EP2170513A1 - Microfluid and nanofluid system for the dynamic structural analysis of linear macromolecules, and applications therefor - Google Patents

Microfluid and nanofluid system for the dynamic structural analysis of linear macromolecules, and applications therefor

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EP2170513A1
EP2170513A1 EP08758173A EP08758173A EP2170513A1 EP 2170513 A1 EP2170513 A1 EP 2170513A1 EP 08758173 A EP08758173 A EP 08758173A EP 08758173 A EP08758173 A EP 08758173A EP 2170513 A1 EP2170513 A1 EP 2170513A1
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EP
European Patent Office
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micro
nano
fluid system
photonic crystal
macromolecules
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08758173A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Josef Kouba
Olaf Mertsch
Arne Schleunitz
Antje Walter
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Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Original Assignee
Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
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Publication date
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    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors

Definitions

  • the invention relates to a micro- and nanofluid system for the dynamic structural analysis of linear macromolecules with energetically preferred folding structure in an acted upon with an electric field and / or a delivery pressure fluid channel with at least one entropic barrier for deployment of the flowing macromolecules and an irradiation channel for electromagnetic radiation.
  • Micro- and nanofluidic systems are, in analogy to microelectronic systems, on glass or plastic substrates or highly integrated also on microchip manufactured silicon chips arranged systems of finest channels, caverns, inflows and outlets and optionally with microactuators such as pumps, Valves and so on.
  • the literature describes systems with structures of a few microns down to the nanometer scale.
  • Such systems also with integrated sensors, such.
  • miniaturized analyzer systems, spectroscopic flowmeters, or miniaturized bioreactors are being used in many novel applications and measurements in modern biology, biotechnology, chemistry, and biochemistry pharmaceutical, analytical and clinical chemistry, environmental analysis, process control, food chemistry and monitoring.
  • Macromolecules can then be separated and detected in nanoscale structures.
  • radiation is often transmitted with light defined wavelength and optical detectors for recording the light of the transmission response or after marking corresponding areas on the macromolecule and fluorescence detection methods used.
  • Under light for detection is not necessarily visible or this closely adjacent light to understand, but in principle any electromagnetic radiation that can be focused by specific, in the literature always called optics facilities and judge.
  • an energy adapted to the size of the radius of gyration must be applied for the unfolding or at least for the significant flattening of the macromolecule in the form of a delivery pressure in the fluidic system and / or an electric field. If the delivery pressure is initially chosen so high that all but the largest macromolecules can leave the first extension region and subsequently reduced in the temporal progression of the migration rate of the macromolecules, the macromolecules will collect separately according to their gyration radii in the various extension regions Sorted way.
  • a delivery pressure in the fluidic system and / or an electric field If the delivery pressure is initially chosen so high that all but the largest macromolecules can leave the first extension region and subsequently reduced in the temporal progression of the migration rate of the macromolecules, the macromolecules will collect separately according to their gyration radii in the various extension regions Sorted way.
  • FIG. 7 and 12C show an arrangement of nanopillars as an entropic barrier and their use for the unfolding of macromolecules (FIG. 7). Again, a corresponding delivery pressure must be applied, but a simple flattening of the macromolecules due to the passage cross-sections caused by the columns is out of the question, but it must take place to a large extent to complete unfolding.
  • US 2004/0197843 A1 describes an array of nanochannels which can take up unfolded macromolecules for structural analysis in an integrated system (see FIG. 5).
  • the channels may have a cross section between one and one hundred square nanometers and lengths up to 10 cm. In channels of this length, a complete stretched chromosome of the human genome with approximately 250 million base pairs is to be recorded.
  • the macromolecules to be unfolded are stored in a reservoir located in front of the nanochannels, and e.g. transported by electric fields into the nanochannels.
  • An entropic barrier that promotes deconvolution and prevents clogging of the nanochannels is not provided for in the description.
  • the structure analysis can be carried out by means of light, by a current or resistance measurement or by measuring the change of charge states.
  • the detection will be described by means of a focused laser beam.
  • the macromolecule to be analyzed is passed through the entropic barrier in which it unfolds increasingly, until it finally enters fully stretched in the diameter adapted nanochannel and there is full length space. Subsequently, it is illuminated with the laser beam and processed by him due to its structure changed light in a detector, here a camera equipped with a CCD chip. Deconvolution and detection thus take place at two neighboring sites, the entropic barrier and the nanochannels.
  • the described detection system with focused laser beam and CCD camera or alternatively other recording device can make the mentioned in the publication potential possibility of achievable due to the full extension of the macromolecule appearing resolution of individual base pairs.
  • photonic crystals are known, which are described as three-dimensional dielectric structures which are impermeable to electromagnetic radiation in a certain wavelength range, regardless of the direction of incidence.
  • the corresponding wavelength range is determined essentially by the arrangement, shape and size ratios of the structure.
  • An important form of photonic crystals is formed by a regular matrix-like arrangement of microcolumns or cylinders. Due to the properties described here, photonic crystals are suitable for producing optical components such as narrowband filters, modulatable filters, add-drop filters or integrated optical structures with 90 ° deflection, eg for optical data transmission in optical waveguides with different wavelengths of light DWMD technology (Dense Wavelength Division Multiplexing).
  • DWMD technology Dens Wavelength Division Multiplexing
  • EP 1 729 111 A1 describes a system for analysis, in particular density determination, for a non-descript analyte (target substance) with a source of electromagnetic radiation, a photonic crystal as sensor element and a detector, source and detector being connected to the photonic waveguide structures Crystal are connected.
  • This has a two-dimensional arrangement of circular openings (pores) with a diameter of 240 nm with a mesh size of 420 nm and non-porous zones, so-called Resonatorblazen on.
  • the analyte is directed through the circular openings perpendicular to the plane of the two-dimensional photonic crystal, thereby changing its transmission properties for the electromagnetic radiation.
  • the application of this and the decrease of the transmitted radiation takes place in the plane of the photonic crystal. Unfolding and analysis of linear macromolecules is not possible with this arrangement.
  • FIG. 2004/001465 A1 Another photonic crystal is proposed in WO 2004/001465 A1.
  • a number of microchannels also extending over the entire length of the photonic waveguide section are arranged around a central channel. Their arrangement, diameter and cross-sectional shape can be chosen as desired for the parameterization of the properties.
  • the microchannels are filled with air or evacuated, the analyte flows through the central channel.
  • the central channel of a suitably selected stretched photonic waveguide section is traversed and also lengthwise of a End applied with electromagnetic radiation. The transmission result is tapped at the other end and fed to a detector.
  • the object of the present invention is therefore to be seen, starting from the generic prior art, to describe a micro and nano-fluid system in which further integration of the elements for the development of the macromolecules and structural analysis are combined in a common element and the Resolution down to the single building block of linear macromolecules, eg a single base pair, can be increased.
  • the solution according to the invention for thisêtlst the main claim, advantageous developments of the invention are in the
  • a suitable arrangement represents the entropic barrier in the form of a periodic lattice structure.
  • the entropic barrier irradiates the linear macromolecules with electromagnetic radiation for analysis of chemical composition and other properties.
  • the openings in the periodic lattice structure are dimensioned so that both their function as an entropic barrier for the unfolding of the linear macromolecules and the optical properties necessary for detection by irradiation are ensured.
  • the entropic barrier having the periodic lattice structure is a photonic crystal having electromagnetic-field transmission characteristics, the geometrical parameters of the periodic lattice structure of the photonic crystal being the singling and unfolding of the linear macromolecules flowing through and the spectral region are bound to the electromagnetic radiation.
  • photonic crystal describes a spatially periodic arrangement of microstructures and nanostructures. By choosing the arrangement and the structure geometry determinable transmission properties for electromagnetic radiation can be realized.
  • photonic crystals are used, for example, in the form of regular arrangements of micro- or nano-openings in the shells of diatoms for optimum utilization of the light for the chloroplasts located inside.
  • the invention relates to a micro- and nanofluid system with a constructive union of the entropic barrier and the irradiation channel in a photonic crystal with spatially periodic lattice structure and without or with specifically arranged lattice defects and a transverse arrangement of the fluid channel to the irradiation channel, wherein the periodic lattice structure of Photonic crystal lattice openings whose extension is bound to the singulation and deployment of the flowing linear macromolecules and the spectral range of the electromagnetic radiation.
  • the periodic lattice structure of the photonic crystal acts as an entropic barrier, resulting from application of the unfolding energy by the applied electric field and / or or the delivery pressure for the development of the linear macromolecules provides.
  • the photonic crystal Transverse to the fluid channel, the photonic crystal forms the irradiation channel for irradiating the deployed linear macromolecules.
  • the passage of the linear molecule causes changes in the transmission behavior of the photonic crystal, which are detected by means of the spectral analysis of the transmitted electromagnetic radiation and thus allow conclusions to be drawn about the structural properties of the molecule to be analyzed.
  • micro- and nano-fluid system is characterized by an expansion of the lattice openings of the periodic lattice structure of the photonic crystal between 5 nm and 1000 nm.
  • the diameter of unfolded linear macromolecules can vary depending on the type.
  • the building blocks can each consist of several to several molecules of different composition and the largest
  • the diameter may be only a few nanometers.
  • the properties of the photonic crystal with respect to transmission and concentration of the electromagnetic radiation to objects with orders of magnitude below the inserted length of time are determined inter alia by the dimensions of the periodic lattice structure. These and thus the extent of the grid openings can be adapted during manufacture to the intended task.
  • Lattice structure of the photonic crystal as a nanoscale field The prior art describes a microcolumn field preceded by nanochannels, which in turn serve to accommodate the deployed linear macromolecules. This two-part arrangement can be dispensed with since the linear macromolecule does not first have to be unfolded in its entirety in order to analyze it. It may as well be in a priori as Nanoparticle designed photonic crystal as an entropic barrier unfolded at least in sections and analyzed simultaneously.
  • a particularly advantageous development of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by an embodiment of the photonic crystal with a changing periodic lattice structure along the direction of the fluemanial or of the irradiation channel or a combination thereof.
  • an arrangement e.g. achieved a gradual unfolding of the linear macromolecule, which prevents clogging of the entrance area, or it can be addressed by a magnification of the distances of the nanocolumns a more favorable spectral range after the unfolding.
  • micro and Nanoffuidsystems are characterized by a diaphragm in front of the entrance of the photonic crystal.
  • a diaphragm in front of the entrance of the photonic crystal.
  • a detection of the molecular structure by the irradiation and evaluation of the transmission result can be at least made more difficult by the simultaneous presence of several linear macromolecules.
  • a further advantageous development of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by waveguides for supplying the electromagnetic radiation to the irradiation channel of the photonic crystal and for deriving the transmitted electromagnetic radiation from the irradiation channel of the photonic crystal.
  • the coupling of the electromagnetic radiation and the coupling of the transmitted radiation through waveguides offers the advantage of. spatial independence of the arrangement of components for radiation generation and detection.
  • a refinement of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by a resolution of the cross-section of the electromagnetic radiation incident in the irradiation channel of the photonic crystal in the range of individual or fewer individual components of the linear macromolecule.
  • Properties of a photonic crystal make it possible to guide, guide or concentrate electromagnetic radiation to dimensions below its wavelength. This is achieved by incorporating defects into the periodic structure of the photonic crystals. A defect is any disturbance of the otherwise regular crystal structure.
  • Defects are single or combinations of contiguous or non-contiguous chains of structures arranged one behind the other or individual structures that differ from the remaining structures in the lattice structure by their geometry. This also includes single or combinations of related or non-consecutive missing structures in the photonic crystal. By incorporating such defects into the photonic crystal, the electromagnetic radiation can be selectively guided. This makes it possible to detect sections of the linear macromolecules down to individual building blocks.
  • a refinement of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by a control device for the electric field for orientation in the horizontal and vertical direction and for the change in intensity.
  • a control device for the electric field for orientation in the horizontal and vertical direction and for the change in intensity In a spatially extended photonic crystal, such that multiple linear macromolecules can move independently therein, an electric field controllable in all directions and in intensity can prevent multiple linear macromolecules on the electromagnetic radiation projection surface from overlapping.
  • a microbioreactor unit at least one photonic crystal each before and behind a reaction space, are provided in the components for use of the analyzed linear macromolecules at the output of the upstream photonic crystal.
  • Such a microbioreactor unit can dynamically, ie directly in the flow in the first photonic crystal unfolded and analyze building blocks in the reaction chamber by reactants present there in the micro and nano fluid system fed linear macromolecules and detect the processed products in the second photonic crystal just as accurate to the building. This allows a particularly fast sampling and processing with extremely small sample volumes.
  • micro and nano fluid system is characterized by a modular construction of the micro bioreactor unit.
  • the separate consideration of individual components of the micro and nano-fluid system such as photonic crystal with entropic barrier and reaction space, a modular design with parallel and / or serial arrangement of such devices is possible.
