WO2000009991A1 - Method and device for mixing samples near the interface in biosensor systems - Google Patents

Method and device for mixing samples near the interface in biosensor systems Download PDF

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WO2000009991A1
WO2000009991A1 PCT/EP1999/005813 EP9905813W WO0009991A1 WO 2000009991 A1 WO2000009991 A1 WO 2000009991A1 EP 9905813 W EP9905813 W EP 9905813W WO 0009991 A1 WO0009991 A1 WO 0009991A1
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mixing
magnetic field
liquid
sensor
cuvette
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PCT/EP1999/005813
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Gunnar Brink
Henning Groll
Jakob Tittel
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Biotul Ag
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/44—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms with stirrers performing an oscillatory, vibratory or shaking movement
    • B01F31/441—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms with stirrers performing an oscillatory, vibratory or shaking movement performing a rectilinear reciprocating movement
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/45—Magnetic mixers; Mixers with magnetically driven stirrers
    • B01F33/451—Magnetic mixers; Mixers with magnetically driven stirrers wherein the mixture is directly exposed to an electromagnetic field without use of a stirrer, e.g. for material comprising ferromagnetic particles or for molten metal
    • G—PHYSICS
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    • G01N2035/1027—General features of the devices
    • G01N2035/1048—General features of the devices using the transfer device for another function
    • G01N2035/1058—General features of the devices using the transfer device for another function for mixing
    • G01N2035/106—General features of the devices using the transfer device for another function for mixing by sucking and blowing

Definitions

  • the invention relates to devices and methods for the near-surface mixing of samples in biosensor systems, in particular sensor systems, which use surface binding reactions as an ⁇ ensor reaction.
  • the invention relates to a device and a method for mixing substances in a biosensor, preferably in a surface plasmon resonance sensor.
  • a first method relates to a cuvette system in which a chamber or a pot is used in which a side wall or the bottom forms the sensor surface.
  • a second method relates to a flow system in which the liquid is pumped past the measurement surface via flow channels.
  • a flow injection analysis method is often used and the liquid is often in a Liquid loop passed over the measuring surface.
  • the preferred system here is the cuvette system, but the invention also applies to a river system.
  • a third method uses a fiber optic sensor (as shown, for example, in DE-A-40 33 741), in which a glass fiber or another optical element is immersed in the liquid flow or in the standing liquid.
  • Optical biosensors are generally based on the fact that particles (molecules, bacteria, viruses, etc.) are bound to the optical measuring surface via a ligand-receptor interaction, which among other things changes the optical layer thickness of a thin film on the measuring surface . This change is verified using an optical method.
  • the optical signal is a measure of the binding strength or the concentration of the binding partner. Binding is determined near the surface by the concentration of binding molecules available. If molecules or larger particles from the liquid have already bound to the surface due to previous binding events, depletion or a concentration gradient occurs locally in the immediate vicinity of the surface (up to 1 - 10 ⁇ m), which falsifies the further measurement. Especially when kinetic phenomena are to be measured, it is often not the reaction rates but the diffusion that are measured.
  • the surface signal is measured with a clock frequency of approximately 1 to 10 Hz, it can be assumed that a space of several ⁇ m height above the measuring surface must be brought into a liquid flow connection with the rest of the volume as well as possible in order to obtain correct measured values.
  • the object of the invention is to provide improved measuring devices and measuring methods. This object is achieved with the features of the claims.
  • the invention is based on the basic idea of generating a liquid exchange or a thorough mixing of the liquid in the immediate vicinity of the surface (i.e. a few ⁇ m). Bodies are moved back and forth in a field in one or more directions and / or rotated about an axis.
  • the mixing takes place with magnetic bodies or beads.
  • These bodies, beads or spheres preferably consist of a superparamagnetic material and float in the liquid to be examined.
  • the bodies preferably consist of iron oxide, which is provided with different coatings. These shells can either be functionalized in a targeted manner or designed so that no non-specific adsorption takes place.
  • Such a casing preferably consists of dextran.
  • the diameter of these bodies is preferably in a range from approximately 50 nm to a few 1/10 mm.
  • the mixing takes place by applying magnetic fields, as a result of which the superparamagnetic bodies in the liquid are moved without contact.
  • magnetic fields For example, two different magnetic fields are created, one magnetic field below the sensor surface and the other whose magnetic field is arranged above.
  • the magnetic fields are generated by a magnetic coil under the gold layer of a surface plasmon resonance sensor and by a magnetic coil in the middle of a cuvette.
  • a magnetic field paramagnetic bodies are drawn in the direction of greater field strength.
  • the bodies are moved from the sensor surface into the liquid and back again to the sensor surface, which results in very good mixing on the sensor surface.
