Oberfläche ausgebildet
werden. Die so erzeugten Amin-Funktionen
können
bereits zur kovalenten Bindung von Carboxyl- Gruppen eingesetzt werden. Dabei gibt
es zwei Reaktionsmöglichkeiten,
nämlich
die Amid-Bindung von terminalen -C(O)OH-Säurefunktionen
und die Imin-Bildung aus den vorhandenen internen C=O-Doppelbindungen.
Plasmabehandelte Polymeroberflächen
lassen sich darüber
hinaus auch problemlos derivatisieren. Beispielsweise können aminierte
Oberflächen
zu Aldehyd-Funktionen aufweisenden Oberflächen umfunktionalisiert werden, wobei
gleichzeitig auch der Abstand zwischen der funktionellen Gruppe
und der Polymer-Oberfläche vergrößert werden
kann. Sauerstoff-haltige Oberflächen
können
einer Carbonsäure-Derivatisierung
und anschließend
einem Spacer-Einbau unter Erhalt der Aldehyd-Funktion unterworfen
werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
daher auch unter Verwendung von Plasmaverfahren erhaltene Biochip-Träger, wobei
die Oberfläche
Carbonsäure-, Aldehyd/Keton-,
Amin-, Epoxy- und/oder Halogen-Funktionen
aufweist.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung
betrifft Biochip-Träger,
wobei die funktionelle Gruppe unter Verwendung von photoinduzierter
Oberflächenfunktionalisierung
auf die Oberfläche
des Polymers aufgebracht ist, das das Bodenteil der Reaktionskammer
bildet.
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Zum Aufbringen funktioneller Gruppen
auf die Polymer-Oberfläche
ist auch das Verfahren der photoinduzierten Oberflächenfunktionalisierung
geeignet. Dazu kann insbesondere das Anthrachinon-Verfahren eingesetzt
werden. Dabei wird die für die
kovalente Bindung des biologischen Moleküls benötigte funktionelle Gruppe durch
eine chemische Verknüpfungsreaktion
an ein Anthrachinon-Derivat gebunden. Für diesen Kopplungsschritt sind
jedoch starke Donoren, beispielsweise OH, OMe oder SO3H,
am Anthrachinon-Gerüst
erforderlich. Weitere Möglichkeiten
zur Antrachinon-Derivatisierung ergeben sich aus der Verwendung
von Aldrich 16,554-9 (C14H9O2N), Aldrich 43,425-6 oder Aldrich 25,272-7. Anschließend wird
die ge samte Einheit über
einen radikalischen Mechanismus am Polymergerüst photochemisch fixiert.
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Ein weiteres photoinduziertes Oberflächen-Funktionalisierungs-Verfahren ist das
photochemische Graften, wobei variable Basismaterialien durch kontrollierte
reaktive Beschichtungen mit Polymeren, die unterschiedliche funktionelle
Gruppen tragen können,
realisiert werden. Die Initiierung der Reaktion erfolgt photochemisch,
insbesondere unter Verwendung von UV-Licht.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
daher auch einen Biochip-Träger,
wobei die funktionelle Gruppe durch Umsetzung von Anthrachinon mit
einem Donor und anschließende
photochemische Fixierung auf die Polymer-Oberfläche aufgebracht ist. Die vorliegende
Erfindung betrifft ebenfalls einen Biochip-Träger, wobei die funktionelle
Gruppe durch photochemisches Graften auf die Polymer-Oberfläche aufgebracht
ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung
der Erfindung betrifft einen Biochip-Träger, wobei die funktionelle
Gruppe unter Verwendung von Propfpolymerisation auf die Oberfläche des
Polymers aufgebracht ist, das den Bodenteil der Reaktionskammer bildet.
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Unpolare Matrixpolymere, beispielsweise Polypropylen,
Polyester oder EPM (Ethylen-Propylen-monomer-Elastomer) können auch
durch Aufpfropfen monomerer Substanzen mit polaren Gruppen unter
Verwendung eines Zweischnecken-Kneters funktionalisiert werden.
Derartige Pfropfpolymerisate lassen sich als Ausgangskomponenten
zur Herstellung von Polymerblends und Polymerlegierungen einsetzen.
Auf diese Weise können
beispielsweise Polypropylen/Polyamid-Legierungen oder thermoplastische
Elastomere (pp/EP(D)M-Blends; Polypropylen/EPM-Blend) unter Einbeziehung
einer dynamischen Vernetzung der Elastomerphase erzeugt werden.
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Eine weitere besonders bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung betrifft einen Biochip-Träger beziehungsweise einen unter
Verwendung des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers hergestellten
Biochip, wobei am Bodenteil der Reaktionskammer ein Biomolekül beziehungsweise
ein biologisch aktives Molekül
gebunden ist. Bei dem Biomolekül
beziehungsweise dem biologisch aktiven Molekül handelt es sich insbesondere
um ein Protein, eine Nucleinsäure
oder ein PNA-Molekül.
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Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen,
dass das biologisch aktive Molekül
oder Biomolekül
unter Erhalt seiner biologischen Aktivität an der Bodenfläche der
Reaktionskammer gebunden oder immobilisiert ist oder gebunden oder
immobilisiert werden kann. Unter der „biologischen Aktivität" des biologisch aktiven
Moleküls
oder Biomoleküls
werden alle Funktionen verstanden, die dieses in einem Organismus
in seiner natürlichen
zellulären
Umgebung ausübt.
