DE4301005A1 - Identifying molecules, esp. biopolymers, by fluorescent correlation spectroscopy - Google Patents

Identifying molecules, esp. biopolymers, by fluorescent correlation spectroscopy

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Abstract

Identifying one or a few molecules, esp. at a dilution of 10nM or less, uses laser-induced fluorescence correlation spectroscopy (FCS) with measurement time not over 500 ms and with short diffusion paths for the molecules (I) being analysed. Measurements, in small unit vols. (pref. not over 10 femtol), are made of substance-specific parameters determined by luminescence measurements on (I).Also claimed is an appts. for the above process.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Identifizierung von einem oder wenigen Molekülen, insbesondere in einer Verdünnung von 10 nM unter Ver­ wendung der laserangeregten Fluoreszenzkorrelations­ spektroskopie, die Verwendung des Verfahrens für be­ stimmte Anwendungen, sowie eine Vorrichtung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The present invention relates to a method to identify one or a few molecules, especially in a dilution of 10 nM with Ver application of laser-excited fluorescence correlation spectroscopy, the use of the method for be agreed applications, as well as a device for through implementation of the method according to the invention.

Die Analytik von biologisch aktiven Molekülen wurde in den letzten Jahren bezüglich Spezifität und Sensitivität ständig verbessert und durch grundsätzlich neue Techniken ergänzt. In diesem Zusammenhang sei auf Klonierungsmetho­ den oder die Methoden der enzymatischen Amplifikation genetischen Materials verwiesen, um einzelne Zellen oder Moleküle zahlenmäßig so zu verstärken, daß sie einer kon­ ventionellen Analyse zugänglich werden. Es ist aber in vielen Fällen vorteilhafter, wenn die Sensitivität eines Analysenverfahrens hinreichend wäre, um einzelne Moleküle oder Ensembles mit wenigen Molekülen direkt qualitativ und quantitativ zu erfassen. Die Elektronenmikroskopie ist beispielsweise ein Verfahren, mit dem einzelne Mole­ küle erfaßt werden können. So wird versucht, mit der Tunnelelektronenmikroskopie einzelne DNA-Moleküle zu sequenzieren. Dies ist jedoch sehr aufwendig. The analysis of biologically active molecules has been described in the last few years in terms of specificity and sensitivity constantly improved and through fundamentally new techniques added. In this context, the cloning method the method or methods of enzymatic amplification genetic material referenced to single cells or To increase the number of molecules so that they are a con conventional analysis. But it is in in many cases more advantageous if the sensitivity of a Analytical method would be sufficient to single molecules or ensembles with a few molecules directly qualitatively and quantitatively. Electron microscopy is for example a procedure with which single moles cooler can be detected. So it is tried with the Tunnel electron microscopy to individual DNA molecules sequence. However, this is very complex.  

Über die reine Analytik einzelner Moleküle hinaus sind für viele Bereiche Aussagen über Zustandsparameter der Moleküle wichtig wie deren Konformation und Wechsel­ wirkung mit molekularen Strukturen.Beyond the pure analysis of individual molecules statements about the state parameters of the Molecules as important as their conformation and change effect with molecular structures.

Moderne Methoden der evolutiven Biotechnologie befassen sich mit hochkomplexen Kollektiven von Molekülen. Es gilt dabei, Moleküle mit spezifischen Wechselwirkungseigen­ schaften gegenüber Zielstrukturen zu identifizieren, das heißt, eine bestimmte Fitness bezüglich einer erwünschten Funktion zu messen. Eine solche Fitness kann sich auf thermodynamische Parameter wie Bindungskonstanten bzw. Geschwindigkeitskonstanten zurückführen lassen. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht somit unter anderem darin, ein Verfahren anzugeben, daß es erlaubt, über die reine Detektion einzelner Moleküle hinaus, Informationen über ihre spezifischen Wechselwirkung mit anderen Molekülen zu erhalten.Deal with modern methods of evolutionary biotechnology deal with highly complex collectives of molecules. It applies doing molecules with specific interaction properties to identify target structures, the means a certain fitness regarding a desired one Measure function. Such fitness can affect thermodynamic parameters such as binding constants or Have the speed constants reduced. The the The object underlying the invention is therefore under other in specifying a procedure that allows beyond the pure detection of individual molecules, Information about their specific interaction with to get other molecules.

Für eine Anzahl wichtiger Problemstellungen ist es weni­ ger entscheidend, die Sensitivität einer Methode aufgrund einer limitierten Verfügbarkeit des zu analysierenden Moleküls zu steigern, als vielmehr die Tatsache, daß es eine sehr große Zahl von Proben gibt, die mehr oder weni­ ger zeitgleich analysiert werden müssen. Wenn innerhalb eines Zeitraumes von Stunden z. B. 106 Analysen durchzu­ führen sind, ist es offensichtlich, daß nur ein Analyse­ verfahren infragekommen kann, dessen Proben in einem Zeitintervall von ca. 1 ms bis maximal 1 s vermessen und ausgewertet werden.It is not enough for a number of important problems crucial, the sensitivity of a method a limited availability of the to be analyzed Increase molecule, rather the fact that it a very large number of samples out there, more or less must be analyzed at the same time. If inside a period of hours e.g. B. 106 analyzes lead, it is obvious that only an analysis can come into question, the samples in one Measure the time interval from approx. 1 ms to a maximum of 1 s and be evaluated.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einer Lumineszenzdetektion und nutzt eine Methode, die als FluoreszenzKorrelations-Spektroskopie (FCS) an sich be­ kannt ist. Chromophore Molekülstrukturen mit Fluoreszenz­ eigenschaften lassen sich nutzen, um Aussagen über die molekulare Umgebung eines chromophoren Liganden zu er­ halten. Es lassen sich Rotationsdiffusion und Trans­ lationsdiffusion eines Luminophors messen, sowie ver­ schiedene Wege der Energieübertragung auf wechselwirkende Moleküle, chemische Kinetik und die Lebensdauer ange­ regter Zustände.The method according to the invention is based on a Luminescence detection and uses a method called Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) per se is known. Chromophore molecular structures with fluorescence  properties can be used to make statements about the molecular environment of a chromophoric ligand hold. Rotation diffusion and trans measure the diffusion of a luminophore, and ver different ways of transferring energy to interacting Molecules, chemical kinetics and lifespan excited states.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet auf der Basis an sich bekannter physikalisch chemischer Phänomene neue Problemlösungen, um an einzelnen oder wenigen Molekülen unter Ausnutzung spektroskopischer Meßparameter Aussagen über die Natur der Moleküle zu erhalten, sowie Aussagen über ihre Fitness bezüglich einer bestimmten Wechsel­ wirkungsfunktion oder über den Besetzungsgrad verschie­ dener molekular definierter Zustände eines Luminophors.The method according to the invention offers on the basis familiar physical and chemical phenomena new Solutions to problems with single or a few molecules using spectroscopic measurement parameters statements to get about the nature of the molecules, as well as statements about their fitness for a particular change effect function or different about the degree of occupation whose molecularly defined states of a luminophore.

Das Verfahren der Korrelationsfluoreszenz-Spektroskopie, wie es von den Gruppen D. Magde (Elson, E.L. & Magde, D. (1974) Fluorescence correlation spectroscopy. Con­ ceptional basis and theory. Biopolymers 13, 1-27) und R. Rigler (Ehrenberg, M & Rigler, R. (1974) Rotational Brownian motion and fluorescence intensity fluctuations. Chem. Phys. 4, 390-401) seit fast zwanzig Jahren ver­ folgt wurde, konnte technisch bislang nicht ohne weiteres in ein praktikables Analyseverfahren umgesetzt werden. Es war nicht möglich, den oben genannten Anforderungen bzgl. Meßzeiten und der Problematik der Licht-induzierten Ausbleichung (Photobleaching) der Farbstoffe gerecht zu werden. Rigler et al. konnten Rotationszeiten von Mole­ külen bestimmen. Magde et al. konnten einige chemische Reaktionskonstanten über Fluktuationszeiten bestimmen.The method of correlation fluorescence spectroscopy, as described by the groups D. Magde (Elson, E.L. & Magde, D. (1974) Fluorescence correlation spectroscopy. Con ceptional basis and theory. Biopolymers 13, 1-27) and R. Rigler (Ehrenberg, M & Rigler, R. (1974) Rotational Brownian motion and fluorescence intensity fluctuations. Chem. Phys. 4, 390-401) for almost twenty years was not technically possible be implemented in a practicable analysis procedure. It was not possible to meet the above requirements regarding measurement times and the problem of light-induced Bleaching (photobleaching) of the dyes fairly become. Rigler et al. could rotation times of moles determine cool. Magde et al. could do some chemical Determine reaction constants via fluctuation times.

Das Meßprinzip der CFS beruht darin, daß fluorophore Moleküle in äußerst verdünnten Lösungen gemessen werden ( 10 nM), indem ein relativ kleines Volumenelement der Lösung einem starken Anregungslicht eines Laser ausgesetzt wird. Nur die Moleküle entsprechenden An­ regungsspektrums, die sich in eben diesem Volumen auf­ halten, werden durch das Licht angeregt. Die emittierte Fluoreszenz aus diesem Volumenelement kann dann auf einen Photomultiplier hoher Sensitivität abgebildet werden. Handelt es sich um verdünnte Lösungen, so ergeben sich nennenswerte Schwankungen der Konzentration der sich in dem jeweiligen Volumenelement befindlichen Moleküle. Bei sehr verdünnten Lösungen ergibt sich eine Poisson-Ver­ teilung der Zahl der gleichzeitig in dem Volumenelement vorhandenen Moleküle pro Zeitintervall. Ein Molekül, daß einmal in das Volumenelement eindiffundiert ist, wird sich gemäß seiner Diffusionsgeschwindigkeit der Trans­ lation in einer durchschnittlichen, aber für das be­ treffende Molekül charakteristischen Zeit wieder aus dem Volumenelement entfernen und somit nicht mehr zu beob­ achten sein. Wenn nun ein und dasselbe Molekül während seiner durchschnittlichen Aufenthaltsdauer in dem ent­ sprechenden Beobachtungselement viele Male optisch an­ geregt werden kann, lassen sich von diesem Molekül viele Fluoreszenzsignale erfassen. Mit anderen Worten, die Wahrscheinlichkeit, daß ein einmal eindiffundiertes Molekül vor seinem Wiederaustritt aus dem Volumenelement nochmals angeregt werden kann, ist bei verdünnten Lösun­ gen viel größer, als das Signal, das von einem neuein­ tretenden Molekül ausgesandt werden kann. Somit läßt sich eine Korrelation der zeitlichen Veränderung der auf­ laufenden Emissionssignale mit den relativen Diffusions­ zeiten der beteiligten Molekülspezies erstellen. Wird die Drehung der Polarisationsebene von Anregungslicht und emittiertem Licht als ein weiterer Parameter gemessen, so läßt sich auch der Rotationsdiffusionskoeffizient der be­ teiligten Moleküle bestimmen, aus denen Aufschlüsse über Molekulargewicht, Formparameter oder die umgebende Matrix gewonnen werden können.The principle of measurement of CFS is that fluorophores Molecules can be measured in extremely dilute solutions  (10 nM) by adding a relatively small volume element to the Solution of a strong excitation light from a laser is exposed. Only the molecules corresponding to An excitation spectrum, which is in this volume hold are stimulated by the light. The emitted Fluorescence from this volume element can then affect one Photomultiplier with high sensitivity. If the solutions are dilute, they result significant fluctuations in the concentration of the the respective volume element. At a very dilute solution gives a Poisson ver division of the number of simultaneously in the volume element existing molecules per time interval. A molecule that diffused into the volume element once the trans lation in an average, but for the be matching molecule characteristic time again from the Remove volume element and therefore no longer to be observed be careful. If now one and the same molecule during his average length of stay in the ent speaking observation element optically many times can be excited, many of this molecule Detect fluorescence signals. In other words, the Probability that once diffused Molecule before it leaves the volume element can be stimulated again is with dilute solution much larger than the signal from a new one emerging molecule can be sent. So you can a correlation of the change over time current emission signals with the relative diffusions create times of the molecular species involved. Will the Rotation of the plane of polarization of excitation light and emitted light measured as another parameter, so the rotational diffusion coefficient of the be Determine involved molecules, from which information about  Molecular weight, shape parameters or the surrounding matrix can be won.

