EP1507591A1 - Verfahren zum überführen von molekülen aus einem chemisch reagierenden ersten strom in einen benachbarten chemisch reagierenden zweiten strom - Google Patents

Verfahren zum überführen von molekülen aus einem chemisch reagierenden ersten strom in einen benachbarten chemisch reagierenden zweiten strom

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EP1507591A1
EP1507591A1 EP03755135A EP03755135A EP1507591A1 EP 1507591 A1 EP1507591 A1 EP 1507591A1 EP 03755135 A EP03755135 A EP 03755135A EP 03755135 A EP03755135 A EP 03755135A EP 1507591 A1 EP1507591 A1 EP 1507591A1
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EP
European Patent Office
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flow
flows
molecule
microparticle
electrodes
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03755135A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
John Simpson Mccaskill
Thomas RÜCKER
Harald Mathis
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1507591A1 publication Critical patent/EP1507591A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01D57/02—Separation, other than separation of solids, not fully covered by a single other group or subclass, e.g. B03C by electrophoresis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0093—Microreactors, e.g. miniaturised or microfabricated reactors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
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    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/10—Integrating sample preparation and analysis in single entity, e.g. lab-on-a-chip concept
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0415—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic

Definitions

  • the invention relates to a method for transferring molecules from a chemically reacting first stream into an adjacent chemically reacting second stream, that is to say a method in which molecules are selectively transferred between at least two chemically reacting flows.
  • biopolymers using chemical and enzymatic reagents often requires a large number of steps under different conditions in biotechnology. This requires an increasing number of steps, variety, parallelism and integration with increasingly programmable reaction management.
  • biopolymer processing operations include synthesis, amplification, separation, selection, modification, cutting and assembly, labeling, detection, sorting, nano assembly and reaction control.
  • synthesis, amplification, separation, selection, modification, cutting and assembly labeling, detection, sorting, nano assembly and reaction control.
  • detection, sorting nano assembly and reaction control.
  • nano assembly and reaction control Especially in "lab-on-a-chip” applications, a complete automated and self-sufficient sample processing is sought.
  • the invention contributes to this broad technical field of application, in which computer-controlled and parallel transfer of biopolymers in small volumes between a large number of different reaction solutions.
  • microreactor systems with electrical fields is generally limited to arrangements that generate fields in the longitudinal direction of the flow and thus only use the electrophoretic effect for particle separation or serve to transport the particles.
  • the fields created can be pulsed or harmonically modulated fields that are actually capable of avoiding electrolysis within certain parameter limits (concentration, current density, potential differences).
  • An adaptation to the particle types, however, is hardly possible.
  • the use of protected electrodes by gels or polymers prevents the rigid attachment of ions and the redox conversion of the particles to be transported.
  • the static biochips currently mostly used only allow a few process steps per chip. This makes further process integration very difficult.
  • the invention proposes a method according to claim 1; individual embodiments of the invention are specified in the subclaims.
  • the invention therefore describes a method for converting a molecule, molecular complex or microparticle in a first flow into a second flow flowing adjacent to the first flow and contacting it at least in regions along a boundary layer, the at least two laminar flows having different chemical compositions, which contain, in particular, mutually incompatible reaction agents (for example catalysts, buffers) in order to cause reactions on the molecule, molecular complex or microparticles to be transferred, it also being provided that
  • reaction agents for example catalysts, buffers
  • the invention thus proposes (bio) molecules or (bio) molecule complexes induced by electrical fields from a first flowing medium with which the molecule can initiate a (bio) chemical reaction into a second flowing medium to which the molecule can also react (bio-) chemically.
  • the transfer of the reactant in the form of the (bio) molecule or complex thus takes place in the flow.
  • the peculiarity of the invention consists precisely in this selective addressing, which takes place through the parameters of the electric field.
  • Inhomogeneous electric fields have proven to be particularly advantageous for transverse transport.
