DE19836110A1 - Vorrichtung und Verfahren zur grenzflächennahen Mischung von Proben in Biosensorsystemen - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur grenzflächennahen Mischung von Proben in BiosensorsystemenInfo
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Abstract
Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum grenzflächennahen Mischen von Flüssigkeiten in einem Biosensor bereitgestellt. Dieses Durchmischen erfolgt mittels Einbringung von Schall bzw. Ultraschall oder akustischen Oberflächenwellen.
Description
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur
grenzflächennahen Mischung von Proben in Biosensorsystemen,
insbesondere von Sensorsystemen, die Oberflächenbindungsre
aktionen als sensorische Reaktion verwenden. Insbesondere
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Durchmischung von Substanzen in einem Biosensor, vor
zugsweise in einem Oberflächenplasmonenresonanzsensor.
Es sind verschiedene Verfahren bekannt, eine Flüssigkeit in
einem optischen Biosensor an der optischen Meßoberfläche an
zukoppeln. Ein erstes Verfahren betrifft ein Küvettensystem,
in dem eine Kammer oder ein Topf verwendet wird, bei dem
eine Seitenwand oder der Boden die Sensoroberfläche bildet.
Ein zweites Verfahren betrifft ein Flußsystem, bei dem über
Flußkanäle die Flüssigkeit an der Meßoberfläche vorbeige
pumpt wird. Dabei wird häufig ein Flow-Injection-Analysis-Ver
fahren verwendet und die Flüssigkeit wird häufig in einer
Flüssigkeitsschleife über die Meßoberfläche geführt. Das
hiervon bevorzugte System ist das Küvettensystem, die Erfin
dung findet aber auch Anwendung bei einem Flußsystem.
Ein drittes Verfahren verwendet einen faseroptischen Sensor (wie
beispielsweise in der DE-A-40 33 741 gezeigt), bei dem eine
Glasfaser oder ein anderes optisches Element in den Flüssig
keitsstrom oder in die stehende Flüssigkeit eingetaucht
wird.
Optische Biosensoren beruhen in der Regel darauf, daß Parti
kel (Moleküle, Bakterien, Viren, usw.) über eine Ligand-Re
zeptor-Wechselwirkung an die optische Meßoberfläche gebunden
werden, wodurch sich unter anderem die optische Schichtdicke
eines dünnen Filmes auf der Meßoberfläche verändert. Diese
Veränderung wird über ein optisches Verfahren nachgewiesen.
Das optische Signal ist ein Maß für die Bindungsstärke oder
die Konzentration der bindenden Partner. Die Bindung wird in
der Nähe der Oberfläche durch die zur Verfügung stehende
Konzentration an bindenden Molekülen bestimmt. Haben sich
aufgrund vorangegangener Bindungsereignisse Moleküle oder
größere Partikel aus der Flüssigkeit bereits an die Oberflä
che gebunden, tritt lokal in unmittelbarer Nähe der Oberflä
che (bis 1-10 µm) eine Verarmung (depletion) oder ein Kon
zentrationsgefälle auf, welches die weitere Messung ver
fälscht. Insbesondere wenn kinetische Phänomene gemessen
werden sollen, werden also häufig nicht Reaktionsgeschwin
digkeiten, sondern die Diffusion gemessen. Beim gewöhnlichen
Mischen mit z. B. Rühren liegt in der Nähe der Oberfläche in
der Regel ein laminarer Flüssigkeitsstrom vor und aufgrund
von Newton-Reibung findet an der Sensoroberfläche keine aus
reichende Durchmischung mit übrigem Meßvolumen statt. Bei
Meßvorrichtungen mit Flußkammern kann dieses Problem dadurch
gelöst werden, daß Flüssigkeitsströme mit unterschiedlicher
Geschwindigkeit über die Oberfläche geführt werden und aus
den erhaltenen Daten extrapoliert wird, welche Bindungskine
tiken aufträten, falls ein beliebiger Austausch d. h. optimale
Durchmischung mit der Meßflüssigkeit erfolgen würde.
In der Regel beträgt die Diffusionsgeschwindigkeit im Volu
men weniger als 1 µm/sec. Wenn das Oberflächensignal mit
einer Taktfrequenz von etwa 1 bis 10 Hz gemessen wird, ist
davon auszugehen, daß ein Raum von mehreren µm Höhe über der
Meßoberfläche möglichst gut in eine Flüssigkeitsstromverbin
dung mit dem Rest des Volumens gebracht werden muß, um kor
rekte Meßwerte zu erhalten.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ver
besserte Meßvorrichtungen und Meßverfahren bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.
