WO2010097266A1

WO2010097266A1 - Verfahren und anordnung zur inhibierung einer chemischen reaktion von substanzen in einer flüssigkeit vor einer messung

Info

Publication number: WO2010097266A1
Application number: PCT/EP2010/051010
Authority: WO
Inventors: Walter Gumbrecht; Meinrad Schienle; Gerald Eckstein; Alexander Frey; Peter Paulicka; Manfred Stanzel
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2010-09-02
Also published as: DE102009010639A1; DE102009010639B4

Abstract

Beim Befüllen einer Durchflusszelle 1 mit Flüssigkeit werden durch Kühlen chemische Reaktionen von Substanzen in der Flüssigkeit mit Molekülen auf Sensoren eines Sensor-Arrays 5 in der Durchflusszelle 1 inhibiert. Wenn das Befüllen der Durchflusszelle 1 abgeschlossen ist, werden chemische Reaktionen gestartet durch Erwärmung eines festen Trägers 2, auf welchem das Sensor-Array 5 angeordnet ist. Ein Nachweis der Substanzen in der Flüssigkeit erfolgt über eine Messung der Reaktionsprodukte nach Erwärmung. Ein Verschleppen von Reaktionsprodukten beim Befüllen der Durchflusszelle 1 wird verhindert und an einem Sensor des Sensor-Arrays 5 werden nur spezifisch an diesem gebildete Reaktionsprodukte vermessen.

Description

Beschreibung

Verfahren und Anordnung zur Inhibierung einer chemischen Reaktion von Substanzen in einer Flüssigkeit vor einer Messung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Inhibierung einer chemischen Reaktion von Substanzen in einer Flüssigkeit auf einem festen Träger.

In der Immunologie und der Molekularbiologie spielt die in- vitro Diagnostik eine wichtige Rolle. So können z.B. DNA- Analysen Aufschluss über Krankheitserreger geben, Wechselwirkungen zwischen Proteinen und DNA das Grundverständnis über Prozesse im Körper verbessern, oder die Reaktion von Zellen auf Substanzen bei der Entwicklung von Arzneimitteln helfen.

Ein wichtiges Arbeitsmittel in der in-vitro Diagnostik ist durch Biosensoren gegeben. Mit ihrer Hilfe sind biochemische Moleküle kostengünstig, schnell und einfach nachzuweisen. Häufig werden dabei Enzyme als Marker-Moleküle und zur Verstärkung von Messsignalen verwendet. So werden z.B. in heterogenen Assays, z.B. ELISA-Assays, Fänger-Moleküle auf einen festen Träger gebunden, an welche darauffolgend Target-Moleküle mit Enzym-Labeln spezifisch binden. Bei einem Wasch- schritt wird ungebundenes Enzym entfernt und darauffolgend die Enzym-Aktivität nach Zugabe von Enzym-Substrat gemessen. Das gebildete Reaktionsprodukt der Reaktion des Substrats mit dem Enzym dient dabei als Maß für die Enzym-Aktivität und kann optisch oder elektrisch detektiert werden.

Um eine optimale Empfindlichkeit zu erreichen, wird das Reaktionsgefäß auf eine Temperatur thermostatisiert, bei welcher das Substrat optimal vom Enzym umgesetzt wird. Eine günstige Temperatur für eine solche Reaktion liegt bei bestimmten En- zymen und Substraten um die 40⁰C. Eine besonders günstige Reaktionsform zum Nachweis des gebundenen Enzyms ist im Redox- cycling gegeben. Dabei wird das Substrat am gebundenen Enzym oxidiert bzw. reduziert und räumlich benachbart an einer Elektrode wieder reduziert bzw. oxidiert. Die an der Elektrode umgesetzte Ladungsmenge wird gemessen. Durch die Reversibilität der Oxidation bzw. Reduktion und die kontinuierlich mit der Zeit ablaufenden Redoxreaktionen wird mit steigender Messzeit mehr Ladung an der Elektrode umgesetzt und das Messsignal verbessert.

Für eine besonders effektive parallele Messung wird in der Regel nicht eine einzelne Elektrode verwendet, sondern ein Elektroden-Array . Eine besonders hohe Messempfindlichkeit erreicht man mit Elektroden-Arrays aufgebaut aus einzelnen In- terdigital-Elektroden . Eine hohe Integrationsdichte und einen besonders kompakten Messaufbau erhält man bei Verwendung von Elektroden-Arrays auf Silizium-Chips bzw. in Lab-on-a-Chip Systemen, bei welchen der Silizium-Chip in einer Cartridge integriert ist. Dies ermöglicht auch die Integration der gesamten bzw. eines Teils der Messelektronik auf dem Chip. Die Messelektroden sind in Array-Form auf dem Chip angeordnet, z.B. als Mikroelektroden der Größe 200μm im Abstand von 50 μm voneinander. Der Chip kann in eine Durchflusszelle eingebaut werden, welche mit Enzym-Substrat befüllt wird. Anschließend wird der Substratumsatz elektrochemisch vermessen.