  • the transverse transport according to the invention preferably utilizes the dipole moment of a molecule, a molecular complex or a particle, which follows this in particular in an inhomogeneous electric field.
  • the type of application of the electric fields is selected such that the flowing media are not exposed to any electrochemical reactions.
  • Electrodes are inserted into the channel in a sequence that runs transversely to the direction of flow so that they do not disturb the flow conditions.
  • the electrode spacing ranges between l ⁇ m and lOO ⁇ m depending on the channel width and task. If the induced transport path is longer than the width of the mixture layer, molecules can be affected by a reaction condition, i.e. Reaction solution to the other (and returned if desired).
  • the molecules can be the biomolecules themselves or other reagents (see Fig. 1).
  • the electrodes are addressed individually and pulsed with digital voltages or by means of analog voltages in such a way that particle transport starts due to electrophoresis or electromigration across the flow direction.
  • digital voltages with which the pulse duration and duty cycle can be set, electrolytic phenomena, especially in the high salt area, can be avoided by undermining the electrode kinetics.
  • Electrodes with gels or polymers prevent the rigid attachment of ions and the redox conversion of the particles to be transported. 5.
  • the individual control of the electrodes also makes it possible to adapt the electrical parameters to the types of particles to be moved, so that neighboring types of particles are influenced less or not at all.
  • the use of the neighboring 'laminar flow technology allows a high degree of integration and prevents contamination.
  • the electrode-controlled transfer of biomolecules between solutions is quick and reversible and can even cause the samples to concentrate with minimal losses.
  • the use of the digital fields enables individual control of a large number of electrodes, so that the particles can be specifically addressed and disruptive effects such as electrolytic phenomena can be avoided.
  • Very small field strengths can be achieved by using small rectangular electrodes with small distances between them.
  • the fields can be made inhomogeneous, so that particles with a stronger dipole than ion character can also be influenced effectively.
  • PCR polymerase chain reaction
  • the clinical diagnosis of pathogenic organisms usually consists of several reaction steps, the reaction conditions of which are incompatible. The most important steps are the disruption of the cells and the extraction and detection of the nucleic acid.
  • it is possible to disrupt cells by adding lysis buffer in order to release genomic or plasmid DNA. After digestion, unnecessary cell components, such as cell wall pieces or proteins, have to be removed.
  • This DNA preparation can be solved by adjacent laminar flows if the cells are placed in cell lysis buffer in one channel and a transport buffer in the adjacent channel.
  • the DNA will be transferred from the cell lysis buffer into a transport buffer using electrical fields which are directed transversely to the direction of flow and can be used directly for further manipulations, such as restriction, or for detection, e.g. by means of hybridization.
  • a problem with the multiple restriction digestion of DNA is the sometimes very different buffer conditions of the individual restriction enzymes. Adjacent laminar flows can solve this problem if the various buffers with the corresponding enzymes run side by side and only the DNA is transferred.
  • the cut DNA can be ligated in a further channel with the appropriate enzyme / reaction solution with a target sequence.
  • nucleic acids consists of the repeated sequence of several work steps.
  • a start nucleoside is elongated by coupling 5 'chemically protected nucleosides.
  • the protective group is then removed and the next nucleoside is coupled.
  • the product is chemically oxidized.
  • the individual steps can be solved by the arrangement of the corresponding laminar flows and the electrode-induced transport of the growing synthesis product according to the invention.
  • Fig. 1 A microstructured channel system with sudden contact of the laminar flows.
  • the white arrows indicate the direction of the laminar flows (1).
  • (2) marks the contact point of these rivers.
  • the dark rectangles (3) stand for electrode arrays with which components can be transferred from one flow to another. The method is not limited to two parallel channels
  • Fig. 2 A microstructured channel system with a switching channel (4).
  • the labeling is analogous to Fig. 1.
  • the process is not limited to two channels.