Es wird ersichtlich, daß es theoretisch möglich ist, Einzelmoleküle in verdünnten Lösungen dadurch zu er­ fassen, daß ein und dasselbe Molekül mehrtausendfach an­ geregt wird und das entsprechende Fluoreszenzlicht in vielen Einzelmessungen akkumuliert wird.It becomes apparent that it is theoretically possible Thereby single molecules in dilute solutions touch the same molecule several thousand times is excited and the corresponding fluorescent light in many individual measurements is accumulated.

Der Umsetzung dieses Meßprinzips in die Praxis standen viele technische Schwierigkeiten entgegen. Das Beobachtungselement war trotz des Einsatzes moderner Lasertechnologie so groß, daß sich biologisch interessan­ te Biomoleküle mit niedrigen Translationsdiffusion­ koeffizienten in einer Größenordnung von etwa 50 ms im Beobachtungselement aufhielten. Diese Zeit ist erheblich zu lange, denn sie bedingt ein starkes Ausbleichen der jeweils eingesetzten Farbstoffliganden. Häufige Licht­ anregung erhöht die chemische Reaktivität der chromo­ phoren Struktur mit Molekülen der Umgebung, insbesondere mit Sauerstoff, wodurch die Fluoreszenzaktivität ver­ ändert oder gelöscht wird. Natürlich führt diese Aus­ bleichung (Photobleaching) direkt zu falschen Meßdaten, da ein Verlust der Fluoreszenz den Austritt des Moleküls aus dem Meßelement vortäuscht und eine Unterscheidung durch Standardisierung der Meßmethode kaum möglich ist oder sich nur durch unverhältnismäßig großen Aufwand erzielen läßt.The implementation of this measurement principle in practice many technical difficulties. The Despite the use, the observation element was more modern Laser technology so large that it is biologically interesting biomolecules with low translation diffusion coefficients on the order of about 50 ms in Observation element stopped. This time is significant too long, because it causes a strong fading of the dye ligands used in each case. Frequent light excitation increases the chemical reactivity of the chromo phoren structure with surrounding molecules, in particular with oxygen, whereby the fluorescence activity ver is changed or deleted. Of course, this leads from bleaching (photobleaching) directly to incorrect measurement data, there is a loss of fluorescence the exit of the molecule feigned from the measuring element and a distinction is hardly possible by standardizing the measurement method or only through disproportionate effort can be achieved.

Somit war der breiten praktischen Umsetzung des Meß­ prinzips in ein allgemeinanwendbares Verfahren bislang enge Grenzen gesetzt, die durch das erfindungsgemäße Verfahren jedoch überwunden werden. Thus was the broad practical implementation of the measurement principles in a generally applicable process so far set narrow limits by the inventive However, procedures are overcome.  

Der entscheidende Durchbruch auf dem Weg zu einem Routineverfahren für die oben definierten Aufgaben­ stellungen der CFS wird erfindungsgemäß durch die Ein­ führung ultrakleiner Meßvolumina (10-14-10-17 l) bei Probengesamtvolumina im µl-Bereich erreicht, deren Realisierung den gleichzeitigen erfindungsgemäßen Einsatz bestimmter Elemente der Anregungsoptik, der Einzel­ photonenregistrierung und der Probenhandhabung voraus­ setzt. Das Meßvolumen der in den experimentellen An­ ordnungen beschriebenen Vorrichtung ist mit 2 × 10-16l ca. 1000fach kleiner als die in der Literatur beschrie­ benen Meßvolumina. Die ausgeleuchtete Fläche hat somit in etwa die Dimension von 0,1 µm2. Legt man die Annahme zugrunde, daß die CFS besonders korrekte Daten für eine Konzentration chromophorer Moleküle von 0,1-10 Moleküle pro Volumenmeßelement liefert, so ist die Arbeitskonzen­ tration ca. 10-7-10-9 M. Technisch wurden Messungen mit maximaler Detektionseffizienz und Hintergrunddiskrimi­ nierung durch Verwendung einer konfokalen Optik hoher Apertur in Kombination mit Einzelphotonendetektion mög­ lich.The decisive breakthrough on the way to a routine procedure for the CFS tasks defined above is achieved according to the invention by introducing ultra-small measurement volumes (10 -14 -10 -17 l) in the case of total sample volumes in the µl range, the implementation of which determines the simultaneous use according to the invention of certain Elements of excitation optics, single photon registration and sample handling are required. The measurement volume of the device described in the experimental arrangements is 2 × 10 -16 l about 1000 times smaller than the measurement volumes described in the literature. The illuminated area is therefore approximately 0.1 µm 2 . If one assumes that the CFS provides particularly correct data for a concentration of chromophoric molecules of 0.1-10 molecules per volume measuring element, the working concentration is approx. 10 -7 -10 -9 M. Measurements were made with maximum detection efficiency and background discrimination by using confocal optics with high aperture in combination with single photon detection.

Bindungskonstanten können dann über die Translations­ diffusion bestimmt werden, wenn die Reaktionszeit langsam gegenüber der Diffusionszeit ist, das heißt ein zu be­ obachtender Ligand während seines Eintrittes in das Meß­ kompartiment und seinem Austritt nicht seine molekulare Struktur verändert. Ansonsten wird nur eine Korrelation gemessen, die den gemischten Zustand beschreibt. Hier wird wiederum die Bedeutung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens mit sehr kleinen Meßvolumina deutlich, da die Verweilzeit eines Moleküls ca. 1000fach kleiner ist als in den bisherigen Kompartimenten und somit die üblichen Dimensionen für Gleichgewichtskonstanten und Geschwindig­ keitskonstanten spezifischer, biologischer Erkennungs­ reaktionen, z. B. Ligand/Rezeptor-Wechselwirkung, für eine Messung erschließt.Binding constants can then be translated diffusion can be determined if the response time is slow compared to the diffusion time, that is to say careful ligand while entering the mess compartment and its exit is not its molecular Structure changed. Otherwise there is only a correlation measured, which describes the mixed state. Here again the importance of the Ver driving with very small measuring volumes clearly, since the Residence time of a molecule is approx. 1000 times smaller than in the previous compartments and thus the usual ones Dimensions for equilibrium constants and speed constants of specific, biological recognition  reactions, e.g. B. ligand / receptor interaction, for opens up a measurement.

Bei niedrigeren Konzentrationen müssen entsprechend mehr Volumenelemente einer Meßung unterzogen werden. Da die durchschnittliche Meßdauer für eine Messung je nach er­ forderlicher Qualität der Meßdaten (Signal/Rauschverhält­ nis) zwischen 10 und 100 ms beträgt, lassen sich in 1000 s 10 000 bis 100 000 Volumenelemente überprüfen. Somit lassen sich extrem niedrige Konzentrationen von 10-14 bis 10-15 M vermessen. Das bedeutet auch, daß sich spezi­ fische biologische Wechselwirkungen mit Bindungskonstan­ ten Kass 106 mol/l bis zu Kass = 10-15 mol/l messen lassen.At lower concentrations, correspondingly more volume elements have to be subjected to a measurement. Since the average measurement time for a measurement is between 10 and 100 ms, depending on the required quality of the measurement data (signal / noise ratio), 10,000 to 100,000 volume elements can be checked in 1000 s. This means that extremely low concentrations of 10 -14 to 10 -15 M can be measured. This also means that specific biological interactions with binding constants K ass 10 6 mol / l up to K ass = 10 -15 mol / l can be measured.

In einem Beispiel wird dargestellt, wie sich Bindungs­ konstanten oder Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten mit der erfindungsgemäßen Technik bestimmen lassen. Die er­ findungsgemäße Messung eines Bindungsgleichgewichtes zwischen Reaktanden wird gemessen, indem mindestens ein Reaktand mit mindestens einem Farbstoffmolekül vorzugs­ weise chemisch gekoppelt ist, und sich die Rotations­ diffusionsgeschwindigkeit und/oder die Translations­ diffusionsgeschwindigkeit des Reaktanden durch die Komplexbindung ändert. Wenn sich Gleichgewichtskonstanten experimentell nicht direkt mit der Bedingung hochver­ dünnter Lösungen in Übereinstimmung bringen lassen, das heißt, wenn niedrige Bindungskonstanten höhere Kon­ zentrationen an Reaktanden erfordern, läßt sich dies entweder z. B. dadurch erreichen, daß der nicht-markierte Reaktionspartner im Überschuß angeboten wird, oder indem die markierte Verbindung einem Überschuß an unmarkiertem Reaktanden zugesetzt wird.An example shows how binding constant or reaction rate constants with of the technique according to the invention. Which he measurement of a binding balance according to the invention between reactants is measured by at least one Preferred reactant with at least one dye molecule is chemically coupled, and the rotation diffusion speed and / or the translations diffusion rate of the reactants through the Complex binding changes. If there are equilibrium constants experimentally not directly with the condition high ver to bring thinner solutions into line that means if low binding constants higher con require concentrations of reactants, this can be done either z. B. achieve that the unmarked Reaction partner is offered in excess, or by the labeled compound an excess of unlabelled Reactants is added.

Die Messung einer Reaktionskinetik über molekulare Fluktuation mit CFS, wie sie von Magne beschrieben worden ist, ließ sich wegen der langen Diffusionswege in den bisher realisierten Meßkompartimenten nicht befriedigend lösen. Mit der erfindungsgemäßen Meßtechnik ist die Be­ stimmung der Dissoziationsgeschwindigkeitskonstanten eines Komplexes in einem Bereich von 10-6 s-1 bis zu etwa 103 s-1 möglich, ein Bereich, der für biochemische Reaktionen relevant ist. Die Messung kann z. B. durch den Austausch von fluoreszenzmarkierten Tracermolekülen be­ stimmt werden.The measurement of a reaction kinetics via molecular fluctuation with CFS, as described by Magne, could not be solved satisfactorily because of the long diffusion paths in the measuring compartments realized so far. With the measurement technique according to the invention, the determination of the dissociation rate constants of a complex is possible in a range from 10 -6 s -1 to about 10 3 s -1 , a range which is relevant for biochemical reactions. The measurement can e.g. B. be determined by the exchange of fluorescence-labeled tracer molecules.

Die erfindungsgemäße Technik erlaubt auch die Messung von Konformationsänderungen biologischer Makromoleküle, die Bestimmung thermodynamischer und kinetischer Konstanten. Fluktuationen der Struktur lassen sich z. B. über die Messung der Rotationsdiffusion oder über Signaländerungen durch sog. energy-transfer (Förster Transfer) erfassen.The technique according to the invention also allows the measurement of Conformational changes of biological macromolecules that Determination of thermodynamic and kinetic constants. Fluctuations in the structure can e.g. B. about the Measurement of rotational diffusion or via signal changes by so-called energy transfer (forester transfer).

Die Methode ist auch für die DNA/RNA Analytik anwendbar. In der genetischen Analytik, insbesondere zur Bestimmung von infektiösen Erregern ist die Sensitivität des diagnostischen Verfahrens oft von ausschlaggebender Be­ deutung. Dies wurde gerade in den letzten Jahren in Zu­ sammenhang mit der Einführung enzymatischer Methoden zur Amplifikation genetischer Zielsequenzen deutlich. Durch den Einsatz dieses Verfahrens ist zu erwarten, daß für eine Reihe diagnostischer Verfahren auf die Notwendigkeit einer vorhergehenden enzymatischen Amplifikation ver­ zichtet werden kann, wodurch z. B. Probleme der Konta­ mination durch stark verstärkte Einzelsequenzen umgangen werden könnten.The method can also be used for DNA / RNA analysis. In genetic analysis, especially for determination of infectious agents is the sensitivity of the diagnostic procedure often crucial interpretation. This has just been in Zu in recent years in connection with the introduction of enzymatic methods for Amplification of genetic target sequences clearly. By the use of this method is to be expected for a number of diagnostic procedures on the need a previous enzymatic amplification ver can be waived, whereby z. B. Problems of contact bypassed by heavily amplified single sequences could become.

