EP2054717A2 - Method for detecting electrically conductive macromolecules - Google Patents

Method for detecting electrically conductive macromolecules

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EP2054717A2
EP2054717A2 EP07801589A EP07801589A EP2054717A2 EP 2054717 A2 EP2054717 A2 EP 2054717A2 EP 07801589 A EP07801589 A EP 07801589A EP 07801589 A EP07801589 A EP 07801589A EP 2054717 A2 EP2054717 A2 EP 2054717A2
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EP
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macromolecule
volume
macromolecules
ion
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Withdrawn
Application number
EP07801589A
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Inventor
Holger MÜHLBERGER
Werner Hoffmann
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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    • G01N27/44756—Apparatus specially adapted therefor
    • G01N27/44791—Microapparatus

Definitions

  • the apparatus suitable for carrying out the method according to the invention comprises

Abstract

The invention relates to a method for detecting individual or a few electrically conductive macromolecules, preferably nucleic acids or proteins, which are present in an ion-conducting fluid such that they move freely. It is an object of the invention to provide a method for detecting the macromolecules, without the need to provide the macromelecules in advance with a magnetic marker or label. This method is also intended to enable the manipulation of the macromolecules, particularly for transporting them for analysis, for separating them or for enriching them. This object is achieved by the following method. First, an ion-conducting fluid, in which the macromolecule (4) which is free from magnetic markers is located, is added to a volume (1). Subsequently, an electric field is applied over the volume, which produces a first magnetic field around the at least one electroconductive macromolecule. Finally, a magnetic field sensor (5) is used to ascertain the magnetic field or its temporal change, by means of which the macromolecule can be detected.

Description

Verfahren zum Nachweis von elektrisch leitfähigen MakromolekülenMethod for the detection of electrically conductive macromolecules
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von elektrisch leitfähigen Makromolekülen, die frei von magnetischen Markern sind und sich frei beweglich in einem ionenleitenden Fluid befinden.The invention relates to a method for the detection of electrically conductive macromolecules, which are free of magnetic markers and are freely movable in an ion-conducting fluid.
M. Tondra, A. Popple, A. Jander, R. L. Milien, N. Pekas und M. D. Porter stellen in Microfabricated tools for manipulation and analysis of magnetic microcarriers, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Band 293, S. 725-730, 2005, eine Vorrichtung mit mikrostrukturierten Sensoren und Drähten, die auf dem Riesenmagnetwiderstand (Giant Magneto Resistance, GMR) basieren, zum Nachweis und zur Manipulation von magnetischen Mikroträgern vor.M. Tondra, A. Popple, A. Jander, RL Milien, N. Pekas, and MD Porter, in Microfabricated Tools for Manipulation and Analysis of Magnetic Microcarriers, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 293, pp. 725-730, 2005 , a device with microstructured sensors and wires based on Giant Magneto Resistance (GMR) for the detection and manipulation of magnetic microcarriers.
Aus H. Brückel und J. Schotter, Magnetoresistiver Nachweis von Biomolekülen, Technisches Messen, Band 70, S. 577-581, 2003, ist ein Biochip auf der Basis magnetoresistiver Sensoren zum Nachweis von magnetischen Markern (Beads) bekannt. Zur Durchführung dieses Verfahrens ist es erforderlich, dass die nachzuweisenden Moleküle mit einem Marker versehen sind.From H. Brückel and J. Schotter, Magnetoresistive Detection of Biomolecules, Technical Measurement, Volume 70, pp 577-581, 2003, a biochip on the basis of magnetoresistive sensors for the detection of magnetic markers (beads) is known. To carry out this method, it is necessary that the molecules to be detected are provided with a marker.
Aus B. Xu, P. Zhang, X. Li und N. Tao, Direct Conductance Measurement of Single DNA molecules in Aqueous Solution, Nanoletters 2004, Band 4, S. 1105-1008 ist bekannt, dass isolierte Desoxyribonukleinsäure (DNA) Moleküle elektrische Leitfähigkeit zeigen. Hierbei wurden für verschiedene Sequenzen unterschiedliche Leitfähigkeitsmechanismen beobachtet. Das hierin beschriebene Verfahren erfordert eine aufwändige Präparation und ist für den Routineeinsatz nicht geeignet.It is known from B. Xu, P. Zhang, X. Li and N. Tao, Direct Conductance Measurement of Single DNA Molecules in Aqueous Solution, Nanoletters 2004, Volume 4, pp. 1105-1008, that isolated deoxyribonucleic acid (DNA) molecules have electrical Show conductivity. Different conductivity mechanisms were observed for different sequences. The method described herein requires a costly preparation and is not suitable for routine use.