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Abstract

Bei dem Verfahren zum Überführen eines in einer ersten Strömung befindlichen Moleküls, Molekülkomplexes oder Mikropartikels in eine benachbart zur ersten Strömung fliessenden und diese zumindest bereichsweise entlang einer Grenzschicht kontaktierende zweite Strömung, wobei die mindestens zwei laminaren Strömun-gen unterschiedliche chemische Zusammensetzungen aufweisen und insbesondere zueinander inkompatible Reaktionen(z.B. Katalysatoren, Pufferlösungen) an dem zu überführenden Molekül, Molekülkomplex oder Mikropartikel hervorrufen, bleiben die chemischen Zusammen-setzung in den beiden Strömungen trotz der Kontaktflächen durch die laminare Strömung aufrechterhalten. Zumindest im Kontaktbereich der Grenzschicht der mindestens zwei Strömungen wird zur Überführung des Moleküls, Molekülkomplexes oder Mikropartikels ein elektrisches Feld angelegt, das im wesentlichen quer zur Flussrichtung bzw. zu den Flussrichtungen der mindestens zwei Strömungen gerichtet ist.

Description

Verfahren zum Überführen von Molekülen aus einem chemisch reagierenden ersten Strom in einen benachbarten chemisch reagierenden zweiten Strom
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überführen von Molekülen aus einem chemisch reagierenden ersten Strom in einen benachbarten chemisch reagierenden zweiten Strom, also ein Verfahren, bei dem Moleküle selektiv zwischen mindestens zwei chemisch reagierenden Strömungen selektiv überführt wer- den.
Technische Anwendungsgebiete
Die Verarbeitung von Biopolymeren mit Hilfe von chemischer und enzymati- scher Reagenzien erfordert häufig eine Vielzahl von Schritten unter unterschiedlichen Bedingungen in der Biotechnologie. Dabei wird eine steigende Schrittzahl, Variationsvielfalt, Parallelität und Integration unter zunehmend programmierbarer Reaktionsführung benötigt. Solche Biopolymer Verarbeitungsvorgänge schließen Synthese, Amplifikation, Trennung, Selektion, Modifi- kation, Schneiden und Zusammenfügen, Labelling, Detektion, Sortierung, Na- noassembly und Reaktionssteuerung ein. Vor allem in "Lab-on-a-chip" Anwendungen wird eine komplette automatisierte und autark ablaufende Probenverarbeitung angestrebt. Die Erfindung trägt zu diesem breiten technischen Anwendungsgebiet bei, in dem rechnergesteuert und parallel in kleinsten Vo- lumina Biopolymere zwischen einer Vielzahl von unterschiedlichen Reaktionslösungen übertragen werden.
Stand der Technik
Viele biotechnologische Prozesse basieren auf der Kombination von mehreren Reaktionsschritten, die oft auf sehr unterschiedliche und nicht-kompatible Re- aktionsbedingungen angewiesen sind. Die Arbeit mit Restriktionsenzymen, Li- gasen und Polymerasen sind charakteristische Beispiele hierfür, die den Wechsel von Reaktionspuffern erfordert. In anderen Fällen ist es nötig, prinzipiell kompatible Teilschritte in einer bestimmten Reihenfolge abzuarbeiten. Die Re- aktionsbedingungen für Biopolymere zu ändern ist aufwendig und erfordert spezifische Trennungs- und Aufkonzentrierungsschritte, z.B. das Entsalzen von Nukleinsäuren. Es bildet eine signifikante technische Barriere zur Integration, wenn Proben nicht immobilisiert und identisch verarbeitet werden sollen. Unabhängig davon, ob diese Transferschritte automatisch oder manuell ausge- führt werden, erhöhen sie sowohl die benötigte Zeit als auch das Kontaminationsrisiko und verursachen materielle Verluste an Proben.