  • the advantage of these superparamagnetic bodies is that they lose their magnetism as soon as there is no longer any external magnetic field. This prevents any falsification of the measurement by magnetic fields.
  • the size of the bodies is preferably in the range of a few ⁇ m, since they are approximately the same size as the thickness of the depletion layer and thus penetrate deeply into them when they are pulled to the surface by the magnetic fields.
  • ferromagnetic bodies can be used. By applying a suitable magnetic field, ferromagnetic bodies can be rotated around their own axis or any axis. If the bodies are to be rotated about their own axis, bodies with an asymmetrical shape are preferably used. The rotation of the bodies causes the liquid to mix.
  • the bodies, beads or beads can be used to determine the start time of an affinity measurement and thus the start time of the reaction. To do this, follow the steps below.
  • the cuvette contains either a buffer solution or a regenerator solution in which the bodies swim freely.
  • the bodies are then drawn to the sensor surface by a magnetic field before the Solution is suctioned off.
  • There are preferably so many bodies in the solution that approximately 2 to 5 monolayer bodies lie on the surface when a magnetic field is applied.
  • the buffer or regenerator is suctioned off and the analyte is added. Since the bodies lie on the surface, the analyte cannot penetrate to the surface and the reaction is initially prevented.
  • the surface reaction to be examined can now be started in a targeted manner by pulling the bodies off the surface. This targeted start of the reaction is of great advantage for the determination of the kinetic data of enzyme reactions.
  • the liquid is mixed with movable networks.
  • one or more nets are drawn into the bottom of the cuvette, i.e. close to the gold layer, which can be moved either magnetically, piezoelectrically or acoustically. These nets are already close to the surface or on the surface of the liquid in the state of rest, so that a good mixing takes place during their movement.
  • Fig. La u. b a first embodiment according to the invention, in which the mixing takes place with magnetic beads;
  • Fig. 2a u. b a second embodiment according to the invention, in which the mixing takes place with magnetic beads and
  • Fig. 3 shows a third embodiment of the invention, in which movable networks are used for mixing.
  • FIGS. 1 and b show the same first embodiment according to the invention. The only differences are in the differently applied magnetic fields.
  • a substrate 31 with a sensor surface 32 is shown in FIGS.
  • the sensor surface is preferably a gold surface.
  • a cuvette 3, which is filled with liquid, is located on this sensor surface 32.
  • Paramagnetic or superparamagnetic beads are in the liquid.
  • Both figures la and b show schematically the below the sensor surface arranged magnetic field generator 34, both disposed above the cuvette magnetic field generator 35.
  • the magnetic field generator 35 is shown in Figures la and lb preferably above de "r cuvette. In another execution form can this magnetic field generator may also be arranged at a medium height around the cuvette Electromagnets are preferably used for the magnetic field generators 34 and 35.
  • the magnet 34 below the sensor surface is activated, while the second magnet 35 does not generate a magnetic field when in use
  • the conditions are just reversed, ie the magnet 35 arranged above (or also around the liquid) is activated, while the magnet 34 is deactivated and b different Mag Net fields have the effect that, on the one hand, the magnetic beads are located on the bottom of the cuvette, that is to say directly above the sensor surface, while according to FIG. 1b they have migrated away from the sensor surface into the liquid and thus ensure that the liquid is mixed.
  • the measuring device has a similar structure.
  • This measuring device has a substrate 41 with a sensor surface 42 and a cuvette which is filled with liquid.
  • a magnetic field generator 45 preferably an electromagnet, is shown below the sensor surface. In this embodiment, only this one magnetic field generator is provided.
  • the movement of the ferromagnetic beads in the liquid and the resulting passage Mixing of the liquid is effected according to this embodiment in that the current flowing through the magnet is constant in FIG. 2a, while an alternating current flows through the magnet according to FIG. 2b.
  • the measuring device shows an embodiment in which the mixing takes place with movable networks.
  • a cuvette 54 filled with liquid is provided on the sensor surface 52 arranged above the substrate 51.
  • a movable network 53 is provided in the cuvette 54 above the sensor surface 52 and is moved via a corresponding actuator 56 and a coupling element 55 located between the network and the actuator.
  • Both the actuator and the coupler can be mechanical in nature.
  • a field generator is provided as the actuator and the coupling to the mobile network takes place via the correspondingly generated fields.