Das Verfahren kann auch anstelle der bekannten diag­ nostischen Verfahren des RIA, ELISA oder anderer Ver­ fahren eingesetzt werden. Ein besonderer Vorteil des er­ findungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß das System selbstkalibrierend ist. Auf Bestimmungen von Eich­ kurven oder interne Standardisierung kann verzichtet werden. Jedes Experiment bezieht seine innere Kali­ brierung auf der Gesamtzahlbestimmung der betrachteten Moleküle. Beispielsweise haben Schwankungen der Laser­ intensität keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit. Eine Driftproblematik bei zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen tritt nicht in Erscheinung. Messungen sind ohne erneute Kalibrierung zu verschiedenen Zeiten mit gleichem Resultat wiederholbar. Eine Gerätekalibrierung entfällt.The method can also be used instead of the known diag nostic procedures of the RIA, ELISA or other ver driving can be used. A particular advantage of the inventive method can be seen in that the  System is self-calibrating. On provisions of Eich curves or internal standardization can be omitted become. Every experiment draws its inner potash bration on the total number determination of the considered Molecules. For example, fluctuations in the lasers intensity has no influence on the measuring accuracy. A Drift problem with successive ones Measurements do not appear. Measurements are without recalibration at different times same result repeatable. A device calibration not applicable.

Geladene Moleküle (Kationen und Anionen) lassen sich spezifisch innerhalb des Meßkompartimentes des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens durch Einsatz einer "elektrischen Falle" analysieren. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß ein molekularer Fluß durch das Meßkompartiment induziert wird, wobei mit oder ohne Überlagerung durch einen mechanisch induzierten Fluß ein elektrisches Feld für eine Konzentrierung bestimmter ionischer Moleküle im Beobachtungskompartiment sorgt, bzw. ein einzelnes Molekül gerichtet in das Kompartiment transportiert wird. Dies kann sowohl durch ein gleichgerichtetes Feld z. B. zwischen den Austrittsenden zweier Kapillaren mit einer Feldstärke von 1 µm erreicht werden. Es gelingt erfin­ dungsgemäß auch, ein oder mehrere eingefangene Moleküle im Beobachtungskompartiment in einem elektrischen Wechselfeld oszillieren zu lassen, sobald es in dieses Volumenelement eingetreten ist.Charged molecules (cations and anions) can be specifically within the measuring compartment of the inventor inventive method by using an "electrical Analyze trap ". This can be done, for example, by a molecular flow induced by the measuring compartment is, with or without overlay by a mechanically induced flow an electric field for a concentration of certain ionic molecules in the Observation compartment, or a single one Molecule directed into the compartment is transported. This can be done by a rectified field z. B. between the outlet ends of two capillaries with one Field strength of 1 µm can be achieved. It succeeds according to the invention, one or more captured molecules in the observation compartment in an electrical Alternating field to oscillate as soon as it enters this Volume element has occurred.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist technisch mit einer qualitativ hochwertigen Mikroskopoptik bezüglich der Bildqualität des Fokus realisierbar. Insbesondere das Linsensystem vor dem Austritt des Anregungslichtes muß chromatisch und sphärisch korrigiert sein. Bevorzugt eingesetzt wird das System Neofluar der Firma Zeiss, Oberkochen, Deutschland, mit hoher Apertur 1,2 N.A für den Einsatz mit und ohne Deckglas oder Trennfolie. Der Arbeitsabstand beträgt 0,17-0,9 mm. Das Objektiv ist für Wasser korrigiert und bietet bei maximalem Arbeitsabstand eine maximale Apertur. Ölimmersionsobjektive sind schlecht geeignet. Die Lichtmenge wird erfindungsgemäß durch eine konfokale Lochblende in der Objektebene nach dem Mikroskopobjektiv begrenzt.The inventive method is technically with a high quality microscope optics regarding the Image quality of the focus realizable. Especially that Lens system before the excitation light emerges be chromatically and spherically corrected. Prefers  the Neofluar system from Zeiss is used, Oberkochen, Germany, with high aperture 1.2 N.A for use with and without cover glass or release film. Of the Working distance is 0.17-0.9 mm. The lens is for Water corrects and offers at maximum working distance a maximum aperture. Oil immersion lenses are badly suited. The amount of light is according to the invention through a confocal pinhole in the object plane limited to the microscope objective.

Als Laser-Lichtquelle für Wellenlängen von < 200-1000 nm werden bevorzugt kontinuierliche Laser eingesetzt, insbe­ sondere Laser des Typs Argon, Krypton, Helium-Neon, Helium-Cadmium, und modulierbare Diodenlaser (Rot- bis Infrarot-Bereich) mit der Möglichkeit der jeweiligen Frequenzverdopplung. Patentgemäß ist auch der Einsatz hochfrequent gepulster Laser von 10 MHz möglich.As a laser light source for wavelengths from <200-1000 nm continuous lasers are preferred, esp special argon, krypton, helium-neon lasers, Helium-Cadmium, and modulatable diode lasers (red to Infrared range) with the possibility of each Frequency doubling. The use is also patented high-frequency pulsed laser of 10 MHz possible.

Die Laserintensität ist mit 0,5 mW bereits so stark das einige Prozent der Farbstoffmoleküle im Beobachtungs­ volumen angeregt sind. Mit einer Laserintensität von 5 mW beträgt der prozentuale Anteil der angeregten Moleküle bereits 50%. Eine weitere Steigerung der Laserleistung erscheint somit für die Steigerung der Lichtausbeute nicht mehr sinnvoll.The laser intensity is already as strong as 0.5 mW a few percent of the dye molecules in the observation volume are excited. With a laser intensity of 5 mW is the percentage of excited molecules already 50%. Another increase in laser power thus appears for the increase in light output no longer makes sense.

Als kopplungsfähige Luminophore bzw. Fluoreszenzfarb­ stoffe kommen eine große Reihe möglicher Farbstoffgrund­ strukturen sowie Oligomere dieser Farbstoffe infrage, wie sie seit langer Zeit für fluoreszenzspektroskopische Nachweisverfahren eingesetzt werden. Bevorzugte Farb­ stoffe sind solche, die entweder nicht selbst zu spezi­ fischen und interferierenden Wechselwirkungen mit Ziel­ molekülen beitragen, oder wie in der P 42 34 086.1 (Henco et al.) gezielt unter Ausnutzung spezifischer Bindeeigen­ schaften wie der Fähigkeit zur Nukleinsäure-Doppelstrang- Interkalation eingesetzt werden.As a couplable luminophore or fluorescent color fabrics come in a wide range of possible dye bases structures and oligomers of these dyes, such as them for a long time for fluorescence spectroscopic Detection methods are used. Preferred color substances are those that are either not too specific fishing and interfering interactions with target contribute molecules, or as in P 42 34 086.1 (Henco et al.) specifically using specific binding properties  like the ability to double-strand nucleic acid Intercalation.

Alle eingesetzten Farbstoffe haben bevorzugt einen Ab­ sorptionskoeffizienten zwischen etwa 30 000 und 100 000 bei einer Quantenausbeute von 0,1-1.All dyes used preferably have an Ab sorption coefficient between about 30,000 and 100,000 with a quantum yield of 0.1-1.

Bewährt haben sich z. B. Farbstoffe aus der Reihe der Coumarine oder Rhodamin B-Derivate mit hohem Anteil hydrophiler Reste zur Verhinderung hydrophober Wechsel­ wirkungen oder Farbstoffe auf der Basis von Thiazol­ orange-Grundstrukturen mit der Fähigkeit der Inter­ kalation in Doppelstränge.Have proven themselves. B. dyes from the series Coumarins or rhodamine B derivatives with a high content hydrophilic residues to prevent hydrophobic changes effects or dyes based on thiazole basic orange structures with the ability of inter calibration in double strands.

Für das erfindungsgemäße Meßverfahren ist die Resistenz der Farbstoffe gegen die Licht-induzierte Ausbleichung (Bleichstabilität) eine wichtige Eigenschaft. Sie ist allerdings, wie oben erwähnt, nicht mehr von überragender Bedeutung für die Durchführung der Messung, da sich bei dem erfindungsgemäßen Einsatz sehr kleiner Meßvolumina die Meßzeiten um Größenordnungen verkürzt haben gegenüber ca. 40 ms in ca. 1000fach größeren Meßkompartimenten.The resistance is for the measuring method according to the invention of dyes against light-induced bleaching (Bleaching stability) an important property. she is however, as mentioned above, no longer outstanding Significance for the execution of the measurement, since at the use of very small measurement volumes according to the invention compared to the measurement times shortened by orders of magnitude approx. 40 ms in measuring compartments approx. 1000 times larger.

Die Meßkompartimente müssen gemäß der Abbildung 100- 1000 µm an das Ausgangsobjektiv der Laser-fokussierenden Optik herangeführt werden. Dies geschieht im einfachsten Falle durch einen am Objektiv selbst hängenden Tropfen, der die zu analysierenden Moleküle enthält. Eine solche Meßanordnung ist nur für wenige Analysen einsetzbar, da hier die Kontaminationsgefahr zwischen verschiedenen Proben groß ist. Einsetzbar sind Techniken vergleichbar denen der konventionellen Mikroskopie mit Deckglas und Ölimmersion. Das erfindungsgemäße Verfahren benutzt Wasserimmersion und sehr dünne Glas- oder Kunst­ stoffolien, um die wäßrige Probe von der Optik zu trennen. Die Folien können gleichzeitig zum Verschluß der darunterliegenden Kompartimente in Form flächiger Träger oder in Form von Kapillaren dienen.The measuring compartments must be 1000 µm to the output lens of the laser-focusing Optics can be introduced. This is done in the simplest way Trap by a drop hanging on the lens itself, which contains the molecules to be analyzed. Such Measuring arrangement can only be used for a few analyzes, because here is the risk of contamination between different Samples is great. Techniques can be compared those of conventional microscopy with cover slip and Oil immersion. The method according to the invention is used Water immersion and very thin glass or art to remove the aqueous sample from the optics  separate. The foils can be closed at the same time the underlying compartments in the form of flat Serve carriers or in the form of capillaries.

Für die Anwendung zum Screening großer Probenzahlen, wie sie sich bei Experimenten zur evolutiven Optimierung von Biopolymeren ergeben, werden auch Membranen eingesetzt, die zur Probenseite gerichtet chemisch modifiziert sind. Bevorzugte Modifizierungen sind Oberflächenstrukturen mit spezifischen Bindungseigenschaften wie z. B. Ionenaus­ tauschereigenschaft zur Fixierung von Nukleinsäuren und/oder spezifischen Bindeeigenschaften gegenüber Pro­ teinen wie Antikörperbeschichtung oder die Beschichtung mit Chelatbildnern, insbesondere NTA (Nitrilotriessig­ säure) oder IDA (Iminodiessigsäure) zur gezielten Fixierung rekombinanter Proteine oder Peptide mit bindenden Oligopeptiden wie (His)6, die mit hohen Bindungskonstanten (Kass 1010) über Metallchelate an Oberflächen gebunden werden können, um sie auf ihre je­ weiligen Wechselwirkungseigenschaften mit Zielstrukturen zu analysieren.For the application for screening large numbers of samples, such as those obtained in experiments for the evolutionary optimization of biopolymers, membranes are used that are chemically modified facing the sample side. Preferred modifications are surface structures with specific binding properties such as. B. Ion exchange property for fixing nucleic acids and / or specific binding properties against proteins such as antibody coating or coating with chelating agents, in particular NTA (nitrilotriacetic acid) or IDA (iminodiacetic acid) for the targeted fixing of recombinant proteins or peptides with binding oligopeptides such as (His) 6 that can be bound to surfaces with high binding constants (K ass 10 10 ) via metal chelates in order to analyze them for their respective interaction properties with target structures.