Hoch parallele Probenführung und Laborautomatisierung im Bereich der Biotechnologie zeigen zwei unterschiedliche Ansätze: offene Chiptechnologie (DNA Chips, Antikörper Chips usw.) und geschlossene Mikrofluidiksysteme (Lab-on-a-Chip). Erfolgreiche bisherige Ansätze, Reaktionssysteme in Mikro- strukturen oberhalb von 1000 Proben zu implementieren basieren auf der Miniaturisierung von offenen Reaktionskammern (also der ersten Kategorie). Im wesentlichen seriell arbeitende Pipettierroboter sind dann notwendig, um Pro- ben von einer Kammer in die nächste zu bringen, und begrenzen den Probendurchsatz, wenn Molekültransferschritte benötigt werden. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn Biomoleküle in Lösung von einer Reaktionsbedingung in eine andere gewechselt werden müssen, z.B. um Reaktionen unter einer anderen Pufferbedingung zu führen. Elektroelution und Elektroentsalzung sind gängige aber aufwendige Methoden, um größere Probenmengen zwischen Reaktionsschritten aufzuarbeiten. Sie werden zwischen sich ruhenden Flüssigkeiten verwendet.
Unterschiedliche Reaktionsbedingungen können mit Hilfe einer laminaren Flusstechnik in unmittelbare Nähe in geschlossene Mikrosysteme gebracht werden. Hierbei werden zwei oder mehr Flüsse parallel oder antiparallel nebeneinander in einer Reaktionskammer geführt. Die niedrige Reynoldszahl und die kleinen Diffusionskoeffizienten (im Vergleich zu Kontaktzeiten) führen zu einer vernachlässigbaren Vermischung der beiden Lösungen an der Grenzfläche. Eine solche Technik ist bereits früher vorgeschlagen worden. Biomoleküle können dann (z. B. auf magnetischen Beads) von einer Lösung in die nächste transferiert werden. Dieser Transfer ist aber relativ schwer zu integrieren und zu kontrollieren; eine parallele individuelle Reaktionsführung mit Magneten ist aufwendig.
Die Kombination von Mikroreaktorsystemen mit elektrischen Feldern be- schränkt sich in der Regel auf solche Anordnungen, die Felder in Längsrichtung des Flusses erzeugen und so lediglich den elektrophoretischen Effekt zur Teilchentrennung ausnutzen oder dem Teilchentransport dienen. Bei den angelegten Feldern kann es sich um gepulste oder harmonisch modulierte Felder handeln, die tatsächlich fähig sind, Elektrolyse in bestimmten Parametergren- zen (Konzentration, Stromdichte, Potentialunterschiede) zu vermeiden. Eine Anpassung an die Teilchensorten dagegen ist kaum möglich. Die Verwendung von geschützten Elektroden durch Gele oder Polymere verhindert die starre Anlagerung von Ionen und die Redox-Umsetzung der zu transportierenden Teilchen. Die zur Zeit meist verwendeten statischen Biochips lassen immer nur wenige Prozessschritte pro Chip zu. Das macht eine weitere Integration von Prozessen sehr schwierig.
Aufgabe
Eine Vielzahl von individuell programmierbaren Reaktionsschritten in parallelen Biopolymerproben sollen unter verschiedenen Reaktionsbedingungen in kleinen Volumina durchgeführt werden. Dies soll ohne aufwändige Trenn- oder Pipet- tierschritte oder mechanische oder hydrodynamische Schaltung geschehen, die eine Integration für hoch parallelen Probendurchsatz verhindern. Lösung
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 1 vorgeschlagen; einzelne Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit der Erfindung wird demzufolge ein Verfahren zum Überführen eines in einer ersten Strömung befindlichen Moleküls, Molekülkomplexes oder Mikropartikels in eine benachbart zur ersten Strömung fließende und diese zumindest bereichsweise entlang einer Grenzschicht kontaktierende zweite Strömung beschrieben, wobei die mindestens zwei laminaren Strömungen unterschiedliche chemische Zusammensetzungen aufweisen, die insbesondere zueinander inkompatible Reaktionsmittel (z.B. Katalysatoren, Puffer) enthalten, um Reaktionen an dem zu überführenden Molekül, Molekülkomplex oder Mikropartikeln hervorzurufen, wobei zusätzlich vorgesehen ist,
dass die chemischen Zusammensetzungen in den beiden Strömungen trotz der Kontaktflächen durch die laminaren Strömungen aufrecht erhalten bleiben und - dass zumindest im Kontaktbereich der Grenzschicht der mindestens zwei Strömungen zur Überführung des Moleküls, Molekülkomplexes oder Mikropartikels ein elektrisches Feld angelegt wird, dass im wesentlichen quer zur Flussrichtung bzw. zu den Flussrichtungen der mindestens zwei Strömungen gerichtet ist.