  • Electromagnet e.g. Electromagnet
  • 35 magnetic field generators e.g. Electromagnet
  • Electromagnet it does not have to sit above the cuvette, it can also be placed at a medium height around the cuvette
  • Electromagnet Re. Fig. 3 45 magnetic field generators, e.g. Electromagnet Re. Fig. 3:

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Abstract

The invention relates to a device and a method for mixing liquids near the interface in a biosensor. Mixing is effected by moving magnetic marbles or by movable webs.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur grenzflächennahen Mischung vonDevice and method for mixing near the surface of
Proben in BiosensorsystemenSamples in biosensor systems
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur grenzflächennahen Mischung von Proben in Biosensorsystemen, insbesondere von Sensorsystemen, die Oberflächenbindungsreaktionen als εensorische Reaktion verwenden. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchmischung von Substanzen in einem Biosensor, vorzugsweise in einem Oberflächenplasmonenresonanzsensor .The invention relates to devices and methods for the near-surface mixing of samples in biosensor systems, in particular sensor systems, which use surface binding reactions as an εensor reaction. In particular, the invention relates to a device and a method for mixing substances in a biosensor, preferably in a surface plasmon resonance sensor.
Es sind verschiedene Verfahren bekannt, eine Flüssigkeit in einem optischen Biosensor an der optischen Meßoberfläche anzukoppeln. Ein erstes Verfahren betrifft ein Küvettensystem, in dem eine Kammer oder ein Topf verwendet wird, bei dem eine Seitenwand oder der Boden die Sensoroberfläche bildet . Ein zweites Verfahren betrifft ein Flußsystem, bei dem über Flußkanäle die Flüssigkeit an der Meßoberfläche vorbeigepumpt wird. Dabei wird häufig ein Flow-Injection-Analysis- Verfahren verwendet und die Flüssigkeit wird häufig in einer Flüssigkeitsschleife über die Meßoberfläche geführt. Das hiervon bevorzugte System ist das Küvettensystem, die Erfindung findet aber auch Anwendung bei einem Flußsystem. Ein drittes Verfahren verwendet einen faseroptischen Sensor (wie beispielsweise in der DE-A-40 33 741 gezeigt) , bei dem eine Glasfaser oder ein anderes optisches Element in den Flüssigkeitsstrom oder in die stehende Flüssigkeit eingetaucht wird.Various methods are known for coupling a liquid in an optical biosensor to the optical measuring surface. A first method relates to a cuvette system in which a chamber or a pot is used in which a side wall or the bottom forms the sensor surface. A second method relates to a flow system in which the liquid is pumped past the measurement surface via flow channels. A flow injection analysis method is often used and the liquid is often in a Liquid loop passed over the measuring surface. The preferred system here is the cuvette system, but the invention also applies to a river system. A third method uses a fiber optic sensor (as shown, for example, in DE-A-40 33 741), in which a glass fiber or another optical element is immersed in the liquid flow or in the standing liquid.
Optische Biosensoren beruhen in der Regel darauf, daß Partikel (Moleküle, Bakterien, Viren, usw.) über eine Ligand-Re- zeptor-Wechselwirkung an die optische Meßoberfläche gebunden werden, wodurch sich unter anderem die optische Schichtdicke eines dünnen Filmes auf der Meßoberfläche verändert. Diese Veränderung wird über ein optisches Verfahren nachgewiesen. Das optische Signal ist ein Maß für die Bindungsstärke oder die Konzentration der bindenden Partner. Die Bindung wird in der Nähe der Oberfläche durch die zur Verfügung stehende Konzentration an bindenden Molekülen bestimmt. Haben sich aufgrund vorangegangener Bindungsereignisse Moleküle oder größere Partikel aus der Flüssigkeit bereits an die Oberfläche gebunden, tritt lokal in unmittelbarer Nähe der Oberfläche (bis 1 - 10 μm) eine Verarmung (depletion) oder ein Kon- zentrationsgefalle auf, welches die weitere Messung verfälscht. Insbesondere wenn kinetische Phänomene gemessen werden sollen, werden also häufig nicht Reaktionsgeschwindigkeiten, sondern die Diffusion gemessen. Beim gewöhnlichen Mischen mit z.B. Rühren liegt in der Nähe der Oberfläche in der Regel ein laminarer Flüssigkeitsstrom vor und aufgrund von Newton-Reibung findet an der Sensoroberfläche keine ausreichende Durchmischung mit übrigem Meßvolumen statt. Bei Meßvorrichtungen mit Flußkammern kann dieses Problem dadurch gelöst werden, daß Flüssigkeitsströme mit unterschiedlicher Geschwindigkeit über die Oberfläche geführt werden und aus den erhaltenen Daten extrapoliert wird, welche Bindungskinetiken aufträten, falls ein beliebiger Austausch d.h. optimale Durchmischung mit der Meßflüssigkeit erfolgen würde. In der Regel beträgt die Diffusionsgeschwindigkeit im Volumen weniger als 1 μm/sec. Wenn das Oberflächensignal mit einer Taktfrequenz von etwa 1 bis 10 Hz gemessen wird, ist davon auszugehen, daß ein Raum von mehreren μm Höhe über der Meßoberfläche möglichst gut in eine Flüssigkeitsstromverbindung mit dem Rest des Volumens gebracht werden muß, um korrekte Meßwerte zu erhalten.Optical biosensors are generally based on the fact that particles (molecules, bacteria, viruses, etc.) are bound to the optical measuring surface via a ligand-receptor interaction, which among other things changes the optical layer thickness of a thin film on the measuring surface . This change is verified using an optical method. The optical signal is a measure of the binding strength or the concentration of the binding partner. Binding is determined near the surface by the concentration of binding molecules available. If molecules or larger particles from the liquid have already bound to the surface due to previous binding events, depletion or a concentration gradient occurs locally in