  • a particularly advantageous development of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by an integration of the micro bioreactor unit in a layer structure on a common substrate. This allows a rational production as in the known production method of microelectronics.
  • a further advantageous development of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by an arrangement of micro- or nanobanks behind the first and / or the second photonic crystal for collecting the analyzed linear macromolecules. After analysis and optionally carried out expression or other processing steps, the separated and unfolded macromolecules in such micro- or Nano investigatinger be stored for further use and, if appropriate, with appropriate dimensions of the micro or nano container prevented from refolding.
  • micro- and nanofluid system are characterized by separating and / or cutting and / or screening or filtering and / or further processing means before and / or in and / or behind the first and / or second photonic crystal or by a series arrangement of several microbioreactors.
  • separating and / or cutting and / or screening or filtering and / or further processing means before and / or in and / or behind the first and / or second photonic crystal or by a series arrangement of several microbioreactors.
  • a further advantageous development of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by a nutrient solution for structural analysis as a transport fluid for the linear macromolecules to be analyzed by the micro- and nano-fluid system.
  • a neutral transport fluid for linear macromolecules is usually a simple physiological saline into consideration.
  • nutrients when using building blocks for biosynthesis nutrients must be made available that can serve the substance structure. These nutrients can already be added in sufficient quantity to the transport fluid.
  • micro- and nano-fluid system is characterized by a separate supply of nutrient solution into the reaction chamber of the microbiorector independent of the transport fluid.
  • nutrients can be specifically tailored to the occurring in the microbioreactor mass accumulation process and added in a controlled timeline.
  • a further advantageous refinement of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by a separate removal of undesirable components separated from the nutrient solution and / or the transport fluid with the further processing means.
  • the entropic barrier or other functional building blocks may have additional outputs that may be used to remove unwanted material.
  • An application of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by the expression of genetic information present on the linear macromolecules or portions thereof as dynamic in vitro expression.
  • linear macromolecules are introduced as DNA or RNA or individual genes or gene sequences
  • a dynamic expression of peptides or proteins can take place in the reaction space in the presence of active ribosomes and a corresponding nutrient supply in the form of a mixture of the necessary reaction components such as t-RNA with amino acids .
  • With appropriately upstream sorting and filtering steps controlled protein synthesis can take place in the flow-through process. Since these processes are very fast with the smallest sample quantities, it is thus possible to obtain a large number of such results in the shortest possible time.
  • Another application of the micro and nanofluid system of the invention is characterized by obtaining high purity samples of linear macromolecules or their expression results or respective portions thereof.
  • the specific linear macromolecules or their expression results or parts thereof can be deducted after separation steps directly at corresponding outputs or stored in other components of the micro- and nanofluid system in micro- or nanobanks.
  • Another application of the micro- and nanofluid system according to the invention is characterized by sequencing of nucleic acids.
  • linear macromolecules When linear macromolecules are introduced as DNA or RNA, their genetic structure can be sequenced and elucidated in the upstream photonic crystal. Concentration of the electromagnetic radiation used for the irradiation on spots below the wavelength used and the correspondingly sensitive evaluation of the transmission properties of the photonic crystal changed after the entry of the linear macromolecule makes sequencing of the macromolecules of any length in a dynamic flow method at high
  • an application of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by manipulation of linear macromolecules (LM) as well as labeling reactions of their constituents, for enzymatic or chemical cutting and for carrying out design steps.
  • LM linear macromolecules
  • FIG. 1 shows a micro- and nanofluid system with a combination of an entropic barrier and an irradiation channel in a photonic crystal
  • FIG. 1A is a perspective view of the photonic crystal of FIG. 1;
  • FIG. 2 shows a micro- and nano-fluid system with a nano-column field as a photonic crystal
  • FIG. 2A is a perspective view of the photonic crystal of FIG. 2;
  • FIG. 3 shows a micro- and nanofluid system with a diaphragm in front of the spatially periodic lattice structure
  • FIG. 4 shows a micro- and nanofluid system with a narrowing spatially periodic lattice structure
  • FIG. 5 shows a micro- and nanofluid system with waveguide connections
  • FIG. 6 shows a micro- and nanofluid system as microbioreactor
  • FIG. 7 shows a micro- and nanofluid system as microbioreactor with micro- or nanocontainer
  • FIG. 8 shows a micro- and nanofluid system as series connection of several
  • FIG. 9 shows a micro- and nano-fluid system with separate supply of nutrient solution and separate removal of reaction products and unnecessary components.
  • FIG. 1 shows a micro- and nano-fluid system NS for the dynamic structural analysis of linear macromolecules LM whose energetically favored states are represented by complex folding structures KF, among others
  • Subsumulate helical structures are described in a charged with an electric field EF and / or a delivery pressure FD fluid channel FK with a constructive union of an entropic barrier EB and an irradiation channel BK in a photonic crystal PK, a spatially periodic grating structure PG, here eg with specifically arranged grid defects GD, with grid openings GO for complete unfolding of the folded linear macromolecules LM with a detectable influence on the optical transmission properties of the photonic crystal PK, wherein the irradiation of the linear macromolecules LM flowing through in the irradiation channel BK of the photonic crystal PK in a
  • the characteristically folded linear macromolecule LM enters the entropic barrier EB at an entrance EG by being forced to unfold at the lattice openings GO of the periodic lattice structure PG by the electric field EF and / or the delivery pressure FD. It emerges again at an output AG from the entropic barrier EB and represents immediately then restore the characteristic folding described by the most favorable energy state.
  • the electromagnetic radiation ES required for detection is conducted into the irradiation channel BK of the photonic crystal PK.
  • the presence of the linear macromolecule LM alters the transmitted electromagnetic radiation TS.
  • FIG. 1 A shows as a detail from FIG.
  • FIG. 1 a perspective view of a photonic crystal PK as a union of the entropic barrier EB in the fluid channel FK with the irradiation channel BK.
  • the fluid channel FK and the irradiation channel BK are present in a transverse arrangement QA.
  • FIG. 2 shows a micro- and nano-fluid system NS as in FIG. 1, but with a nano-column field NF as a union of the entropic barrier EB with the irradiation channel BK in the photonic crystal PK, here likewise with grid defects GD arranged as an example.
  • the Nanokla.nfeld NF has the advantage that the rounded structures prevent clogging by entanglement of the molecular building blocks without deteriorating the unfolding effect and is particularly easy to produce.
  • FIG. 2A shows, as a detail from FIG.
  • FIG. 2 a perspective view of a photonic crystal PK as a union of the entropic barrier EB in the fluid channel FK with the irradiation channel BK in the form of a nanoscale field NF.
  • the fluid channel FK and the irradiation channel BK are present in a transverse arrangement QA.
  • FIG. 3 shows a micro- and nano-fluid system NS as in FIG. 2, but with a diaphragm KB in front of the entrance EG of the spatially periodic lattice structure PG, here represented as nanoscale field NF.
  • FIG. 4 shows a micro- and nanofluid system NS as in FIG. 2, but with a continuously narrowing spatially periodic lattice structure PG, shown here as nano-column field VN, as a union of the entropic barrier EB with the irradiation channel BK in the photonic crystal PK. This measure also prevents the blockage at the entrance EC.
  • FIG. 5 shows a micro- and nano-fluid system NS as in FIG. 4, but with waveguides WL for guiding the electromagnetic radiation ES into the photonic crystal PK on the one hand and for conducting the transmitted electromagnetic radiation TS from the photonic crystal PK on the other hand.
  • waveguides WL devices for generating and evaluating the electromagnetic radiation ES can be spatially decoupled from the micro and nano fluid system NS.
  • FIG. 6 shows a micro- and nanofluid system NS as microbioreactor IVIB with two photonic crystals PK1, PK2 and a reaction space RR between them.
  • the linear photonic crystal PK1 the linear photonic crystal PK2
  • Macromolecules LM here e.g. Ribonucleic acid RNA, after unfolding in the continuously narrowing spatially periodic lattice structure PG, shown here as Nanoklalenfeld VN, detected and after entering the reaction space RR from there existing biomolecules, here e.g. Ribosome RS taken and expressed directly in vitro.
  • the transport fluid FL transporting the linear macromolecules LM, e.g. a physiological saline solution, it may already contain the nutrients NE needed for cell-free protein synthesis, since they are of such small size that they can pass through the fluid channel FK unhindered.
  • Macromolecules LM are driven by the delivery pressure FD and the electric field EF without spontaneously characteristic folding, driven directly into the second photonic crystal PK2 and detected there.
  • the DNA or RNA detected in the first photonic crystal PK1 can be detected by detection in the second photonic crystal PK2 certain amino acid chain, eg a peptide PD or a protein.
  • FIG. 7 likewise shows a micro- and nanofluid system NS as a microbioreactor MB, but here with a micro- or nanobean NR at the outlet of the second photonic crystal PK2.
  • micro- or nanocontainers NR of different diameters, the amino acid chains generated by protein synthesis in the ribosomes RS in the reaction space RR of the microbioreactor MB, e.g. Peptides PD or proteins, sorted by size and stored for further analysis.
  • FIG. 8 shows a micro- and nanofluid system NS as a series connection of several microbioreactors MB.
  • a series connection of a plurality of microbioreactors here MB1, MB2, MB3, can be used for individualized processing, e.g. the processing of DNA via RNA into amino acid chains, e.g. Peptides PD or proteins, 'or protein synthesis with specialized ribosomes RS, can be performed.
  • FIG. 9 shows a micro- and nanofluid system NS with a separate supply of nutrients NE into the reaction space RR of the microbiorector MB independently of the transport fluid FL and separate removal of reaction products and unnecessary components UB.
  • nutrients NE can be tuned specifically to the material conversion process taking place in the microbioreactor MB and added in a controlled time sequence and, on the other hand, reaction products and unnecessary constituents UB can be removed after separation by sorting or filtering processes in the entropic barriers EB.
  • the micro and nano-fluid system NS accesses TO, e.g. before and / or in and / or after the photonic

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Abstract

Fluidic systems in micrometric and nanometric fields are used as chip laboratories in modern biology and biochemistry, especially for the analysis of linear macromolecules (LM) multifolded in a complex manner, such as DNA. For the analysis, said macromolecules are unfolded at entropic barriers (EB) by means of a transport fluid (FL), and electromagnetically irradiated, and the transmission response is evaluated. Until now, unfolding and irradiation were carried out in separated process steps and structures. The novel microfluid and nanofluid system (NS) is characterised by a spatial and temporal synchronisation of the unfolding in a fluid channel (FK) and an irradiation channel (BK) in a photonic crystal (PK), i.e. a spatially periodic grid structure (PG) with grid openings (GO) having dimensions corresponding to the unfolding of the passing linear macromolecules (LM) and the used spectral region. The grid structure can, for example, be embodied as a nanocolumn field (NF). Such microfluid and nanofluid systems (NS) can fulfill complex functions as an integrated system on a common substrate, e.g. as a microbioreactor (MB) for cell-free protein biosynthesis, with a reaction chamber (RR) between two photonic crystals (PK1, PK2) and optionally with other devices for additional process steps.

Description

BEZEICHNUNG DESCRIPTION
Mikro- und Nanofluidsystem zur dynamischen Strukturanalyse von linearen Makromolekülen und Anwendungen davonMicro- and Nanofluidsystem for the dynamic structural analysis of linear macromolecules and their applications
BESCHREIBUNGDESCRIPTION
Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikro- und Nanofluidsystem zur dynamischen Strukturanalyse von linearen Makromolekülen mit energetisch bevorzugter Faltstruktur in einem mit einem elektrischen Feld und/oder einem Förderdruck beaufschlagten Fluidkanal mit zumindest einer entropischen Barriere zur Entfaltung der durchströmenden Makromoleküle und einem Bestrahlungskanal für elektromagnetische Strahlung.The invention relates to a micro- and nanofluid system for the dynamic structural analysis of linear macromolecules with energetically preferred folding structure in an acted upon with an electric field and / or a delivery pressure fluid channel with at least one entropic barrier for deployment of the flowing macromolecules and an irradiation channel for electromagnetic radiation.