Wenn das Molekül
ein Protein ist, kann es sich um spezifische katalytische oder enzymatische
Funktionen, Funktionen in der Immunabwehr, Transport- und Speicherfunktion,
Regulationsfunktion, Transkriptions- und Translationsfunktionen
und dergleichen handeln. Handelt es sich bei dem biologischen Molekül um eine
Nucleinsäure,
kann die biologische Funktion beispielsweise in der Codierung eines
Genproduktes bestehen oder darin, dass die Nucleinsäure als
Matrize zur Synthese weiterer Nucleinsäuremoleküle oder als Bindungsmotiv für regulatorische
Proteine verwendbar ist. „Beibehaltung
der biologischen Aktivität" bedeutet, dass ein
biologisch aktives Molekül
nach Immobilisierung oder Bindung an der Polymer-Oberfläche, das
heißt
am Bodenteil der Reaktionskammer des erfindungsgemäßen Biochips-Trägers, die
gleichen oder nahezu gleichen biologischen Funktionen in zumindest ähnlichem
Ausmaß ausüben kann
wie das gleiche Molekül
in nicht-immobilisiertem Zustand unter geeigneten in vitro-Bedingungen
beziehungsweise das gleiche Molekül in seiner natürlichen
zellulären
Umgebung. Der Begriff „Immobilisierung" bedeutet im Zusammenhang
mit der vorliegenden Erfindung, dass ein Molekül so an die funktionellen Gruppen
der Polymer-Oberfläche
gebunden wird beziehungsweise ist, dass beispielsweise die dreidimensionale
Struktur der für
die biologische Aktivität
erforderlichen Domäne(n)
gegenüber
dem nicht-immobilisierten Zustand nicht verändert ist und dass diese Domäne(n), beispielsweise
Bindungstaschen für
zelluläre
Reaktionspartner, bei Kontakt mit anderen nativen zellulären Reaktionspartnern
für diese
frei zugänglich ist/sind.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das an
den erfindungsgemäßen Biochip-Träger, insbesondere
am Bodenteil der Reaktionskammer, immobilisierte oder immobilisierbare
biologische Molekül insbesondere
eine Nucleinsäure,
ein Protein, ein PNA-Molekül,
ein Fragment davon oder ein Gemisch davon ist.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden
Erfindung wird unter einer „Nucleinsäure" ein Molekül verstanden,
dass aus mindestens zwei über
eine Phosphordiesterbindung verbundenen Nucleotiden besteht. Bei
Nucleinsäuren
kann es sich sowohl um eine Desoxyribonucleinsäure als auch eine Ribonucleinsäure handeln.
Die Nucleinsäure
kann sowohl einsträngig
als auch zweisträngig
vorliegen. Im Kontext der vorliegenden Erfindung kann eine Nucleinsäure also
auch ein Oligonucleotid sein. Die an der Bodenfläche der Reaktionskammer des
erfindungsgemäßen Biochip-Trägers gebundene
Nucleinsäure weist
vorzugsweise eine Länge
von mindestens 10 Basen auf. Erfindungsgemäß kann die gebundene Nucleinsäure natürlichen
oder synthetischen Ursprungs sein. Die Nucleinsäure kann erfindungsgemäß auch durch
gentechnische Verfahren gegenüber
der Wildtyp-Nucleinsäure
modifiziert sein und/oder unnatürliche
und/oder ungewöhnliche
Nucleinsäure-Bausteine
enthalten. Die Nucleinsäure kann
mit Molekülen
anderer Art, beispielsweise mit Proteinen, verbunden sein.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden
Erfindung wird unter einem „Protein" ein Molekül verstanden,
das mindestens zwei über
eine Amidbindung miteinander verbundenen Aminosäuren umfasst. Im Kontext der
vorliegenden Erfindung kann ein Protein also auch ein Peptid, zum
Beispiel ein Oligopeptid, ein Polypeptid oder zum Beispiel eine
isolierte Protein-Domäne
sein. Ein derartiges Protein kann natürlichen oder synthetischen
Ursprungs sein. Das Protein kann durch gentechnische Verfahren gegenüber dem
Wildtyp-Protein modifiziert sein und/oder unnatürliche und/oder ungewöhnliche
Aminosäuren
enthalten. Das Protein kann gegenüber der Wildtyp-Form derivatisiert
sein, beispielsweise Glykosylierungen auf-weisen, es kann verkürzt sein,
es kann mit anderen Proteinen fusioniert sein oder mit Molekülen anderer
Art, beispielsweise mit Kohlenhydraten, verbunden sein. Erfindungsgemäß kann ein Protein,
insbesondere ein Enzym, ein Rezeptor, ein Cytokin, ein Antigen oder
ein Antikörper
sein.
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„Antikörper" bedeutet ein Polypeptid, das im Wesentlichen
von einem oder mehreren Immunglubolin-Genen codiert wird, oder Fragmente
davon, das/die einen Analyten (Antigen) spezifisch bindet/binden
und erkennt/erkennen. Antikörper
kommen beispielsweise als intakte Immunglobuline oder als eine Reihe
von Fragmenten vor, die mittels Spaltung mit verschiedenen Peptidasen
erzeugt werden. „Antikörper" bedeutet auch modifizierte
Antikörper, beispielsweise
oligomere, reduzierte, oxidierte und markierte Antikörper. „Antikörper" umfasst auch Antikörper-Fragmente,
die entweder mittels Modifikation ganzer Antikörper oder mittels de novo-Synthese
unter Verwendung von DNA-Rekombinationstechniken erzeugt worden
sind.
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Der Begriff „Antikörper" umfasst sowohl intakte Moleküle als auch
Fragmente davon, wie Fab, F(ab)')2 und Fv, die Epitop-Determinanten binden können.
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Bei PNA (Peptide Nucleic Acid oder
Polyamide Nucleic Acid)-Molekülen handelt
es sich um Moleküle,
die nicht negativ geladen sind und in gleicher Weise wie DNA wirken
(Nielsen et al., 1991, Science, 254, 1497-1500; Nielsen et al.,
1997, Biochemistry, 36, 5072-5077; Weiler et al., 1997, Nuc. Acids
Res., 25, 2792-2799). PNA-Sequenzen umfassen ein Polyamid-Grundgerüst aus N-(2-Aminoethyl)-glycin-Einheiten
und besitzen keine Glucose-Einheiten und keine Phosphat-Gruppen.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass das an den erfindungsgemäßen Biochip-Träger beziehungsweise
an den unter Verwendung des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers
hergestellten Biochip, insbesondere an das Bodenteil der Reaktionskammer,
immobilisierte oder gebundene biologische Molekülmarkierungen aufweist, die
eine einfache Detektion dieser Moleküle unter Verwendung geeigneter
Nachweisverfahren ermöglichen.