the immediate vicinity of the surface (up to 1 - 10 μm), which falsifies the further measurement. Especially when kinetic phenomena are to be measured, it is often not the reaction rates but the diffusion that are measured. In normal mixing with, for example, stirring, there is usually a laminar liquid flow in the vicinity of the surface, and due to Newton friction, there is no adequate mixing with the remaining measuring volume on the sensor surface. In the case of measuring devices with flow chambers, this problem can be solved in that liquid flows are conducted over the surface at different speeds and extrapolated from the data obtained which binding kinetics would occur if any exchange, ie optimal mixing, with the measuring liquid would take place. As a rule, the volume diffusion rate is less than 1 μm / sec. If the surface signal is measured with a clock frequency of approximately 1 to 10 Hz, it can be assumed that a space of several μm height above the measuring surface must be brought into a liquid flow connection with the rest of the volume as well as possible in order to obtain correct measured values.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, verbesserte Meßvorrichtungen und Meßverfahren bereitzustellen. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst .In contrast, the object of the invention is to provide improved measuring devices and measuring methods. This object is achieved with the features of the claims.
Bei der Lösung geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, einen Flüssigkeitsaustausch bzw. eine Durchmischung der Flüssigkeit in unmittelbarer Nähe der Oberfläche (d.h. wenige μm) zu erzeugen. Dabei werden Körper in einem Feld in einer oder mehreren Richtungen hin- und herbewegt und/oder um eine Achse rotiert.In the solution, the invention is based on the basic idea of generating a liquid exchange or a thorough mixing of the liquid in the immediate vicinity of the surface (i.e. a few μm). Bodies are moved back and forth in a field in one or more directions and / or rotated about an axis.
In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt das Durchmischen mit magnetischen Körpern oder Beads . Diese Körper, Beads oder Kügelchen bestehen vorzugsweise aus einem superparamagnetischen Material und schwimmen in der zu untersuchenden Flüssigkeit. Bevorzugt bestehen die Körper aus Eisenoxid, das mit verschiedenen Ummantelungen versehen ist. Diese Hüllen können entweder gezielt funktionalisiert werden oder so ausgelegt sein, daß keine unspezifische Adsorption stattfindet. Vorzugsweise besteht eine solche Hülle aus Dex- tran. Der Durchmesser dieser Körper liegt vorzugsweise in einem Bereich von ca. 50 nm bis zu einigen 1/10 mm.In a first embodiment according to the invention, the mixing takes place with magnetic bodies or beads. These bodies, beads or spheres preferably consist of a superparamagnetic material and float in the liquid to be examined. The bodies preferably consist of iron oxide, which is provided with different coatings. These shells can either be functionalized in a targeted manner or designed so that no non-specific adsorption takes place. Such a casing preferably consists of dextran. The diameter of these bodies is preferably in a range from approximately 50 nm to a few 1/10 mm.
Bei dieser Ausführungsform erfolgt das Durchmischen über ein Anlegen von Magnetfeldern, wodurch die superparamagnetischen Körper in der Flüssigkeit berührungslos bewegt werden. Beispielsweise werden zwei verschiedene Magnetfelder angelegt, wobei ein Magnetfeld unterhalb der Sensorfläche und das an- dere Magnetfeld oberhalb angeordnet ist. Beispielsweise werden die Magnetfelder durch eine Magnetspule unter der Goldschicht eines Oberflächenplasmonenresonanzsensors und durch eine Magnetspule in Höhe der Mitte einer Küvette erzeugt. Durch Anlegen eines Magnetfeldes werden paramagnetische Körper in Richtung größerer Feldstärke hingezogen. In einem sich ändernden Magnetfeld werden die Körper von der Sensoroberfläche in die Flüssigkeit hinein und wieder zurück an die Sensoroberfläche bewegt, wodurch eine sehr gute Durchmischung an der Sensoroberfläche stattfindet. Der Vorteil dieser superparamagnetischen Körper besteht darin, daß diese ihren Magnetismus verlieren, sobald kein von außen angelegtes Magnetfeld mehr vorliegt. Somit wird eine eventuelle Verfälschung der Messung durch Magnetfelder ausgeschlossen. Vorzugsweise liegt die Größe der Körper im Bereich von wenigen μm, da sie so etwa die gleiche Größe haben, wie die Dicke der Verarmungsschicht und somit tief in diese eindringen, wenn sie durch die Magnetfelder an die Oberfläche gezogen werden.In this embodiment, the mixing takes place by applying magnetic fields, as a result of which the superparamagnetic bodies in the liquid are moved without contact. For example, two different magnetic fields are created, one magnetic field below the sensor surface and the other whose magnetic field is arranged above. For example, the magnetic fields are generated by a magnetic coil under the gold layer of a surface plasmon resonance sensor and by a magnetic coil in the middle of a cuvette. By applying a magnetic field, paramagnetic bodies are drawn in the direction of greater field strength. In a changing magnetic field, the bodies are moved from the sensor surface into the liquid and back again to the sensor surface, which results in very good mixing on the sensor surface. The advantage of these superparamagnetic bodies is that they lose their magnetism as soon as there is no longer any external magnetic field. This prevents any falsification of the measurement by magnetic fields. The size of the bodies is preferably in the range of a few μm, since they are approximately the same size as the thickness of the depletion layer and thus penetrate deeply into them when they are pulled to the surface by the magnetic fields.