Mikro- und nanofluidische Systeme sind, in Analogie zu mikroelektronischen Systemen, auf Glas- oder Kunststoffträgern oder hochintegriert auch auf mit den Techniken der Mikroelektronik hergestellten Silizium-Chips angeordnete Systeme aus feinsten Kanälen, Kavernen, Zu- und Abflüssen und gegebenenfalls mit Mikroaktoren wie Pumpen, Ventilen und so weiter ausgestattet. In der Literatur werden Systeme mit Strukturen von wenigen Mikrometern bis tief in den Nanometerbereich hinab beschrieben. Solche Systeme, auch mit integrierter Sensorik, wie z. B. miniaturisierte Analysensysteme, spektroskopische Durchflussmesszellen oder miniaturisierte Bioreaktoren, werden für viele neuartige Anwendungen und Messungen in der modernen Biologie, der Biotechnologie, der Chemie und Biochemie, der pharmazeutischen Industrie, der analytischen und klinischen Chemie, der Umweltanalytik, der Prozesskontrolle, der Lebensmittelchemie und - Überwachung eingesetzt. Ihre Bedeutung wird mit ihrer Verfügbarkeit erheblich zunehmen, da sie bei extrem verringertem Probeneinsatz und Prozessenergie eine um mehrere Größenordnungen niedrigere Prozesszeit benötigen um zu einem verwertbaren Ergebnis zu gelangen. Dadurch und durch die erheblich niedrigeren Geräteaufwendungen werden nicht nur die Kosten solcher Analysevorgänge, sondern auch Entwicklungs- und Reihenuntersuchungszeiten für große Probenzahlen entscheidend gesenkt. Im Zusammenhang mit mikro- und nanofluidischen Systemen wird der Begriff Laborchip, oder englisch Lab-on-a-Chip, genannt, der den Grad der Integration auf einem gemeinsamen Träger verdeutlichen soll.Micro- and nanofluidic systems are, in analogy to microelectronic systems, on glass or plastic substrates or highly integrated also on microchip manufactured silicon chips arranged systems of finest channels, caverns, inflows and outlets and optionally with microactuators such as pumps, Valves and so on. The literature describes systems with structures of a few microns down to the nanometer scale. Such systems, also with integrated sensors, such. For example, miniaturized analyzer systems, spectroscopic flowmeters, or miniaturized bioreactors are being used in many novel applications and measurements in modern biology, biotechnology, chemistry, and biochemistry pharmaceutical, analytical and clinical chemistry, environmental analysis, process control, food chemistry and monitoring. Their importance will increase significantly with their availability, since with extremely reduced sample use and process energy, they will take several orders of magnitude less process time to arrive at a usable result. This and the significantly lower equipment costs not only significantly reduce the cost of such analysis, but also reduce development and screening time for large numbers of samples. In the context of micro- and nanofluidic systems, the term laboratory chip, or English Lab-on-a-Chip, is called, which is intended to illustrate the degree of integration on a common carrier.
Insbesondere in der Analytik von linearen Makromolekülen wie beispielsweise DNA, RNA, Proteine, Nukleinsäuren, Peptide, Aminosäureketten, synthetische Moleküle, Hormone, Vitamine, Kohlenhydrate, Fette, Fettsäuren usw. oder bei der dynamischen in vitro Protein-Synthese, der Gewinnung hochreiner Proben der genannten Stoffe, der Gen- oder Proteinsequenzierung usw. werden nanoskalige fluidische Systeme eine stark zunehmende Rolle spielen. Dabei kommt es darauf an, die vielfach gefalteten linearen Makromoleküle zu einer geradlinigen Monomerkette zu entfalten und diese dann abschnittsweise zu detektieren. Unter dem Begriff der Faltung sollen in dem hier dargestellten Zusammenhang auch alle Formen von Verknäuelungen und helixartige Verwindungen verstanden werden. Zur Siebung und Entfaltung werden unterschiedliche Konstruktionen verwendet, die als entropische Barrieren bekannt sind. Im Normalfall werden natürliche Anordnungen, die Makromoleküle bei der Synthese an der Faltung hindern, als entropische Barrieren oder sterische Hinderungen bezeichnet. Im Umkehrfall kann das gefaltete Makromolekül durch Aufwand an Beförderungsenergie an der entropischen Barriere zur Entfaltung veranlasst werden. EntfalteteIn particular, in the analysis of linear macromolecules such as DNA, RNA, proteins, nucleic acids, peptides, amino acid chains, synthetic molecules, hormones, vitamins, carbohydrates, fats, fatty acids, etc. or in dynamic in vitro protein synthesis, the recovery of high purity samples of nano-scale fluidic systems will play a strongly increasing role. It is important to unfold the manifolded linear macromolecules into a linear monomer chain and then to detect them in sections. In the context described here, the term "folding" should also be understood as meaning all forms of tangles and helical twists. For screening and unfolding different constructions are used, which are known as entropic barriers. Normally, natural arrangements that prevent macromolecules from folding during synthesis are referred to as entropic barriers or steric hindrance. Conversely, the folded macromolecule can be made to unfold by the expenditure of transport energy at the entropic barrier. unfolded
Makromoleküle können anschließend in nanoskaligen Strukturen separiert und detektiert werden. Zur Analyse werden häufig Durchstrahlungen mit Licht definierter Wellenlänge und optische Detektoren zur Aufnahme des Lichts der Transmissionsantwort oder nach Markierung entsprechender Bereiche auf dem Makromolekül auch Fluoreszenzdetektionsmethoden eingesetzt. Unter Licht zur Detektion ist dabei nicht zwangsläufig sichtbares oder diesem eng benachbartes Licht zu verstehen, sondern prinzipiell jede elektromagnetische Strahlung , die sich durch spezifische, in der Fachliteratur immer Optik genannte Einrichtungen fokussieren und richten lässt.Macromolecules can then be separated and detected in nanoscale structures. For analysis, radiation is often transmitted with light defined wavelength and optical detectors for recording the light of the transmission response or after marking corresponding areas on the macromolecule and fluorescence detection methods used. Under light for detection is not necessarily visible or this closely adjacent light to understand, but in principle any electromagnetic radiation that can be focused by specific, in the literature always called optics facilities and judge.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
In der US 6,635,163 B1 wird eine nanofluidische Anordnung zum Filtern (Sieben, Sortieren) von Makromolekülen unterschiedlicher Größe vorgestellt und als entropische Falle bezeichnet. Im Verlauf eines ausgedehnten Nanokanals werden Erweiterungs- und Verengungsbereiche vorgesehen. In den Erweiterungsbereichen können die Makromoleküle entspannen und ihre energetisch favorisierte Zustandsform annehmen. Dabei beschreibt der Gyrationsradius die Ausdehnung der annähernd spherischen Faltungform eines Makromoleküls im energetischen Gleichgewicht und ist damit auch ein indirektes Maß für seine Länge im entfalteten Zustand. Zum Durchtritt durch die Verengungsbereiche muss eine der Größe des Gyrationsradius angepasste Energie zur Entfaltung oder zumindest zur deutlichen Abflachung des Makromoleküls in Form eines Förderdrucks im fluidischen System und/oder eines elektrischen Feldes aufgebracht werden. Wird nun der Förderdruck zunächst so hoch gewählt, dass alle bis auf die größten Makromoleküle den ersten Erweiterungsbereich verlassen können und anschließend im zeitlichen Ablauf der Wanderungsgeschwindigkeit der Makromoleküle angepasst ständig verringert, werden sich die Makromoleküle entsprechend ihrer Gyrationsradien in den verschiedenen Erweiterungsbereichen getrennt sammeln und auf diese Weise sortiert. In der US 6,753,200 B2 werden monolithisch integrierte nanofluidische Siebstrukturen zur DNA-Manipulation vorgestellt. Darin wird insbesondere in den Figuren 7 und 12C eine Anordnung von Nanosäulen als entropische Barriere gezeigt und deren Verwendung zur Entfaltung von Makromolekülen (Fig.7). Auch hier muss ein entsprechender Förderdruck aufgebracht werden, allerdings kommt eine einfache Abflachung der Makromoleküle aufgrund der durch die Säulen bedingten Durchtrittsquerschnitte nicht in Frage, sondern es muss eine weitgehende bis vollständige Entfaltung stattfinden.In US Pat. No. 6,635,163 B1, a nanofluidic arrangement for filtering (sieving, sorting) macromolecules of different sizes is presented and referred to as an entropic trap. In the course of an extensive nanochannel expansion and constriction areas are provided. In the expansion areas, the macromolecules can relax and take on their energetically favored state. The radius of gyration describes the expansion of the approximate spherical shape of a macromolecule in energetic equilibrium and is thus also an indirect measure of its length in the unfolded state. To pass through the constricting regions, an energy adapted to the size of the radius of gyration must be applied for the unfolding or at least for the significant flattening of the macromolecule in the form of a delivery pressure in the fluidic system and / or an electric field. If the delivery pressure is initially chosen so high that all but the largest macromolecules can leave the first extension region and subsequently reduced in the temporal progression of the migration rate of the macromolecules, the macromolecules will collect separately according to their gyration radii in the various extension regions Sorted way. In US Pat. No. 6,753,200 B2, monolithically integrated nanofluidic screen structures for DNA manipulation are presented. In particular, FIGS. 7 and 12C show an arrangement of nanopillars as an entropic barrier and their use for the unfolding of macromolecules (FIG. 7). Again, a corresponding delivery pressure must be applied, but a simple flattening of the macromolecules due to the passage cross-sections caused by the columns is out of the question, but it must take place to a large extent to complete unfolding.
In der US 2004/0197843 A1 wird ein Array aus Nanokanälen beschrieben, das in einem integrierten System (vergleiche Fig.5) entfaltete Makromoleküle zur Strukturanalyse aufnehmen kann. Die Kanäle können einen Querschnitt zwischen einem und hundert Quadratnanometern und Längen bis zu 10 cm aufweisen. In Kanälen dieser Länge soll ein komplettes gestrecktes Chromosom des menschlichen Genoms mit ca. 250 Millionen Basenpaaren aufgenommen werden können. Die zu entfaltenden Makromoleküle werden in einem vor den Nanokanälen angeordneten Reservoir vorgehalten und z.B. mittels elektrischer Felder in die Nanokanäle transportiert. Eine die Entfaltung begünstigende und der Verstopfung der Nanokanäle vorbeugende entropische Barriere ist nach der Beschreibung nicht vorgesehen.US 2004/0197843 A1 describes an array of nanochannels which can take up unfolded macromolecules for structural analysis in an integrated system (see FIG. 5). The channels may have a cross section between one and one hundred square nanometers and lengths up to 10 cm. In channels of this length, a complete stretched chromosome of the human genome with approximately 250 million base pairs is to be recorded. The macromolecules to be unfolded are stored in a reservoir located in front of the nanochannels, and e.g. transported by electric fields into the nanochannels. An entropic barrier that promotes deconvolution and prevents clogging of the nanochannels is not provided for in the description.
Der nächstliegende Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wird in der US 2004/0033515 A1 beschrieben. Darin wird ein integriertes System von mikro- und nanofluidischen Komponenten zur direkten Strukturanalyse und Manipulation von Makromolekülen mit hohem Durchsatz beschrieben. Eine graduell enger werdende, als Schnittstelle (Interface) bezeichnete Zone verbindet einen mikrofluidischen Bereich aus einer entropischen Barriere mit einem nanofluidischen Bereich aus Nanokanälen. Diese Schnittstelle kann als Rampe oder Abhang von der größeren zur kleineren Struktur ausgebildet sein, oder eine ebene Anordnung konstanten Gesamtquerschnitts von immer weiter verzweigenden Mikro- bis Nanokanälen oder von immer enger stehenden Säulen unter Bildung von Mikro- bis Nanodurchlässen aufweisen. Die zu analysierenden Makromoleküle werden in einem nicht näher beschriebenen Transportfluid mit Hilfe nicht beschriebener Kräfte durch das System befördert. Die Strukturanalyse kann mit Hilfe von Licht, durch eine Strom- oder Widerstandsmessung oder durch Messung der Änderung von Ladungs- zuständen erfolgen. Im Weiteren wird die Detektion mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls beschrieben. Nach der Beschreibung in der Druckschrift wird das zu analysierende Makromolekül durch die entropische Barriere geführt, in der es sich zunehmend entfaltet, bis es schließlich vollständig gestreckt in den seinem Durchmesser angepassten Nanokanal eintritt und dort in voller Länge Platz findet. Anschließend wird es mit dem Laserstrahl beleuchtet und das von ihm aufgrund seiner Struktur veränderte Licht in einem Detektor, hier eine mit einem CCD-Chip ausgestattete Kamera, verarbeitet. Entfaltung und Detektion finden also an zwei benachbarten Orten, der entropischen Barriere und den Nanokanälen statt. Darüber ist es fraglich, dass das beschriebene Detektionssystem mit fokussiertem Laserstrahl und CCD-Kamera oder alternativ anderen Aufnahmeeinrichtung die in der Druckschrift erwähnte potentielle Möglichkeit der aufgrund der vollständigen Streckung des Makromoleküls erreichbar erscheinende Auflösung einzelner Basenpaare leisten kann.The closest prior art from which the invention is based is described in US 2004/0033515 A1. It describes an integrated system of micro- and nanofluidic components for direct structural analysis and manipulation of high-throughput macromolecules. A gradually narrowing zone, called an interface, connects a microfluidic region of an entropic barrier with a nanofluidic region of nanochannels. This interface can be formed as a ramp or slope from the larger to the smaller structure, or have a planar arrangement of constant total cross-section of ever-branching micro to nanochannels or more closely spaced columns to form micro to nano-passages. The too analyzing macromolecules are carried in an unspecified transport fluid by means not described forces through the system. The structure analysis can be carried out by means of light, by a current or resistance measurement or by measuring the change of charge states. In the following, the detection will be described by means of a focused laser beam. According to the description in the document, the macromolecule to be analyzed is passed through the entropic barrier in which it unfolds increasingly, until it finally enters fully stretched in the diameter adapted nanochannel and there is full length space. Subsequently, it is illuminated with the laser beam and processed by him due to its structure changed light in a detector, here a camera equipped with a CCD chip. Deconvolution and detection thus take place at two neighboring sites, the entropic barrier and the nanochannels. In addition, it is questionable that the described detection system with focused laser beam and CCD camera or alternatively other recording device can make the mentioned in the publication potential possibility of achievable due to the full extension of the macromolecule appearing resolution of individual base pairs.