Mit der Erfindung wird also vorgeschlagen, (Bio-)Moleküie bzw. (Bio-) Molekülkomplexe durch elektrische Felder induziert von einem ersten strömenden Medium, mit dem das Molekül eine (bio-)chemische Reaktion eingehen kann, in ein zweites strömendes Medium, mit dem das Molekül ebenfalls (bio-) che- misch reagieren kann, zu überführen. Der Transfer des Reaktants in Form des (Bio-)Moleküls bzw. -komplexes erfolgt also im Fluss. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, über das Anlegen von elektrischen Feldern, die im wesentlichen quer zum Fluss gerichtet sind, selektiv Moleküle, Molekülkomplexe oder Partikel in den Strömungen anzusprechen. Die Besonderheit der Erfindung besteht gerade in diesem selektiven Anspre- chen, was durch die Parameter des elektrischen Feldes erfolgt. Insbesondere haben sich inhomogene elektrische Felder für den Quertransport als vorteilhaft herausgestellt. Vorzugsweise wird durch den erfindungsgemäßen Quertransport das Dipolmoment eines Moleküls, eines Molekülskomplexes oder eines Partikels ausgenutzt, das insbesondere in einem inhomogenen elektrischen Feld diesem folgt.
Die Art der Anlegung der elektrischen Felder ist nach der Erfindung der Art gewählt, dass die strömenden Medien keinerlei elektrochemischen Reaktionen ausgesetzt sind.
Grundzüge der Lösungswege
1. Unterschiedliche mischbare Lösungen werden unter parallelen oder antiparallelen laminaren Flussbedingungen in direktem Kontakt über einer gewissen Strecke geführt, ohne sich insgesamt zu vermischen. Dies kann u.a. in geschlossenen Mikroreaktoren in Kanälen geschehen. Unter den verwendeten Flussgeschwindigkeiten (<< 1 m/s) und Dimensionen (Kanäle mit Breiten und Tiefen auf der Skala von lμm - 10mm) sind hydrodynamische Turbulenzen nicht vorhanden und thermische Konvek- tion vernachlässigbar. In der Abwesenheit von elektrischen Feldern findet der Austausch von Molekülen zwischen benachbarten Flüssen lediglich ü- ber Diffusion statt. Die Diffusion verursacht eine Mischung der Flüssigkeiten nur innerhalb einer Grenzschicht (Mischungsschicht). Die Breite der Mischungsschicht steigt mit der Kontaktlänge und hängt von der Fließgeschwindigkeit ab. Typische Diffusionskoeffizienten von Biomolekülen z. B. sind im Bereich 10"u m2/s. 2. Da sich parallele/anti-parallele laminare Flüsse nicht durchmischen können sehr unterschiedliche Reaktionsbedingungen in unmittelbare räumliche Nähe gebracht werden. Das ist von besonderem Interesse, wenn sich Komponenten der einzelnen Lösungen gegenseitig durch Inhibition oder ungewollte Reaktion stören oder verbrauchen würden. Statt die einzelnen nicht-kompatiblen Reaktionsschritte räumlich getrennt und nacheinander ablaufen zu lassen, wird nur das Biomolekül von Interesse quer zur Strömungsrichtung der Flüsse von einer Reaktionslösung in eine andere transportiert. Dadurch entfallen zusätzliche Zwischenschritte, wie Entsalzung oder Reinigung.