Alternativ können ferromagnetische Körper verwendet werden. Durch Anlegen eines geeigneten Magnetfeldes können ferromag- netische Körper um eine eigene Achse oder eine beliebige Achse gedreht werden. Wenn die Körper um die eigene Achse gedreht werden sollen, werden vorzugsweise Körper mit unsymmetrischer Form eingesetzt. Durch die Drehung der Körper wird eine Durchmischung der Flüssigkeit bewirkt.Alternatively, ferromagnetic bodies can be used. By applying a suitable magnetic field, ferromagnetic bodies can be rotated around their own axis or any axis. If the bodies are to be rotated about their own axis, bodies with an asymmetrical shape are preferably used. The rotation of the bodies causes the liquid to mix.
Weiterhin können die Körper, Beads bzw. die Kügelchen dazu genutzt werden, den Startzeitpunkt einer Affinitätsmessung und somit den StartZeitpunkt der Reaktion festzulegen. Dazu ist in den folgenden Schritten vorzugehen.Furthermore, the bodies, beads or beads can be used to determine the start time of an affinity measurement and thus the start time of the reaction. To do this, follow the steps below.
Beim ersten Schritt enthält die Küvette entweder eine Pufferlösung oder eine Regeneratorlösung, in der die Körper frei herumschwimmen. Anschließend werden die Körper durch ein Magnetfeld an die Sensoroberfläche gezogen, bevor die Lösung abgesaugt wird. Dabei liegen in der Lösung vorzugsweise soviele Körper vor, daß bei angelegtem Magnetfeld ca. 2 bis 5 Monolagen-Körper auf der Oberfläche liegen. Anschließend wird der Puffer oder Regenerator abgesaugt und der Analyt hinzugegeben^ Da auf der Oberfläche die Körper liegen, kann der Analyt nicht bis an die Oberfläche vordringen und die Reaktion ist vorerst unterbunden. Die zu untersuchende Oberflächenreaktion kann nun gezielt gestartet werden, in dem die Körper von der Oberfläche abgezogen werden. Dieses gezielte Starten der Reaktion ist für die Bestimmung der kinetischen Daten von Enzymreaktionen von großem Vorteil.In the first step, the cuvette contains either a buffer solution or a regenerator solution in which the bodies swim freely. The bodies are then drawn to the sensor surface by a magnetic field before the Solution is suctioned off. There are preferably so many bodies in the solution that approximately 2 to 5 monolayer bodies lie on the surface when a magnetic field is applied. Then the buffer or regenerator is suctioned off and the analyte is added. Since the bodies lie on the surface, the analyte cannot penetrate to the surface and the reaction is initially prevented. The surface reaction to be examined can now be started in a targeted manner by pulling the bodies off the surface. This targeted start of the reaction is of great advantage for the determination of the kinetic data of enzyme reactions.
In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt das Durchmischen der Flüssigkeit mit beweglichen Netzen. Dazu sind in den Boden der Küvette, also nahe der Goldschicht, ein oder mehrere Netze eingezogen, die entweder magnetisch, piezoelektrisch oder akustisch bewegt werden können. Diese Netze liegen schon im Ruhezustand nahe an der Oberfläche oder auf der Oberfläche der Flüssigkeit, wodurch bei deren Bewegung eine gute Durchmischung stattfindet.In a second embodiment according to the invention, the liquid is mixed with movable networks. For this purpose, one or more nets are drawn into the bottom of the cuvette, i.e. close to the gold layer, which can be moved either magnetically, piezoelectrically or acoustically. These nets are already close to the surface or on the surface of the liquid in the state of rest, so that a good mixing takes place during their movement.