Aus der DE 101 16 500 A1 sind photonische Kristalle bekannt, die als dreidimensionale dielektrische Strukturen beschrieben werden, die für elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich unabhängig von der Einfallsrichtung undurchlässig sind. Der entsprechende Wellenlängenbereich wird dabei wesentlich durch die Anordnung, Form und Größenverhältnisse der Struktur bestimmt. Eine wichtige Form photonischer Kristalle wird durch eine regelmäßige matrixartige Anordnung von Mikrosäulen oder -Zylindern gebildet. Durch die hier beschriebenen Eigenschaften eignen sich photonische Kristalle zur Herstellung optischer Bauelemente wie schmalbandigen Filtern, modulierbaren Filtern, Add-Drop-Filtern oder integriert optischen Strukturen mit 90°-Umlenkung, z.B. für die optische Datenübertragung in Lichtwellenleitern mit verschiedenen Lichtwellenlängen in DWMD-Technik (Dense Wavelength Division Multiplexing). In dieser Druckschrift wird eine Anwendung photonischer Kristalle als Hauptbestandteil optischer Detektoren unter Ausnutzung der Änderung ihrer Transmissions- eigenschaften beim Durchtritt eines Analyten nicht beschrieben.From DE 101 16 500 A1 photonic crystals are known, which are described as three-dimensional dielectric structures which are impermeable to electromagnetic radiation in a certain wavelength range, regardless of the direction of incidence. The corresponding wavelength range is determined essentially by the arrangement, shape and size ratios of the structure. An important form of photonic crystals is formed by a regular matrix-like arrangement of microcolumns or cylinders. Due to the properties described here, photonic crystals are suitable for producing optical components such as narrowband filters, modulatable filters, add-drop filters or integrated optical structures with 90 ° deflection, eg for optical data transmission in optical waveguides with different wavelengths of light DWMD technology (Dense Wavelength Division Multiplexing). In this document, an application of photonic crystals as a main component of optical detectors by utilizing the change in their transmission properties in the passage of an analyte is not described.
Die EP 1 729 111 A1 beschreibt ein System zur Analyse, insbesondere Dichtebestimmung, für einen nicht näher beschriebenen Analyten (Ziel- Substanz) mit einer Quelle elektromagnetischer Strahlung, einem photonischen Kristall als Sensoreiement und einem Detektor, wobei Quelle und Detektor über Wellenleiterstrukturen mit dem photonischen Kristall verbunden sind. Dieser weist eine zweidimensionale Anordnung von kreisförmigen Öffnungen (Poren) mit einem Durchmesser von 240 nm bei einer Maschenweite von 420 nm und porenfreie Zonen, so genannte Resonatorstrecken, auf. Der Analyt wird durch die kreisförmigen Öffnungen senkrecht zur Ebene des zweidimensionalen photonischen Kristalls geleitet und ändert dabei dessen Transmissionseigenschaften für die elektromagnetische Strahlung. Die Beaufschlagung damit und die Abnahme der transmittierten Strahlung erfolgt in der Ebene des photonischen Kristalls. Eine Entfaltung und Analyse linearer Makromoleküle ist mit dieser Anordnung nicht möglich.EP 1 729 111 A1 describes a system for analysis, in particular density determination, for a non-descript analyte (target substance) with a source of electromagnetic radiation, a photonic crystal as sensor element and a detector, source and detector being connected to the photonic waveguide structures Crystal are connected. This has a two-dimensional arrangement of circular openings (pores) with a diameter of 240 nm with a mesh size of 420 nm and non-porous zones, so-called Resonatorstrecken on. The analyte is directed through the circular openings perpendicular to the plane of the two-dimensional photonic crystal, thereby changing its transmission properties for the electromagnetic radiation. The application of this and the decrease of the transmitted radiation takes place in the plane of the photonic crystal. Unfolding and analysis of linear macromolecules is not possible with this arrangement.
Ein weiterer photonischer Kristall wird in der WO 2004/001465 A1 vorgeschlagen. In Form eines lang gestreckten photonischen Wellenleiterabschnitts mit kreisförmigem Gesamtquerschnitt dient er zur Untersuchung wasserbasierter Analyten. Dabei ist um einen zentralen Kanal eine Anzahl ebenfalls über die gesamte Länge des photonischen Wellenleiterabschnitts ausgedehnter Mikrokanäle angeordnet. Deren Anordnung, Durchmesser und Querschnittsform kann zur Parametrierung der Eigenschaften beliebig gewählt sein. Die Mikrokanäle sind luftgefüllt oder evakuiert, der Analyt fließt durch den zentralen Kanal. Zur Analyse wird der zentrale Kanal eines entsprechend gewählten gestreckten photonischen Wellenleiterabschnitts durchströmt und ebenfalls der Länge nach von einem Ende her mit einer elektromagnetischen Strahlung beaufschlagt. Das Transmissionsergebnis wird am anderen Ende abgegriffen und einem Detektor zugeleitet. Das durch vielfältige Reflexionen in den Mikrokanälen geprägte Transmissionsverhalten des photonischen Wellenleiterabschnitts für die elektromagnetische Strahlung wird durch den Analyten verändert und erlaubt damit Rückschlüsse auf dessen Struktur. Eine Entfaltung und Analyse linearer Makromoleküle ist mit dieser Anordnung ebenfalls nicht möglich.Another photonic crystal is proposed in WO 2004/001465 A1. In the form of an elongated photonic waveguide section with a circular overall cross-section, it serves to study water-based analytes. In this case, a number of microchannels also extending over the entire length of the photonic waveguide section are arranged around a central channel. Their arrangement, diameter and cross-sectional shape can be chosen as desired for the parameterization of the properties. The microchannels are filled with air or evacuated, the analyte flows through the central channel. For analysis, the central channel of a suitably selected stretched photonic waveguide section is traversed and also lengthwise of a End applied with electromagnetic radiation. The transmission result is tapped at the other end and fed to a detector. The transmission behavior of the photonic waveguide section for the electromagnetic radiation, which is characterized by diverse reflections in the microchannels, is changed by the analyte and thus allows conclusions to be drawn about its structure. An unfolding and analysis of linear macromolecules is also not possible with this arrangement.
AUFGABENSTELLUNGTASK
Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist daher darin zu sehen, ausgehend vom gattungsbildenden nächstgelegenen Stand der Technik, ein Mikro- und Nanofluidsystem zu beschreiben, bei dem unter weiterer Integration die Elemente zur Entfaltung der Makromoleküle und der Strukturanalyse in einem gemeinsamen Element zusammengefasst sind und die Auflösung bis zum Einzelbaustein der linearen Makromoleküle, z.B. einem einzelnen Basenpaar, gesteigert werden kann. Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabelst dem Hauptanspruch zu entnehmen, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in denThe object of the present invention is therefore to be seen, starting from the generic prior art, to describe a micro and nano-fluid system in which further integration of the elements for the development of the macromolecules and structural analysis are combined in a common element and the Resolution down to the single building block of linear macromolecules, eg a single base pair, can be increased. The solution according to the invention for this Aufgabelst the main claim, advantageous developments of the invention are in the
Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.Subclaims shown and explained in more detail below in connection with the invention.
Durch Strukturanordnungen im Mikro- und Nanometerbereich fluidischer Systeme und unter Aufbringung der notwendigen Transportenergie ist es entsprechend dem beschriebenen Stand der Technik möglich, lineare Makromoleküle wie DNA, RNA, Proteine, Nukleinsäuren, Peptide, Aminosäureketten, synthetische Moleküle, Hormone, Vitamine, Kohlenhydrate, Fette, Fettsäuren usw. aus ihrer energetisch favorisierten Zustandsform der charakteristischen Faltung in einen weitgehend geradlinigen entfaltetenStructural arrangements in the micrometre and nanometer range of fluidic systems and applying the necessary transport energy make it possible, according to the prior art described, to use linear macromolecules such as DNA, RNA, proteins, nucleic acids, peptides, amino acid chains, synthetic molecules, hormones, vitamins, carbohydrates, fats , Fatty acids, etc., from their energetically favored state form of characteristic folding unfolded in a largely rectilinear
Zustand zu versetzen. Eine dazu geeignete Anordnung stellt die entropische Barriere in Form einer periodischen Gitterstruktur dar. Während des Durchtritts durch die entropische Barriere werden die linearen Makromoleküle zur Analyse der chemische Zusammensetzung und anderer Eigenschaften mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt. Die Öffnungen in der periodischen Gitterstruktur sind so dimensioniert, dass sowohl deren Funktion als entropische Barriere zur Entfaltung der linearen Makromoleküle als auch die zur Detektion durch Bestrahlung notwendigen optischen Eigenschaften gewährleistet sind. In dem erfinderischen Mikro- und Nanofluidsystem handelt es sich bei der entropischen Barriere mit der periodischen Gitterstruktur um einen photonischen Kristall mit Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung, wobei die geometrischen Parameter der periodischen Gitterstruktur des photonischen Kristalls an die Vereinzelung und Entfaltung der durchströmenden linearen Makromoleküle und den Spektralbereich der elektromagnetischen Strahlung gebunden sind. Der Begriff des photonischen Kristalls beschreibt eine räumlich periodische Anordnung von Mikro- bzw. Nanostrukturen. Durch die Wahl der Anordnung und der Strukturgeometrie werden bestimmbare Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung realisiert. In der Natur werden photonische Kristalle z.B. in Form von regelmäßigen Anordnungen von Mikro- bzw. Nanoöffnungen in den Schalen von Kieselalgen zur optimalen Ausnutzung des Lichts für die im Inneren befindlichen Chloroplasten eingesetzt.Condition. A suitable arrangement represents the entropic barrier in the form of a periodic lattice structure. During the passage The entropic barrier irradiates the linear macromolecules with electromagnetic radiation for analysis of chemical composition and other properties. The openings in the periodic lattice structure are dimensioned so that both their function as an entropic barrier for the unfolding of the linear macromolecules and the optical properties necessary for detection by irradiation are ensured. In the inventive micro- and nano-fluid system, the entropic barrier having the periodic lattice structure is a photonic crystal having electromagnetic-field transmission characteristics, the geometrical parameters of the periodic lattice structure of the photonic crystal being the singling and unfolding of the linear macromolecules flowing through and the spectral region are bound to the electromagnetic radiation. The term photonic crystal describes a spatially periodic arrangement of microstructures and nanostructures. By choosing the arrangement and the structure geometry determinable transmission properties for electromagnetic radiation can be realized. In nature, photonic crystals are used, for example, in the form of regular arrangements of micro- or nano-openings in the shells of diatoms for optimum utilization of the light for the chloroplasts located inside.