3. Durch den direkten Kontakt der unterschiedlichen Lösungen können geladene Moleküle ohne Hinderung durch eine Barriere mittels eines elektrischen Feldes von einer Lösung zur nächsten transferiert werden. Es wer- den Elektroden in einer quer zur Flussrichtung verlaufenden Aufeinanderfolge in den Kanal so eingebracht, dass diese die Flussverhältnisse nicht stören. Die Elektrodenabstände bewegen sich zwischen lμm und lOOμm je nach Kanalbreite und Aufgabe. Wenn der induzierte Transportweg länger als die Breite der Mischungsschicht ist, können Moleküle von einer Reaktionsbedingung, d.h. Reaktionslösung zur anderen (und wenn gewünscht zurück) geführt werden. Die Moleküle können die Biomoleküle selbst sein oder sonstige Reagenzien (siehe Abb. 1).
4. Die Elektroden werden individuell und gepulst mit Digitalspannungen oder mittels Analogspannungen so angesprochen, dass ein Teilchentransport aufgrund von Elektrophorese oder Elektromigration quer zur Flussrichtung einsetzt. Durch die Verwendung von Digitalspannungen, bei denen Pulsdauer und Tastverhältnis einstellbar sind, können elektrolytische Erscheinungen vor allem im Hochsalzbereich durch Unterlaufen der Elektroden- kinetiken vermieden werden. Die bekannte Verwendung von geschützten
Elektroden durch Gele oder Polymere verhindert die starre Anlagerung von Ionen und die Redox-Umsetzung der zu transportierenden Teilchen. 5. Die individuelle Ansteuerung der Elektroden ermöglicht es ferner, die e- lektrischen Parameter an die zu bewegenden Teilchensorten anzupassen, so dass benachbarte Teilchensorten weniger stark oder gar nicht be- einflusst werden.
6. Die Lösungen werden so zusammengesetzt, dass die Beweglichkeit der Ionen und der Dissoziationsgrad der Hilfsstoffe (Leitsalz, Puffer) die Bewegung der eigentlichen Teilchen durch Abschirmeffekte an den Elektro- den oder Vermischungen der Puffer bzw. Reaktionslösungen vor allem an den Grenzflächen nur wenig beeinflussen.
7. Durch die Einführung einer Trennwand mit kurzen Verbindungskanälen in regelmäßigen Abständen können nach kurzen Transferperioden unter konstanten Flussbedingungen Zeit für Mischvorgänge und Reaktionen in den getrennten Lösungen gelassen werden, ohne dass sich die beiden Lösungen in dieser Zeit vermischen (siehe Abb. 2).
Verbesserungen und Vorteile gegenüber Stand der Technik
Die Nutzung der benachbarten' laminaren Flusstechnik erlaubt ein hohes Maß an Integration und verhindert Kontamination. Der von Elektroden gesteuerte Transfer von Biomolekülen zwischen Lösung ist schnell und reversibel und kann sogar eine Aufkonzentrierung der Proben mit minimalen Verluste bewir- ken.
Die Verwendung der digitalen Felder ermöglicht die individuelle Ansteuerung einer Vielzahl von Elektroden, so dass die Teilchen spezifisch angesprochen werden können und störende Effekte wie elektrolytische Erscheinungen ver- mieden werden können. Durch die Verwendung kleiner rechteckiger Elektroden mit kleinen Abständen zueinander können sehr hohe Feldstärken realisiert werden. Die Felder können inhomogen ausgestaltet werden, so dass Teilchen mit stärkerem Dipol- als Ionencharakter ebenfalls effektiv beeinflusst werden können.