Die Erfindung wird nachstehend mit bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:
Fig. la u. b eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der das Durchmischen mit magnetischen Beads erfolgt;Fig. La u. b a first embodiment according to the invention, in which the mixing takes place with magnetic beads;
Fig. 2a u. b eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der das Durchmischen mit magnetischen Beads erfolgt undFig. 2a u. b a second embodiment according to the invention, in which the mixing takes place with magnetic beads and
Fig. 3 eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der zum Durchmischen bewegliche Netze verwendet werden.Fig. 3 shows a third embodiment of the invention, in which movable networks are used for mixing.
Figuren la und b zeigen die gleiche erfindungsgemäße erste Ausführungsform. Unterschiede bestehen nur hinsichtlich der unterschiedlich angelegten Magnetfelder. In Figuren la und b ist ein Substrat 31 mit einer Sensoroberfläche 32 gezeigt. Die Sensoroberfläche ist bevorzugt eine Goldoberfläche. Auf dieser Sensoroberfläche 32 befindet sich eine Küvette 3, die mit Flüssigkeit gefüllt ist. In der Flüssigkeit befinden sich paramagnetische bzw. superparamagnetische Beads. Beide Figuren la und b zeigen schematisch den unterhalb der Sensoroberfläche angeordneten Magnetfelderzeuger 34, sowohl den über der Küvette angeordneten Magnetfelderzeuger 35. Der Magnetfelderzeuger 35 ist in Figuren la und lb bevorzugt oberhalb de"r Küvette gezeigt. In einer anderen Ausführungs- form kann dieser Magnetfelderzeuger auch in mittlerer Höhe um die Küvette herum angeordnet sein. Vorzugsweise werden für die Magnetfelderzeuger 34 und 35 Elektromagneten verwendet. In der in Fig. la gezeigten Ausführungsform ist der Magnet 34 unterhalb der Sensoroberfläche aktiviert, während der zweite Magnet 35 kein Magnetfeld erzeugt, bei Verwendung eines Elektromagneten dieser also ausgeschaltet ist. Bei der in Fig. lb gezeigten Ausführungsform sind die Verhältnisse gerade umgekehrt, d.h. der oberhalb (oder auch um die Flüssigkeit herum) angeordnete Magnet 35 ist aktiviert, während der Magnet 34 deaktiviert ist. Die gemäß der Figuren la und b unterschiedlich angelegten Magnetfelder bewirken, daß einerseits die magnetischen Beads sich am Küvettenboden befinden, also unmittelbar über der Sensoroberfläche, während sie gemäß der Figur lb von der Sensoroberfläche weg in die Flüssigkeit hinein gewandert sind und so für eine Durchmischung der Flüssigkeit sorgen.Figures la and b show the same first embodiment according to the invention. The only differences are in the differently applied magnetic fields. A substrate 31 with a sensor surface 32 is shown in FIGS. The sensor surface is preferably a gold surface. A cuvette 3, which is filled with liquid, is located on this sensor surface 32. Paramagnetic or superparamagnetic beads are in the liquid. Both figures la and b show schematically the below the sensor surface arranged magnetic field generator 34, both disposed above the cuvette magnetic field generator 35. The magnetic field generator 35 is shown in Figures la and lb preferably above de "r cuvette. In another execution form can this magnetic field generator may also be arranged at a medium height around the cuvette Electromagnets are preferably used for the magnetic field generators 34 and 35. In the embodiment shown in Fig. la, the magnet 34 below the sensor surface is activated, while the second magnet 35 does not generate a magnetic field when in use In the embodiment shown in FIG. 1b, the conditions are just reversed, ie the magnet 35 arranged above (or also around the liquid) is activated, while the magnet 34 is deactivated and b different Mag Net fields have the effect that, on the one hand, the magnetic beads are located on the bottom of the cuvette, that is to say directly above the sensor surface, while according to FIG. 1b they have migrated away from the sensor surface into the liquid and thus ensure that the liquid is mixed.
Die Meßvorrichtung nach Figuren 2a und b hat einen ähnlichen Aufbau. Diese Meßvorrichtung besitzt ein Substrat 41 mit einer Sensoroberfläche 42, sowie eine Küvette, die mit Flüssigkeit gefüllt ist. Unterhalb der Sensoroberfläche ist ein Magnetfelderzeuger 45, vorzugsweise ein Elektromagnet, gezeigt. In dieser Ausführungsform ist nur dieser eine Magnetfelderzeuger vergesehen. Die Bewegung der ferromagnetischen Beads in der Flüssigkeit und die daraus resultierende Durch- mischung der Flüssigkeit wird gemäß dieser Ausführungsform dadurch bewirkt, daß der durch den Magneten fließende Strom in Fig. 2a konstant ist, während gemäß Fig. 2b ein Wechselstrom durch den Magneten fließt.The measuring device according to Figures 2a and b has a similar structure. This measuring device has a substrate 41 with a sensor surface 42 and a cuvette which is filled with liquid. A magnetic field generator 45, preferably an electromagnet, is shown below the sensor surface. In this embodiment, only this one magnetic field generator is provided. The movement of the ferromagnetic beads in the liquid and the resulting passage Mixing of the liquid is effected according to this embodiment in that the current flowing through the magnet is constant in FIG. 2a, while an alternating current flows through the magnet according to FIG. 2b.