Ein Problem des geschilderten Messaufbaus und Verfahrens ist, dass bereits während des Befüllens der Durchflusszelle mit Substrat chemische Reaktionen des Substrats mit dem Enzym- Label stattfinden. Das umgesetzte Substrat strömt während des Befüllens über das Array und eine ladungsmäßige Detektion des Reaktionsprodukts erfolgt an Elektroden entfernt vom Reakti- onsort. Eine Zuordnung der umgesetzten Ladung zu einem räumlich bestimmten System Fänger/Target-Molekül mit Label ist nicht möglich. Den Vorgang nennt man in der Sensorik Übersprechen, d.h. Sensoren Messen Signale welche an benachbarten oder anderen Sensoren ihren Ursprung haben.

Nach vollständigem Befüllen der Durchflusszelle wird der Fluss der Flüssigkeit mit Substrat-Molekülen gestoppt. Ein Nachströmen von an anderen Orten umgesetztem Substrat erfolgt nicht mehr. Umgesetztes Substrat diffundiert von der Chip- Oberfläche weg und damit nimmt an den Sensoren der Ladungsumsatz ab. Das an den Sensoren gemessene Signal nimmt ab. Dieser Effekt wird als Artefakt bezeichnet.

In gebräuchlichen ELISA-Assays tritt der Effekt des Übersprechens nicht auf, da die Reaktionsräume durch Wände voneinander getrennt sind, z.B. durch Wells bei Mikrotiterplatten . Bei Lab-on-a-Chip Systemen können Artefakte verhindert wer- den, durch Einführung von Mikro-Reaktionskavitäten . So können z.B. durch das Pressen einer porösen Folie auf das Sensor- Array kleine abgeschlossene Reaktionsräume über den einzelnen Sensoren erzeugt werden, welche ein Übersprechen verhindern. Reaktionsprodukt kann nicht von einem zum anderen Sensor ge- langen, da es nur innerhalb eines Reaktionsraumes diffundieren oder strömen kann. Nur während des Befüllens tritt der Effekt des Übersprechens weiterhin auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, welche ein Übersprechen zwischen Sensoren verhindern beim Be- füllen eines Reaktionsraums über einem Sensor-Array . Dabei sollen chemische Reaktionen des Substrats mit Enzym-Label beim Befüllen verhindert bzw. verringert werden, und so der Transport von Reaktionsprodukt durch Strömung beim Befüllen vermindert oder vollständig unterbunden werden.

Die angegebene Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1, und bezüglich der Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gehen aus den jeweils zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche mit

Merkmalen eines jeweils zugeordneten Unteranspruchs oder vorzugsweise auch mit Merkmalen mehrerer zugeordneter Unteransprüche kombiniert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Inhibierung einer chemischen Reaktion von Substanzen in einer Flüssigkeit vor einer Messung der Reaktionsprodukte auf einem festen Träger weist die Schritten auf, a) Kühlen des festen Trägers auf eine erste Temperatur, bei welcher die chemische Reaktion nicht oder nur in geringem Umfang erfolgt, b) Strömen der Flüssigkeit mit den Substanzen über den festen Träger, c) Erwärmen des festen Trägers und der darüber befindlichen Flüssigkeit auf eine zweite Temperatur, bei welcher die chemische Reaktion stattfindet oder beschleunigt stattfindet, und d) Nachweisen der Reaktionsprodukte über eine Nachweisreaktion mit am festen Träger gebundenen Nachweissubstanzen durch eine Messung.

Dabei liegt der besondere Vorteil des Verfahrens darin, dass kein chemisches Übersprechen und keine Artefakt-Signale auftreten. Die Kühlung des festen Trägers beim Befüllen und damit der über den festen Träger strömenden Flüssigkeit mit Substanzen verringert oder verhindert eine chemische Reaktion der Substanzen in der Flüssigkeit mit am Träger gebundenen

Nachweissubstanzen. Sensoren messen dann nur den Substratumsatz, welcher in unmittelbarer nähe zu ihnen erfolgt. Eine Zuordnung des Signals zu Sensorpositionen wird so vollständig möglich .