Eine andere Möglichkeit zur beschriebenen Erfassung einzelner Moleküle in kleinen Volumenelementen besteht in dem erfindungsgemäßen Einsatz einer Molekülfalle unter Zuhilfenahme eines elektrischen Feldes, die später be­ schrieben werden soll. Diese Analyse kann allerdings nur auf ionische Moleküle angewendet werden.Another possibility for the described recording of individual molecules in small volume elements consists of the use of a molecular trap according to the invention Using an electric field, which later be should be written. However, this analysis can only applied to ionic molecules.

Die Registrierung erfolgt vorzugsweise über die Optik eines Fluoreszenzmikroskopes mit Einzelphotonenzählung, wobei bevorzugt ein Lawinendiodendetektor zum Einsatz kommt. Bewährt hat sich z. B. der Einsatz des SPC-100 und SPC-200 des Herstellers EG & G. Die Signalanalyse erfolgt mit einem digitalen Korrelator oder Vielkanalzähler MCS. Registration is preferably done via the optics a fluorescence microscope with single photon counting, an avalanche diode detector is preferably used is coming. Has proven itself. B. the use of the SPC-100 and SPC-200 from the manufacturer EG & G. The signal analysis takes place with a digital correlator or multichannel counter MCS.  

Die Korrelationsmethode gibt direkt Aufschluß über drei charakteristische Molekülgrößen, die Anzahl (N), den Translationsdiffusionskoeffizienten Dt und den Rotationsdiffusionskoeffizienten Dr. Beide sind eine Funktion der Molekülgröße (d. h. Radius, Form und Volumen) und geben Aufschluß über Veränderung des Moleküls durch enzymatische Spaltung oder Komplexierung mit anderen Li­ ganden. Da die Messung der zur Diffusion korrelierten Diffusionszeiten erfindungsgemäß schnell und empfindlich durchgeführt werden kann, läßt sich die Methode zur Analyse der Molekülgrößen und ihrer Verteilung in einer Population in Lösung ohne die Notwendigkeit einer chroma­ tographischen Auftrennung verwenden.The correlation method provides direct information about three characteristic molecule sizes, the number (N), the translation diffusion coefficient D t and the rotational diffusion coefficient D r . Both are a function of the molecular size (ie radius, shape and volume) and provide information about changes in the molecule due to enzymatic cleavage or complexation with other ligands. Since the measurement of the diffusion times correlated to diffusion can be carried out quickly and sensitively according to the invention, the method for analyzing the molecular sizes and their distribution in a population in solution can be used without the need for a chromatographic separation.

Wie Rigler gezeigt hat, ergibt die Analyse der Korre­ lationsfunktion für miteinander reagierende Moleküle, daß durch Messung der Molekülzahl N und der Gewichtsfaktoren der charakteristischen Diffusionszeiten die Wechsel­ wirkung bestimmt werden kann. Für den Fall, daß Re­ aktionsgeschwindigkeitskonstanten langsamer als die Diffusionszeit sind, was immer bei spezifischen Reaktionen der Fall sein wird, ist die Korrelations­ funktion durch die Summe der gewichteten Diffusionszeiten gegeben;As Rigler has shown, the analysis of the corrections shows lationsfunktion for interacting molecules that by measuring the number of molecules N and the weight factors the changes in the characteristic diffusion times effect can be determined. In the event that Re action rate constants slower than that Diffusion times are whatever is specific Reactions that will be the case is the correlation function by the sum of the weighted diffusion times given;

G(t) = 1+1/N(x(1+t/τx)-1 +y(1+t/τy)-1)G (t) = 1 + 1 / N (x (1 + t / τ x ) -1 + y (1 + t / τ y ) -1 )

wo x, y und τx, τy der Anteil und Diffusionszeiten von Molekül X und Y sind. τ = ω2/D. ω ist der Radius des Probenvolumens und D die Diffusionskonstante.where x, y and τ x , τ y are the fraction and diffusion times of molecule X and Y. τ = ω 2 / D. ω is the radius of the sample volume and D is the diffusion constant.

Für den Fall, daß Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten schneller als die Diffusionszeiten sind, wird die KorrelationsfunktionIn the event that reaction rate constants are faster than the diffusion times Correlation function

G(t)= l+l/N(l+4<D<t/ω2)-1 G (t) = l + l / N (l + 4 <D <t / ω 2 ) -1

wobei < D < = x Dx + Dy ist.where <D <= x D x + D y .

Sind Dx und Dy verschieden, so kann auf einfache Weise ohne molekulare Trennverfahren, wie sie in sog. inhomo­ genen Assays üblich sind, die Bindung von einem (kleinen) Liganden an ein großes Molekül (Protein, Nukleinsäure, Antikörper) verfolgt werden. Entsprechende Zusammenhänge lassen sich auch für die Rotationsdiffusionskoeffizienten resp. Rotationsdiffusionszeiten ableiten. Die hohe Meß­ empfindlichkeit übersteigt Radioisotop-Methoden, wie sie aus den Techniken der Radioimmunoassays (RIA) bekannt sind. Diese sind nur bei Markierung mit hoher Radioakti­ vität gleichwertig. Molekül-Trennverfahren und aufwendige Kalibrierung entfallen bei der erfindungsgemäßen Durch­ führung. Die Korrelationsmethode stellt somit eine Alter­ native zum heute verwendeten Radioimmunassay dar. Ent­ sprechend der oben beschriebenen Technik wird anstelle des radioaktiv markierten AntigenReagens ein fluoreszenz­ markiertes Antigen eingesetzt, dessen Bindung an einen Antikörper in homogener Phase oder inhomogener Phase (Festphasen-gekoppelt) in Kompetition mit dem zu be­ stimmenden Antigen analysiert wird. Der Vorteil des Ver­ fahrens beruht im Verzicht auf unerwünschte Radioaktivi­ tät bei vergleichbarer Sensitivität.If D x and D y are different, the binding of a (small) ligand to a large molecule (protein, nucleic acid, antibody) can be monitored in a simple manner without molecular separation methods, as are common in so-called inhomogenous assays. Corresponding relationships can also be found for the rotational diffusion coefficients. Derive rotational diffusion times. The high measuring sensitivity exceeds radioisotope methods, as are known from the techniques of radioimmunoassays (RIA). These are only equivalent if they are marked with high radioactivity. Molecule separation processes and complex calibration are omitted in the implementation according to the invention. The correlation method thus represents an alternative to the radioimmunoassay used today. According to the technique described above, instead of the radioactively labeled antigen reagent, a fluorescence-labeled antigen is used, the binding of which to an antibody in a homogeneous phase or inhomogeneous phase (solid phase-coupled) in competition with the antigen to be determined is analyzed. The advantage of the method resides in the absence of unwanted radioactivity with comparable sensitivity.

Dort, wo enzymatische Katalyse zu einer Veränderung der Molekülstruktur und des Molekülgewichtes führt, läßt sich die Entstehung von Reaktionsprodukten über die Ver­ änderung der Molekülzahl und Diffusionszeiten verfolgen. Typische Anwendungen sind Replikation und Spaltung von Nukleinsäuren, Spaltung von Proteinen und Peptiden, aber auch die Selektion katalytischer Antikörper. Where enzymatic catalysis changes the Molecular structure and molecular weight leads, can the emergence of reaction products via the Ver Track changes in the number of molecules and diffusion times. Typical applications are replication and splitting of Nucleic acids, cleavage of proteins and peptides, however also the selection of catalytic antibodies.  

Die Möglichkeit, Rotationsdiffusion großer Moleküle in visköser Umgebung durch die FCS-Methode zu messen, ist von besonderer Bedeutung für die Analyse der Dynamik von spezifischen Rezeptören an der Zelloberfläche aber auch im Zellinneren. Gleichzeitig läßt sich die Bindung markierter Liganden durch Messung von Rotationsdiffusion und Translationsdiffusion an Zellstrukturen, wie Re­ zeptoren u. a. messen. Beispiele hierfür sind Neuro­ transmitter, Gewebsfaktoren wie Wachstumshormone, aber auch kationische Liganden wie Ca2+.The ability to measure rotational diffusion of large molecules in a viscous environment using the FCS method is of particular importance for the analysis of the dynamics of specific receptors on the cell surface but also inside the cell. At the same time, the binding of labeled ligands can be measured by measuring rotational diffusion and translational diffusion on cell structures, such as receptors and others. Examples of this are neuro transmitters, tissue factors such as growth hormones, but also cationic ligands such as Ca 2+ .

Die Möglichkeit, Diffusionszeiten in Bruchteilen von Sekunden zu bestimmen, erlaubt die kinetische Wechsel­ wirkung zweier Moleküle mit hohen Assoziationskonstanzen zu analysieren und Rekombinations- und Dissoziationsge­ schwindigkeitskonstanten zu bestimmen. Dies ist von be­ sonderem Interesse für die Charakterisierung der Wechsel­ wirkungen hoher biologischer Spezifizität, wie Antigen- Antikörper-, Ligand/Rezeptor-Wechselwirkung u. a. Die Analyse besonders langsamer Prozesse mit Konstanten bis 10-6 s-1 ist ohne weiteres möglich wegen der eingangs er­ wähnten intrisischen Methodencharakteristik der Selbst­ kalibrierung.The ability to determine diffusion times in fractions of a second allows the kinetic interaction of two molecules with high association constants to be analyzed and recombination and dissociation rates to be determined. This is of particular interest for the characterization of the interactions of high biological specificity, such as antigen-antibody, ligand / receptor interaction, etc. The analysis of particularly slow processes with constants up to 10 -6 s -1 is readily possible because of the initially mentioned mentioned intrisical method characteristics of self-calibration.

Die hohe Empfindlichkeit läßt die Detektion einzelner Moleküle bei ihrer Bewegung durch mindestens einen detek­ tierenden Laserstrahl zu. Durch die Benutzung von soge­ nannten "Molekültrichtern" in Form von speziellen Glas­ pipetten mit Öffnungen von 1 µm lassen sich einzelne Moleküle in einen Laserstrahl mit einem Durchmesser zwischen 1-5 µm durch Fluß einbringen. Durch die An­ wendung von elektrischen Feldern wird die Brown′sche Molekularbewegung so stark eingeengt, daß jedes Molekül durch das Intensitätsmaximum des Laserstrahls gezogen wird. Die optische Aufstellung mit einander gegenüber gelegenen Detektoren und Immersionsoptik garantiert sehr guten Photonenfluß und Detektionsgenauigkeit bzw. De­ tektionseffizienz der in alle Raumrichtungen emittierten Lumineszenz (Abb. 1). Die Anordnung eignet sich zum Bei­ spiel zur Analyse von Sequenzen einzelner DNA oder RNA- Moleküle unter Zuhilfenahme exonukleolytischer De­ gradation (J.H. Jett et al., US 4,962,037), aber auch zur Erfassung einzelner mit Markierung und Ladung versehener Moleküle.The high sensitivity allows the detection of individual molecules as they move through at least one detec ting laser beam. By using so-called "molecular funnels" in the form of special glass pipettes with openings of 1 µm, individual molecules can be introduced into a laser beam with a diameter between 1-5 µm by flow. By using electric fields, the Brownian molecular motion is so narrowed that each molecule is pulled through the intensity maximum of the laser beam. The optical setup with opposing detectors and immersion optics guarantees very good photon flow and detection accuracy and detection efficiency of the luminescence emitted in all spatial directions ( Fig. 1). The arrangement is suitable for example for the analysis of sequences of individual DNA or RNA molecules with the aid of exonucleolytic degradation (JH Jett et al., US 4,962,037), but also for the detection of individual molecules provided with markings and charges.