Die Meßvorrichtung nach Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Durchmischung mit beweglichen Netzen erfolgt. Auf der oberhalb des Substrates 51 angeordneten Sensoroberfläche 52 ist eine mit Flüssigkeit gefüllte Küvette 54 vorgesehen. Oberhalb der Sensoroberfläche 52 ist in der Küvette 54 ein bewegliches Netz 53 vorgesehen, das über einen entsprechenden Aktor 56 und einen zwischen dem Netz und dem Aktor befindlichen Koppelelement 55 bewegt wird. Sowohl der Aktor als auch der Koppler kann mechanischer Natur sein. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist als Aktor ein Felderzeuger vorgesehen und die Kopplung mit dem beweglichen Netz erfolgt über die entsprechend erzeugten Felder. The measuring device according to FIG. 3 shows an embodiment in which the mixing takes place with movable networks. A cuvette 54 filled with liquid is provided on the sensor surface 52 arranged above the substrate 51. A movable network 53 is provided in the cuvette 54 above the sensor surface 52 and is moved via a corresponding actuator 56 and a coupling element 55 located between the network and the actuator. Both the actuator and the coupler can be mechanical in nature. In another preferred embodiment, a field generator is provided as the actuator and the coupling to the mobile network takes place via the correspondingly generated fields.
BEZUGSZEICHENBLATTREFERENCE DRAWING SHEET
Re. Fig. la und lb:Re. Fig. La and lb:
31 Substrat31 substrate
32 Sensoroberfläche (Goldoberfläche)32 sensor surface (gold surface)
33 Küvette mit Flüssigkeit gefüllt33 cuvette filled with liquid
34 Magnetfelderzeuger, z.B. Elektromagnet34 magnetic field generators, e.g. Electromagnet
35 Magnetfelderzeuger, z.B. Elektromagnet, er muß nicht oberhalb der Küvette sitzen, er kann auch in mittlerer Höhe um die Küvette herum angebracht sein35 magnetic field generators, e.g. Electromagnet, it does not have to sit above the cuvette, it can also be placed at a medium height around the cuvette
36 (Super) paramagnetische Beads Re. Fig. 2a und 2b:36 (Super) paramagnetic beads Re. 2a and 2b:
41 Substrat41 substrate
42 Sensoroberfläche (Goldoberfläche)42 sensor surface (gold surface)
43 Küvette mit Flüssigkeit gefüllt43 cuvette filled with liquid
44 ferromagnetische Beads44 ferromagnetic beads
45 Magnetfelderzeuger, z.B. Elektromagnet Re. Fig. 3:45 magnetic field generators, e.g. Electromagnet Re. Fig. 3:
51 Substrat51 substrate
52 Sensoroberfläche (Goldoberfläche)52 sensor surface (gold surface)
53 bewegliches Netz53 mobile network
54 Küvette mit Flüssigkeit gefüllt54 cuvette filled with liquid
55 Koppler (mechanisch oder über Felder)55 couplers (mechanical or via fields)
56 Aktor (mechanisch oder Felderzeuger) 56 actuator (mechanical or field generator)

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Sensorvorrichtung, die Oberflächenbindungsreaktionen an einer Sensoroberfläche als sensorische Reaktionen verwendet, mit einer Einrichtung (36, 44, 53) zum grenzflächennahen Mischen einer zu untersuchenden Flüssigkeit.1. Sensor device which uses surface binding reactions on a sensor surface as sensor reactions, with a device (36, 44, 53) for mixing a liquid to be examined near the surface.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mischeinrichtung magnetische Körper mit symmetrischer Form wie Kügelchen oder mit unsymmetrischer Form aufweist.2. Device according to claim 1, wherein the mixing device has magnetic bodies with a symmetrical shape such as spheres or with an asymmetrical shape.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Körper (36, 44) aus einem paramagnetischen oder superparamagnetischen oder ferromagnetischen Material bestehen.3. Apparatus according to claim 2, wherein the body (36, 44) consist of a paramagnetic or superparamagnetic or ferromagnetic material.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 , wobei die Körper4. Apparatus according to claim 2 or 3, wherein the body
(36, 44) aus Eisenoxid bestehen und verschiedene Ummantelungen aufweisen.(36, 44) consist of iron oxide and have different coatings.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei die Körper5. The device of claim 2, 3 or 4, wherein the body
(36, 44) in der zu untersuchenden Flüssigkeit schwimmen.(36, 44) float in the liquid to be examined.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Körper (36, 44) einen Durchmesser im Bereich von etwa 50 nm bis zu einigen lOtel mm haben.6. Device according to one of claims 2 to 5, wherein the body (36, 44) have a diameter in the range of about 50 nm to a few 10th mm.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei mindestens eine erste Einrichtung (34, 45) zum Erzeugen eines Magnetfeldes vorgesehen ist.7. Device according to one of claims 2 to 6, wherein at least a first device (34, 45) is provided for generating a magnetic field.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei zwei Einrichtungen (34, 35) zum Erzeugen eines Magnetfeldes vorgesehen sind8. The method according to claim 7, wherein two devices (34, 35) are provided for generating a magnetic field