Durch den Einsatz laminarer Flüsse lassen sich Reaktionen mit stark unter- schiedlichem Reaktionsmilieu in räumlicher Nähe kombinieren. Es kommt nicht zur Inhibition oder ungewollten Reaktion zwischen Reaktionsbestandteilen verschiedener Prozessschritte. Keine zusätzliche Reinigungsschritte zum Entfernen von nicht benötigten oder störenden Reaktionsbestandteilen, Nebenprodukten oder Abbauprodukten werden benötigt. Damit wird u.a. die Reaktions- zeit verringert. Außerdem reduziert sich die Gefahr von Kontaminationen durch teilweise manuelle Arbeitsschritte. Es muss nicht zwischen verschiedenen Reaktionsumgebungen gewechselt werden. Damit entfallen Probleme, die z.B. durch einen Wechsel der Oberflächenbeschaffenheit (Adsorption) verursacht werden. Es ist keine aufwändige Technik (Ventile, Schalter, Temperaturgra- dienten) nötig.
Anwendungsbeispiel der Erfindung
Chemische Amplifikation von Nukleinsäuren:
Eine Standardmethode zur Amplifikation von DNA stellt die Polymerase-Ket- tenreaktion (PCR) dar. Sie basiert auf der abwechselnden Denaturierung von Template-DNA, anschließender Hybridisierung spezifischer Primer und deren Elongation. Die klassische Denaturierung erfolgt thermisch, kann aber auch chemisch ausgelöst werde. Zur chemischen Denaturierung kann eine pH- Änderung genutzt werden (50-100mM NaOH), aber auch Stoffe wie Harnstoff (8,3M) oder Formamid (50%). Handelt es sich bei den laminaren Flüssen aus Abb.l um eine Enzymlösung und eine Denaturierungslösung kann mit Hilfe der Elektroden DNA abwechselnd in die Enzym/Amplifikations- und Denaturie- rungslösung transportiert werden. Damit ist die Voraussetzung zur Amplifikation erfüllt. Ein Übergang von der Enzym/Amplifikationslösung zur Denaturierungslösung und zurück entspricht dabei einem klassischen PCR-Zyklus. Alternativen sind
1. Moleküldiagnostik:
Die klinische Diagnostik pathogener Organismen besteht in der Regel aus mehreren Reaktionsschritten, deren Reaktionsbedingungen nicht miteinander vereinbar sind. Die wichtigsten Schritte sind der Aufschluss der Zellen und die Extraktion und Detektion der Nukleinsäure. In der Regel ist es möglich, Zellen durch die Zugabe von Lysispuffer aufzuschließen, um genomische oder Plas- mid-DNA freizusetzen. Nach dem Aufschluss müssen überflüssige Zellbestandteile, wie Zellwandstücke oder Proteine, entfernt werden. Diese DNA- Präparation kann durch angrenzende laminare Flüsse gelöst werden, wenn die Zellen in Zell-Lysis-Puffer in einem Kanal und ein Transportpuffer im Nachbarkanal angelegt werden. Die DNA wird erfindungsgemäß unter Ausnutzung e- lektrischer Felder, die quer zur Strömungsrichtung gerichtet sind, aus dem Zell-Lysis-Puffer in einen Transportpuffer überführt werden und direkt für weiter Manipulationen, wie Restriktion, oder für eine Detektion, z.B. mittels Hybridisierung, eingesetzt werden.
2. Restriktion/ Ligation:
Ein Problem bei dem Mehrfach-Restriktionsverdau von DNA sind die zum Teil stark abweichenden Pufferbedingungen der einzelnen Restriktionsenzyme. Dieses Problem kann durch angrenzende laminare Flüsse gelöst werden, wenn die verschiedenen Puffer mit den entsprechenden Enzymen nebeneinander laufen und nur die DNA überführt wird. Die geschnittene DNA kann in einem weiteren Kanal mit der geeigneten Enzym/Reaktionslösung mit einer Zielsequenz ligiert werden. 3. DNA Synthese:
Die Synthese von Nukleinsäuren besteht aus der wiederholten Abfolge mehrer Arbeitsschritte. Es kommt zur Elongation eines Start-Nukleosides durch die Kopplung 5' chemisch geschützter Nukleoside. Anschließend wird die Schutzgruppe entfernt und das nächste Nukleosid gekoppelt. Am Ende der Synthese wird das Produkt chemisch oxidiert. Die einzelnen Schritte lassen sich durch die Anordnung der entsprechenden laminaren Flüsse und den erfindungsgemäßen elektroden-induzierten Transport des wachsenden Syntheseproduktes lösen.