Bei diesen Markierungen kann es sich beispielsweise um eine Fluoreszenzmarkierung,
eine UV/VIS-Markierung, eine superparamagnetische Funktion, eine
ferromagnetische Funktion und/oder eine radioaktive Markierung handeln.
Als Nachweisverfahren für
diese Markierung kommen beispielsweise Fluoreszenz- oder UV-VIS-Spektroskopie, Wellenleiter-Spektroskopie-,
Impedanz-Spektroskopie-, elektrische und/oder radiometrische Verfahren in
Betracht.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass in jeder Reaktionskammer des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers beziehungsweise Biochips
das gleiche biologisch aktive Molekül immobilisiert ist. In einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass in jeder Reaktionskammer des
erfindungsgemäßen Biochip-Trägers beziehungsweise
Biochips ein anderes Molekül
immobilisiert ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung betrifft diese einen wie vorstehend beschriebenen
Biochip-Träger beziehungsweise
Biochip, wobei dieser eine reversibel anbringbare, beispielsweise
aufsteckbare Volumenvergrößerungs vorrichtung
aufweist, die mindestens eine nach oben und unten hin geöffnete Volumenvergrößerungskammer
umfasst. Die Volumenvergrößerungsvorrichtung
kann fest, zum Beispiel durch Scharniere mit dem Biochip-Träger verbunden
sein, sie kann aber auch getrennt von dem Biochip-Träger vorliegen
und erst bei Notwendigkeit auf dessen Reaktionskammer aufgesteckt
oder sonst wie reversibel befestigt werden. In dieser besonders
bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der mindestens einen Reaktionskammer eines
erfindungsgemäßen Biochip-Trägers eine
reversibel anbringbare Volumenvergrößerungskammer für diese
mindestens eine Reaktionskammer zugeordnet ist, die es gestattet,
für bestimmte
Arbeitsschritte, beispielsweise Hybridisierungs- oder Waschschritte,
die erfindungsgemäße Reaktionskammer
mit einem größeren Volumen
zu versehen. Die Höhe
der Seitenwände
der Volumenvergrößerungskammer
ist vorzugsweise wesentlich höher,
zum Beispiel 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 oder
100 mal höher
als die Höhe der
Seitenwand der Reaktionskammer bei gleicher Grundfläche der
jeweiligen Kammer. Dabei kann selbstverständlich vorgesehen sein, dass
wenn der erfindungsgemäße Biochip-Träger mehr
als eine Reaktionskammer aufweist, auch für jede einzelne dieser mehreren
oder vielen Reaktionskammern, eine derartig reversibel aufsteckbare
Volumenvergrößerungskammer
vorgesehen ist, wobei diese Mehrzahl der Volumenvergrößerungskammern
auch in einer Einheit vorliegen können, beispielsweise in Streifen- oder
Matrixform, wobei die Volumenvergrößerungskammern mittels des
Rahmenteils miteinander verbunden sind. Die demgemäss in Kombination
mit den erfindungsgemäßen Biochip-Trägern vorgesehenen Volumenvergrößerungseinrichtungen
zeichnen sich in bevorzugter Ausführungsform dadurch aus, dass sie
jeweils ein Rahmenteil und die Volumenvergrößerungskammer bildende Seitenwände aufweisen.
Die Seitenwände
umschließen
seitwärts
einen nach oben und unten hin nicht abgeschlossenen, sondern geöffneten
Raum oder Volumen. Die mindestens eine Volumenvergrößerungskammer
und ein Rahmenteil umfassende Volumenvergrößerungsvorrichtung dient im
Wesentli chen dazu, reversibel die an sich eine geringe Höhe aufweisenden
Seitenwände der
Reaktionskammer in ihrer Höhe
zu vergrößern, sodass
reversibel die die Reaktionskammer bildenden Seitenwände erhöht und das
von ihnen umschlossene Volumen vergrößert wird. In besonders bevorzugter
Ausführungsform
entspricht der Grundriss des von den Seitenwänden der Volumenvergrößerungskammer
umschlossenen Volumens beziehungsweise Fläche dem Grundriss der Fläche des Bodenteils
der volumen-zu-vergrößernden
Reaktionskammer der Trägerplatte.
Ist beispielsweise die Reaktionskammer der Trägerplatte im Grundriss rechteckig
oder quadratisch, stehen deren Seitenwände also rechtwinklig zu einander
und umschließen
demgemäß ein rechteckiges
oder quadratisches Bodenteil, so weist auch die Volumenvergrößerungskammer
rechtwinklig zueinander angeordnete Seitenwände auf, die eine der Fläche des
Bodenteils entsprechende rechteckige oder quadratische Fläche (in
Grundriss gesehen) umfassen, wobei das von den Seitenwänden der
Volumenvergrößerungskammer
umfasste Volumen oder Raum sowohl nach oben als auch nach unten,
nämlich
zur Reaktionskammer hin, geöffnet
ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Volumenvergrößerungseinrichtung auf eine,
mehrere oder viele ihr zugeordnete Reaktionskammern gesteckt wird,
und zwar derart, dass eine flüssigkeitsdichte
Verbindung zwischen den Seitenwänden
jeder Volumenvergrößerungskammer
und den Seitenwänden
jeder einer Volumenvergrößerungskammer
zugeordneten Reaktionskammer der Trägerplatte gewährleistet
wird. Dies kann beispielsweise geschehen, indem die Volumenvergrößerungsvorrichtung,
insbesondere deren Seitenwände
aus einem elastischen oder flexiblen Material hergestellt sind,
die die vorgenannten Bedingungen gewährleisten. Es kann auch vorgesehen
sein, dass die Volumenvergrößerungsvorrichtung
beziehungsweise -kammer auf die zugeordnete Reaktionskammer aufgeclipst
oder sonst wie verbunden wird, wobei diese Verbindung reversibel
sein muss, um das Anbrin gen und Entfernen zu ermöglichen. Die Volumenvergrößerungsvorrichtung
kann beispielsweise aus Silikon, einem Polymer, zum Beispiel Polyurethan,
oder sonstigem flüssigkeits-dichtenden
Material hergestellt sein.