Einzelne Moleküle lassen sich im Falle ionischer Struk­ turen auch durch erzwungene gerichtete Translation im elektrischen Feld im Beobachtungsvolumenelement fest­ halten. Alternativ läßt sich die einmalige oder wieder­ holte Translation durch das Volumenelement erzwingen. Dies geschieht bevorzugt in einer experimentellen An­ ordnung, die in Abb. 1 gezeigt ist. Ein Molekülfluß durchläuft ein größeres Probenvolumen in dessen Zentrum sich das erfaßte Beobachtungsvolumen befindet. Durch ein elektrisches Feld, gleichgerichtet oder als Wechselfeld, läßt sich die Wanderung geladener Moleküle durch das Beobachtungselement erzwingen. Diese Molekülfokussierung ist dann von Bedeutung, wenn sich im Gesamtvolumenelement nur ein oder wenige Moleküle befinden, die es quantitativ zu erfassen gilt.In the case of ionic structures, individual molecules can also be retained in the observation volume element by forced directional translation in the electric field. Alternatively, the one-off or repeated translation can be enforced by the volume element. This is preferably done in an experimental arrangement, which is shown in Fig. 1. A molecular flow runs through a larger sample volume in the center of which is the observed volume. The migration of charged molecules through the observation element can be forced by an electric field, rectified or as an alternating field. This molecular focus is important if there are only one or a few molecules in the total volume element that need to be quantitatively determined.

Technisch wird die Aufgabe gelöst, indem bevorzugt das Probenvolumen als Mikrotropfen zwischen den Öffnungen zweier Mikrokapillaren fixiert wird, wie sie von B. Sackmann und E. Neher beschrieben wurden. Die Kapillaren sind mit einer leitfähigen Metallschicht bedampft, bevor­ zugt Gold auf Chromgrundierung, die an den Öffnungen der Kapillaren mit dem wäßrigen Puffersystem in Kontakt stehen. Das Meßelement befindet sich innerhalb des Probentröpfchens, wobei das Ausgangsobjektiv des Mikroskops mit dem Tropfen in direktem Kontakt steht oder durch eine Folie von dem Objektiv getrennt ist.Technically, the task is solved by preferring that Sample volume as microdroplets between the openings two microcapillaries as fixed by B. Sackmann and E. Neher have been described. The capillaries are vapor-coated with a conductive metal layer before pulls gold on chrome primer, which at the openings of the Capillaries in contact with the aqueous buffer system stand. The measuring element is inside the Sample droplets, the starting lens of the  Microscope is in direct contact with the drop or is separated from the lens by a film.

Ist ein einzelnes Molekül oder ein Molekülkomplex nach dem Austritt aus dem Kapillarende einmal im Meßelement erfaßt, lassen sich auch kinetische Daten erhalten. Es ist technisch nicht aufwendig, in dem kleinen Volumen­ element einen Feld oder Temperatursprung zu realisieren. Wenn Reaktionskomplexe einen Wien-Effekt zeigen oder eine hinreichende Reaktionsenthalpie aufweisen, lassen sich diese Relaxationsverfahren nutzen, um beispielsweise Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten zu bestimmen.Is a single molecule or a molecular complex after the exit from the capillary end once in the measuring element kinetic data can also be obtained. It is not technically complex, in the small volume element to realize a field or jump in temperature. When reaction complexes show a Wien effect or one have sufficient enthalpy of reaction can be use this relaxation method, for example To determine reaction rate constants.

Im Rahmen evolutionärer Screening-Assays ist die Methode zur Bestimmung der Bindung von Liganden an zu selek­ tionierende Moleküle (Eiweiße, Nukleinsäuren, Antikörper) geeignet. Die extreme Empfindlichkeit erlaubt insbe­ sondere die Analyse von hochspezifischen Wechselwirkun­ gen, die von besonderem biologischen Interesse sind. Die Wechselwirkung wird durch Bindung des markierten Liganden oder durch Kompetition des unmarkierten Liganden mit einem markierten Inhibitor gemessen. Somit lassen sich Fitnessbestimmungen an Variantenspektren vor allem bei großen Probenkollektiven durchführen.The method is part of evolutionary screening assays to determine the binding of ligands to selek ionizing molecules (proteins, nucleic acids, antibodies) suitable. The extreme sensitivity allows in particular especially the analysis of highly specific interactions genes that are of particular biological interest. The Interaction is through binding of the labeled ligand or by competition with the unlabeled ligand measured a labeled inhibitor. So you can Fitness regulations on variant spectra especially at large sample groups.

Als Fitness-Parameter gelten:The following fitness parameters apply:

  • - Affinitätsparameter- affinity parameters
  • - kinetische Parameter- kinetic parameters
  • - enzymatische Parameter- enzymatic parameters

unter bestimmten Milieubedingungen des Testes.under certain milieu conditions of the test.

Bei der erfindungsgemäßen Analyse und Bewertung großer Probenkollektive phänotypischer Varianten ist es von ent­ scheidender Bedeutung, daß nachfolgend ein Zugriff auf den korrespondierenden Genotyp, z. B. das kodierende Plasmid oder die kodierende mRNA erfolgen kann, um den Evolutionsprozeß weiterzuführen. Dieses Problem ist keineswegs trivial. Der Prozeß ist umso erfolgreicher, je gezielter der Zugriff erfolgt, das heißt je präziser der entsprechende Genotyp präpariert werden kann, ohne ihn mit Sequenzen zu kontaminieren, die für wertlose Phänotypen kodieren.In the analysis and evaluation according to the invention, large Sample collectives of phenotypic variants are from ent  of crucial importance that subsequent access to the corresponding genotype, e.g. B. the coding Plasmid or the coding mRNA can be made to the To continue the evolutionary process. This problem is by no means trivial. The process is all the more successful the more targeted the access, that is, the more precise the corresponding genotype can be prepared without contaminating him with sequences that are of no value Encode phenotypes.

Bei mittleren Probenzahlen (< 10 000) kann mit voneinander in fester räumlicher Trennung angeordneten Volumenele­ menten gearbeitet werden, die im folgenden als Küvetten bezeichnet werden. Dies können sowohl Teile eines Folien­ systems sein, vergleichbar denen, wie sie für PCT/EP 89/01320, PCT/EP 89/01387, PCT/DE 91/0082, PCT/DE 91/00081, PCT/DE 91/00083, PCT/DE 91/00704 beschrieben worden sind, wobei einzelne Volumenelemente Proben in versiegelten Folienelementen enthalten. Aus den ver­ schlossenen Elementen lassen sich einmal identifizierte Phänotypen gemeinsam mit ihren kodierenden Genen oder mRNA-Transkripten über direkten mechanischen Zugriff isolieren.If the number of samples is medium (<10,000), they can be used together Volume elements arranged in a fixed spatial separation elements to be worked, which are referred to below as cuvettes be designated. This can be both parts of a slide systems, comparable to those used for PCT / EP 89/01320, PCT / EP 89/01387, PCT / DE 91/0082, PCT / DE 91/00081, PCT / DE 91/00083, PCT / DE 91/00704 have been, with individual volume elements samples in sealed foil elements included. From the ver closed elements can be identified once Phenotypes together with their coding genes or mRNA transcripts via direct mechanical access isolate.

Die erfindungsgemäße Methodik der optischen Messung und Variantenbewertung in ultrakleinen Probenvolumina erlaubt auch sehr kleine Probengesamtvolumina in Form einer Mikrokompartimentierung, die jedoch nicht trivial hand­ habbar sind. Dies gilt sowohl für die individuelle Be­ füllung als auch für ihre gezielte Entleerung zur Prä­ paration eines als positiv identifizierten Genotyps.The method of optical measurement according to the invention and Variant evaluation in ultra-small sample volumes allowed also very small total sample volumes in the form of a Micro-compartmentalization, which, however, is not trivial are available. This applies to both the individual Be filling as well as for their targeted emptying paration of a genotype identified as positive.

Mikrokompartimente können aus regulären und irregulären porösen Trägern aufgebaut sein wie aus parallel ange­ ordneten Kapillarelementen, wie sie in der Patentan­ meldung P 42 37 383.1 beschrieben sind, oder flächige Träger aus porösen Materialien wie Glas mit kontrol­ lierten Poren oder Kapillaren, deren Volumenelemente innerhalb der Kapillare eindimensional voneinander separiert sind, jedoch paarweise miteinander in direktem Kontakt stehen.Microcompartments can consist of regular and irregular porous supports should be constructed as from parallel arranged capillary elements, as described in the patent message P 42 37 383.1 are described, or flat  Carrier made of porous materials such as glass with control gated pores or capillaries, their volume elements one-dimensionally within the capillary are separated, but in pairs with each other in direct Are in contact.

Eine besonders bevorzugte Form der Mikrokompartimen­ tierung ist in der Abb. 2 dargestellt. Unter einem optisch transparenten flächigen Träger werden die in einer zu analysierenden Probe vorhandenen Volumenelemente in Form rekombinanter oder natürlicher Zellen oder künst­ lich vesikulärer Elemente mit ihren jeweiligen Phänotypen und Genotypen aufgebracht. Alternativ werden Volumen­ elemente erst bei dem Auftrag oder nach dem Auftrag auf den Träger generiert. Besonders bevorzugt sind Gel- oder Vesikel-bildende Polymere, insbesondere Polymere auf der Basis thermoreversibler Strukturen wie Caprolactamderi­ vat-Polymere.A particularly preferred form of microcompartmentation is shown in Fig. 2. The volume elements present in a sample to be analyzed are applied in the form of recombinant or natural cells or artificial vesicular elements with their respective phenotypes and genotypes under an optically transparent flat carrier. Alternatively, volume elements are only generated when the order is placed or after the order is placed on the carrier. Gel or vesicle-forming polymers are particularly preferred, in particular polymers based on thermoreversible structures such as caprolactam derivative polymers.

Die Auftragung kann zunächst aus homogener Lösung mit nachfolgender Entmischung der Polymere unter Ausbildung getrennter wäßriger Volumenelemente erfolgen, oder durch Auftragung in Form mikrodisperser Tropfen mit Hilfe eines piezo-gesteuerten Mikrodispensers.The application can initially be made from a homogeneous solution subsequent separation of the polymers with formation separate aqueous volume elements, or by Application in the form of microdisperse drops using a piezo-controlled microdispenser.

Auf die beschriebene Weise lassen sich auch die moleku­ laren Inhalte von Zellen analysieren. Beispielsweise lassen sich Zellen in den beschriebenen vesikulären Strukturen einschließen und später bei höheren Tempera­ turen lysieren. Dabei kommt es zu einer zumindest partiellen Vermischung von vesikulär eingeschlossener Lösung mit ihren reaktionsfähigen Molekülen oder Mole­ külkomplexen mit dem Inhalt der lysierten Zelle. Re­ aktionsfähige Moleküle können z. B. Nukleinsäuresonden, Enzyme oder Proteine sein, die mit zellulären Komponenten spezifische Wechselwirkungen oder Reaktionen eingehen, die mit der erfindungsgemäßen CFS-Methodik nachweisbar und quantifizierbar sind. Diese Technik ist analog zu in situ-Hybridrierungen oder zellspezifischen Protein­ färbungen zu sehen.In the described way, the moleku Analyze laren contents of cells. For example cells can be described in the vesicular Include structures and later at higher tempera lyse doors. At least there is one partial mixing of vesicularly enclosed Solution with its reactive molecules or moles cooling complexes with the content of the lysed cell. Right Actionable molecules can e.g. B. nucleic acid probes, Enzymes or proteins with cellular components  enter into specific interactions or reactions, that can be detected with the CFS methodology according to the invention and are quantifiable. This technique is analogous to in situ hybridizations or cell-specific protein see colorings.