Bei der Lösung geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus,
einen Flüssigkeitsaustausch bzw. eine Durchmischung der
Flüssigkeit in unmittelbarer Nähe der Oberfläche (d. h. we
nige µm) zu erzeugen.
In einer ersten Ausführungsform wird dazu Schall, insbeson
dere Ultraschall zur Durchmischung in die Flüssigkeit einge
bracht.
Der Schall, insbesondere der Ultraschall, kann dabei auf
verschiedene Arten in die Flüssigkeit eingekoppelt werden.
Als Schallquelle kann ein Schwingquarz oder ein anderes pie
zoelektrisches Element vorgesehen sein. Beispielsweise wer
den die Schall- bzw. Ultraschallwellen vorzugsweise direkt
an die Sensoroberfläche übertragen. Dabei wird eine schall
leitende Verbindung zwischen dem Sensor und der Schallquelle
bereitgestellt. Vorzugsweise wird über ein optisches Ele
ment, wie etwa ein Prisma, oder ein anderes zur Messung ver
wendetes optisches Element in dem Sensor der Schall einge
koppelt. Diese Schwingungen werden über das optische Element
in die Flüssigkeit übertragen und sorgen dort an der Ober
fläche des Sensors für eine lokale Durchmischung. Dabei kann
die Schallquelle direkt an dem Prisma bzw. direkt an der
Sensoroberfläche angeordnet werden.
Vorzugsweise sind die Schwingungen in der Flüssigkeit paral
lel und/oder senkrecht zur Flächennormalen der Sensorfläche
ausgerichtet.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen Rührfinger in
die Flüssigkeit einzubringen, der durch einen Schwingquarz
oder ein anderes piezoelektrisches Element bewegt wird. Auf
beide Arten werden in der Flüssigkeit transversale oder lon
gitudinale Schwingungen induziert (bzw. eine Kombination
daraus), die für eine Durchmischung der Flüssigkeit auch un
mittelbar an der Sensoroberfläche sorgen. Vorzugsweise wird
das System von kleinen Flüssigkeitswellen durchlaufen, die
für die Durchmischung der Flüssigkeit sorgen.
Bei der zweiten beschriebenen Möglichkeit wird bevorzugt die
Pipettenspitze, die zum Pipettieren verwendet wird, zum
Übertragen der Schallwellen eingesetzt.
Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß mechanooptische und
akustooptische Effekte auftreten können, welche die Durchmi
schung und die Messung beeinflussen. Schall ist beispiels
weise geeignet, Oberflächenplasmonen zu modifizieren. Des
halb wird bevorzugt, das Rühren mit Schall bzw. Ultraschall
nur abwechselnd mit der optischen Messung durchzuführen. Da
bei wird beispielsweise alle 0,1 sec folgende Meßfolge
durchgeführt: Ultraschallsignal auf die Meßflüssigkeit ein
wirken lassen, dieses beenden und anschließend nach einer
Pause eine optische Messung durchführen. Danach findet eine
erneute Beschallung mit Ultraschall statt. Beispielsweise
kann der Zeitverlauf der Messungen folgendermaßen sein: ca.
12 msec für die Aufnahme der Messung, ca. 10 bis 20 msec
Einbringen von Ultraschall und eine Pause von bis zu 100
msec. Aus der Summe von Mischzeit, Pause und Meßzeit ergibt
sich dadurch eine Meßfrequenz von beispielsweise 10 Hz.
Bei der Wahl der geeigneten Frequenz und Intensität des an
gewandten Ultraschalls sind verschiedene Faktoren zu berück
sichtigen. Einerseits ist eine hohe Intensität für eine gute
Durchmischung erforderlich, andererseits werden bei zu hohen
Intensitäten Mikrokavitäten im Wasser gebildet, in denen zum
einen Radikale gebildet werden können und die zum anderen
auch Polymerketten mechanisch zerreißen können. Je höher die
Frequenz des Schalls ist, desto kleiner die Mikrokavitäten
und desto stärker die Bildung von Radikalen. Sowohl die Ra
dikale als auch die Mikrokavitäten stellen eine Gefahr für
die Polymerketten des erfindungsgemäßen Sensors als auch für
die biologischen Moleküle dar. Bevorzugt ist deshalb ein
Frequenzbereich von 1 bis 300 kHz, vorzugsweise 30 kHz. Bei
dieser Frequenz haben die Mikrokavitäten einen Durchmesser
von ca. 170 µm, was mit einem einfachen optischen Mikroskop
gut zu beobachten ist. Sobald Mikrokavitäten sichtbar sind,
ist die eingestellte Intensität zu hoch. Die eingekoppelten
Leistungen liegen im Bereich von 0,1 bis 10 W, vorzugsweise
0,5 bis 5 W, am meisten bevorzugt 1 bis 2 W.