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Die Erfindung betrifft in einer besonders
bevorzugten Ausführungsform
eine Kombination aus einer wie vorstehend aufgebauten Volumenvergrößerungsvorrichtung,
die mindestens eine, zum Beispiel eine Mehrzahl oder Vielzahl von
Volumenvergrößerungskammern
aufweist, angeordnet in einem Rahmenteil, der beispielsweise als
Streifen oder Matrix ausgebildet sein kann, und einem erfindungsgemäßen Biochip-Träger. Der
Biochip-Träger
kann in bevorzugter Ausführungsform
mindestens eine auf einem Sockel angeordnete Reaktionskammer, vorzugsweise
mehrere oder eine Vielzahl von auf jeweils einzelnen Sockeln angeordneten
Reaktionskammern aufweisen. Diese Ausführungsform ist insofern besonders
vorteilhaft, als dass die jeweiligen die Volumenvergrößerungskammer
bildenden Seitenwände der
Volumenvergrößerungsvorrichtung
besonders einfach und besonders flüssigkeitsdicht mit den auf dem
Sockel angeordneten Seitenwänden
der Reaktionskammer reversibel verbunden werden können.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass zwischen Biochip-Träger und der reversibel zuordenbaren
Volumenvergrößerungsvorrichtung
eine Dichtungsmatte oder Dichtungsmatrix angebracht ist, die eine
nochmals verbesserte flüssigkeitsdichte
Verbindung zwischen Biochip-Träger
und Volumenvergrößerungsvorrichtung
gewährleistet.
Dies geschieht insbesondere dadurch, dass die vorzugsweise aus einem elastischen
flüssigkeitsdichten
Material, zum Beispiel einem Polymermaterial hergestellte Dichtungsmatte mit
Aussparungen für
die mindestens eine Reaktionskammer versehen ist und die Vertiefungen
zwischen benachbarten Reaktionskammern eines Biochip-Trägers ausfüllt, so
dass bei Aufsetzen der Volumenvergrößerungsvorrichtung auf den
Biochip- Träger möglicherweise
entstehende Undichtheiten und Kreuzkontamination vermieden werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Volumenvergrößerungskammern der Volumenvergrößerungsvorrichtung
reversibel verschließbar
sind, beispielsweise mittels eines den einzelnen Kammern zugeordneten Deckels.
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Die Erfindung betrifft selbstverständlich auch einen
Kit umfassend einen erfindungsgemäßen Biochip-Träger zusammen
mit einer herkömmlichen
Mikrotiterplatte.
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Die Erfindung betrifft selbstverständlich auch einen
Kit umfassend einen erfindungsgemäßen Biochip-Träger zusammen
mit einer wie vorstehend beschriebenen Volumenvergrößerungsvorrichtung.
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Die Erfindung betrifft selbstverständlich auch einen
Kit umfassend einen erfindungsgemäßen Biochip-Träger zusammen
mit einer wie vorstehend beschriebenen Volumenvergrößerungsvorrichtung
und einer wie vorstehend beschriebenen Dichtungsmatte.
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Die Erfindung betrifft selbstverständlich auch einen
Kit umfassend einen erfindungsgemäßen Biochip-Träger mit
einer wie vorstehend beschriebenen Volumenvergrößerungsvorrichtung, optional
zusammen mit einer Dichtungsmatte, optional zusammen mit Verschlussvorrichtungen,
zum Beispiel Deckeln, für
die Volumenvergrößerungskammer
und eine herkömmliche
Mikrotiterplatte.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers beziehungsweise
des unter Verwendung des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers hergestellten
Biochips, optional in Kombination mit einer Volumenvergrößerungsvorrichtung,
zur Untersuchung eines Analyten in einer Probe und/oder zu dessen
Isolierung und/oder Aufreinigung daraus. Im Zusammenhang mit der
vorliegenden Erfindung wird unter einem „Ana lyten" eine Substanz verstanden, bei der Art
und Menge ihrer Einzelbestandteile bestimmt und/oder die aus Gemischen
abgetrennt werden soll. Insbesondere handelt es sich bei dem Analyten
um Proteine, Nucleinsäuren,
Kohlenhydrate und ähnliche
Verbindungen. In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist
der Analyt ein Protein, Peptid, Antigen oder eine Nucleinsäure. Unter
einer „Probe" wird eine wässrige oder
organische Lösung,
Emulsion, Dispersion oder Suspension verstanden, die einen vorstehend
definierten Analyten in isolierter und aufgereinigter Form oder
als Bestandteil eines komplexen Gemisches unterschiedliche Substanzen
enthält. Bei
einer Probe kann es sich insbesondere um eine biologische Flüssigkeit,
wie Blut, Lymphe, Gewebeflüssigkeit
etc. handeln, also eine Flüssigkeit,
die einem lebenden oder toten Organismus, Organ oder Gewebe entnommen
wurde. Eine Probe kann bereits Aufreinigungsschritten unterworfen
worden sein, kann aber auch ungereinigt vorliegen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
daher auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers beziehungsweise
eines unter Verwendung des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers hergestellten
Biochips, optional in Kombination mit einer Volumenvergrößerungsvorrichtung,
zur Durchführung
von Analyse- und/oder Detektionsverfahren, wobei es sich bei diesen
Verfahren beispielsweise um Massenspektroskopie, Fluoreszenz- oder UV-VIS-Spektroskopie,
Fluoreszenz- oder Lichtmikroskopie, Wellenleiterspektroskopie oder
ein elektrisches Verfahren wie Impedanzspektroskopie handelt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ebenfalls die Verwendung des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers beziehungsweise
des unter Verwendung des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers hergestellten
Biochips, optional in Kombination mit einer Volumenvergrößerungsvorrichtung,
zum Nachweis und/oder zur Isolierung biologischer Moleküle. Beispielsweise
kann ein erfindungsgemäßer Biochip-Träger beziehungsweise
Biochip, optional in Kombination mit einer Volumenvergrößerungsvorrichtung,
der eine vorzugsweise einzelsträngige Nucleinsäure in immobilisierter
Form aufweist, zum Nachweis einer komplementären Nucleinsäure in einer
Probe und/oder zur Isolierung dieser komplementären Nucleinsäure eingesetzt
werden. Ein erfindungsgemäßer Biochip-Träger oder
Biochip, optional in Kombination mit einer Volumenvergrößerungsvorrichtung,
der ein Protein in immobilisierter Form aufweist, kann beispielsweise
zum Nachweis und/oder zur Isolierung eines mit dem immobilisierten
Protein in Wechselwirkung tretenden zweiten Proteins aus einer Probe
eingesetzt werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers beziehungsweise
des unter Verwendung des Biochip-Trägers hergestellten Biochips,
optional in Kombination mit einer Volumenvergrößerungsvorrichtung, zur Entwicklung
von pharmazeutischen Präparaten.