H. W. Fink und C. Schönenberger in Nature 398, S. 407, 1999, sowie A. Y. Kasumov, M. Kociak, S. Gueron, B. Reulet, V.T. Volkov, D. V. KIi- nov und H. Bouchiat in Science 291, S. 280, 2001, wiesen jeweils eine hohe Leitfähigkeit von λ-DNA auf einer Skala von 0,5 μm nach. Für ein einzelnes DNA-Molekül mit einer Länge von 500 nm beobachteten sie typische Widerstände von 300 kΩ bzw. 3 MΩ. M. -I. Park, J. Hong,D. S. Yoon, C-O. Park und G. Im berichten in A microfluidic device with integrated detection for λ-DNA, Mat . Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 773, S. N6.5.1 - N6.5.6, 2003, über Ergebnisse von Impedanzuntersuchungen an in Lösung frei beweglicher λ-DNA als Funktion der Frequenz des angelegten elektrischen Felds. Es zeigten sich hohe Leitfähigkeiten und eine nahezu konstante Impedanz der K- DNA über einen weiten Bereich von 1 Hz bis 10 kHz.HW Fink and C. Schönenberger in Nature 398, p. 407, 1999, and AY Kasumov, M. Kociak, S. Gueron, B. Reulet, VT Volkov, DV Kiminov and H. Bouchiat in Science 291, p. 280 , 2001, each showed a high conductivity of λ-DNA on a scale of 0.5 microns. For a single DNA molecule with a length of 500 nm, they observed typical resistances of 300 kΩ and 3 MΩ, respectively. M. -I. Park, J.Hung, DS Yoon, CO. Park and G. In the report in A microfluidic device with integrated detection for λ-DNA, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 773, pp. N6.5.1 - N6.5.6, 2003, on results of impedance studies on solution-free λ-DNA as a function of the frequency of the applied electric field. High conductivities and a nearly constant impedance of the K DNA were found over a wide range from 1 Hz to 10 kHz.
Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Nachweis von Makromolekülen, die sich frei beweglich in einem ionenleitenden Fluid befinden, vorzuschlagen, das die genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweist. -Accordingly, it is the object of the present invention to provide a method for the detection of macromolecules which are freely movable in an ion-conducting fluid, which does not have the disadvantages and limitations mentioned. -
Insbesondere soll ein derartiges Verfahren den Nachweis einzelner oder einiger weniger Makromoleküle, vorzugsweise von Nukleinsäuren oder Proteinen, routinemäßig ermöglichen, ohne dass diese zuvor mit einem magnetischen Marker oder Label versehen werden müssen.In particular, such a method should routinely enable the detection of single or a few macromolecules, preferably of nucleic acids or proteins, without having to first provide them with a magnetic marker or label.
Weiterhin soll ein derartiges Verfahren die Manipulation einzelner oder einiger weniger Makromoleküle ermöglichen, vor allem um diese zur Analyse zu transportieren, zu separieren oder anzureichern.Furthermore, such a method should allow the manipulation of single or a few macromolecules, especially for transporting, separating or enriching them for analysis.
Diese Aufgabe wird durch die Schritte des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.This object is achieved by the steps of claim 1. The subclaims describe advantageous embodiments of the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Nachweis mindestens eines Makromoleküls basiert auf der Anregung eines Stromflusses über das elektrische leitfähige Makromolekül, so dass um das Makromolekül ein Magnetfeld induziert wird.The inventive method for detecting at least one macromolecule is based on the excitation of a current flow via the electrically conductive macromolecule, so that a magnetic field is induced around the macromolecule.