Zusätzlich zu der Durchmischung mittels Ultraschall kann
gleichzeitig eine makroskopische Vermischung dafür sorgen,
daß Flüssigkeit aus dem Gesamtvolumen in die Verarmungszone
an der Sensoroberfläche transportiert wird. Bevorzugt ist
dabei eine Kombination zweier Verfahren. Dabei gibt es meh
rere Möglichkeiten. Ein herkömmliches Mikro- oder Makrofluß
system kann mit einer Schall- bzw. Ultraschalldurchmischung
kombiniert werden. Ferner ist es möglich, ein klassisches
Rühren mit einer schallinduzierten Durchmischung zu kombi
nieren. Ferner kann eine Durchmischung durch Ansaugen und
Ausstoßen von Flüssigkeit mittels einer Spitze mit einer Ul
traschalldurchmischung kombiniert werden.
Wie bereits erwähnt, wird in einer Ausführungsform zum
Durchmischen ein Rührfinger verwendet. Dieser kann in seiner
Spitze durch eine handelsübliche Wegwerfspitze aus Kunst
stoff gebildet werden. Diese Spitze kann verwendet werden,
um:
- 1. Flüssigkeit in die Flüssigkeitsmeßzelle zu transportie ren,
- 2. die Flüssigkeit durch Aufsaugen und Ausstoßen von Flüs sigkeit zu vermischen und
- 3. durch eine mit Piezoelementen verursachte Zitterbewegung eine Durchmischung im Mikrometerbereich zu erzeugen.
Ein und dieselbe Spitze dient dabei also als Transportgefäß,
als Rührfinger, wie auch zum Ansaugen und Ausstoßen von
Flüssigkeit. Die Spitze kann in der x-y-Ebene und/oder in
der z-Richtung bewegt werden.
Eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform verwendet aku
stische Oberflächenwellen (SAW) zum Durchmischen. Akustische
Oberflächenwellen können bei piezoelektrischen Materialien
durch Anlegen von Wechselspannungen über z. B. kammartig aus
geformte, ineinandergreifende Elektroden erzeugt werden. Die
akustischen Oberflächenwellen führen zu einer Auslenkung der
Oberfläche in der Ebene der Oberfläche, wodurch eine Bewe
gung relativ zu der darüber befindlichen Flüssigkeit erzeugt
wird und dadurch eine oberflächennahe Mischung erfolgt.
Die Erfindung wird nachstehend mit bezug auf die Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der
die Schallwellen über ein Piezoelement oder einen
Aktor auf das Substrat übertragen werden;
Fig. 2 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform, bei
der zum Durchmischen ein Rührfinger verwendet wird;
und
Fig. 3 eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform, bei
der akustische Oberflächenwellen zum Durchmischen
verwendet werden.
Die Meßvorrichtung nach Fig. 1 weist ein Substrat 1 mit
einer Sensoroberfläche 2 auf. Diese Sensoroberfläche ist be
vorzugt eine Goldoberfläche. Die Sensoroberfläche 2 ist so
angeordnet, daß sie sich zwischen dem Substrat 1 und einer
Küvette 3 befindet. Diese Küvette 3 ist mit der zu durchmi
schenden Flüssigkeit gefüllt. Ferner sind in Fig. 1 zwei
Mischeinrichtungen 4 gezeigt, die gemäß der in Fig. 1 ge
zeigten Ausführungsform für eine horizontale und vertikale
Durchmischung sorgen. Zwischen den entsprechenden Mischein
richtungen und dem Substrat können noch entsprechende mecha
nische Koppelelemente 5 vorgesehen sein. Fig. 1 zeigt diese
jedoch nur als bevorzugten Bestandteil der erfindungsgemäßen
Meßvorrichtung.
Auch die Meßvorrichtung der zweiten Ausführungsform (siehe
Fig. 2) enthält eine auf einem Substrat 11 angeordnete Sen
soroberfläche 12, die wiederum bevorzugt eine Goldoberfläche
ist. In die mit Flüssigkeit gefüllte Küvette 13 ist ein
Rührfinger eingetaucht. Dieser Rührfinger nach Fig. 2 ist
eine Pipettenspitze 18, die mit einer (nicht gezeigten)
Pumpe verbunden ist, über die Flüssigkeit in die Flüssig
keitsmeßzelle bzw. die Küvette eingebracht werden kann.
Durch Bezugszeichen 14 ist eine Mischeinrichtung gekenn
zeichnet, die beispielsweise ein Piezoelement oder ein ande
rer Aktor sein kann. Als zweite Mischeinrichtung 16 kann ne
ben einem Piezoelement oder einem Aktor auch ein Lautspre
cher vorgesehen sein. Auch Fig. 2 zeigt wieder mechanische
Koppelelemente 15 und 17, die jedoch nur bevorzugt vorhanden
sind und eventuell entfallen können.