Besonders vorteilhaft ist das Verfahren durchzuführen, wenn die Schritte a) bis d) in der angegebenen Reihenfolge zeitlich aufeinanderfolgend durchgeführt werden, und wenn folgend auf den Schritt b) der Flüssigkeitsstrom gestoppt wird, bevor Schritt c) gestartet wird. Durch eine Ausführung der Schritte in der angegebenen Reihenfolge können Messfehler ausgeschlossen werden, welche durch eine zu frühe Erwärmung und ein Starten der chemischen Reaktionen zu einem Zeitpunkt vor dem Verhindern der Effekte Übersprechen und Artefakt entstehen würden. Die zuvor angegebenen Vorteile kommen in vollem Umfang durch Einhaltung der angegebenen zeitlichen Reihenfolge zum tragen. Bevorzugt liegen bei dem angegebenen Verfahren die erste Temperatur im Bereich von 0⁰C bis 15°C, insbesondere bei etwa 10⁰C, und die zweite Temperatur im Bereich von 30⁰C bis 60⁰C, insbesondere bei etwa 40⁰C. Bei einer ersten Temperatur von etwa 10⁰C wird eine bevorzugte Reaktion, wie z.B. die PCR

(Polymerase-Chain-Reaktion) fast vollständig unterbunden und bei einer zweiten Temperatur von etwa 40⁰C findet diese Reaktion optimal statt, wobei die genauen Temperaturen von der bevorzugten Reaktion und den verwendeten Lösungen (z.B. Kon- zentrationen in den Flüssigkeiten) bestimmt sind.

Bei dem Verfahren kann folgend auf die Schritte a) bis d) ein Schritt e) mit Stopp der Messung erfolgen und darauffolgend ein Schritt f) mit Entfernen der Flüssigkeit. Darauffolgende Schritte wie z.B. Waschschritte können die Vorrichtung, mit welcher das Verfahren durchgeführt wird, auf eine erneute Verwendung vorbereiten.

Bei dem Verfahren können auf dem festen Träger als Nachweis- Substanzen über Fänger-Moleküle gebundene Target-Moleküle mit Enzym-Label gebunden werden. Die Flüssigkeit kann mit den Substanzen als Substratlösung über den Träger in Schritt b) geleitet werden, wobei als Reaktionsprodukte in Schritt d) Produkte der chemischen Reaktion des Enzym-Labels mit dem Substrat der Flüssigkeit bei der Messung nachgewiesen werden.

Besonders vorteilhaft wird bei dem Verfahren als fester Träger ein Chip, insbesondere ein Silizium-Chip, mit Sensor- Array verwendet. Dies ermöglicht eine besonders hohe Integra- tionsdichte und die Anwendung der in der Halbleitertechnologie entwickelten, kostengünstigen Herstellungsverfahren zur Herstellung des Trägers. Steuer- bzw. Regel- sowie Auswerteelektronik sind auf einem Silizium-Chip einfach und kostengünstig zu integrieren. So lassen sich beispielsweise ein Temperatur-Sensor und eine Temperatur-Regelung oder -Steuerung auf dem Chip integrieren. Diese können eine Temperatur des festen Trägers regeln oder steuern, insbesondere im Tem- peraturbereich von 0⁰C bis 60⁰C, besonders bevorzugt von 10⁰C bis 40°C.

Bevorzugt wird bei dem Verfahren die Messung als elektroche- mische und/oder optische Messung durchgeführt. Gerade elektrochemische Sensoren, z.B. mit Biomolekülen beschichtete Goldoberflächen, lassen sich einfach, in hoher Dichte und kostengünstig auf Trägern integrieren und elektrisch steuern sowie auslesen.

Besonders einfach und kostengünstig lässt sich die Kühlung in Schritt a) des Verfahrens und/oder die Erwärmung in Schritt c) des Verfahrnes mit Hilfe eines Fluids, insbesondere eines Gases Luft, Stickstoff oder Helium, oder einer Flüssigkeit Wasser oder Öl, durchführen. Eine elektrische Kühlung oder Erwärmung ist ebenfalls einfach und kostengünstig auf einem Chip zu integrieren, z.B. in Form von Peltier-Elementen, CMOS-Transistoren und -Widerständen.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung zum Ausführen des zuvor beschriebenen Verfahrens ist auf einer Oberfläche eines festen Trägers ein Sensor-Array angeordnet, wobei auf oder in unmittelbarer Nähe zu den Sensoren Fänger-Moleküle mit über Target-Molekülen gebundenen Enzym-Labeln angeordnet sind. Der feste Träger umfasst eine Kühl- und Heizeinrichtung, welche ausgebildet ist abhängig von einem Substratfluss über der Sensor-Oberfläche zu kühlen bzw. zu heizen.