Durch Anlegen eines elektrischen Felds über ein flüssiges oder gasförmiges Medium (Fluid) , in dem sich mindestens ein elektrisch leitfähiges Makromolekül befindet, wird hierüber elektrische Ladung transportiert. Diese induziert ein magnetisches Feld um das Makromolekül, das proportional zum Strom über das Makromolekül und umge- kehrt proportional zum Abstand vom Makromolekül ist. Das auf dieseBy applying an electric field via a liquid or gaseous medium (fluid) in which there is at least one electrically conductive macromolecule, electrical charge is transported over this. This induces a magnetic field around the macromolecule that is proportional to the current across the macromolecule and vice versa. is proportional to the distance from the macromolecule. That on this
Weise entstehende Magnetfeld ist in makroskopischer Entfernung äußerst gering. Erfolgt die Erfassung des Signals des Magnetfelds jedoch in einem geringen Abstand vom erzeugenden Molekül, wie es z.B. in einer mikrofluidischen Messzelle der Fall ist, so nimmt die Größe des Magnetfelds mit abnehmendem Abstand entsprechend zu.The resulting magnetic field is extremely low at macroscopic distance. However, if the detection of the magnetic field signal occurs at a short distance from the generating molecule, e.g. in a microfluidic measuring cell, the size of the magnetic field increases correspondingly with decreasing distance.
Moderne elektronische Messtechnik erlaubt es heute, kleinste Magnetfelder mit hoher Auflösung zu detektieren. Magnetfeldsensoren auf Basis des Riesenmagnetwiderstands (GMR) und des Tunnelmagnetwiderstands (TMR, Tυnneling Magneto Restistance) sind darauf optimiert, sehr kleine Manetfelder mit einer örtlichen Auflösung im Nanometer- bereich nachzuweisen.Today, modern electronic measuring technology makes it possible to detect the smallest magnetic fields with high resolution. Magnetic field sensors based on giant magnetoresistance (GMR) and tunneling magnetoresistance (TMR) are optimized to detect very small manet fields with a local resolution in the nanometer range.
Das auf diese Weise messtechnisch erfasste erste Magnetfeld dient dem Nachweis des Vorhandenseins der Makromoleküle in einem Volumen. Vorzugsweise wird hierbei die Stärke des magnetischen Felds annähernd senkrecht zur Richtung des elektrischen Felds erfasst und gemessen.The first magnetic field detected in this way serves to detect the presence of the macromolecules in a volume. Preferably, the strength of the magnetic field is detected and measured approximately perpendicular to the direction of the electric field.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden die Makromoleküle aufgrund ihrer elektrisch induzierten magnetischen Eigenschaften durch Beaufschlagung mit einem zweiten magnetischen Feld manipuliert. Dadurch wird z.B. ein Transport der Makromoleküle, eine Separation der Makromoleküle nach ihrer Magnetfeldstärke entsprechend einem Mas- senspektrometer oder eine Fokussierung der Makromoleküle verwirklicht, die der Analyse der nachzuweisenden Makromoleküle dient.In a particular embodiment of the invention, the macromolecules are manipulated due to their electrically induced magnetic properties by application of a second magnetic field. This will e.g. a transport of the macromolecules, a separation of the macromolecules according to their magnetic field strength according to a mass spectrometer or a focusing of the macromolecules realized, which serves the analysis of the macromolecules to be detected.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das mindestens eine Makromolekül zusätzlich mit einem elektrischen Wechselfeld beaufschlagt, wodurch es sich periodisch bewegt, so dass über die Form des Signals des aufgenommenen Magnetfelds auf zusätzliche Informationen zur Charakterisierung des Makromoleküls geschlossen werden kann. Befindet sich während des Nachweises nur noch ein einzelnes Makromolekül im Volumen, so erfolgt die Bestimmung der zusätzlichen Informationen direkt. Auf diese Weise entfällt die sonst übliche Separa- tion der Moleküle z.B. über die Laufzeit bei der Elektrophorese.In a further embodiment of the invention, the at least one macromolecule is additionally subjected to an alternating electric field, as a result of which it moves periodically so that it is possible to infer additional information about the characterization of the macromolecule via the shape of the signal of the recorded magnetic field. If there is only one single macromolecule in the volume during the detection, the additional information is determined directly. This eliminates the usual separa- tion of the molecules, for example, over the term in the electrophoresis.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Nachweis von elektrisch leitfähigen Makromolekülen, die sich frei beweglich in einem ionenleitenden Fluid befinden, weist die nachfolgend im Einzelnen erläuterten Schritte a) bis c) auf.The inventive method for the detection of electrically conductive macromolecules, which are freely movable in an ion-conducting fluid, has the steps explained in detail below a) to c).