Fig. 3 zeigt die dritte erfindungsgemäße Ausführungsform mit
einem piezoelektrischen Substrat 21 und der darauf befindli
chen Sensoroberfläche (bevorzugt Goldoberfläche) 22. Gemäß
der Ausführungsform nach Fig. 3 sind kammartige Elektroden
24 vorgesehen, über die durch Anlegen von Wechselspannungen
akustische Oberflächenwellen erzeugt werden. Diese akusti
schen Oberflächenwellen rufen eine Bewegung relativ zu der
sich in der Küvette befindlichen Flüssigkeit hervor, wodurch
eine oberflächennahe Mischung der Flüssigkeit erfolgt.
1
Substrat
2
Sensoroberfläche (Goldoberfläche)
3
Küvette mit Flüssigkeit gefüllt
4
Piezo oder Aktor
5
mechanisches Koppelelement (kann evtl. entfallen)
11
Substrat
12
Sensoroberfläche (Goldoberfläche)
13
Küvette mit Flüssigkeit gefüllt
14
Piezo oder Aktor
15
mechanisches Koppelelement (kann evtl. entfallen)
16
Piezo, Aktor oder Lautsprecher
17
mechanisches Koppelelement (kann evtl. entfallen)
18
Pipettenspitze mit Pumpe versehen (Pumpe nicht
eingezeichnet)
21
piezoelektrisches Substrat
22
Sensoroberfläche (Goldoberfläche)
23
Küvette mit Flüssigkeit gefüllt
24
Elektroden
Claims (25)
1. Sensorvorrichtung, die Oberflächenbindungsreaktionen an
einer Sensoroberfläche als sensorische Reaktionen ver
wendet, mit einer Einrichtung (4, 18, 24) zum grenzflä
chennahen Mischen einer zu untersuchenden Flüssigkeit.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mischeinrichtung
eine Schalleinrichtung (4, 18) zum Einbringen von
Schallwellen aufweist, die die Flüssigkeit im grenzflä
chennahen Bereich der Sensoroberfläche (2, 12) durch
mischt
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Schalleinrichtung
eine Ultraschalleinrichtung ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Schallein
richtung derart mit der Sensoroberfläche gekoppelt ist,
daß Schallwellen parallel und/oder senkrecht zur Flä
chennormalen der Sensoroberfläche in die Flüssigkeit
eingebracht werden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei die Schall
wellen über ein optisches Element eines Sensors, vor
zugsweise eines Oberflächenplasmonenresonanzsensors ein
gebracht werden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das optische Element
ein Prisma ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei die Schall
wellen über eine Spitze (18) eingebracht werden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Spitze ein Pipet
tenspitze ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei die Schall
wellen über einen Lautsprecher (16) eingebracht werden.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die
Einrichtung in der Nähe der Sensoroberfläche (2, 12) an
geordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die
Schalleinrichtung ein Schwingquarz ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die
Schalleinrichtung ein piezoelektrisches Element ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei die
Frequenz des Schalls in einem Bereich von 1 bis 300 kHz
liegt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Frequenz des
Schalls 30 kHz beträgt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, wobei die
von der Schalleinrichtung eingebrachten Leistungen im
Bereich von 0,1 bis 10 W liegen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mischeinrichtung
eine Einrichtung (24) zum Erzeugen akustischer Oberflä
chenwellen aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Einrichtung
kammartig ineinandergreifende Elektroden aufweist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Einrichtung in
der Nähe der Sensoroberfläche (22) angeordnet ist.
19. Meßverfahren in einem Sensorsystem, das Oberflächenbin
dungsreaktionen als sensorische Reaktionen verwendet,
mit den folgenden Schritten:
- (a) Durchmischen der zu untersuchenden Flüssigkeit;
- (b) Durchführen der Messung;
wobei zwischen den Schritten (a) und (b) eine vorbe stimmte Pause liegt.
20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei in Schritt (a) das
Durchmischen mittels Schall oder Ultraschall erfolgt.
21. Verfahren nach Anspruch 19, wobei in Schritt (a) das
Durchmischen mittels akustischen Oberflächenwellen er
folgt.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei in
Schritt (a) die Durchmischung zusätzlich durch Rühren
erfolgt.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei in
Schritt (a) das Durchmischen zusätzlich durch Ansaugen
und Ausstoßen von Flüssigkeit mittels einer Spitze er
folgt.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei in
Schritt (a) das Durchmischen mit einem Mikro- oder Ma
kroflußsystem kombiniert ist.
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