Für die erfindungsgemäße Anordnung ergeben sich die vorste- hend erwähnten, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbundenen Vorteile.

Der feste Träger kann ein Silizium-Chip sein. Bevorzugt ist in oder auf dem festen Träger wenigstens ein Temperatur- Sensor und/oder eine Temperatur-Regel- oder Steuer-Einrichtung integriert. Zum Kühlen oder Heizen sind auf oder in dem festen Träger Kühl- bzw. Heizelemente integriert, insbesondere Peltier-Elemente, CMOS-Transistoren und -Widerstände. Der feste Träger kann Teil einer Durchflusszelle sein. Bei einer Durchflusszelle ist ein Befüllen und Entleeren der Messzelle besonders einfach möglich. Mit Hilfe einer Einrich- tung zum Regeln oder Steuern eines Flüssigkeitsstroms, welche die Anordnung aufweisen kann, lassen sich die Flüssigkeiten geregelt bzw. gesteuert der Messeinrichtung zuführen. Messfehler durch eine schlechte Befüllung oder durch ungeregelte Strömungen lassen sich so reduzieren bzw. verhindern.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden nachfolgend anhand der folgenden Figuren näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Schnittdarstellung einer Durchflusszelle mit einem Sensor-Array auf einem Sensor- Chip ohne Kühl- und Heizeinrichtung nach dem Stand der Technik, und

Fig. 2 schematisch eine Schnittdarstellung einer Durchflusszelle mit einem Sensor-Array auf einem Sensor- Chip beim Befüllen mit Flüssigkeit unter Kühlung durch eine Kühleinrichtung bei einer erniedrigten Temperatur, und

Fig. 3 schematisch eine Schnittdarstellung der Durchfluss- zelle aus Fig. 2 bei ausgeschalteter Kühlung und bei einer Messung bei einer erhöhten Temperatur nach bzw. während einer Beheizung.

Fig. 1 zeigt eine Durchflusszelle 1 nach dem Stand der Tech- nik mit einem Sensor-Array auf einem Sensor-Chip 2. Die

Durchflusszelle, und insbesondere der Sensor-Chip mit Sensor- Array 2 sind weder gekühlt noch beheizt. Es ist keine Kühl- und/oder Heizeinrichtung vorhanden. Die Durchflusszelle 1 umfasst ein Gehäuse, welches in der Schnittdarstellung der Fig. 1 durch ein unteres 3 und oberes 4 Gehäuseteil angedeutet ist. In der Durchflusszelle 1 bzw. integriert in dem Gehäuse ist der Sensor-Chip 2 angeordnet, welcher z.B. aus einem Silizium-Material besteht. Das Sensor- Array auf dem Sensor-Chip 2 ist in Richtung eines Reaktionsraumes 16 innerhalb der Durchflusszelle 1 gerichtet. Es umfasst Sensoren, welche in Form eines Arrays 5 auf der Ober- fläche des Sensor-Chips 2 angeordnet sind. Die Sensoren 5 können z.B. aus Goldoberflächen in Form von Interdigital- elektroden aufgebaut sein. Die Interdigitalelektroden können kammartig ausgebildet sein, mit einem Abstand von z.B. 1 μm zwischen benachbarten Stegen zweier Elektroden und einer Breite der Stege von jeweils z.B. lμm. Ein Sensor 5 kann aus zwei ineinander greifenden kammartigen Interdigitalelektroden bestehen, wobei der Sensor 5 von einer kreisförmigen Erhöhung aus der Chip-Oberfläche umschlossen ist, und einen Durchmesser von z.B. 150μm aufweist.

Auf den einzelnen Sensoren des Arrays 5, welche der Einfachheit halber durch drei Sensoren A, B, C angedeutet sind in den Figuren, bzw. auf deren Elektroden sind Fänger-Moleküle 6 aufgebracht. Fänger-Moleküle 6 können z.B. Antikörper umfas- sen, welche über Thiol-Gruppen an die Goldoberflächen der

Sensoren gebunden sind. Target-Moleküle 7 in einer zu analysierenden Flüssigkeit können spezifisch an die Fänger-Moleküle 6 binden. Die zu analysierende Flüssigkeit strömt über einen Zufluss 11 in die Durchflusszelle 1 bzw. in deren Reak- tionsraum 16 und überstreicht die Elektroden des Sensor-

Arrays 5 A, B, C. Mit einer, der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellten Einrichtung, kann der Flüssigkeitsstrom reguliert und/oder eingestellt werden. Über einen Abfluss 12 kann die Flüssigkeit aus der Durchflusszelle 1 entfernt werden bzw. diese verlassen.