Gemäß Schritt a) wird zunächst das mindestens eine nachzuweisende Makromolekül in einer ionenleitenden Lösung (Fluid) z.B. in einer Matrix in Form eines Gels in ein Volumen eingebracht.According to step a), the at least one macromolecule to be detected is first of all dissolved in an ion-conducting solution (fluid), e.g. introduced into a volume in a matrix in the form of a gel.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in erster Linie zum Nachweis von Makromolekülen wie Desoxyribonukleinsäure (DNA) , Ribonukleinsäuren (RNA) wie Transfer-Ribonukleinsäure (t-RNA) , Messenger-Ribonukleinsäure (in-RNA) , ribosomaler Ribonukleinsäure (r-RNA) , small nuclear Ribonukleinsäure (sn-RNA), von Proteinen natürlichen oder synthetischen Derivaten davon, oder einer Mischung dieser Makromoleküle .The method according to the invention is primarily suitable for the detection of macromolecules such as deoxyribonucleic acid (DNA), ribonucleic acids (RNA) such as transfer ribonucleic acid (t-RNA), messenger ribonucleic acid (in-RNA), ribosomal ribonucleic acid (r-RNA), small nuclear ribonucleic acid (sn-RNA), proteins of natural or synthetic derivatives thereof, or a mixture of these macromolecules.
Hieran anschließend werden die Makromoleküle innerhalb des Volumens gemäß Schritt b) mit einem elektrischen Gleich- oder Wechselfeld beaufschlagt. Das Einbringen des elektrischen Felds in das Volumen erfolgt vorzugsweise über ein oder mehrere Elektrodenpaare, die inner- oder außerhalb des Volumens angebracht sind. Wie bereits erläutert, wird hierdurch ein erstes magnetisches Feld im Makromolekül erzeugt (induziert) .Following this, the macromolecules within the volume in accordance with step b) are subjected to an electrical DC or alternating field. The introduction of the electric field into the volume preferably takes place via one or more electrode pairs, which are mounted inside or outside the volume. As already explained, this creates (induces) a first magnetic field in the macromolecule.
Schließlich wird gemäß Schritt c) das Signal des auf diese Weise im Makromolekül erzeugten ersten magnetischen Felds bzw. die hierdurch hervorgerufenen Änderung des ersten magnetischen Felds mit einem geeigneten Sensor erfasst und ausgewertet.Finally, according to step c), the signal of the first magnetic field generated in this way in the macromolecule or the change in the first magnetic field caused thereby is detected and evaluated with a suitable sensor.
In einer besonderen Ausgestaltung wird das Volumen, in dem sich das Makromolekül befindet, derart mit einem zweiten magnetischen Feld beaufschlagt, dass das mindestens eine Makromolekül eine Kraft erfährt, hierdurch in Richtung des Sensors bewegt und so zum Nachweis gebracht wird.In a particular embodiment, the volume in which the macromolecule is located is subjected to a second magnetic field such that the at least one macromolecule experiences a force, thereby moved in the direction of the sensor and so brought to the proof.
Eine zur Durchfuhrung des erfmdungsgemaßen Verfahrens geeignete Vorrichtung zum Nachweis von Makromolekülen, die frei von magnetischen Markern sind und sich frei beweglich in einem ionenleitenden Fluid befinden, weist mindestens die folgenden Bestandteile auf:A device suitable for carrying out the method according to the invention for detecting macromolecules which are free of magnetic markers and are freely movable in an ion-conducting fluid has at least the following constituents:
- mindestens ein Volumen zum Einbringen des ionenleitenden Fluids mit dem mindestens einen Makromolekül,at least one volume for introducing the ion-conducting fluid with the at least one macromolecule,
- mindestens ein Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Felds über das Volumen, undat least one means for generating an electric field across the volume, and
- mindestens ein Mittel zum Nachweis oder zum Anlegen eines Magnetfelds.- At least one means for detecting or applying a magnetic field.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird hierzu mindestens ein Elektrodenpaar als Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Gleich- oder Wechselfeldes inner- oder außerhalb des Volumens angebracht.In a preferred embodiment, for this purpose, at least one electrode pair is attached as means for generating an electrical DC or alternating field inside or outside the volume.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die zur Durchfuhrung des erfmdungsgemaßen Verfahrens geeignete VorrichtungIn a further embodiment of the invention, the apparatus suitable for carrying out the method according to the invention comprises
- eine Vielzahl von Volumina zum Einbringen von ionenleitenden Fluiden mit jeweils mindestens einem Makromolekül,a plurality of volumes for introducing ion-conducting fluids, each having at least one macromolecule,
- eine oder mehrere Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, undone or more means for generating an electric field, and
- mindestens ein Mittel zum Nachweis oder zum Anlegen eines Magnetfelds, das mittels des so genannten Multiplexens kurz hintereinander über mehrere oder alle Volumina eingesetzt wird.- At least one means for detecting or for applying a magnetic field, which is used by means of the so-called multiplexing in quick succession over several or all volumes.