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Mikro- und Nanofluidsystem mit einer konstruktiven Vereinigung der entropischen Barriere und des Bestrahlungskanals in einem photonischen Kristall mit räumlich periodischer Gitterstruktur und ohne oder mit gezielt angeordneten Gitterdefekten und einer Queranordnung des Fluidkanals zum Bestrahlungskanal, wobei die periodische Gitterstruktur des photonischen Kristalls Gitteröffnungen aufweist, deren Ausdehnung an die Vereinzelung und Entfaltung der durchströmenden linearen Makromoleküle und den Spektralbereich der elektromagnetischen Strahlung gebunden ist. In der Richtung des Fluidkanals wirkt die periodische Gitterstruktur des photonischen Kristalls wie eine entropische Barriere, die bei Aufbringung der Entfaltungenergie durch das angelegte elektrische Feld und / oder den Förderdruck für die Entfaltung der linearen Makromoleküle sorgt. Quer zu dem Fluidkanal bildet der photonische Kristall den Bestrahlungskanal zur Bestrahlung der entfalteten linearen Makromoleküle. Durch das Hindurchtreten des linearen Moleküls werden Änderungen im Transmissionsverhalten des photonischen Kristalls bewirkt, die mit Hilfe der spektralen Analyse der transmittierten elektromagnetischen Strahlung erfasst werden und somit Rückschlüsse auf die Struktureigenschaften des zu analysierenden Moleküls ermöglichen .The invention relates to a micro- and nanofluid system with a constructive union of the entropic barrier and the irradiation channel in a photonic crystal with spatially periodic lattice structure and without or with specifically arranged lattice defects and a transverse arrangement of the fluid channel to the irradiation channel, wherein the periodic lattice structure of Photonic crystal lattice openings whose extension is bound to the singulation and deployment of the flowing linear macromolecules and the spectral range of the electromagnetic radiation. In the direction of the fluid channel, the periodic lattice structure of the photonic crystal acts as an entropic barrier, resulting from application of the unfolding energy by the applied electric field and / or or the delivery pressure for the development of the linear macromolecules provides. Transverse to the fluid channel, the photonic crystal forms the irradiation channel for irradiating the deployed linear macromolecules. The passage of the linear molecule causes changes in the transmission behavior of the photonic crystal, which are detected by means of the spectral analysis of the transmitted electromagnetic radiation and thus allow conclusions to be drawn about the structural properties of the molecule to be analyzed.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Ausdehnung der Gitteröffnungen der periodischen Gitterstruktur des photonischen Kristalls zwischen 5 nm und 1000 nm. Die Durchmesser entfalteter linearer Makromoleküle können je nach Art variieren. Die Bausteine können jeweils aus einzelnen bis mehreren Molekülen unterschiedlicher Zusammensetzung bestehen und der größteAn advantageous development of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by an expansion of the lattice openings of the periodic lattice structure of the photonic crystal between 5 nm and 1000 nm. The diameter of unfolded linear macromolecules can vary depending on the type. The building blocks can each consist of several to several molecules of different composition and the largest
Durchmesser kann dabei gegebenenfalls nur wenige Nanometer betragen. Die Eigenschaften des photonischen Kristalls hinsichtlich Transmission und Konzentrierung der elektromagnetischen Strahlung auf Objekte mit Größenordnungen unterhalb der eingesetzten Weilenlänge werden unter Anderem durch die Abmessungen der periodischen Gitterstruktur bestimmt. Diese und damit auch die Ausdehnung der Gitteröffnungen kann bei der Herstellung an die vorgesehene Aufgabe angepasst werden .If necessary, the diameter may be only a few nanometers. The properties of the photonic crystal with respect to transmission and concentration of the electromagnetic radiation to objects with orders of magnitude below the inserted length of time are determined inter alia by the dimensions of the periodic lattice structure. These and thus the extent of the grid openings can be adapted during manufacture to the intended task.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Ausbildung der periodischenAn advantageous development of the micro and nano-fluid system according to the invention is characterized by an embodiment of the periodic
Gitterstruktur des photonischen Kristalls als Nanosäulenfeld. Im Stand der Technik wird ein Mikrosäulenfeld beschrieben, das Nanokanälen vorgelagert ist, die wiederum zur Aufnahme der entfalteten linearen Makromoleküle dienen. Auf diese zweiteilige Anordnung kann verzichtet werden, da das lineare Makromolekül nicht erst in seiner Gesamtheit entfaltet vorliegen muss, um es zu analysieren. Es kann ebenso in einem von vornherein als Nanosäulenfeld ausgelegten photonischen Kristall als entropische Barriere zumindest abschnittsweise entfaltet und gleichzeitig analysiert werden.Lattice structure of the photonic crystal as a nanoscale field. The prior art describes a microcolumn field preceded by nanochannels, which in turn serve to accommodate the deployed linear macromolecules. This two-part arrangement can be dispensed with since the linear macromolecule does not first have to be unfolded in its entirety in order to analyze it. It may as well be in a priori as Nanoparticle designed photonic crystal as an entropic barrier unfolded at least in sections and analyzed simultaneously.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Ausbildung des photonischen Kristalls mit einer sich ändernden periodischen Gitterstruktur entlang der Richtung des Fluikanals oder des Bestrahlungskanals oder einer Kombination davon. Durch eine derartige Anordnung wird z.B. eine schrittweise Entfaltung des linearen Makromoleküls erreicht, die einer Verstopfung des Eintrittsbereichs vorbeugt, oder es kann nach der Entfaltung durch eine Vergrößerung der Abstände der Nanosäulen ein zur Analyse günstigerer Spektralbereich angesprochen werden.A particularly advantageous development of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by an embodiment of the photonic crystal with a changing periodic lattice structure along the direction of the fluemanial or of the irradiation channel or a combination thereof. By such an arrangement, e.g. achieved a gradual unfolding of the linear macromolecule, which prevents clogging of the entrance area, or it can be addressed by a magnification of the distances of the nanocolumns a more favorable spectral range after the unfolding.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanoffuidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Blende vor dem Eingang des photonischen Kristalls. Durch eine solche Maßnahme kann verhindert werden, dass mehrere lineare Makromoleküle gleichzeitig oder zumindest überlappend nebeneinander in den photonischen Kristall eintreten. Eine Detektion des molekularen Aufbaus durch die Bestrahlung und Auswertung des Transmissionsergebnisses kann durch die gleichzeitige Anwesenheit mehrerer linearer Makromoleküle zumindest erschwert werden.Another advantageous development of the micro and Nanoffuidsystems according to the invention is characterized by a diaphragm in front of the entrance of the photonic crystal. Such a measure can prevent several linear macromolecules from entering the photonic crystal simultaneously or at least overlapping one another. A detection of the molecular structure by the irradiation and evaluation of the transmission result can be at least made more difficult by the simultaneous presence of several linear macromolecules.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch Wellenleiter zur Zuleitung der elektromagnetischen Strahlung an den Bestrahlungskanal des photonischen Kristalls und zur Ableitung der transmittierten elektromagnetischen Strahlung von dem Bestrahlungskanal des photonischen Kristalls. Die Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung und die Auskopplung der transmittierten Strahlung durch Wellenleiter bietet den Vorteil der. räumlichen Unabhängigkeit der Anordnung von Komponenten zur Strahlungserzeugung und Detektion. Darüber hinaus ist eine Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung gekennzeichnet durch eine Auflösung des Querschnitts der in den Bestrahlungskanal des photonischen Kristalls einfallenden elektromagnetischen Strahlung im Bereich einzelner oder weniger Einzelkomponenten des linearen Makromoleküls. Die physikalischenA further advantageous development of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by waveguides for supplying the electromagnetic radiation to the irradiation channel of the photonic crystal and for deriving the transmitted electromagnetic radiation from the irradiation channel of the photonic crystal. The coupling of the electromagnetic radiation and the coupling of the transmitted radiation through waveguides offers the advantage of. spatial independence of the arrangement of components for radiation generation and detection. In addition, a refinement of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by a resolution of the cross-section of the electromagnetic radiation incident in the irradiation channel of the photonic crystal in the range of individual or fewer individual components of the linear macromolecule. The physical
Eigenschaften eines photonischen Kristalls erlauben es, elektromagnetische Strahlung auf Dimensionen unterhalb von deren Wellenlänge zu führen, zu leiten oder zu konzentrieren. Erreicht wird dies durch die Einbindung von Defekten in die periodische Struktur der photonischen Kristalle. Als Defekt wird eine beliebige Störung der sonst regelmäßigen Kristallstruktur bezeichnet.Properties of a photonic crystal make it possible to guide, guide or concentrate electromagnetic radiation to dimensions below its wavelength. This is achieved by incorporating defects into the periodic structure of the photonic crystals. A defect is any disturbance of the otherwise regular crystal structure.
Defekte sind einzelne oder Kombinationen von zusamenhängenden oder nicht zusamenhängenden, hintereinander angeordneten Ketten von Strukturen oder einzelne Strukturen, die sich von den restlichen, in der Gitterstruktur befindlichenden Strukturen durch ihre Geometrie unterscheiden. Dies schließt auch einzelne oder Kombinationen von zusamenhängenden oder nicht zusamenhängenden hintereinander angeordnete fehlende Strukturen im photonischen Kristall mit ein. Durch den Einbau solcher Defekte in den photonischen Kristall kann die elektromagnetische Strahlung gezielt geführt werden. Dadurch wird es ermöglicht, Abschnitte der linearen Makromoleküle bis hinab zu einzelnen Bausteinen zu detektieren.Defects are single or combinations of contiguous or non-contiguous chains of structures arranged one behind the other or individual structures that differ from the remaining structures in the lattice structure by their geometry. This also includes single or combinations of related or non-consecutive missing structures in the photonic crystal. By incorporating such defects into the photonic crystal, the electromagnetic radiation can be selectively guided. This makes it possible to detect sections of the linear macromolecules down to individual building blocks.
Schließlich ist eine Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung für das elektrische Feld zur Ausrichtung in horizontaler und vertikaler Richtung und zur Intensitätsänderung. Bei einem räumlich so ausgedehnten photonischen Kristall, dass mehrere lineare Makromoleküle sich unabhängig voneinander darin bewegen können, kann ein in allen Richtungen und bezüglich seiner Intensität steuerbares elektrisches Feld dafür sorgen, dass sich nicht mehrere lineare Makromoleküle auf der Projektionsfläche für die elektromagnetische Strahlung überdecken. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Mikrobioreaktoreinheit zumindest aus je einem photonischen Kristall vor und hinter einem Reaktionsraum, in dem Komponenten zur Nutzung der analysierten linearen Makromoleküle am Ausgang des vorgelagerten photonischen Kristalls vorgesehen sind. Eine solche Mikrobioreaktoreinheit kann in das Mikro- und Nanofluidsystem eingespeiste lineare Makromoleküle dynamisch, d.h. unmittelbar im Durchfluss im ersten photonischen Kristall entfalten und bausteingenau analysieren, im Reaktionsraum durch dort anwesende Reaktionsstoffe bearbeiten und die Bearbeitungserzeugnisse in dem zweiten photonischen Kristall ebenfalls bausteingenau detektieren. Damit wird eine besonders schnelle Beprobung und Bearbeitung bei extrem geringen Probenmengen möglich.Finally, a refinement of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by a control device for the electric field for orientation in the horizontal and vertical direction and for the change in intensity. In a spatially extended photonic crystal, such that multiple linear macromolecules can move independently therein, an electric field controllable in all directions and in intensity can prevent multiple linear macromolecules on the electromagnetic radiation projection surface from overlapping. Another advantageous development of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by a microbioreactor unit at least one photonic crystal each before and behind a reaction space, are provided in the components for use of the analyzed linear macromolecules at the output of the upstream photonic crystal. Such a microbioreactor unit can dynamically, ie directly in the flow in the first photonic crystal unfolded and analyze building blocks in the reaction chamber by reactants present there in the micro and nano fluid system fed linear macromolecules and detect the processed products in the second photonic crystal just as accurate to the building. This allows a particularly fast sampling and processing with extremely small sample volumes.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen modularen Aufbau der Mikrobioreaktoreinheit. Durch die getrennte Betrachtung einzelner Bauelemente des Mikro- und Nanofluidsystem wie photonischer Kristall mit entropischer Barriere und Reaktionsraum, ist ein modularer Aufbau mit paralleler und/oder serieller Anordnung solcher Bauelemente möglich.A further advantageous development of the micro and nano fluid system according to the invention is characterized by a modular construction of the micro bioreactor unit. The separate consideration of individual components of the micro and nano-fluid system such as photonic crystal with entropic barrier and reaction space, a modular design with parallel and / or serial arrangement of such devices is possible.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Integration der Mikrobioreaktoreinheit in einem Schichtaufbau auf einem gemeinsamen Substrat. Dadurch wird eine rationelle Fertigung wie bei den bekannten Herstellungsverfahren der Mikroelektronik ermöglicht.A particularly advantageous development of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by an integration of the micro bioreactor unit in a layer structure on a common substrate. This allows a rational production as in the known production method of microelectronics.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Anordnung von Mikro- bzw. Nanobehältern hinter dem ersten und/oder dem zweiten photonischen Kristall zum Auffangen der analysierten linearen Makromoleküle. Nach der Analyse und gegebenenfalls erfolgten Expression oder anderen Bearbeitungsschritten können die separierten und entfalteten Makromoleküle in solchen Mikro- bzw. Nanobehälter zur weiteren Verwendung zwischengelagert und gegebenenfalls bei entsprechenden Abmessungen der Mikro- bzw. Nanobehälter an der Wiederfaltung gehindert werden.A further advantageous development of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by an arrangement of micro- or nanobanks behind the first and / or the second photonic crystal for collecting the analyzed linear macromolecules. After analysis and optionally carried out expression or other processing steps, the separated and unfolded macromolecules in such micro- or Nanobehälter be stored for further use and, if appropriate, with appropriate dimensions of the micro or nano container prevented from refolding.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung sind gekennzeichnet durch Vereinzelungs- und/oder Schneid- und/oder Sieb- bzw. Filter- und/oder weitere Bearbeitungsmittel vor und/oder in und/oder hinter dem ersten und/oder zweiten photonischen Kristall bzw. durch eine Reihenanordnung von mehreren Mikrobioreaktoren. Durch entsprechende Gestaltung der entropischen Barrieren können Selektionen linearer Makromoleküle voneinander oder von Fremdstoffen durch Sieb- oder Filterfunktionen, aber auch Separationen von Teilen linearer Makromoleküle durch zielgenaues Schneiden, z.B. mittels kurzzeitig erhöhter Energie der zur Detektion verwendeten elektromagnetischen Strahlung durchgeführt werden. Durch modulare Anordnung solcher Funktionsbaugruppen zuFurther advantageous developments of the micro- and nanofluid system according to the invention are characterized by separating and / or cutting and / or screening or filtering and / or further processing means before and / or in and / or behind the first and / or second photonic crystal or by a series arrangement of several microbioreactors. By appropriate design of the entropic barriers, selections of linear macromolecules from each other or from foreign substances by sieving or filtering functions, but also separations of parts of linear macromolecules by precise cutting, e.g. be carried out by means of temporarily increased energy of the electromagnetic radiation used for detection. By modular arrangement of such functional modules to
Gesamtsystemen und Integration auf einem gemeinsamen Substrat können ganze Prozessabläufe zu einem Laborchip („Lab-on-a-chip") komprimiert werden.Whole systems and integration on a common substrate, entire process flows can be compressed into a laboratory chip ("lab-on-a-chip").