In der Zeichnung, auf die bereits oben Bezug genommen wurde, ist dargestellt:
Abb. 1 Ein mikrostrukturiertes Kanalsystem mit unvermitteltem Kontakt der laminaren Flüsse. Die weißen Pfeile zeigen die Richtung der laminaren Flüsse (1) an. (2) markiert die Kontaktstelle dieser Flüsse. Die dunklen Rechtecke (3) stehen für Elektroden-Arrays, mit denen Komponenten aus einem Fluss in einen anderen überführt werden können. Das Verfahren ist nicht auf zwei parallele Kanäle beschränkt
(links) sondern funktioniert auch mit 3 oder mehr Flüssen (rechts).
Abb. 2 Ein mikrostrukturiertes Kanalsystem mit Vermittlungskanal (4). Die Beschriftung ist analog zu Abb. 1. Auch hier ist das Verfahren nicht auf zwei Kanäle beschränkt.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Überführen eines in einer ersten Strömung befindlichen Moleküls, Molekülkomplexes oder Mikropartikels in eine benachbart zur ersten Strömung fließenden und diese zumindest bereichsweise entlang einer Grenzschicht kontaktierende zweite Strömung, wobei die mindestens zwei laminaren Strömungen unterschiedliche chemische Zusammensetzungen aufweisen und insbesondere zueinander inkompatible Reaktionen (z.B. Katalysatoren, Pufferlösungen) an dem zu überführenden Molekül, Molekülkomplex oder Mikropartikel hervorrufen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die chemischen Zusammensetzungen in den beiden Strömungen trotz der Kontaktflächen durch die laminaren Strömungen aufrechterhalten bleiben und dass zumindest im Kontaktbereich der Grenzschicht der mindestens zwei Strömungen zur Überführung des Moleküls, Molekülkomplexes oder Mikropartikels ein elektrisches Feld angelegt wird, das im wesentlichen quer zur Flussrichtung bzw. zu den Flussrichtungen der mindestens zwei Strömungen gerichtet ist (Abb. 1, 2).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei sich entlang von Grenzschichten zumindest teilweise kontaktierenden Strömungen vorgesehen sind und dass elektrische Felder selektiv im wesentlichen quer zu den jeweiligen Grenzschichten zwischen zwei Strömungen angelegt werden (Abb. 1, rechts).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungen in einem integrierten Mikroreaktornetzwerk geführt werden (Abb. 1, 2).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kontaktbereich entlang der gesamten Grenzschicht erstreckt (Abb. 1).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzschicht in voneinander beabstandeten, die Kontaktbereiche bildenden Durchlässen ausgebildet ist (Abb. 2).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Kontaktbereich mindestens eine Gruppe von mindestens zwei Elektroden zum Anlegen einer elektrischen Spannung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zugeordnet ist, wobei die Elektroden jeder Gruppe im wesentlichen quer zur Flussrichtung bzw. zu den Flussrichtungen aufeinander folgen (Abb. 1, 2).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gruppe mehrere nebeneinander angeordnete Elektroden aufweist und dass se- quenziell zwischen jeweils benachbarten Elektroden ein elektrisches Feld erzeugt wird (Abb. 1, 2).
8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Automatisierten Multi-Schritt-Reaktionsführung von Biomolekülen, wobei die einzelnen Schritte in einer definierten Reihenfolge geschehen müssen.
9. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur programmierbaren Reaktionsführung, wobei die Reihenfolge und Wahl der einzelnen Reaktionen durch Programmierung der zeitlichen Elektrodenspannungen gesteuert werden können.
10. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für molekular-diagnostische Anwendungen.
11. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für das Molekular-Computing.
12. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für das Wirkstoff-Screening.
13. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für "Lab- on-a-Chip"-Laborautomatisierungen.
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