Das erfmdungsgemaße Verfahren ist hochempfindlich, da die Erzeugung des Magnetfeldes durch die Leitfähigkeit des Moleküls bedingt ist, so dass bereits mit kleinen Mengen an Makromolekülen innerhalb des Volumens gearbeitet werden kann. Verunreinigungen etwa durch kleine Ionen stellen kein Problem dar, da sie keinen wesentlichen Beitrag zum magnetischen Signal liefern. Die Nachweisgrenzen sind gering, obwohl auf das Markieren bzw. Labein der Makromoleküle verzichtet wird. Da die heutigen Detektoren in Leseköpfen für Computer-Festplatten bereits mit räumlichen Auflösungen im Nanometerbereich arbeiten, können auch Unterschiede im Magnetfeld über ein einzelnes Molekül ausgewertet werden, um dessen Molekülstruktur zu analysieren. Bei einer weiteren Erhöhung der Empfindlichkeit der Detektoren sind so Aussagen über die Struktur des Makromoleküls möglich.The erfmdungsgemaße method is highly sensitive, since the generation of the magnetic field is due to the conductivity of the molecule, so that it is already possible to work with small amounts of macromolecules within the volume. Contaminations such as small ions are not a problem since they do not contribute significantly to the magnetic signal. The detection limits are low, although the labeling or labein of the macromolecules is omitted. Since today's detectors in reading heads for computer hard disks already work with spatial resolutions in the nanometer range, also differences in the magnetic field can be evaluated over a single molecule, in order to analyze its molecular structure. With a further increase in the sensitivity of the detectors so statements about the structure of the macromolecule are possible.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet berührungslos. Das Anlegen eines elektrischen Feldes über ein Messvolumen ist einfach zu durchzuführen.The inventive method works without contact. The application of an electric field over a measuring volume is easy to perform.
Als Sensoren lassen sich für Festplatten entwickelte Detektoren einsetzen. Wird zusätzlich der Sensor entsprechend einem Festplatten- Lesekopf beweglich gestaltet, so kann sich der Detektor mit einer sehr hohen Positionierungsgenauigkeit und Geschwindigkeit zwischen mehreren Messzellen bewegen. Damit wird Multiplexen über eine sehr große Anzahl von Messzellen möglich. Miniaturisierte hochparalleli- sierte Systeme z.B. zur Genomsequenzierung werden so realisierbar.As sensors can be used for hard drives developed detectors. In addition, if the sensor is designed to be movable according to a hard disk read head, then the detector can move with very high positioning accuracy and speed between several measuring cells. This makes multiplexing possible over a very large number of measuring cells. Miniaturized highly parallelized systems, e.g. for genome sequencing become so feasible.
Neben dem Einsatz zum quantitativen Nachweis von Molekülen z.B. am Ende einer elektrophoretischen Trennung lassen sich mit dem vorliegenden Verfahren auch direkt Informationen über die Struktur des Moleküls gewinnen. Ebenso wird eine direkte Manipulation von Molekülen möglich .Besides the use for the quantitative detection of molecules e.g. At the end of an electrophoretic separation, information about the structure of the molecule can also be obtained directly with the present method. Likewise, direct manipulation of molecules becomes possible.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figur näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to an embodiment and the figure.
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. An ein Volumen 1 in einem offenen (z.B. Gel-Pad) oder geschlossenen (z.B. Kapillare) Behälter 10, in dem sich ein Fluid, d.h. eine Flüssigkeit, ein Gas oder eine Matrix z.B. in Form eines Gels befindet, ist ein Elektrodenpaar 2, 2' zum Anlegen eines elektrischen Felds angebracht. Wird nun über ein Mittel 3 zum Anlegen eines elektrischen Felds ein elektrisches Feld über das Volumen 1 angelegt, so fließt durch das elektrisch leitfähige Makromolekül 4, das sich frei beweglich im Volumen 1 befindet, ein Strom, der ein erstes magnetisches Feld über das Makromolekül 4 induziert. Das erste magnetische Feld bzw. dessen zeitliche Änderung lässt sich mit einem Magnetfeldsensor 5 ermitteln.The figure shows a schematic representation of the method according to the invention. To a volume 1 in an open (eg gel pad) or closed (eg capillary) container 10, in which there is a fluid, ie a liquid, a gas or a matrix, for example in the form of a gel, is an electrode pair 2, 2 'applied for applying an electric field. If an electric field is applied via the volume 1 via a means 3 for applying an electric field, a current flowing through the electrically conductive macromolecule 4, which is freely movable in the volume 1, flows through the macromolecule 4 through a first magnetic field induced. The first magnetic field or its temporal change can be determined with a magnetic field sensor 5.