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Nährstofflösung zur Strukturanalyse als Transportfluid für die zu analysierenden linearen Makromoleküle durch das Mikro- und Nanofluidsystem. Als neutrales Transportfluid für lineare Makromoleküle kommt normalerweise eine einfache physiologische Kochsalzlösung in Betracht. Bei Verwendung von Bausteinen zur Biosynthese müssen darüber hinaus Nährstoffe zur Verfügung gestellt werden, die dem Stoffaufbau dienen können. Diese Nährstoffe können bereits in ausreichender Menge dem Transportfluid beigegeben werden.A further advantageous development of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by a nutrient solution for structural analysis as a transport fluid for the linear macromolecules to be analyzed by the micro- and nano-fluid system. As a neutral transport fluid for linear macromolecules is usually a simple physiological saline into consideration. In addition, when using building blocks for biosynthesis nutrients must be made available that can serve the substance structure. These nutrients can already be added in sufficient quantity to the transport fluid.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine gesonderte Zufuhr der Nährstofflösung in den Reaktionsraum des Mikrobiorektors unabhängig von dem Transportfluid. In diesem Fall können Nährstoffe gezielt auf den im Mikrobioreaktor ablaufenden Stoffaufbauprozess abgestimmt und in einem gesteuerten zeitlichen Ablauf zugefügt werden.Another advantageous development of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by a separate supply of nutrient solution into the reaction chamber of the microbiorector independent of the transport fluid. In this case, nutrients can be specifically tailored to the occurring in the microbioreactor mass accumulation process and added in a controlled timeline.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine gesonderte Abfuhr von mit den weiteren Bearbeitungsmitteln separierten unerwünschten Bestandteile aus der Nährstofflösung und/oder dem Transportfluid. Nach einer Separation durch Sortierungs- oder Filtervorgänge können die entropische Barriere oder andere Funktionsbausteine zusätzliche Ausgänge aufweisen, die der Abfuhr unerwünschter Stoffe dienen können.A further advantageous refinement of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by a separate removal of undesirable components separated from the nutrient solution and / or the transport fluid with the further processing means. After separation by sorting or filtering operations, the entropic barrier or other functional building blocks may have additional outputs that may be used to remove unwanted material.
Die zuvor beschriebenen einzelnen Weiterbildungen des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung sind als Beispiele zu verstehen. Andere Weiterbildungen und beliebige Kombinationen aus allen sind nach Maßgabe der jeweiligen Aufgabe ebenfalls bereitstellbar.The individual developments of the micro- and nano-fluid system according to the invention described above are to be understood as examples. Other developments and any combinations of all are also provided in accordance with the respective task.
Eine Anwendung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch die Expression von auf den linearen Makromolekülen oder Abschnitten davon vorhandenen genetischen Information als dynamische in vitro Expression. Bei Einspeisung von linearen Makromolekülen als DNA oder RNA oder einzelnen Genen oder Gensequenzen kann in dem Reaktionsraum bei Anwesenheit von aktiven Ribosomen und einer entsprechenden Nährstoffzufuhr in Form eines Gemisches der notwendigen Reaktionsbestandteile wie z.B. t-RNA mit Aminosäuren eine dynamische Expression von Peptiden bzw. Proteinen erfolgen. Mit entsprechend vorgeschalteten Sortierungs- und Filterschritten kann eine gesteuerte Proteinsynthese im Durchflussverfahren stattfinden. Da diese Abläufe bei geringsten Probenmengen sehr schnell sind, besteht damit die Möglichkeit, eine Vielzahl solcher Ergebnisse in kürzester Zeit zu erhalten. Eine weitere Anwendung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch die Gewinnung hochreiner Proben von linearen Makromolekülen oder deren Expressionsergebnissen oder jeweiligen Abschnitten davon. Bei Untersuchungen der linearen Makromoleküle in den photonischen Kristallen und anschließenden Filterschritten können die bestimmten linearen Makromoleküle oder deren Expressionsergebnisse oder jeweils Teile davon nach Trennschritten direkt an entsprechenden Ausgängen abgezogen oder in anderen Bauelementen des Mikro- und Nanofluidsystem in Mikro- bzw. Nanobehältern gespeichert werden.An application of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by the expression of genetic information present on the linear macromolecules or portions thereof as dynamic in vitro expression. When linear macromolecules are introduced as DNA or RNA or individual genes or gene sequences, a dynamic expression of peptides or proteins can take place in the reaction space in the presence of active ribosomes and a corresponding nutrient supply in the form of a mixture of the necessary reaction components such as t-RNA with amino acids , With appropriately upstream sorting and filtering steps, controlled protein synthesis can take place in the flow-through process. Since these processes are very fast with the smallest sample quantities, it is thus possible to obtain a large number of such results in the shortest possible time. Another application of the micro and nanofluid system of the invention is characterized by obtaining high purity samples of linear macromolecules or their expression results or respective portions thereof. In investigations of the linear macromolecules in the photonic crystals and subsequent filter steps, the specific linear macromolecules or their expression results or parts thereof can be deducted after separation steps directly at corresponding outputs or stored in other components of the micro- and nanofluid system in micro- or nanobanks.
Eine andere Anwendung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch Sequenzierung von Nukleinsäuren. Bei Einspeisung von linearen Makromolekülen als DNA oder RNA kann deren genetische Struktur im vorgelagerten photonischen Kristall sequenziert und aufgeklärt werden. Die Konzentrierung der zur Bestrahlung eingesetzten elektromagnetischen Strahlung auf Spots unterhalb der verwendeten Wellenlänge und die entsprechend sensible Auswertung der nach dem Eintritt des linearen Makromoleküls veränderten Transmissionseigenschaften des photonischen Kristalls macht eine Sequenzierung der Makromoleküle beliebiger Länge in einem dynamischen Durchflussverfahren bei hoherAnother application of the micro- and nanofluid system according to the invention is characterized by sequencing of nucleic acids. When linear macromolecules are introduced as DNA or RNA, their genetic structure can be sequenced and elucidated in the upstream photonic crystal. Concentration of the electromagnetic radiation used for the irradiation on spots below the wavelength used and the correspondingly sensitive evaluation of the transmission properties of the photonic crystal changed after the entry of the linear macromolecule makes sequencing of the macromolecules of any length in a dynamic flow method at high
Sequenziergeschwindigkeit möglich. Damit werden bekannte Verfahren wie das Standardverfahren auf Basis der Polymerasekettenreaktion (PCR) und andere Ansätze in der Prozessgeschwindigkeit und dem apparativen und Kostenaufwand deutlich unterschritten.Sequencing speed possible. Thus, well-known methods such as the standard method based on the polymerase chain reaction (PCR) and other approaches in the process speed and the equipment and cost significantly below.
Schließlich ist eine Anwendung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung gekennzeichnet durch Manipulation von linearen Makromolekülen (LM) wie zu Markierungsreaktionen von deren Bestandteilen, zum enzymatischen bzw. chemischen Schneiden und zur Durchführung von Designschritten. Mit der Möglichkeit der sehr schnellen dynamischen Sequenzierung bis hinab zu den chemischen Grundstoffen der linearen Makromoleküle wie DNA, RNA, Proteine, Nukleinsäuren, Peptide, Aminosäureketten, synthetische Moleküle, Hormone, Vitamine, Kohlenhydrate, Fette, Fettsäuren usw. und den integrierten Filter-, Schneide-, Expressions-, Lagerungs- und sonstigen Bearbeitungsschritten wird ein schnelles und damit wirtschaftliches Design von linearen Makromolekülen möglich, weil in kurzer Zeit eine Vielzahl von Versuchen mit schrittweise veränderten Ausgangsstoffen und/oder schrittweise veränderten Expressionsergebnissen gemacht werden können. So können z.B. Zusammenhänge zwischen Gensequenzen und kleinen bis kleinsten Veränderungen daran und ihren daraus exprimierten Proteinen aufgeklärt werden. Damit werden neue Anwendungsfelder zur schnellen Analytik und Manipulation linearer Makromoleküle eröffnet.Finally, an application of the micro- and nano-fluid system according to the invention is characterized by manipulation of linear macromolecules (LM) as well as labeling reactions of their constituents, for enzymatic or chemical cutting and for carrying out design steps. With the possibility of very fast dynamic sequencing down to the basic chemicals of linear macromolecules such as DNA, RNA, proteins, nucleic acids, peptides, Amino acid chains, synthetic molecules, hormones, vitamins, carbohydrates, fats, fatty acids, etc. and the integrated filter, cutting, expression, storage and other processing steps, a rapid and therefore economic design of linear macromolecules is possible because in a short time Variety of experiments with gradually changed starting materials and / or stepwise altered expression results can be made. For example, connections between gene sequences and small to smallest changes in them and their expressed proteins can be elucidated. This opens up new fields of application for the rapid analysis and manipulation of linear macromolecules.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELEEMBODIMENTS
Ausbildungsformen des Mikro- und Nanofluidsystems zur dynamischen Strukturanalyse von linearen Makromolekülen nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren zum weiteren Verständnis der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt:Embodiments of the micro and nano fluid system for the dynamic structural analysis of linear macromolecules according to the invention are explained in more detail below with reference to the schematic figures for a further understanding of the invention. Showing:
Figur 1 ein Mikro- und Nanofluidsystem mit einer Vereinigung einer entropischen Barriere und einem Bestrahlungskanal in einem photonischen Kristall,FIG. 1 shows a micro- and nanofluid system with a combination of an entropic barrier and an irradiation channel in a photonic crystal,
Figur 1A eine perspektivische Ansicht des photonischen Kristalls gemäß Figur 1 ,FIG. 1A is a perspective view of the photonic crystal of FIG. 1;
Figur 2 ein Mikro- und Nanofluidsystem mit einem Nanosäulenfeld als photonischen Kristall,FIG. 2 shows a micro- and nano-fluid system with a nano-column field as a photonic crystal,
Figur 2A eine perspektivische Ansicht des photonischen Kristalls gemäß Figur 2,FIG. 2A is a perspective view of the photonic crystal of FIG. 2;
Figur 3 ein Mikro- und Nanofluidsystem mit einer Blende vor der räumlich periodischen Gitterstruktur, Figur 4 ein Mikro- und Nanofluidsystem mit einer sich verengenden räumlich periodischen Gitterstruktur,FIG. 3 shows a micro- and nanofluid system with a diaphragm in front of the spatially periodic lattice structure, FIG. 4 shows a micro- and nanofluid system with a narrowing spatially periodic lattice structure,
Figur 5 ein Mikro- und Nanofluidsystem mit Wellenleiteranschlüssen,FIG. 5 shows a micro- and nanofluid system with waveguide connections,
Figur 6 ein Mikro- und Nanofluidsystem als Mikrobioreaktor, Figur 7 ein Mikro- und Nanofluidsystem als Mikrobioreaktor mit Mikro- bzw. Nanobehälter, Figur 8 ein Mikro- und Nanofluidsystem als Reihenschaltung mehrererFIG. 6 shows a micro- and nanofluid system as microbioreactor, FIG. 7 shows a micro- and nanofluid system as microbioreactor with micro- or nanocontainer, FIG. 8 shows a micro- and nanofluid system as series connection of several
Mikrobioreaktoren undMicrobioreactors and
Figur 9 ein Mikro- und Nanofluidsystem mit gesonderter Zufuhr von Nährlösung und gesonderter Abfuhr von Reaktionsprodukten und nicht benötigten Bestandteilen.FIG. 9 shows a micro- and nano-fluid system with separate supply of nutrient solution and separate removal of reaction products and unnecessary components.