Die Erfindung betrifft ebenfalls die Verwendung des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers beziehungsweise
des unter Verwendung des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers hergestellten
Biochips, optional in Kombination mit einer Volumenvergrößerungsvorrichtung,
zur Untersuchung der Wirkungen und/oder Nebenwirkungen von pharmazeutischen
Präparaten.
Die erfindungsgemäßen Biochip-Träger beziehungsweise
die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers hergestellten
Biochips, optional in Kombination mit einer Volumenvergrößerungsvorrichtung,
lassen sich ebenfalls zur Diagnose von Krankheiten, beispielsweise
zur Identifizierung von Krankheitserregern und/oder zur Identifizierung
von mutierten Genen, die zur Entstehung von Krankheiten führen, verwenden.
Eine weitere Verwendungsmöglichkeit
des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers beziehungsweise
Biochips, optional in Kombination mit einer Volumenvergrößerungsvorrichtung,
besteht bei der Untersuchung der mikrobiologischen Kontamination
von beispielsweise Nahrungsmitteln, Trinkwasser, Abwasser oder Fermentern.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße Biochip-Träger wird anhand
von Ausführungsbeispielen
und der dazugehörigen
Figuren näher
erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Biochip-Trägers in
Draufsicht gesehen,
-
2 eine
schematische Darstellung zweier alternativer Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers im
Querschnitt,
-
3 eine
Draufsicht auf sieben alternative Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers,
-
4 eine
seitliche Ansicht zweier alternativer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers und
einer Mikrotiterplatte mit eingesetzten erfindungsgemäßen Biochip-Trägern,
-
5 eine
seitliche Ansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers,
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6 zwei
seitliche Ansichten weiterer bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers, wobei
die Reaktionskammern auf Sockeln angeordnet sind,
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7 eine
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Volumenvergrößerungsvorrichtung in
Streifenform,
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8 eine
seitliche Ansicht einer auf einem erfindungsgemäßen Biochip-Träger im SBS-Format aufsteckbaren
Volumenvergrößerungseinrichtung, wobei
der Biochip-Träger auf
einer herkömmlichen Mikrotiterplatte
aufsteckbar ist, und
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9 einen
Biochip-Träger
im SBS-Format und eine diesem zugeordnete Volumenvergrößerungsvorrichtung
im SBS-Format, wobei zwischen diesen eine Dichtungsmatte im SBS-Format
angeordnet ist.
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Im folgenden weisen bau- beziehungsweise funktionsgleiche
Teile, Elemente oder Vorrichtungen gleiche Bezugsziffern auf.
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Die 1 zeigt
in schematischer Form einen Biochip-Träger 1 mit einer rechteckigen,
teilweise abgeschrägte
Ecken 17 aufweisenden Trägerplatte 3. Auf der
Trägerplatte 3 ist
eine Reaktionskammer 5 angeordnet, die durch das Bodenteil 7 mit
der schraffiert dargestellten Fläche
F und das Bodenteil 7 seitwärts begrenzende beziehungsweise
umfassende Seitenwände 9 gebildet
wird. Die im Grundriss quadratische Reaktionskammer 5 ist
nach oben hin offen. Die Trägerplatte 3 weist
zwei abgeschrägte Ecken 17 auf,
die eine eindeutige Orientierung des Biochip-Trägers 1, beispielsweise
beim Einsetzen in eine Mikrotiterplatte, erlauben.
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Die 2 zeigt
in schematischer Form einen Querschnitt durch zwei alternative Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers 1.
Die 2a zeigt eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers 1,
bei der das Bodenteil 7 der Reaktionskammer 5 durch
die Trägerplatte 3 gebildet
wird. Die Seitenwände 9 der
Reaktionskammer 5 mit einer Höhe H sind als Erhebungen auf
der Trägerplatte 3 ausgebildet.
Die nach oben hin offene Reaktionskammer 5 weist die Öffnung 15 auf.
Bei dieser Ausführungsform
liegt die Oberkante 11 der Reaktionskammer 5 in
einer Ebene oberhalb der Oberkante 13 der Trägerplatte 3.
Die 2b zeigt eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers 1,
bei der die Oberkante 11 der Reaktionskammer 3 und
die Oberkante 13 der Trägerplatte 3 in
der gleichen Ebene liegen. In dieser Ausführungsform ist die Reaktionskammer 5 innerhalb
und/oder unterhalb der Trägerplatte 3 als
Vertiefung angeordnet, wobei die Öffnung 15 der Reaktionskammer 5 mit
der Oberkante 13 der Trägerplatte 3 abschließt.