Das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche Auflösungsvermögen lässt sich wie folgt abschätzen:The resolution required to carry out the process according to the invention can be estimated as follows:
Die magnetische Feldstärke H im Radius r um einen elektrischen Leiter, in dem ein Strom I fließt, beträgt H = I/(2πr). Die Größe des Stroms I durch den Leiter beträgt I = U/R, wobei sich der elektrische Widerstand R des Leiters im Falle einer zylinderförmigen Geometrie durch seine Länge 1, seine Querschnittsfläche A und seinen spezifischen Widerstand p mit R = (p-l)/A beschreiben lässt.The magnetic field strength H in the radius r around an electrical conductor in which a current I flows is H = I / (2πr). The magnitude of the current I through the conductor is I = U / R, wherein the electrical resistance R of the conductor in the case of a cylindrical geometry by its length 1, its cross-sectional area A and its resistivity p with R = (pl) / A describe leaves.
Betrachtet man das zu erfassende Makromolekül als einen 100 nm langen zylinderförmigen Leiter mit einem Querschnitt von 1 nm2 und wird ein spezifischen Widerstand des Makromoleküls in der Größenordnung von Kohle mit p = 40 (Ωτnm2)/m angenommen, so ergibt sich der elektrische Widerstand zu R = 4 • 106 Ω, ein Wert der sehr gut mit H. W. Fink und C. Schönenberger, Nature 398, S. 407, 1999, übereinstimmt.Considering the macromolecule to be detected as a 100 nm long cylindrical conductor with a cross section of 1 nm 2 and assuming a resistivity of the macromolecule of the order of coal with p = 40 (Ωτnm 2 ) / m, the electrical resistance is obtained to R = 4 • 10 6 Ω, a value which agrees very well with HW Fink and C. Schönenberger, Nature 398, p. 407, 1999.
Wird nun eine Spannung in Höhe von 0,1 V an den Leiter angelegt, fließt ein sehr kleiner Strom der Größe I = 2,5-10~8 A durch den Leiter. Dieser ruft im Abstand von 1 μm eine magnetische Feldstärke in Höhe von H = 4-10"3 A/m hervor. Wird dagegen eine Spannung in Höhe von 1 V an den Leiter angelegt, fließt ein Strom durch den Leiter, der im Abstand von 0, 1 μm sogar eine magnetische Feldstärke in Höhe von H = 0,4 A/m hervorruft.If a voltage of 0.1 V is applied to the conductor, a very small current of the size I = 2.5-10 ~ 8 A flows through the conductor. At a distance of 1 μm, this causes a magnetic field strength of H = 4-10 "3 A / m, whereas if a voltage of 1 V is applied to the conductor, a current flows through the conductor at a distance of 0.1 μm even causes a magnetic field strength of H = 0.4 A / m.