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die erste Magnetfeldeinrichtung (34, 45) unterhalb der Sensoroberfläche angeordnet ist. 9. The device according to claim 7 or 8, wherein the first magnetic field device (34, 45) is arranged below the sensor surface.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die zweite Magnetfeldeinrichtung (35) oberhalb der Küvette oder um die Küvette herum angeordnet ist .10. The device according to claim 8 or 9, wherein the second magnetic field device (35) above the cuvette or around the cuvette is arranged.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mischeinrichtung mindestens ein bewegliche Netz (53) aufweist.11. The device according to claim 1, wherein the mixing device has at least one movable network (53).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Netz (53) mechanisch, magnetisch, piezoelektrisch oder akustisch bewegt werden.12. The apparatus of claim 11, wherein the network (53) are moved mechanically, magnetically, piezoelectrically or acoustically.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Einrichtung in der Nähe der Sensoroberflache 32, 42 52) oder auf der Oberfläche angeordnet ist.13. Device according to one of claims 1 to 12, wherein the device is arranged in the vicinity of the sensor surface 32, 42 52) or on the surface.
14. Meßverfahren in einem Sensorsystem, das Oberflächenbindungsreaktionen als sensorische Reaktionen verwendet, mit den folgenden Schritten:14. Measuring method in a sensor system that uses surface binding reactions as sensory reactions with the following steps:
(a) Durchmischen der zu untersuchenden Flüssigkeit;(a) mixing the liquid to be examined;
(b) Durchführen der Messung; wobei zwischen den Schritten (a) und (b) eine vorbestimmte Pause liegt.(b) performing the measurement; wherein there is a predetermined pause between steps (a) and (b).
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei in Schritt (a) das Durchmischen mit magnetischen Körpern vorzugsweise Kügelchen (36, 44) erfolgt, die in einem Magnetfeld in einer oder mehreren Richtungen hin- und herbewegt, auf einer Kreisbahn oder elliptischen Bahn bewegt und/oder um eine eigene Achse gedreht werden.15. The method according to claim 14, wherein in step (a) the mixing with magnetic bodies preferably takes place balls (36, 44) which reciprocate in a magnetic field in one or more directions, move on a circular path or elliptical path and / or be rotated around its own axis.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Durchmischen durch abwechselndes Aktivieren der ersten und zweiten Magnet- feldeinrichtungen (34, 35) erfolgt. 16. The method according to claim 15, wherein the mixing takes place by alternately activating the first and second magnetic field devices (34, 35).
17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Durchmischen abwechselndes Anlegen eines Gleichstromes und eines Wechselstromes an die erste Magnetfeldeinrichtung (45) erfolgt17. The method according to claim 15, wherein the mixing is carried out alternately applying a direct current and an alternating current to the first magnetic field device (45)
18. Verfahren nach Anspruch 14, wobei in Schritt (a) das Durchmischen mit mindestens einem beweglichen Netz (53) erfolgt .18. The method according to claim 14, wherein in step (a) the mixing is carried out with at least one movable network (53).
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei in Schritt" (a) die Durchmischung zusätzlich durch Rühren erfolgt .19. The method according to any one of claims 14 to 18, wherein in step " (a) the mixing is additionally carried out by stirring.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei in Schritt (a) das Durchmischen zusätzlich durch Ansaugen und Ausstoßen von Flüssigkeit mittels einer Spitze erfolgt.20. The method according to any one of claims 14 to 18, wherein in step (a) the mixing is additionally carried out by suction and ejection of liquid by means of a tip.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei in Schritt (a) das Durchmischen mit einem Mikro- oder Makroflußsystem kombiniert ist . 21. The method according to any one of claims 14 to 18, wherein in step (a) the mixing is combined with a micro or macro flow system.
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