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Die 3 zeigt
alternative Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers 1 in Draufsicht
gesehen. Der erfindungsgemäße Biochip-Träger 1 ist
jeweils in Streifenform ausgeführt, wobei
die Länge
des Biochip-Trägers 1 dessen,
vorzugsweise passgenaues, Einsetzen in eine Mikrotiterplatte nach
SBS-Standard erlaubt. Die Breite des Biochip-Trägers 1 beträgt jeweils
9 mm. Die auf der Trägerplatte 3 angeordneten
Reaktionskammern 5 sind jeweils nach oben hin offen. Die
jeweilige Trägerplatte 3 der
gezeigten Ausführungsformen
weist jeweils zwei abgeschrägte
Ecken 17 auf, die eine eindeutige Orientierung des Biochip-Trägers 1,
beispielsweise beim Einsetzen in eine Mikrotiterplatte, erlauben.
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3a zeigt
eine Ausführungsform,
bei der eine Reaktionskammer 5 auf der Trägerplatte 3 des Biochip-Trägers 1 angeordnet
ist. Die Reaktionskammer 5 weist einen quadratischen Grundriss
mit einer Seitenlänge
von 6 mm auf. Bei einer Höhe
der Seitenwände 9 der
Reaktionskammer 5 von 0,6 mm beträgt das Verhältnis des Zahlenwertes der
Bodenteil-Fläche
zum Zahlenwert der Höhe
der Seitenwände
(36(mm2):0,6(mm)=60) 60. Bei einer Höhe der Seitenwände 9 der
Reaktionskammer 5 von 0,5 mm beträgt das Verhältnis des Zahlenwertes der
Bodenteil-Fläche
zum Zahlenwert der Höhe
der Seitenwände 72.
Bei einer Höhe
der Seitenwände 9 der
Reaktionskammer 5 von 0,4 mm beträgt das Verhältnis des Zahlenwertes der
Bodenteil-Fläche
zum Zahlenwert der Höhe
der Seitenwände 90.
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3b zeigt
eine Ausführungsform,
bei der 4 gleichmäßig beabstandete
Reaktionskammern 5 in einer Reihe auf der Trägerplatte 3 des
Biochip-Trägers 1 angeordnet
sind. Die 4 Reaktionskammern 5 weisen jeweils einen quadratischen
Grundriss mit einer Seitenlänge
von jeweils 6 mm auf.
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3c zeigt
eine Ausführungsform,
bei der 8 gleichmäßig beabstandete
Reaktionskammern 5 in einer Reihe auf der Trägerplatte 3 des
Biochip-Trägers 1 angeordnet
sind. Die 8 Reaktionskammern 5 weisen jeweils einen quadratischen
Grundriss mit einer Seitenlänge
von jeweils 6 mm auf.
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3d zeigt
eine Ausführungsform,
bei der 16 gleichmäßig beabstandete
Reaktionskammern 5 in einer Reihe auf der Trägerplatte 3 des
Biochip-Trägers 1 angeordnet
sind. Die 16 Reaktionskammern 5 weisen jeweils einen quadratischen
Grundriss mit einer Seitenlänge
von jeweils 3,5 mm auf. Bei einer Höhe der Seitenwände 9 der
Reaktionskammer 5 von 0,4 mm beträgt das Verhältnis des Zahlenwertes der
Bodenteil-Fläche
zum Zahlenwert der Höhe
der Seitenwände
etwa 30. Bei einer Höhe
der Seitenwände 9 der
Reaktionskammer 5 von 0,3 mm beträgt das Verhältnis des Zahlenwertes der
Bodenteil-Fläche zum
Zahlenwert der Höhe
der Seitenwände
etwa 40. Bei einer Höhe
der Seitenwände 9 der
Reaktionskammer 5 von 0,2 mm beträgt das Verhältnis des Zahlenwertes der
Bodenteil-Fläche zum
Zahlenwert der Höhe
der Seitenwände
etwa 61.
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3e zeigt
eine Ausführungsform,
bei der 32 gleichmäßig beabstandete
Reaktionskammern 5 in zwei parallelen Reihen auf der Trägerplatte 3 des Biochip-Trägers 1 angeordnet
sind. Die 32 Reaktionskammern 5 weisen jeweils einen quadratischen Grundriss
mit einer Seitenlänge
von jeweils 3,5 mm auf.
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3f zeigt
eine Ausführungsform,
bei der 16 gleichmäßig beabstardete
Reaktionskammern 5 in einer Reihe auf der Träger platte 3 des
Biochip-Trägers 1 angeordnet
sind. Die 16 Reaktionskammern 5 weisen jeweils einen quadratischen
Grundriss mit einer Seitenlänge
von jeweils 3 mm auf. Bei einer Höhe der Seitenwände 9 der
Reaktionskammer 5 von 0,3 mm beträgt das Verhältnis des Zahlenwertes der
Bodenteil-Fläche
zum Zahlenwert der Höhe
der Seitenwände 30.
Bei einer Höhe
der Seitenwände 9 der
Reaktionskammer 5 von 0,2 mm beträgt das Verhältnis des Zahlenwertes der
Bodenteil-Fläche
zum Zahlenwert der Höhe
der Seitenwände 45.
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3g zeigt
eine Ausführungsform,
bei der 32 gleichmäßig beabstandete
Reaktionskammern 5 in zwei parallelen Reihen auf der Trägerplatte 3 des Biochip-Trägers 1 angeordnet
sind. Die 32 Reaktionskammern 5 weisen jeweils einen quadratischen Grundriss
mit einer Seitenlänge
von jeweils 3 mm auf.
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Die 4 zeigt
eine seitliche Ansicht zweier alternativer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Biochip-Trägers 1,
in denen das Bodenteil 7 in einer Ebene mit der Oberkante 17 der
Trägerfläche 3 liegt
und einer Mikrotiterplatte mit eingesetzten erfindungsgemäßen Biochip-Trägern 1.