Es sind bereits GMR Sensoren erhältlich, die Auflösungen von 0,1 nT (~ l-10~4 A/m) bei einer Reproduzierbarkeit von 1 nT (~ 1-10"3 A/m) zeigen. Bei einer elektrischen Leitfähigkeit von Makromolekülen, die vergleichbar mit der des Kohlenstoffs ist, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren den Nachweis einzelner Moleküle. Dabei ist zu beachten, dass das abgeschätzte Nachweislimit für die GMR um 3 Größenordnungen geringer ist als gegenwärtig erhältliche Sensoren. Werden GMR Sensoren durch TMR Sensoren ersetzt, so lässt sich die Nachweisempfindlichkeit sogar noch weiter steigern. GMR sensors are already available, showing resolutions of 0.1 nT (~ l-10 ~ 4 A / m) with a reproducibility of 1 nT (~ 1-10 "3 A / m). With an electrical conductivity of macromolecules which is comparable to that of the carbon, the method according to the invention makes it possible to detect individual molecules. It should be noted that the estimated GMR detection limit is 3 orders of magnitude less than currently available sensors. If GMR sensors are replaced by TMR sensors, the detection sensitivity can be increased even further.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Nachweis von elektrisch leitfähigen Makromolekülen, die frei von magnetischen Markern sind und sich frei beweglich in einem ionenleitenden Fluid befinden, mit den Schritten a) Einbringen des ionenleitenden Fluids, in dem sich mindestens ein Makromolekül (4), das frei von magnetischen Markern ist, befindet, in ein Volumen (1), b) Anlegen eines elektrischen Felds über das Volumen (1), wodurch um das mindestens eine elektrisch leitfähige Makromolekül (4), das sich frei beweglich im Volumen (1) befindet, ein erstes magnetisches Feld erzeugt wird, und c) Ermitteln des ersten magnetischen Felds oder dessen zeitlicher Änderung mittels eines Magnetfeldsensors (5) zum Nachweis des mindestens einen Makromoleküls (4) .A method for detecting electrically conductive macromolecules which are free of magnetic markers and are freely movable in an ion-conducting fluid, comprising the steps of a) introducing the ion-conducting fluid in which at least one macromolecule (4) which is free of magnetic Markers is, in a volume (1), b) applying an electric field across the volume (1), whereby a first around the at least one electrically conductive macromolecule (4), which is freely movable in the volume (1) Magnetic field is generated, and c) determining the first magnetic field or its temporal change by means of a magnetic field sensor (5) for detecting the at least one macromolecule (4).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zwischen Schritt b) und c) das Volumen (1), in dem sich das mindestens eine Makromolekül (4) befindet, derart mit einem zweiten magnetischen Feld beaufschlagt wird, dass das mindestens eine Makromolekül (4) eine Kraft erfährt und hierdurch in Richtung des Magnetfeldsensors (5) bewegt wird.2. Method according to claim 1, wherein between step b) and c) the volume (1) in which the at least one macromolecule (4) is present is subjected to a second magnetic field such that the at least one macromolecule (4) experiences a force and is thereby moved in the direction of the magnetic field sensor (5).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Volumen (1), in dem sich das mindestens eine Makromolekül (4) befindet, zusätzlich mit einem elektrischen Wechselfeld beaufschlagt wird.3. The method according to claim 1 or 2, wherein the volume (1), in which the at least one macromolecule (4) is additionally subjected to an alternating electric field.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Desoxyribonukleinsäure (DNA) , eine Ribonukleinsäure (RNA) , ein Protein, eines ihrer Derivate, oder eine Mischung hiervon in einem ionenleitenden Fluid als Makromolekül (4) in das Volumen (1) eingebracht wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein a deoxyribonucleic acid (DNA), a ribonucleic acid (RNA), a protein, one of its derivatives, or a mixture thereof in an ion-conducting fluid as a macromolecule (4) in the volume (1) is introduced.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Anlegen des elektrischen Felds über das Volumen (1) über mindestens ein Elektrodenpaar (2, 2'), das inner- oder außerhalb des Volumens (1) angebracht ist, erfolgt.5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the application of the electric field via the volume (1) via at least one pair of electrodes (2, 2 '), which is mounted inside or outside of the volume (1) takes place.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Magnetfeld- sensor (5) auf Basis des Riesenmagnetwiderstands oder des Tunnelmagnetwiderstands zur Ermittlung des ersten magnetischen Felds oder dessen zeitlicher Änderung eingesetzt wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein a magnetic field sensor (5) on the basis of the giant magnetoresistance or the tunnel magnetoresistance is used to determine the first magnetic field or its temporal change.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei weitere Volumina eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Makromolekülen, die sich frei beweglich im ionenleitenden Fluid befinden, aufnehmen, weitere Mittel elektrische Felder über die Volumina erzeugen und der Magnetfeldsensor (5) zum Nachweis von einzelnen Makromolekülen aus der Vielzahl der Makromoleküle nacheinander über mehrere oder alle Volumina bewegt wird. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein further volumes of a plurality of electrically conductive macromolecules which are freely movable in the ion-conducting fluid record, further means generate electric fields on the volumes and the magnetic field sensor (5) for the detection of individual Macromolecules from the plurality of macromolecules is moved sequentially over several or all volumes.
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