Auch Träger zur gleichzeitigen Fixierung von Nuklein­ säuren und den zu analysierenden phänotypischen Mole­ külstrukturen, wie sie in der Anmeldung K. Henco et al., DE 42 37 381.6 beschrieben sind, sind als bevorzugter Reaktionsträger geeignet, um Genotyp/Phänotyp-Kopplung zu erreichen.Also carriers for the simultaneous fixation of nucleus acids and the phenotypic moles to be analyzed cooling structures, as described in the application K. Henco et al., DE 42 37 381.6 are preferred Reaction carriers suitable for genotype / phenotype coupling to reach.

Selbstverständlich lassen sich auch Träger einsetzen, wie sie von S. Fodor et al. im Rahmen der sogenannten AFFYMAXTechnologie eingesetzt werden, in der der Genotyp durch die x/y-Position auf dem Träger definiert ist.Of course, carriers can also be used, such as it by S. Fodor et al. within the so-called AFFYMAX technology used in the genotype is defined by the x / y position on the carrier.

Eine bevorzugte Möglichkeit der Adressierung und Kenn­ zeichnung erfindungsgemäß selektierter Varianten in ihren jeweiligen Volumenelementen ist die photooptische Kenn­ zeichnung der Position durch Verwendung der beschriebenen analytischen Optik (Abb. 3). Dies kann durch Ein­ spiegelung von Licht einer Wellenlänge geschehen, mit der eine photoaktivierbare Beschichtung auf der Oberfläche des Trägers angeregt werden kann, um ein leicht erkenn­ bares Reaktionsprodukt zu erzeugen, z. B. durch gezielte Verfärbung. Das Lichtsignal wird aktiviert, wenn die Korrelations-Analyse eine bestimmte vordefinierte Wertig­ keit des jeweils analysierten Volumenelementes anzeigt.A preferred way of addressing and marking variants selected according to the invention in their respective volume elements is the photo-optical marking of the position by using the analytical optics described ( Fig. 3). This can be done by a reflection of light of a wavelength with which a photoactivatable coating can be excited on the surface of the carrier in order to produce an easily recognizable reaction product, for. B. by targeted discoloration. The light signal is activated when the correlation analysis indicates a certain predefined value of the volume element analyzed in each case.

Dabei kann eine gängige photoreaktive Beschichtung einge­ setzt werden. Als Lichtquelle kann eine zusätzliche Lichtquelle eingesetzt werden, vorzugsweise ebenfalls eine Laserlichtquelle, oder es kann der zur Analyse ein­ gesetzte Laser verwandt werden. Eine Diskriminierung zwischen Messung und Kennzeichnung der Position durch Photoaktivierung kann z. B. durch Einsatz eines Frequenz­ verdopplers für die Markierungsreaktion erreicht werden.A common photoreactive coating can be used be set. An additional light source can be used Light source are used, preferably also a laser light source, or it can be used for analysis  set lasers can be used. Discrimination between measuring and marking the position Photoactivation can e.g. B. by using a frequency doubler for the labeling reaction can be achieved.

Nach der Markierung der Positionen auf einem Träger läßt sich aus dem entsprechenden Volumenelement die gewünschte Nukleinsäure entweder durch mechanischen Zugriff ge­ winnen.After marking the positions on a support leaves the desired volume element Nucleic acid either by mechanical access win.

Als erfindungsgemäß besonders geeignet erweist sich an­ stelle der Markierung des selektierten Volumenelementes gemäß (1) die Markierung des korrespondierenden Genotyps selbst.It proves to be particularly suitable according to the invention place the marking of the selected volume element according to (1) the marking of the corresponding genotype self.

Erfindungsgemäß sind mehrere Alternativen bevorzugt:According to the invention, several alternatives are preferred:

  • (1) die photoaktivierte Anheftung der Nukleinsäuren an Oberflächenstrukturen des Volumenelementes,(1) the photoactivated attachment of the nucleic acids Surface structures of the volume element,
  • (2) die photochemische Aktivierung Nukleinsäure-spezi­ fischer Liganden,(2) the photochemical activation of nucleic acid speci fischer ligands,
  • (3) photochemische Inaktivierung von Nukleinsäuren in allen Volumenelementen mit Ausnahme der positiv selektierten.(3) photochemical inactivation of nucleic acids in all volume elements except the positive selected.

Im Sinne von (1) können beispielsweise Psoralenderivate eingesetzt werden, die als Doppelstrang-interkalierende Reagentien unter 360 nm-Lichteinstrahlung Nukleinsäure­ gegenstränge miteinander verbunden. Derartige Liganden können entweder beispielsweise chemisch mit der Träger- Oberfläche verknüpft sein (Abb. 4). For the purposes of (1), psoralen derivatives can be used, for example, which combine nucleic acid counterstrands as double-strand intercalating reagents under 360 nm light irradiation. Such ligands can either be chemically linked to the carrier surface, for example ( Fig. 4).

Bei der Durchmusterung kann auf diese Weise eine ge­ nügende Anzahl Phänotyp-kodierender Plasmidkopien an die positiv selektionierten Oberflächensegmente geheftet werden. Nachfolgend können alle nicht fixierten Nuklein­ säuren abgewaschen werden. Sodann können entweder die selektierten Nukleinsäuren an der Oberfläche direkt einer enzymatischen Amplifikationsreaktion unterworfen werden.In the screening, a ge sufficient number of plasmid-coding plots encoding the positively selected surface segments stapled become. Subsequently, all unfixed nuclei acids are washed off. Then either selected nucleic acids directly on the surface be subjected to enzymatic amplification reaction.

Alternativ können die Nukleinsäuren zurückgewonnen werden, indem die Reversibilität der Psoralenverknüpfung ausgenutzt wird. Dies geschieht beispielsweise durch Licht der Wellenlänge von 260 nm. Die Nukleinsäure­ bindenden Liganden können nach (2) auch mit anderen mole­ kularen Elementen verknüpft werden, die eine nachfolgende Reinigung und Abtrennung von nicht erwünschten Nuklein­ säurestrukturen in einfacher Weise ermöglichen. Als Bei­ spiele seien genannt: die Kopplung DNA oder RNA-er­ kennender Liganden, insbesondere photoaktivierbarer Psoralen-Derivate oder interkalierende Farbstoffe, ge­ koppelt an Affinitätsliganden, insbesondere Biotin, Avidin, Streptavidin, Immunglobulin, Oligopeptide oder Oligonukleotide.Alternatively, the nucleic acids can be recovered be made by the reversibility of the psoralen linkage is exploited. This is done, for example, by Light of the wavelength of 260 nm. The nucleic acid binding ligands can also be mixed with other moles according to (2) specific elements are linked, which is a subsequent Cleaning and separation of unwanted nucleus enable acid structures in a simple manner. As with Games may be mentioned: the coupling of DNA or RNA knowing ligands, especially photoactivatable Psoralen derivatives or intercalating dyes, ge couples to affinity ligands, especially biotin, Avidin, streptavidin, immunoglobulin, or oligopeptides Oligonucleotides.

Gemäß Abb. 4 wird es nach licht-induzierter chemischer Verknüpfung dieser Verbindungen mit der DNA oder RNA aus den positiv selektierten Volumenelementen möglich, die DNA und/oder RNA aller Volumenelemente gemeinsam zu reinigen und gleichzeitig von den Nukleinsäuren zu se­ parieren, die die Selektionskriterien nicht erfüllt haben. Die Abtrennung kann vorzugsweise über hydrophobe Chromatographie, Affinitätschromatographie oder durch den Einsatz magnetischer Partikel erfolgen, wobei die Ober­ flächen entsprechende Bindeeigenschaften zu dem Liganden des Adaptor-Moleküls aufweisen. Bevorzugte Beispiele für eine derartige spezifische Kopplung sind: oligo-dT/ oligo-dA, Avidin-Streptavidin/Biotin, NTA-IDA/ (His)6 und ähnliche bekannte Komplex-Bildner.According to Fig. 4, after light-induced chemical linking of these compounds with the DNA or RNA from the positively selected volume elements, it is possible to purify the DNA and / or RNA of all volume elements together and at the same time to separate them from the nucleic acids that do not meet the selection criteria have fulfilled. The separation can preferably be carried out via hydrophobic chromatography, affinity chromatography or by using magnetic particles, the surfaces having corresponding binding properties to the ligand of the adapter molecule. Preferred examples of such a specific coupling are: oligo-dT / oligo-dA, avidin-streptavidin / biotin, NTA-IDA / (His) 6 and similar known complexing agents.

Die so gepoolten gereinigten Nukleinsäuren können im nachfolgenden Schritt entweder direkt einer enzymatischen Amplifikationsreaktion oder cDNA-Synthese unterworfen werden, oder zuvor durch Reversion der photochemisch induzierten Verknüpfung vom Liganden entkoppelt werden.The purified nucleic acids pooled in this way can subsequent step either directly to an enzymatic Subjected to amplification reaction or cDNA synthesis be, or previously by reversion of the photochemically induced linkage are decoupled from the ligand.

Im erfindungsgemäßen Sinne ist es gleichfalls denkbar, gezielt all die Nukleinsäuren zu inaktivieren, die den Selektionskriterien der Analyse nicht genügen (3). Dies kann ebenfalls mit quervernetzenden Substanzen wie Psoralenen geschehen, wobei die Quervernetzung in einer Weise geschieht, daß die so vernetzten Strukturen bei enzymatischen Folgereaktionen nicht mehr amplifikations­ fähig sind. Das Verfahren hat allerdings den Nachteil, daß die Inaktivierung sehr vollständig ablaufen muß, da sonst der Anreicherungsfaktor für die positiv selektier­ ten Volumeneinheiten ungünstig beeinflußt wird. Bei den Verfahren (1, 2) ist die Ausbeute der Anreicherung nicht von vordringlicher Bedeutung, da mit Hilfe enzymatischer Amplifikationsverfahren auch sehr niedrige Kopienzahlen hinreichend sind. Allerdings ist es für die meisten An­ wendungen vorteilhaft, wenn ein möglichst großer Anteil der Nukleinsäuren aus einem positiv selektierten Volumen­ element präparativ dargestellt werden kann. Dies gelingt bevorzugt mit einer Optik, die ein größeres Volumenele­ ment als das in der Analyse betrachtete Volumenelement ausleuchtet.In the sense of the invention, it is also conceivable selectively inactivate all of the nucleic acids that the Selection criteria of the analysis are not sufficient (3). This can also with cross-linking substances like Psoralens happen, cross-linking in one Way happens that the so networked structures at no longer amplify subsequent enzymatic reactions are capable. However, the process has the disadvantage that the inactivation must take place very completely because otherwise the enrichment factor for the positively selected th volume units is adversely affected. Both Method (1, 2) is not the yield of the enrichment of primary importance, since with the help of enzymatic Amplification process also very low copy numbers are sufficient. However, for most people it is turns advantageous if the largest possible proportion of nucleic acids from a positively selected volume element can be displayed preparatively. This succeeds preferably with an optic that has a larger volume element ment as the volume element considered in the analysis illuminates.

Wie oben bereits ausgeführt, eignet sich das vorgestellte Verfahren insbesondere zur Analyse und Bewertung zahlen­ mäßig komplexer Kollektive von Molekülen, die zuvor in einem evolutiven Prozeß generiert worden sind. Die funktionale Analyse komplexer Systeme von molekularer Diversität ist aber auch sonst von erheblicher Bedeutung. Nicht nur aufgrund evolutiver Systeme, im Sinne replika­ tiver Mechanismen, entsteht Diversität, ebensowenig, wie Kompartimentierung von Subpopulationen nur in zellulären oder vesikulären Strukturen erfolgt.As already explained above, the presented one is suitable Pay particular attention to procedures for analysis and evaluation moderately complex collectives of molecules previously in an evolutionary process has been generated. The  functional analysis of complex systems of molecular However, diversity is also of considerable importance. Not just because of evolutionary systems, in the sense of replica mechanisms, diversity arises, just as little as Compartmentalization of subpopulations only in cellular or vesicular structures.