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4a zeigt
einen in Streifenform ausgeführten
Biochip-Träger 1,
bei dem acht gleichmäßig beabstandete
Reaktionskammern 5 in einer Reihe auf der Trägerplatte 3 angeordnet
sind. Bei dieser Ausführungsform
liegt die Oberkante 11 der durch die als Erhebungen ausgeführten Seitenwände 9 gebildeten
Reaktionskammern 5 in einer Ebene oberhalb der Oberkante 13 der
Trägerplatte 3.
Die nach oben hin offenen Reaktionskammern 5 weisen jeweils
einen quadratischen Grundriss auf. Die Trägerplatte 3 weist
zwei abgeschrägte
Ecken 17 auf, die eine Orientierung des Biochip-Trägers 1 ermöglichen.
An der Unterkante 19 der Trägerplatte 3 ist ein
Rahmenelement 21 ausgebildet, das aus einer umlaufenden hohlen
Wand gebildet wird. Die nicht gezeigte Innenwand des Rahmenelements 21 kann
durch ebenfalls nicht gezeigte Stege verbunden sein. An den Enden 23 und 25 des
Rahmenelements 21 sind jeweils hervorspringende Fortsätze 27 angeordnet,
die beim Einsetzen des Biochip-Trägers 1 in
eine Mikrotiterplatte in entsprechende Aussparungen der Mikrotiterplatte
einrasten und so zusammen mit den auf dem Rahmen einer Mikrotiterplatte
aufliegenden Auflagefläche 49 den
Biochip-Träger 1 in,
beziehungsweise auf der Mikrotiterplatte fixieren. Dargestellt sind
zwei endständige
Auflageflächen 49 der
Trägerplatte 3, die
eine Auflage der Trägerfläche auf
zum Beispiel einer herkömmlichen
Mikrotiterplatte erlauben.
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4b zeigt
einen in Streifenform ausgeführten
Biochip-Träger 1,
bei dem ebenfalls acht gleichmäßig beabstandete
Reaktionskammern 5 in einer Reihe auf der Trägerplatte 3 angeordnet
sind, wobei die Reaktionskammer 5 durch als Erhebungen ausgeführte Seitenwände 9 und
ein in der Ebene der Oberfläche
der Trägerplatte 3 liegendes
Bodenteil 7 gebildet wird. Auch bei dieser Ausführungsform
liegt die Oberkante 11 der Reaktionskammern 5 in
einer Ebene oberhalb der Oberkante 13 der Trägerplatte 3. Die
nach oben hin offenen Reaktionskammern 5 weisen in dieser
Ausführungsform
jeweils einen kreisförmigen
Grundriss auf. Auch in dieser Ausführungsform ist an der Unterkante 19 der
Trägerplatte 3 ein aus
einer umlaufenden hohlen Wand gebildetes Rahmenelement 21 angebracht.
An den Enden 23 und 25 des Rahmenelements 21 sind
jeweils hervorspringende Fortsätze 27 angeordnet,
die beim Einsetzen des Biochip-Trägers 1 in eine Mikrotiterplatte
in entsprechende Aussparungen der Mikrotiterplatte einrasten und
so zusammen mit den auf dem Rahmen einer Mikrotiterplatte aufliegenden
Auflageflächen 49 den
Bio-Chip-Träger 1 in
und auf der Mikrotiterplatte fixieren.
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4c zeigt
eine herkömmliche
Mikrotiterplatte 100, in die die in den 4a und 4b dargestellten
Biochip-Träger 1 eingesetzt
sind, und zwar mit ihrer Länge
senkrecht zur Länge
der Mikrotiterplatte 100. Der Mikrochip-Träger 1 deckt
die Kavitäten 104 der Mikrotiterplatte 100 nach
oben hin ab und ist mit den Auflageflächen 49 auf dem Rahmen 102 der
Mikrotiterplatte 100 fixiert.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Biochip-Trägers 1.
Der dargestellte Biochip-Träger 1 ist
in Form eines Standard-Objektträgers
ausgebildet. Auf der Trägerplatte 3 sind
12 gleichmäßig beabstandete,
nach oben hin offene Reaktionskammern 5 in zwei parallelen
Reihen angeordnet. Auch bei dieser Ausführungsform liegt die Oberkante 11 der
durch die als Erhebungen ausgebildeten Seitenwände 9 seitwärts begrenzten Reaktionskammern 5 in
einer Ebene oberhalb der Oberkante 13 der Trägerplatte 3.
Das Bodenteil 7 liegt in einer Ebene mit der Oberkante 13 der
Trägerplatte 3.
Jeweils drei der in einer Reihe angeordneten Reaktionskammern 5 weisen
einen kreisförmigen Grundriss
auf, während
die drei anderen Reaktionskammern 5 einer Reihe einen quadratischen
Grundriss haben.
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6a zeigt
in seitlicher Ansicht einen erfindungsgemäßen Biochip-Träger 1,
der in Streifenform ausgeführt
ist und 8 in Reihen angeordnete Reaktionskammern 5 aufweist,
wobei die Reaktionskammern 5 jeweils im Grundriss quadratisch
ausgebaut sind und vier rechtwinklig zueinander angeordnete Seitenwände 9,
welche als Erhebungen ausgeführt sind,
aufweist. Diese Seitenwände 9 umfassen
zusammen mit dem planaren, im Grundriss gesehen quadratischen Bodenteil 7 die
nach oben hin offene Reaktionskammer 5. Die Reaktionskammer 5 ist
auf einem Sockel 29 angeordnet, wobei die obere Fläche 31 des
Sockels 29 gleichzeitig das Bodenteil 7 der Reaktionskammer 5 darstellt.
Im Grundriss gesehen weist der Sockel 29 die gleiche Geometrie
und Abmessungen wie das Bodenteil 7 der Reaktionskammer 5 auf.