Die Figur 1 zeigt ein Mikro- und Nanofluidsystem NS zur dynamischen Strukturanalyse von linearen Makromolekülen LM, deren energetisch favorisierte Zustände durch komplexe Faltstrukturen KF, unter die auchFIG. 1 shows a micro- and nano-fluid system NS for the dynamic structural analysis of linear macromolecules LM whose energetically favored states are represented by complex folding structures KF, among others
Knäuel- oder Helixstrukturen subsummieren, beschrieben werden, in einem mit einem elektrischen Feld EF und/oder einem Förderdruck FD beaufschlagten Fluidkanal FK mit einer konstruktiven Vereinigung einer entropischen Barriere EB und einem Bestrahlungskanal BK in einem photonischen Kristall PK, der eine räumlich periodische Gitterstruktur PG, hier z.B. mit gezielt angeordneten Gitterdefekten GD, mit Gitteröffnungen GO zur vollständigen Entfaltung der gefalteten linearen Makromoleküle LM mit einer detektierbaren Beeinflussung der optischen Transmissionseigenschaften des photonischen Kristalls PK aufweist, wobei die Bestrahlung der durchströmenden linearen Makromoleküle LM in dem Bestrahlungskanal BK des photonischen Kristalls PK in einerSubsumulate helical structures are described in a charged with an electric field EF and / or a delivery pressure FD fluid channel FK with a constructive union of an entropic barrier EB and an irradiation channel BK in a photonic crystal PK, a spatially periodic grating structure PG, here eg with specifically arranged grid defects GD, with grid openings GO for complete unfolding of the folded linear macromolecules LM with a detectable influence on the optical transmission properties of the photonic crystal PK, wherein the irradiation of the linear macromolecules LM flowing through in the irradiation channel BK of the photonic crystal PK in a
Queranordnung QA zur Durchströmungsrichtung DR im Fluidkanal FK erfolgt. Das charakteristisch gefaltete lineare Makromolekül LM tritt an einem Eingang EG in die entropische Barriere EB ein, indem es durch das elektrische Feld EF und/oder den Förderdruck FD zur Entfaltung an den Gitteröffnungen GO der periodischen Gitterstruktur PG gezwungen wird. Es tritt an einem Ausgang AG wieder aus der entropischen Barriere EB aus und stellt unmittelbar anschließend die durch den günstigsten Energiezustand beschriebene charakteristische Faltung wieder her. Die zur Detektion erforderliche elektromagnetische Strahlung ES wird in den Bestrahlungskanal BK des photonischen Kristalls PK geleitet. Durch die Anwesenheit des linearen Makromoleküls LM wird die transmittierte elektromagnetische Strahlung TS veränderte. Die in den folgenden Figuren fehlenden Bezugszeichen sind der Figur 1 zu entnehmen. Figur 1 A zeigt als einen Ausschnitt aus Figur 1 in perspektivischer Darstellung einen photonischen Kristall PK als Vereinigung der entropischen Barriere EB im Fluidkanal FK mit dem Bestrahlungskanal BK. Der Fluidkanal FK und der Bestrahlungskanal BK liegen dabei in einer Queranordnung QA vor.Transverse QA to the flow direction DR in the fluid channel FK takes place. The characteristically folded linear macromolecule LM enters the entropic barrier EB at an entrance EG by being forced to unfold at the lattice openings GO of the periodic lattice structure PG by the electric field EF and / or the delivery pressure FD. It emerges again at an output AG from the entropic barrier EB and represents immediately then restore the characteristic folding described by the most favorable energy state. The electromagnetic radiation ES required for detection is conducted into the irradiation channel BK of the photonic crystal PK. The presence of the linear macromolecule LM alters the transmitted electromagnetic radiation TS. The missing in the following figures reference numerals are shown in FIG. FIG. 1 A shows as a detail from FIG. 1 a perspective view of a photonic crystal PK as a union of the entropic barrier EB in the fluid channel FK with the irradiation channel BK. The fluid channel FK and the irradiation channel BK are present in a transverse arrangement QA.
Figur 2 zeigt ein Mikro- und Nanofluidsystem NS wie in Figur 1 , jedoch mit einem Nanosäulenfeld NF als Vereinigung der entropischen Barriere EB mit dem Bestrahlungskanal BK in dem photonischen Kristall PK, hier ebenfalls mit beispielhaft angeordneten Gitterdefekten GD. Im Gegensatz zu einer entropischen Barriere EB mit beliebig geformten Hindernissen zur Entfaltung des linaren Makromoleküls LM hat das Nanosäule.nfeld NF den Vorteil, dass die abgerundeten Strukturen einer Verstopfung durch Verhaken der Molekülbausteine vorbeugt ohne die Entfaltungswirkung zu verschlechtern und besonders einfach herstellbar ist. Figur 2A zeigt als einen Ausschnitt aus Figur 2 in perspektivischer Darstellung einen photonischen Kristall PK als Vereinigung der entropischen Barriere EB im Fluidkanal FK mit dem Bestrahlungskanal BK in Form eines Nanosäulenfeldes NF. Der Fluidkanal FK und der Bestrahlungskanal BK liegen dabei in einer Queranordnung QA vor.FIG. 2 shows a micro- and nano-fluid system NS as in FIG. 1, but with a nano-column field NF as a union of the entropic barrier EB with the irradiation channel BK in the photonic crystal PK, here likewise with grid defects GD arranged as an example. In contrast to an entropic barrier EB with arbitrarily shaped obstacles for the development of the linear macromolecule LM, the Nanosäule.nfeld NF has the advantage that the rounded structures prevent clogging by entanglement of the molecular building blocks without deteriorating the unfolding effect and is particularly easy to produce. FIG. 2A shows, as a detail from FIG. 2, a perspective view of a photonic crystal PK as a union of the entropic barrier EB in the fluid channel FK with the irradiation channel BK in the form of a nanoscale field NF. The fluid channel FK and the irradiation channel BK are present in a transverse arrangement QA.
Figur 3 zeigt ein Mikro- und Nanofluidsystem NS wie in Figur 2, jedoch mit einer Blende KB vor dem Eingang EG der räumlich periodischen Gitterstruktur PG, hier als Nanosäulenfeld NF dargestellt. Figur 4 zeigt ein Mikro- und Nanofluidsystem NS wie in Figur 2, jedoch mit einer sich kontinuierlich verengenden räumlich periodischen Gitterstruktur PG, hier als Nanosäulenfeld VN dargestellt, als Vereinigung der entropischen Barriere EB mit dem Bestrahlungskanal BK in dem photonischen Kristall PK. Auch diese Maßnahme beugt weiter der Verstopfung am Eingang EG vor.FIG. 3 shows a micro- and nano-fluid system NS as in FIG. 2, but with a diaphragm KB in front of the entrance EG of the spatially periodic lattice structure PG, here represented as nanoscale field NF. FIG. 4 shows a micro- and nanofluid system NS as in FIG. 2, but with a continuously narrowing spatially periodic lattice structure PG, shown here as nano-column field VN, as a union of the entropic barrier EB with the irradiation channel BK in the photonic crystal PK. This measure also prevents the blockage at the entrance EC.
Figur 5 zeigt ein Mikro- und Nanofluidsystem NS wie in Figur 4, jedoch mit Wellenleitern WL zur Leitung der elektromagnetischen Strahlung ES in den photonischen Kristall PK einerseits und zur Leitung der transmittierten elektromagnetischen Strahlung TS aus dem photonischen Kristall PK andererseits. Mit den Wellenleitern WL können Einrichtungen zur Erzeugung und Auswertung der elektromagnetischen Strahlung ES von dem Mikro- und Nanofluidsystem NS räumlich entkoppelt werden.FIG. 5 shows a micro- and nano-fluid system NS as in FIG. 4, but with waveguides WL for guiding the electromagnetic radiation ES into the photonic crystal PK on the one hand and for conducting the transmitted electromagnetic radiation TS from the photonic crystal PK on the other hand. With the waveguides WL devices for generating and evaluating the electromagnetic radiation ES can be spatially decoupled from the micro and nano fluid system NS.
Figur 6 zeigt ein Mikro- und Nanofluidsystem NS als Mikrobioreaktor IVIB mit zwei photonischen Kristallen PK1, PK2 und einem Reaktionsraum RR dazwischen. Im ersten photonischen Kristall PK1 werden die linearenFIG. 6 shows a micro- and nanofluid system NS as microbioreactor IVIB with two photonic crystals PK1, PK2 and a reaction space RR between them. In the first photonic crystal PK1, the linear
Makromoleküle LM, hier z.B. Ribonukleinsäure RNA, nach der Entfaltung in der sich kontinuierlich verengenden räumlich periodischen Gitterstruktur PG, hier als Nanosäulenfeld VN dargestellt, detektiert und nach dem Eintritt in den Reaktionsraum RR von dort vorhandenen Biomolekülen, hier z.B. Ribosomen RS übernommen und unmittelbar in vitro exprimiert. Das die linearen Makromoleküle LM transportierende Transportfluid FL, z.B. eine physiologische Kochsalzlösung, kann dabei die zur zellfreien Proteinsynthese benötigten Nährstoffe NE bereits enthalten, da sie von so geringer Größe sind, dass sie den Fluidkanal FK ungehindert passieren können. Die von den Ribosomen RS erzeugten Peptide PD bzw. Proteine, ebenfalls lineareMacromolecules LM, here e.g. Ribonucleic acid RNA, after unfolding in the continuously narrowing spatially periodic lattice structure PG, shown here as Nanosäulenfeld VN, detected and after entering the reaction space RR from there existing biomolecules, here e.g. Ribosome RS taken and expressed directly in vitro. The transport fluid FL transporting the linear macromolecules LM, e.g. a physiological saline solution, it may already contain the nutrients NE needed for cell-free protein synthesis, since they are of such small size that they can pass through the fluid channel FK unhindered. The peptides produced by the ribosomes RS PD or proteins, also linear
Makromoleküle LM, werden durch den Förderdruck FD und das elektrische Feld EF ohne sich spontan charakteristisch falten zu können, unmittelbar in den zweiten photonischen Kristall PK2 getrieben und dort detektiert. Mit dieser Anordnung kann den im ersten photonischen Kristall PK1 detektierten DNA oder RNA durch Detektion im zweiten photonischen Kristall PK2 eine bestimmtes Aminosäurekette, z.B. ein Peptid PD oder ein Protein, zugeordnet werden.Macromolecules LM, are driven by the delivery pressure FD and the electric field EF without spontaneously characteristic folding, driven directly into the second photonic crystal PK2 and detected there. With this arrangement, the DNA or RNA detected in the first photonic crystal PK1 can be detected by detection in the second photonic crystal PK2 certain amino acid chain, eg a peptide PD or a protein.
Figur 7 zeigt ebenfalls ein Mikro- und Nanofluidsystem NS als Mikrobioreaktor MB, hier jedoch mit Mikro- bzw. Nanobehälter NR am Ausgang des zweiten photonischen Kristalls PK2. Durch die Anordnung von Mikro- bzw. Nanobehälter NR verschiedener Durchmesser können die durch die Proteinsynthese in den Ribosomen RS im Reaktiohsraum RR des Mikrobioreaktors MB erzeugten Aminosäureketten, z.B. Peptide PD oder Proteine, nach ihrer Größe sortiert gesammelt und für weitere Analyseschritte gelagert werden.FIG. 7 likewise shows a micro- and nanofluid system NS as a microbioreactor MB, but here with a micro- or nanobean NR at the outlet of the second photonic crystal PK2. By arranging micro- or nanocontainers NR of different diameters, the amino acid chains generated by protein synthesis in the ribosomes RS in the reaction space RR of the microbioreactor MB, e.g. Peptides PD or proteins, sorted by size and stored for further analysis.
Figur 8 zeigt ein Mikro- und Nanofluidsystem NS als Reihenschaltung mehrerer Mikrobioreaktoren MB. Wenn in dem Transportfluid FL ein Gemisch unterschiedlicher linearer Makromoleküle LM vorhanden ist, kann durch eine Reihenschaltung mehrerer Mikrobioreaktoren, hier MB1, MB2, MB3, eine individualisierte Bearbeitung, z.B. die Prozessierung von DNA über RNA in Aminosäureketten, z.B. Peptide PD oder Proteine,' oder die Proteinsynthese mit spezialisierten Ribosomen RS, durchgeführt werden.FIG. 8 shows a micro- and nanofluid system NS as a series connection of several microbioreactors MB. If a mixture of different linear macromolecules LM is present in the transporting fluid FL, a series connection of a plurality of microbioreactors, here MB1, MB2, MB3, can be used for individualized processing, e.g. the processing of DNA via RNA into amino acid chains, e.g. Peptides PD or proteins, 'or protein synthesis with specialized ribosomes RS, can be performed.