In der synthetischen Chemie entstehen häufig ungewollt sehr komplexe Systeme verschiedener Molekültypen, wobei sich die Komplexität auch gezielt generieren läßt. Mikro­ organismen oder Pflanzen synthetisieren eine Vielzahl Sekundärmetabolite, von denen bereits eine große Anzahl pharmakologisch aktiver Strukturen abgeleitet wurde. Mit chromatographischen Verfahren wie HPLC, FPLC, Gas­ chromatographie etc. lassen sich solche Verbindungen be­ kanntlich effizient fraktionieren.In synthetic chemistry, they often arise unintentionally very complex systems of different types of molecules, where the complexity can also be generated in a targeted manner. Micro organisms or plants synthesize a large number Secondary metabolites, of which a large number pharmacologically active structures was derived. With chromatographic methods such as HPLC, FPLC, gas Chromatography etc. can be such connections fractionate efficiently.

Mit einem derartigen Verfahren erschließt sich somit nicht nur die parallel geführte Analytik von Mutanten/- Varianten aus sogenannten replikativem Systemen wie Nukleinsäuren oder Proteinen, sondern auch chemische oder metabolische Komplexität. Traditionell ist man bislang so verfahren, daß komplexe Gemische zunächst in Einzel­ fraktionen präparativ aufgereinigt wurden, chemisch nach ihrer Struktur analysiert wurden und wenn möglich in Form der Reinsubstanzen einzeln biologischen Assays zugeführt wurden.A method of this type thus reveals itself not only the parallel analysis of mutants / - Variants from so-called replicative systems such as Nucleic acids or proteins, but also chemical or metabolic complexity. This is traditionally the case up to now proceed that complex mixtures first in single fractions were preparatively cleaned, chemically after their structure were analyzed and if possible in form the pure substances are fed individually to biological assays were.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es nun, die zunächst in analytischen Mengen angefallenen Fraktionen präparativ z. B. für pharmakologische Assays einzusetzen. Dabei werden in einem bevorzugten Verfahren die an­ fallenden Fraktionen direkt mit einem CFS-Assay ver­ knüpft. Es wird darauf verzichtet, Einzelsubstanzen dar­ zustellen, bevor sie nicht positiv in CFS-assays an­ sprechen. With the inventive method it is now possible to fractions initially obtained in analytical quantities preparative z. B. for pharmacological assays. In a preferred process, the falling fractions directly using a CFS assay ties. There are no individual substances Deliver before not positive in CFS assays speak.  

Die Fig. 1 beschreibt die bevorzugte Anordnung der optischen Detektionseinheit in Bezug zum Probenvolumen und Meßvolumen. Ein oder zwei Detektoren (Detektor 1/2) registrieren die emittierten Fluoreszenzsignale aus dem Meßvolumenelement, die ebenfalls über ein oder zwei optische Einheiten, wie sie im Text beschrieben sind, konfokal abgebildet werden. Die wäßrige Probe steht entweder direkt mit der Oberfläche der Austrittslinse in Kontakt oder wird wie in Fig. 2 dargestellt durch eine dünne Folie von dem Objektiv getrennt.The Fig. 1 describes the preferred arrangement of the optical detection unit with respect to the sample volume and the measuring volume. One or two detectors (detector 1/2 ) register the emitted fluorescence signals from the measuring volume element, which are also confocally imaged via one or two optical units, as described in the text. The aqueous sample is either in direct contact with the surface of the exit lens or, as shown in FIG. 2, is separated from the objective by a thin film.

Die Probe wird zwischen mindestens zwei Kapillaren mit einer lichten Weite des Kapillarendes von ca. 1 µm gehalten. Die Kapillaren sind im Falle der Funktion als Molekülfalle für ionische Moleküle mit einer leitenden Oberfläche beschichtet, vorzugsweise Gold auf Chrom- Grundierung, an die ein gleichgerichtetes Feld oder ein Wechselfeld angelegt werden kann. Die Steuerung des Feldes geschieht vorzugsweise durch einen Rechner, der mit der optischen Detektionseinheit verknüpft ist und die Felder bei Eintritt eines interessierenden Moleküls in bestimmter Weise regeln kann.The sample is placed between at least two capillaries a clear width of the capillary end of approx. 1 µm held. The capillaries are in the case of the function as Molecular trap for ionic molecules with a conductive Coated surface, preferably gold on chrome Primer to which a rectified field or a Alternating field can be created. The control of the Field is preferably done by a computer that is linked to the optical detection unit and the Fields when a molecule of interest enters can regulate in a certain way.

Die Fig. 2 beschreibt eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung zum Screenen großer Mutanten­ zahlen nach bestimmten Fitnessparametern ist dargestellt. Unter Verwendung einer optischen Detektionseinheit gemäß Fig. 1 befinden sich die Proben in Form von Tröpfchen unter einer folienartigen Oberfläche, die ihrerseits mit dem Objektiv in wäßriger Immersion in Kontakt steht. Die Folie kann bestimmte Beschichtungen tragen, die es er­ laubt, gezielt Moleküle aus den jeweiligen Proben an der Oberfläche zu binden. Die Proben können regulär an be­ stimmten Positionen aufgebracht sein, z. B. durch Ver­ wendung eines Mikrodispensiersystems oder in statistischer Verteilung. Um ein Verdampfen der Proben zu verhindern, können die Tropfen durch eine schützende Matrix umgeben werden.The FIG. 2 describes a preferred embodiment of the arrangement according to the invention to pay for screening large mutants for specific fitness parameters is shown. Using an optical detection unit according to FIG. 1, the samples are in the form of droplets under a film-like surface which in turn is in contact with the objective in aqueous immersion. The film can carry certain coatings, which it allows to specifically bind molecules from the respective samples to the surface. The samples can be applied regularly at certain positions, e.g. B. by using a microdispensing system or in statistical distribution. To prevent the samples from evaporating, the drops can be surrounded by a protective matrix.

Fig. 3 zeigt schematisch die CFS-Markierung der selek­ tierten Genotypen. Wenn bestimmte Proben gemäß der Fig. 2 vorgewählten Fitness-Parametern entsprechen, kann ein Zugriff auf die jeweiligen Volumensegmente dadurch er­ leichtert werden, daß die Oberfläche mit einer photo­ aktivierbaren Beschichtung versehen ist, die z. B. optisch die Position markiert und einen anschließenden Zugriff auf die Probe erlaubt. Fig. 3 shows schematically the CFS labeling of the selected genotypes. If certain samples correspond to the preselected fitness parameters in accordance with FIG. 2, access to the respective volume segments can be facilitated by providing the surface with a photo-activatable coating which, for. B. optically marked the position and then allows access to the sample.

Der Zugriff auf ein selektiertes Volumensegment bzw. auf darin enthaltene Moleküle wie kodierende Nukleinsäuren, wie in Fig. 4 schematisch gezeigt, läßt sich auch da­ durch erreichen, daß lösliche Reaktanden im Volumen­ element photoaktiviert werden, um z. B. mit einer Nuklein­ säure zu reagieren. Derart markierte Nukleinsäuren lassen sich anschließend relativ einfach isolieren, um sie weiteren Reaktionen zu unterwerfen, beispielsweise einer PCR-Reaktion.Access to a selected volume segment or to molecules contained therein, such as coding nucleic acids, as shown schematically in FIG. 4, can also be achieved by having soluble reactants in the volume element photoactivated in order, for. B. to react with a nucleic acid. Nucleic acids labeled in this way can then be isolated relatively easily in order to subject them to further reactions, for example a PCR reaction.

Claims (24)