Die Seitenwände 9 der
Reaktionskammer 5 stellen gleichsam eine Verlängerung
oder Fortsetzung der Seitenwände 47 des
Sockels 29 in ein und derselben Ebene dar. Sowohl die Reaktionskammer 5 als
auch der Sockel 29 sind einstückig und als integraler Bestandteil
der Trägerplatte 3 ausgebildet.
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Die 6b stellt
zwei miteinander verbundene Biochip-Träger 1, gemäß 6a, dar. Die als Streifen
ausgeführten
Biochip-Träger 1 der 6a können gemäß dieser Figur reversibel oder
fest miteinander verbunden sein, und so in Form einer 2 × 8 Reaktionskammermatrix
in eine Mikrotiterplatte eingesetzt werden.
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7 stellt
eine Volumenvergrößerungsvorrichtung 35 mit
in Streifenform in Reihe hintereinander angeordneten, im Grundriss
gesehen, quadratischen Volumenvergrößerungskammern 37,
dar. Die Volumenvergrößerungskammern
sind nach oben und nach unten (nicht dargestellt) hin geöffnet, sodass
die Kammer 37 durch die rechtwinklig zueinander angeordneten
jeweils vier Seitenwände 39 gebildet
werden. Die Höhe
HV der Seitenwände 39 ist erheblich
größer als
die Höhe
H der Seitenwände 9 der Reaktionskammer 5 eines
erfindungsgemäßen Biochip-Trägers. Das
die einzelnen Volumenvergrößerungskammern 37 verbindende
Rahmenteil 41 ist an den beiden Enden des Streifens als
Fortsatz 51 ausgebildet, welche das Positionieren und Fixieren
der Volumenvergrößerungsvorrichtung 35 auf
einem Biochip-Träger 1 der
Erfindung ermöglicht.
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8 zeigt
eine herkömmliche
Mikrotiterplatte 100 sowie einen auf diesen aufbringbaren
Biochip-Träger 1.
Der Biochip-Träger 1 ist
ein Biochip-Träger,
der auf Sockeln 29 angeordnete Reaktionskammer 5,
wie beispielsweise in 6a und 6b gezeigt, aufweist. Dargestellt
ist ferner eine Volumenvergrößerungseinrichtung 35 gemäß 7, die reversibel auf den
Biochip-Träger 1 aufgesteckt
werden kann. Dabei wird jeder Reaktionskammer 5 des Biochip-Trägers 1 eine
Volumenvergrößerungskammer 37 der
Volumenvergrößerungsvorrichtung 35 so
zugeordnet, dass sich das Volumen der Reaktionskammer 5 im
Wesentlichen um das Volumen der Volumenvergrößerungskammer 37 reversibel
erhöht. Dies
wird dadurch erreicht, dass die Volumenvergrößerungsvorrichtung 35 so
auf den Biochip-Träger 1 gesteckt
wird, dass die Seitenwände 39 der
Volumenvergrößerungskammer 37 flüssigkeitsdicht
auf die Seitenwände 9 des Biochip-Träger 1 gesteckt werden.
Dargestellt ist ferner ein Deckel 45, der reversibel aufsteckbar
die Reaktionskammer 5 beziehungsweise die Volumenvergrößerungskammer 37 nach
oben hin verschließen
kann.
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9 stellt
einen erfindungsgemäßen Biochip-Träger 1 in
Matrixform und im SBS-Standard dar. Dargestellt sind die Reaktionskammern 5,
die aus einem Bodenteil 7 und als Erhebungen ausgeführten Seitenwänden 9 gebildet
werden. Dargestellt ist ferner eine Volumenvergrößerungsvorrichtung 35 umfassend
den 96 Reaktionskammern 5 des Biochip-Trägers 1 entsprechende
96 Volumenvergrößerungskammern 37.
Die Abmessungen der Volumenvergrößerungsvorrichtung 35 umfassend
die 96 Volumenvergrößerungskammern 37 in
einem Rahmenteil 41 entsprechen denen einer Mikrotiterplatte
im SBS-Format. Diese Volumenvergrößerungsvorrichtung 35 ist
reversibel auf die Trägerplatte 3 des
Biochip-Trägers 1 aufbringbar
beziehungsweise aufsteckbar und erhöht so, da die einzelnen Volumenvergrößerungskammern 37 sowohl
nach oben als auch nach unten vollständig geöffnet sind, reversibel das
jeweilige Volumen der Reaktionskammern 5 des Biochip-Trägers 1.
Zur Erhöhung
der Flüssigkeitsdichtung
zwischen Reaktionskammer 5 des Biochip-Trägers 1 und
der Volumenvergrößerungskammer 37 stellt
die 9 eine zwischen
diese beiden Vorrichtungen anordnenbare Dichtungsmatrix oder Dichtungsmatte 43 dar.
Diese, vorzugsweise aus einem elastischen und flüssigkeitsdichten, zum Beispiel
polymeren Material hergestellte Dichtungsmatte 43 ist so
ausgeformt, dass sie auf den Biochip-Träger 1 aufgelegt werden
kann, dabei die Grundrisse der Reaktionskammern 5 ausspart
und die Zwischenräume 53 zwischen
den Reaktionskammern 5 belegt. Die Dichtungsmatte 43 passt
sich demgemäss
genau in die Vertiefungen 53 zwischen den Reaktionskammern 5 ein
und erhöht
die Dichtigkeit zwischen der Volumenvergrößerungsvorrichtung 35 und
dem Biochip-Träger 1.
Dargestellt ist ferner ein Deckel 45, der reversibel aufsteckbar
die Reaktionskammer 5 beziehungsweise die Volumenvergrößerungs kammer 37 nach
oben hin verschließen
kann. Allgemein gilt: Der Deckel 45 kann auch nur einzelnen
oder mehreren der Reaktionskammern zugeordnet sein, muss also nicht
alle Kammern des Biochip-Trägers
abdecken.