DE4424030A1 - Verwendung von akustischen Oberflächenwellen-Mikrobauelementen zur Untersuchung des biochemischen Zustandes von Flüssigkeiten, insbesondere Körperflüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von akustischen Ober­ flächenwellen-Mikrobauelementen zur Untersuchung des biochemischen Zustandes von Flüssigkeiten, insbesondere Körperflüssigkeiten, durch Ermittlung der Frequenzverschiebung von akustischen Ober­ flächenwellen auf piezoelektrischen Kristallen infolge der Mas­ seänderung von Molekülen an der Grenzfläche Kristall/Flüssigkeit.

Zur sicheren Feststellung von Veränderungen im Zustand von Körperflüssigkeiten, wie Blut, Harn, Lymphe, Rückenmarksflüssig­ keit u. a., müssen in der Regel mehrere Komponenten in kompli­ zierten biomedizinischen Untersuchungen analysiert werden. Die Bewertung der Merkmale sollte möglichst gleichzeitig und ohne gegenseitige Beeinflussung erfolgen. Das ist sehr schwierig, weil die Zugabe von zur Analyse eines Merkmales notwendiger Reagenzien das Gesamtbild verändert. Beispielsweise wird die Zusammenlagerungsreaktion durch Tracermoleküle zur Reaktionser­ kennung markiert. Weiterhin muß u. a. durch Teilung einer ent­ sprechend großen Probemenge oder mit sehr aufwendigen, zerstö­ rungsfreien Methoden gearbeitet werden. Die Gesamtprozedur kann einen langen Zeitraum in Anspruch nehmen und ist sehr kosten­ aufwendig. Weiterhin ist es möglich, die biochemischen Zustands­ komponenten von Flüssigkeiten durch den Einsatz von Mikroelek­ tronik zu ermitteln. Dazu werden akustische Oberflächenwellen- Mikrobauelemente zur Untersuchung des biochemischen Zustandes von Flüssigkeiten durch Ermittlung der Frequenzverschiebung von akustischen Oberflächenwellen der piezoelektrischen Kristalle der Oberflächenwellen-Mikrobauelemente infolge der Masseänderung der Moleküle in der Flüssigkeit verwendet. Bei dieser Methode wird immer nur eine Komponente des biochemischen Zustandes ermittelt. Da der Zustand durch mehrere Komponenten charakterisiert ist, verlängert sich der Meßvorgang, wobei für jedes Partnermolekül in der Flüssigkeit ein Oberflächenwellen- Mikrobauelement mit einem entsprechenden Markiermolekül zum Einsatz kommt. Diese Methode ist zeitaufwendig und teuer. Des­ weiteren kann sich im Laufe der Untersuchung der Zustand der Flüssigkeit ändern und die bereits erzielten Meßwerte treffen den augenblicklichen Zustand nicht mehr.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, akustische Oberflä­ chenwellen-Mikrobauelemente der eingangs genannten Art zur Untersuchung des biochemischen Zustandes von Flüssigkeiten so zu verwenden, daß mehrere Zustandskomponenten gleichzeitig erfaßt werden, um Untersuchungszeit und Untersuchungskosten einzusparen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß auf mehreren nacheinander angeordneten Kristallchips je ein Mikro­ bauelement oder die Mikrobauelemente nacheinander auf einem Kristallchip angeordnet sind, wobei aus biochemischer Sicht ausgewählte Moleküle an den Wellenlaufflächen der einzelnen Bauelemente fest verankert sind, die sich bei Vorhandensein von Partnermolekülen in der Flüssigkeit mit diesen verbinden, wobei der entstehende, spezifische Molekülkomplex eine Massen­ änderung und damit eine Frequenzänderung des jeweiligen Mikro­ bauelements bewirkt, welche mittels geeigneter Schaltungen getrennt verfolgt und aufgenommen wird.