1. Verfahren zur Identifizierung von einem oder wenigen Molekülen, insbesondere in einer Verdünnung von 10 nM, durch Verwendung der Laser-angeregten FCS mit Meßzeiten 500ms bei kurzen Diffusionswegen der zu analysierenden Moleküle, wobei die Messung in kleinen Volumeneinheiten von vorzugsweise 10-14 l durchgeführt wird, durch Bestimmung stoffspezi­ fischer Parameter, die durch Lumineszenzmessungen an zu untersuchenden Molekülen ermittelt werden.1. Method for the identification of one or a few molecules, in particular in a dilution of 10 nM, by using the laser-excited FCS with measuring times 500 ms with short diffusion paths of the molecules to be analyzed, the measurement being carried out in small volume units of preferably 10 -14 l is, by determining substance-specific parameters, which are determined by luminescence measurements on molecules to be examined. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Translations­ diffusionskoeffizienten, Rotationsdiffusions­ koeffizienten, die Excitations-, Emissionswellen­ länge, die Lebensdauer des jeweils angeregten Zu­ standes eines lumineszierenden Substituenten oder Kombinationen dieser Meßgrößen als stoffspezifische Parameter bestimmt werden.2. The method according to claim 1, wherein translations diffusion coefficients, rotational diffusions coefficients, the excitation, emission waves length, the lifespan of the respective excited Zu level of a luminescent substituent or Combinations of these measurands as substance-specific Parameters can be determined. 3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lumineszenz eines Substituenten mit dem zu bestimmenden Molekül in direkter Wechselwirkung steht, wobei der Substituent ein luminophorer Ligand oder ein Ligandenkomplex ist, dessen spektroskopische Parameter mit der Art oder Funktion des zu bestimmenden Moleküls korre­ liert sind.3. The method according to any one of claims 1 and / or 2, characterized in that the luminescence of a Substituents with the molecule to be determined in there is direct interaction, the substituent a luminophore ligand or a ligand complex whose spectroscopic parameters are related to Art or function of the molecule to be determined correctly are. 4. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei über die Messung der Translationsdiffusion und/oder Rotationsdiffusion mit Auswertung der Korre­ lation die funktionale Bewertung insbesondere durch die Bestimmung der absoluten Zahl vorhandener Mole­ küle und/oder deren zeitliche Variation und/oder durch die Bestimmung der spezifischen Konzen­ trationen strukturell unterschiedlicher Liganden und/oder der Ligandenkomplexe und die daraus abzu­ leitenden thermodynamischen Bindekonstanten spezi­ fischer Wechselwirkungen und/oder die Geschwindig­ keitskonstanten spezifischer Erkennungsreaktionen oder enzymatischer Prozesse unter Beteiligung Liganden-gekoppelter Moleküle durchgeführt wird.4. The method according to at least one of claims 1 to 3, being about the measurement of translation diffusion and / or rotational diffusion with evaluation of the corrections  the functional evaluation in particular the determination of the absolute number of moles present cooler and / or their temporal variation and / or by determining the specific conc structurally different ligands and / or the ligand complexes and the derived therefrom conductive thermodynamic binding constants spec interactions and / or the speed constant of specific recognition reactions or enzymatic processes with participation Ligand-coupled molecules is performed. 5. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die gemessenen Moleküle oder Molekülkom­ plexe ionischer oder nicht-ionischer Natur sind.5. The method according to at least one of claims 1 to 4, the measured molecules or molecule comm are complex ionic or non-ionic in nature. 6. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung in einem überlagerten konstanten oder zeitlich variierenden elektrischen oder magnetischen Feld stattfindet.6. The method according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the measurement in one superimposed constant or time-varying electric or magnetic field takes place. 7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die ionischen Moleküle oder Molekülkomplexe eines Probenvolumen mit Hilfe eines gleichgerichteten elektrischen Feldes oder eines elektrischen Wechselfeldes zum Durchtritt durch das Meßelement und/oder kurz­ fristigen Verbleib im Meßelement gezwungen werden.7. The method according to claim 6, wherein the ionic Molecules or molecular complexes of a sample volume with the help of a rectified electrical Field or an alternating electrical field for Passing through the measuring element and / or briefly timely remain in the measuring element. 8. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der luminophore Ligand und/oder der luminophore Ligandenkomplex einen Extinctionskoeffizienten 30 000 bei einer Quantenausbeute 0,1 aufweist. 8. The method according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the luminophore Ligand and / or the luminophore ligand complex an extinction coefficient of 30,000 for a Quantum yield 0.1.   9. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkompartimente in einem Arbeitsabstand von 1000 µm vom Aus­ gangsobjektiv angeordnet sind, wobei das Objektiv entweder direkt mit dem Probenvolumen in Kontakt steht oder wobei das Probenvolumen durch eine dünne Folie von der Austrittslinse getrennt ist.9. The method according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the measuring compartments at a working distance of 1000 µm from the outside gear lens are arranged, the lens either directly in contact with the sample volume stands or where the sample volume by a thin Film is separated from the exit lens. 10. Verfahren gemäß, mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß definierte Moleküle und/oder Gleichgewichtsgemische von Molekülen und/oder kinetische Reaktionsverläufe in mindestens einem Probenvolumenelement analysiert werden, wobei im Falle mehrerer Probenvolumenelemente diese auf einem flächigen Träger in zweidimensionaler An­ ordnung, insbesondere einer Membran oder Folie und/oder einer Wafer-Oberfläche, oder in linearer Weise, vorzugsweise in einem kapillaren System, an­ geordnet werden, wobei in bevorzugter Weise die Probenvolumina in oder auf natürlichen oder in vitro modifizierten Zellen und/oder in künstlich herge­ stellten vesikulären Strukturen vorliegen, insbe­ sondere Vesikel auf Basis von Liposomen oder auf Basis löslicher Polymere mit Vesikel-bildenden Eigen­ schaften.10. The method according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that defined molecules and / or equilibrium mixtures of molecules and / or kinetic course of reactions in at least a sample volume element can be analyzed, whereby in the case of several sample volume elements a two-dimensional flat support order, in particular a membrane or film and / or a wafer surface, or in linear Way, preferably in a capillary system are ordered, the Sample volumes in or on natural or in vitro modified cells and / or in artificially herge vesicular structures exist, esp special vesicles based on liposomes or Based on soluble polymers with vesicle-forming properties create. 11. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Proben­ volumina durch Verwendung eines Mikrodispensier­ systems generiert werden.11. The method according to at least one of claims 1 to 10, characterized in that the individual samples volumes by using a microdispenser systems are generated. 12. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zugriff auf phäno­ typisch selektierte Genotypen auf DNA oder RNA-Ebene ermöglicht wird durch photochemische Markierung ent­ sprechender Meßpositionen, indem entweder die lokale Position des zugehörigen Volumenelementes gekenn­ zeichnet wird, vorzugsweise durch Einsatz des zur Phänotyp-Analyse eingesetzten Lasersystems unter Verwendung photochemisch aktivierbarer Substanzen zur optischen Kennzeichnung, oder indem durch photo­ chemisch aktivierbare Reagentien, die in löslicher oder Oberflächen-gebundener Form mit dem Inhalt des selektierten Volumenelementes in Kontakt stehen und mit Strukturelementen des selektierten Genotyps in eine stabile chemische Wechselwirkung treten können, insbesondere durch Psoralenderivate, und über eine spezifische Bindungsreaktion zu einem gekoppelten Strukturelement eine gezielte Abtrennung des selek­ tierten Genotyps ermöglicht, insbesondere aktivier­ bare Substanzen, die mit Oligonukleotiden oder Biotin oder Avidin oder Streptavidin oder Oligo­ peptide oder Metallkomplexbildner oder Kombinationen davon verknüpft sind.12. The method according to at least one of claims 1 to 11, characterized in that access to pheno typically selected genotypes at the DNA or RNA level is made possible by photochemical labeling  speaking measuring positions by either the local Known position of the associated volume element is drawn, preferably by using the Phenotype analysis used laser system under Use of photochemically activatable substances for optical identification or by using photo chemically activatable reagents in soluble or surface-bound form with the content of the selected volume element are in contact and with structural elements of the selected genotype in a stable chemical interaction can occur, in particular through psoraline derivatives, and via a specific binding reaction to a coupled Structural element a targeted separation of the selek enabled genotype, in particular activated bare substances with oligonucleotides or Biotin or avidin or streptavidin or oligo peptides or metal complexing agents or combinations of which are linked. 13. Verwendung des Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, zur Bestimmung der Reaktions­ effizienz einer spezifischen Stoffumwandlung oder einer Bindungsreaktion eines Liganden-tragenden Moleküls, indem zu bewertende Volumenelemente simultan oder sequentiell Reaktionsbedingungen aus­ gesetzt werden und nach definierter Reaktionsdauer eine Analyse der Reaktionsprodukte durchgeführt wird.13. Use of the method according to at least one of the Claims 1 to 12 for determining the reaction efficiency of a specific substance conversion or a binding reaction of a ligand-bearing Molecule by adding volume elements to be evaluated reaction conditions simultaneously or sequentially be set and after a defined reaction time carried out an analysis of the reaction products becomes. 14. Verwendung des Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, zur qualitativen und/oder quanti­ tativen Erfassung spezifischer Moleküle und/oder Molekülkomplexe und/oder der molekularen Umgebung der Moleküle und/oder Molekülkomplexe, insbesondere die Messung und/oder Bewertung physiologisch aktiver Rezeptoren, insbesondere Oberflächenrezeptoren oder die Bewertung Rezeptor-bindender Liganden oder Li­ gandenkomplexe.14. Use of the method according to at least one of the Claims 1 to 13, for qualitative and / or quanti tative detection of specific molecules and / or Molecular complexes and / or the molecular environment of the molecules and / or molecular complexes, in particular  measurement and / or evaluation more physiologically active Receptors, in particular surface receptors or the assessment of receptor binding ligands or Li gandic complexes. 15. Verwendung des Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14 als Alternative zu Radioimmuno­ assays oder Enzymimmunoassays, indem die kompetitive Bindung eines gesuchten Moleküls mit einem Lumino­ phor-tragenden Liganden an ein Rezeptormolekül ge­ messen wird.15. Use of the method according to at least one of the Claims 1 to 14 as an alternative to radioimmuno assays or enzyme immunoassays by the competitive Binding of a desired molecule with a Lumino phor-carrying ligands to a receptor molecule will measure. 16. Verwendung des Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, zur Analyse komplexer Molekül­ kollektive wie replikativer Moleküle, insbesondere Nukleinsäuren und davon abgeleitete Proteine oder Peptide, komplexe chemische Reaktionsprodukte, kom­ plexe Systeme von Syntheseprodukten aus chemischen Reaktionen oder komplexe Gemische von Sekundärmeta­ boliten als zelluläre Syntheseprodukte.16. Use of the method according to at least one of the Claims 1 to 15 for the analysis of complex molecules collective and replicative molecules in particular Nucleic acids and proteins derived therefrom or Peptides, complex chemical reaction products, com complex systems of synthesis products from chemical Reactions or complex mixtures of secondary meta bolites as cellular synthesis products. 17. Verwendung des Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Analyse komplexer Substanzgemische on line mit einer analytischen Fraktionierung erfolgt.17. Use of the method according to at least one of the Claims 1 to 13, wherein the analysis is more complex Mixtures of substances on line with an analytical Fractionation takes place. 18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17 mit einer an sich bekannten Mikroskopoptik für die Laserfokussie­ rung zur Fluoreszenzanregung in einem kleinen Meß­ kompartiment einer sehr verdünnten Lösung und zur Abbildung des emittierten Lichtes in der nachfolgen­ den Messung durch konfokale Abbildung, wobei min­ destens eine Optik hoher numerischer Apertur 1,2 N.A. eingesetzt wird, die Lichtmenge durch eine konfokale angeordnete Lochblende in der Objekt­ ebene nach dem Mikroskopobjektiv begrenzt wird und das Meßkompartiment in einem Abstand zwischen 0 und 1000 µm vom Beobachtungsobjektiv entfernt positio­ niert ist.18. Device for performing the method according to at least one of claims 1 to 17 with one well-known microscope optics for laser focus tion for fluorescence excitation in a small measurement compartment of a very dilute solution and Figure of the emitted light in the follow the measurement by confocal imaging, whereby min mostly an optic with a high numerical aperture  1.2 N.A. is used, the amount of light through  a confocal pinhole arranged in the object plane is limited according to the microscope objective and the measuring compartment at a distance between 0 and Positio 1000 µm from the observation lens is nated. 19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß zwei Objektive verwendet werden, die einen Winkel < 90° zueinander bilden.19. The apparatus according to claim 18, characterized in net that two lenses are used, one Form angles <90 ° to each other. 20. Vorrichtung gemäß Anspruch 18 und/oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle kontinuierliche Laser mit emittierenden Wellenlängen < 200 nm einge­ setzt werden, insbesondere Argon-, Krypton-, Helium-Neon-, Helium-Cadmium-Laser oder hochfrequent gepulste Laser 20 MHz mit einer Leistung 0,5 mW.20. The device according to claim 18 and / or 19, characterized characterized in that as a light source continuous Laser with emitting wavelengths <200 nm turned on be used, especially argon, krypton, Helium-neon, helium-cadmium laser or high-frequency pulsed laser 20 MHz with a power of 0.5 mW. 21. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen für die Einzelphotonenzählung, wie Lawinendioden­ detektoren, im Strahlengang des emittierten Lichtes angeordnet sind zur Registrierung des emittierten Lichtes, und wobei die Signalanalyse durch einen digitalen Korrelator oder Vielkanalzähler erfolgt.21. The device according to at least one of claims 18 to 20, characterized in that facilities for single photon counting, like avalanche diodes detectors, in the beam path of the emitted light are arranged to register the emitted Light, and where the signal analysis by a digital correlator or multichannel counter. 22. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12 und 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßkompartiment in einem Probenvolumen zwischen zwei Kapillaren fixiert wird, wobei die Kapillaren auf der Außenseite mit einer chemisch inerten, leitfähigen Beschichtung versehen sind, insbesondere einer Metallbedampfung, insbesondere einer Goldbe­ dampfung auf einem Chromgrund und wobei die leit­ fähigen Beschichtungen mit einem Rechner-geregelten gleichgerichteten Feld oder einem elektrischen Wechselfeld verbunden sind und über das Meßkomparti­ ment leitend miteinander verbunden sind.22. The device according to at least one of claims 1 to 12 and 18 to 21, characterized in that the measuring compartment in a sample volume between two capillaries is fixed, the capillaries on the outside with a chemically inert conductive coating are provided, in particular a metal vapor deposition, especially a goldbe vaporization on a chrome background and the conduct capable coatings with a computer-controlled rectified field or an electrical  Alternating field are connected and via the measuring compartment ment are connected to each other. 23. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander gegenüberstehende Mikroskopoptiken das Meßkomparti­ ment einschließen.23. The device according to at least one of claims 18 to 22, characterized in that two each other opposing microscope optics the measuring compartment include ment. 24. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie zur Aufnahme der Proben durch eine molekulare Derivati­ sierung spezifische Bindungseigenschaften für Mole­ küle aufweist, insbesondere in Form von Ionenaus­ tauscher-Liganden oder Affinitätsliganden, insbe­ sondere Oligopeptide, Polypeptide, Proteine, Anti­ körper oder Chelatbildner, insbesondere Iminodi­ essigsäure- oder Nitrilotriessigsäure-Liganden, ins­ besondere Folien, die ortsspezifisch unterschied­ liche Molekülstrukturen unterschiedlicher Bindungs­ spezifität als Liganden aufweisen.24. The device according to at least one of claims 18 to 23, characterized in that the film for Uptake of the samples by a molecular derivative specific binding properties for moles cooler, especially in the form of ions exchanger ligands or affinity ligands, in particular special oligopeptides, polypeptides, proteins, anti body or chelating agent, especially Iminodi acetic acid or nitrilotriacetic acid ligands, ins special foils that differed by location molecular structures of different bonds have specificity as ligands.
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