Figur 9 zeigt ein Mikro- und Nanofluidsystem NS mit gesonderter Zufuhr von Nährstoffen NE in den Reaktionsraum RR des Mikrobiorektors MB unabhängig von dem Transportfluid FL und gesonderter Abfuhr von Reaktionsprodukten und nicht benötigten Bestandteilen UB. Damit können einerseits Nährstoffe NE gezielt auf den im Mikrobioreaktor MB ablaufenden Stoffumsetzungsprozess abgestimmt und in einem gesteuerten zeitlichen Ablauf zugefügt und andererseits Reaktionsprodukte und nicht benötigte Bestandteile UB nach einer Separation durch Sortierungs- oder Filtervorgänge in den entropischen Barrieren EB abgeführt werden. Dazu kann das Mikro- und Nanofluidsystem NS Zugänge ZU, z.B. vor und/oder in und/oder nach den photonischenFIG. 9 shows a micro- and nanofluid system NS with a separate supply of nutrients NE into the reaction space RR of the microbiorector MB independently of the transport fluid FL and separate removal of reaction products and unnecessary components UB. Thus, on the one hand, nutrients NE can be tuned specifically to the material conversion process taking place in the microbioreactor MB and added in a controlled time sequence and, on the other hand, reaction products and unnecessary constituents UB can be removed after separation by sorting or filtering processes in the entropic barriers EB. For this purpose, the micro and nano-fluid system NS accesses TO, e.g. before and / or in and / or after the photonic
Kristallen PK1, PK2 und/oder im Reaktionsraum RR des Mikrobioreaktors MB, und/oder Abgänge AB, z.B. vor und/oder in und/oder nach den photonischen Kristallen PK1, PK2 und/oder im Reaktionsraum RR des Mikrobioreaktors MB, aufweisen. Crystals PK1, PK2 and / or in the reaction space RR of the microbioreactor MB, and / or outlets AB, for example before and / or in and / or after the photonic crystals PK1, PK2 and / or in the reaction space RR of the microbioreactor MB.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
AB AbgängeAB Departures
AG AusgangAG output
BK BestrahlungskanalBK irradiation channel
DNA DesoxyribonukleinsäureDNA deoxyribonucleic acid
DR DurchströmungsrichtungDR flow direction
EB entropische BarriereEB entropic barrier
EF elektrisches FeldEF electric field
EG EingangEC entrance
ES elektromagnetische StrahlungES electromagnetic radiation
FD FörderdruckFD delivery pressure
FK FluidkanalFK fluid channel
FL TransportfluidFL transport fluid
GD GitterdefektGD lattice defect
GO GitteröffnungGO grid opening
KB BlendeKB Aperture
KF komplexe FaltstrukturKF complex folding structure
LM lineares MakromolekülLM linear macromolecule
MB MikrobioreaktorMB microbioreactor
NE NährstoffeNE nutrients
NF NanosäulenfeldNF nanoscale field
NR NanobehälterNR nanocontainers
NS Mikro- und NanofluidsystemNS micro and nano fluid system
PD Aminosäurekette (Peptid, Protein)PD amino acid chain (peptide, protein)
PG periodische GitterstrukturPG periodic lattice structure
PK photonischer KristallPK photonic crystal
QA QueranordnungQA transverse arrangement
RR ReaktionsraumRR reaction space
RS Ribosomen TS transmittierte StrahlungRS ribosomes TS transmitted radiation
UB nicht benötigte Bestandteile, ReaktionsprodukteUB unnecessary components, reaction products
VN sich verengendes NanosäulenfeldVN narrowing nano-column field
WL Wellenleiter ZU Zugänge WL waveguide ZU access

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Mikro- und Nanofluidsystem zur dynamischen Strukturanalyse von linearen Makromolekülen mit energetisch bevorzugter Faltstruktur in einem mit einem elektrischen Feld und/oder einem Förderdruck beaufschlagten Fluidkanal mit zumindest einer entropischen Barriere zur Entfaltung der durchströmenden Makromoleküle und einem Bestrahlungskanal für elektromagnetische Strahlung, gekennzeichnet durch eine konstruktive Vereinigung der entropischen Barriere (EB) und des Bestrahlungskanals (BK) in einem photonischen Kristall (PK) mit räumlich periodischer Gitterstruktur (PG) und ohne oder mit gezielt angeordneten Gitterdefekten (GD) und eine Queranordnung (QA) des Fluidkanals (FK) zum Bestrahlungskanal (BK), wobei die periodische Gitterstruktur (PG) des photonischen Kristalls (PK) Gitteröffnungen (GO) aufweist, deren Ausdehnung an die Vereinzelung und Entfaltung der durchströmenden linearen Makromoleküle (LM) und den Spektralbereich der elektromagnetischen Strahlung (ES) gebunden ist.1. micro- and nano-fluid system for the dynamic structural analysis of linear macromolecules with energetically preferred folding structure in an acted upon with an electric field and / or a delivery pressure fluid channel with at least one entropic barrier for deployment of the flowing macromolecules and an irradiation channel for electromagnetic radiation, characterized by a constructive Combination of the entropic barrier (EB) and the irradiation channel (BK) in a photonic crystal (PK) with spatially periodic lattice structure (PG) and without or with specifically arranged lattice defects (GD) and a transverse arrangement (QA) of the fluid channel (FK) to the irradiation channel (BK), wherein the periodic lattice structure (PG) of the photonic crystal (PK) lattice openings (GO) whose extension is bound to the singulation and deployment of the flowing linear macromolecules (LM) and the spectral range of the electromagnetic radiation (ES).
2. Mikro- und Nanofluidsystem nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch eine Ausdehnung der Gitteröffnungen (GO) zwischen 5 nm und 1000 nm.2. micro- and nano-fluid system according to claim 1 characterized by an extension of the grid openings (GO) between 5 nm and 1000 nm.
3. Mikro- und Nanofluidsystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der periodischen Gitterstruktur (PG) des photonischen Kristalls (PK) als Nanosäulenfeld (NF).3. micro- and nano-fluid system according to claim 1 or 2, characterized by a formation of the periodic lattice structure (PG) of the photonic crystal (PK) as Nanosäulenfeld (NF).
4. Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des photonischen Kristalls (PK) mit einer sich ändernden periodischen Gitterstruktur entlang der Richtung des Fluikanals oder des Bestrahlungskanals oder einer Kombination davon.4. micro- and nano-fluid system according to one of claims 1 to 3, characterized by a formation of the photonic crystal (PK) with a changing periodic lattice structure along the direction of the Fluikanals or the irradiation channel or a combination thereof.
5. Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Blende (KB) vor dem Eingang (EG) des photonischen Kristalls (PK).5. micro and nano fluid system according to one of claims 1 to 4, characterized by a diaphragm (KB) in front of the input (EG) of the photonic crystal (PK).
6. Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch6. micro and nano fluid system according to one of claims 1 to 5, characterized by
Wellenleiter (WL) zur Zuleitung der elektromagnetischen Strahlung (ES) an den Bestrahlungskanal (BK) und zur Ableitung der transmittierten elektromagnetischen Strahlung (TS) von dem Bestrahlungskanal (BK) des photonischen Kristalls (PK).Waveguide (WL) for supplying the electromagnetic radiation (ES) to the irradiation channel (BK) and for deriving the transmitted electromagnetic radiation (TS) from the irradiation channel (BK) of the photonic crystal (PK).
7. Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Auflösung des Querschnitts der in den Bestrahlungskanal (BK) einfallenden elektromagnetischen Strahlung (ES) im Bereich einzelner oder weniger Einzelkomponenten des linearen Makromoleküls (LM).7. micro and nano fluid system according to one of claims 1 to 6, characterized by a resolution of the cross section of the radiation path in the channel (BK) incident electromagnetic radiation (ES) in the range of single or less individual components of the linear macromolecule (LM).
8. Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung für das elektrische Feld (EF) zur räumlichen Ausrichtung und zur Intensitätsänderung.8. micro and nano fluid system according to one of claims 1 to 7, characterized by a control device for the electric field (EF) for spatial alignment and intensity change.
9. Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Mikrobioreaktoreinheit (MB) zumindest aus je einem photonischen Kristall (PK) vor und hinter einem Reaktionsraum (RR), in dem Komponenten zur Nutzung der analysierten linearen Makromoleküle (LM) am Ausgang (AG) des vorgelagerten photonischen Kristalls (PK) vorgesehen sind.9. micro and nano fluid system according to one of claims 1 to 8, characterized by a micro bioreactor unit (MB) at least one photonic crystal (PK) before and behind a reaction space (RR), in the components for Use of the analyzed linear macromolecules (LM) at the output (AG) of the upstream photonic crystal (PK) are provided.
10. Mikro- und Nanofluidsystem nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen modularen Aufbau der Mikrobioreaktoreinheit (MB).10. micro and nano-fluid system according to claim 9, characterized by a modular construction of the microbioreactor unit (MB).
11. Mikro- und Nanofluidsystem nach Anspruch 9,' gekennzeichnet durch eine Integration der Mikrobioreaktoreinheit (MB) in einem Schichtaufbau auf einem gemeinsamen Substrat.11. Micro and nano-fluid system according to claim 9, characterized by an integration of the microbioreactor unit (MB) in a layer structure on a common substrate.
12. Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , gekennzeichnet durch eine Anordnung von Mikro- bzw. Nanobehälter (NR) hinter dem ersten und/oder dem zweiten photonischen Kristall (PK1 , PK2) zur Separation der analysierten linearen Makromoleküle (LM).12. micro and nano fluid system according to one of claims 1 to 11, characterized by an arrangement of micro or nano container (NR) behind the first and / or the second photonic crystal (PK1, PK2) for the separation of the analyzed linear macromolecules (LM ).
13. Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch13. micro and nano fluid system according to one of claims 9 to 12, characterized by
Vereinzelungs- und/oder Schneid- und/oder Sieb- bzw. Filter- und/oder weitere Bearbeitungsmittel vor und/oder in und/oder hinter dem ersten und/oder zweiten photonischen Kristall (PK1 , PK2).Separation and / or cutting and / or screening or filtering and / or further processing means before and / or in and / or behind the first and / or second photonic crystal (PK1, PK2).
14. Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet durch eine Reihenanordnung von mehreren Mikrobioreaktoren (MB).14. micro and nano fluid system according to one of claims 9 to 13, characterized by a series arrangement of a plurality of micro bioreactors (MB).
15. Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch eine Nährstofflösung als Transportfluid (TF) für die zu analysierenden linearen Makromoleküle (LM) durch das Mikro- und Nanofluidsystem (NS).15. micro and nano fluid system according to one of claims 9 to 14, characterized by a nutrient solution as transport fluid (TF) for the linear macromolecules (LM) to be analyzed by the micro and nano-fluid system (NS).
16. Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch eine gesonderte Zufuhr der Nährstofflösung in den Reaktionsraum (RR) des Mikrobioreaktors (MB) unabhängig von dem Transportfluid (TF).16. micro and nano fluid system according to one of claims 9 to 14, characterized by a separate supply of the nutrient solution in the reaction space (RR) of the microbioreactor (MB) independent of the transport fluid (TF).
17. Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 10 bis 16, gekennzeichnet durch eine gesonderte Abfuhr von separierten Reaktionsprodukten und nicht benötigten Bestandteilen (UB) aus der Nährstofflösung und/oder dem Transportfluid (TF).17. micro and nano fluid system according to one of claims 10 to 16, characterized by a separate removal of separated reaction products and unnecessary components (UB) from the nutrient solution and / or the transport fluid (TF).
18. Anwendung des Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, zur Expression von auf den linearen Makromolekülen (LM) oder Abschnitten davon vorhandenen genetischen Information als dynamische in vitro Expression.18. Application of the micro- and nanofluid system according to one of claims 1 to 17, for the expression of genetic information present on the linear macromolecules (LM) or sections thereof as dynamic in vitro expression.
19. Anwendung des Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, zur Gewinnung hochreiner Proben von linearen Makromolekülen (LM) oder deren Expressionsergebnissen oder jeweiligen Abschnitten davon.19. Application of the micro- and nano-fluid system according to one of claims 1 to 17, for obtaining high-purity samples of linear macromolecules (LM) or their expression results or respective sections thereof.
20. Anwendung des Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, zur Sequenzierung von linearen Makromolekülen (LM).20. Application of the micro and nano-fluid system according to one of claims 1 to 17, for the sequencing of linear macromolecules (LM).
21. Anwendung des Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, zur Manipulation von linearen Makromolekülen (LM) wie zu Markierungsreaktionen von deren Bestandteilen, zum enzymatischen bzw. chemischen Schneiden und anderen Bearbeitungsschritten und zur Durchführung von Designschritten. 21. Application of the micro- and nanofluid system according to one of claims 1 to 17, for the manipulation of linear macromolecules (LM) as well as labeling reactions of their constituents, for enzymatic or chemical cutting and other processing steps and for carrying out design steps.
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