Ein besonderer Vorteil dieser Erfindung ist, daß der Zeitaufwand für Untersuchungen bedeutend verringert wird und damit die Möglichkeit erhöht wird, den augenblicklichen biochemischen Zustand der Flüssigkeit zu erhalten. Damit können auch Zeitab­ läufe von biochemischen Vorgängen bestimmt werden, die sehr kurzfristig ablaufen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dazu wird der Zustand des Blutes, beispielsweise bei Erkrankungen, untersucht. Krankhafte Veränderungen werden durch bestimmte Makromoleküle gekennzeichnet. Die körpereigenen Abwehrreaktionen produzieren Antikörper, die ihrerseits die Veränderungen charakterisieren. Im Regelfall bilden Körper und Antikörper paarweise festverhaftete Molekülkomplexe aus. Für jedes Krankheitsbild sind mehrere solcher Komplexe genau be­ kannt. Die Zusammenlagerung dieser Moleküle führt zu Massever­ änderungen. Diese Masseveränderungen können durch akustische Oberflächenwellen-Mikrobauelemente (AOW-Bauelemente) verfolgt werden. Die Ausbreitung akustischer Wellen an der Oberfläche piezoelektrischer Kristalle hängt sehr empfindlich vom Grenz­ flächenverhalten zwischen Kristallen und angrenzender Flüssigkeit ab. Bereits monomolekulare Massebelegung der Grenzfläche führt zu meßbaren Veränderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen. Zweckmäßig wird eine Welle bekannter Frequenz an der Kristalloberfläche über den Piezoeffekt eingekoppelt. Die Frequenzänderung bei der Wellenausbreitung infolge der Massen­ belegung kann an einem Empfängerelement gemessen werden. Dies ist besonders für Belegungen im Flüssigkeitsstrom geeignet, weil es unter bestimmten Kristallbedingungen möglich ist, die Wellen als Scherschwingungen anzuregen. Dadurch wird nur die unmittelbar an die Kristalloberfläche angrenzende Flüssigkeits­ schicht über Adhäsionskräfte zum Mitschwingen veranlaßt. Volu­ menschwingungen in der Flüssigkeit, die die piezoelektrischen Schwingungen des Kristalls stark bedämpfen würden, werden aus­ geschlossen. Um verschiedene Molekularkomplexe auf einmal in einer Flüssigkeit zu ermitteln, werden mehrere solche AOW-Bau­ elemente auf einem Kristallchip im Flüssigkeitsstrom nacheinander angeordnet. Es besteht auch die Möglichkeit jedes AOW-Bauelement mit einem einzelnen Kristallchip zu verbinden und im Flüssig­ keitsstrom nacheinander anzuordnen. Durch geeignete elektrische Verschaltung sollen die Oberflächenwellen gemeinsam, mit ein­ heitlicher Frequenz angeregt, die Änderung der Ausbreitungs­ geschwindigkeit, die zur Frequenzänderung am Empfängerelement führt, jedoch getrennt gemessen werden. Mit einer speziellen Präparationstechnik können aus biomedizinischer Sicht ausgewählte Molekülgruppen an den Wellenlaufflächen auf den Bauelementen fest verankert werden. Werden diese Markermoleküle im Flüssig­ keitsstrom von den krankheitsbedingt vorhandenen Partnermolekülen erreicht, dann kommt es zur Verbindung. Die betroffenen Bau­ elemente zeigen diese Masseänderung durch eine entsprechende Frequenzverschiebung an.

Von besonderem Vorteil ist dabei, daß auch instabile Flüssig­ keitszustände bewertet werden können. Die Klarheit der tech­ nischen Bauelemente ermöglicht kleinste Probemengen. Die Er­ findung findet u. a. Anwendung bei der Detektion von Proteinen, Blutfetten, Kohlehydraten, Hormonen, Enzymen, Giften, Sucht­ mitteln, Dopingmitteln, Viren und Bakterien. Weitere Einsatz­ gebiete sind die Lebensmittelüberwachung, Umweltüberwachung und Tiermedizin.

Claims (1)

1. Verwendung von akustischen Oberflächenwellen-Mikrobauelementen zur Untersuchung des biochemischen Zustandes von Flüssigkeiten, insbesondere von Körperflüssigkeiten, durch Ermittlung der Frequenzverschiebung von akustischen Oberflächenwellen auf piezoelektrischen Kristallen infolge der Masseänderung von Molekülen an der Grenzfläche Kristall/Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß auf mehreren nacheinander angeordneten Kristallchips je ein Mikrobauelement oder die Mikrobauelemente nacheinander auf einem Kristallchip angeordnet sind, wobei aus biochemischer Sicht ausgewählte Moleküle an den Wellenlaufflächen der einzelnen Bauelemente fest verankert sind, die sich bei Vorhandensein von Partnermolekülen in der Flüssigkeit mit diesen verbinden, wobei der entstehende, spezifische Molekülkomplex eine Masseänderung und damit eine Frequenzänderung des jeweiligen Mikrobauelements bewirkt, welche mittels geeigneter Schaltungen getrennt verfolgt und aufgezeichnet wird.