Wird die zu analysierende Flüssigkeit in die Durchflusszelle 1 gefüllt bzw. diese von der Flüssigkeit durchströmt, so kön- nen in der Flüssigkeit gelöste Target-Moleküle 7 spezifisch an die Fänger-Moleküle 6 binden. Die Bindung kann z.B. durch Coulomb-Wechselwirkung erfolgen oder durch chemische Reaktionen, welche insbesondere kovalente Bindungen ausbilden. Sind verschiedene Sensoren 5 A, B, C mit unterschiedlichen Fänger- Molekülen 6 a, b, c beschichtet (vgl. Fig. 2), so binden spezifisch an den verschiedenen Sensoren 5 A, B, C unterschiedliche Target-Moleküle 7 *, **, ***, welche jeweils spezifisch für die auf den einzelnen Sensoren 5 A, B, C gebundenen Fän- ger-Moleküle 6 a, b, c sind.

Die Target-Moleküle 7 können mit Labein 8 (vgl. Fig. 2 und 3) versehen sein, z.B. mit an die Target-Moleküle 7 gebundenen Enzym-Labeln 8. Die Bindung der Target-Moleküle 7 an die Fän- ger-Moleküle 6 kann mit Hilfe der Label 8 für jeden Sensor einzeln nachgewiesen werden. Optische oder bevorzugt elektrochemische Nachweis-Methoden sind bekannt. Bei einem elektrochemischen Nachweis werden z.B. an den Enzym-Labeln 8 Substrat-Moleküle 13 umgesetzt, insbesondere von einem Edukt 13 zu einem Produkt 14. An der Sensor-Oberfläche 5, welche eine Elektrode darstellt, werden die umgesetzten Substrat-Moleküle (Produkte 14) Oxidiert bzw. Reduziert, wobei ein Ladungstransfer über die Elektrode gemessen werden kann oder eine Änderung der Ladung nahe der Elektrode (insbesondere ein Strom oder eine Änderung der Spannung) . Wird ein Sensor aus wenigstens zwei Elektroden entgegen gesetzter Polung (positiv + / negativ -) aufgebaut, so kann an der einen Elektrode (+) das Produkt 14 oxidiert werden zu einem oxidiertem Produkt ^^^ Ox, und an der anderen Elektrode (-) das oxidierte Pro- dukt wieder reduziert werden zu ^^^ Red. Die Methode wird als Redoxcycling bezeichnet.

Die an den Elektroden umgesetzte Ladungsmenge kann zeitabhängig gemessen werden und ist ein Maß für den Umsatz von Edukt 13 zu Produkt 14 am Enzym-Label 8 und somit für das spezifische Binden von Target-Molekülen 7 an Fänger-Moleküle 6. Nur bei Vorhandensein des für das Fänger-Molekül 6 spezifischen Target-Moleküls 7 in der zu analysierenden Flüssigkeit er- folgt an dem zugeordneten Sensor ein Ladungsumsatz, welcher gemessen wird.

In einem Ausführungsbeispiel werden als Fänger-Moleküle 6 Antikörper verwendet. Das Enzym-Label 8 ist alkalische Phosphatase, mit einer Konzentration von 17U/ml in 0. IM Phosphat- Puffer. Das Substrat (Edukt 13) ist 2 mM p-Aminophenyl- phosphat in Puffer mit pH 9. Durch das Enzym 8 wird das p- Aminophenylphosphat (Edukt 13) in p-Aminophenol (Produkt 14) und Phosphat gespalten.

O

O^"

+H₂O Enzym

Produ

Die Durchflusszelle wird z.B. mit 5μl befüllt, wobei je Sensor eine Nachweisgrenze von 10^~20 mol für Enzym-Label 8 erreicht werden kann. In die Durchflusszelle 1 kann ein Gel oder eine Zellulose (poröses Material) über den Sensoren 5 eingebracht sein, oder diese kann mit einem Gel oder einer Zellulose (z.B. Nitrozellulose) befüllt sein. Kapillarkräfte können die Flüssigkeit über die Sensoren 5 transportieren.

Das Messsignal kann durch eine Elektronik 9 auf dem Chip 2 verarbeitet und/oder ausgewertet werden, und dann kann z.B. an eine in Fig. 1 nicht gezeigte Ausgabeeinheit das Messergebnis weitergeleitet werden. Alternativ kann das Messergebnis aber auch direkt an eine Ausgabeeinheit weitergeleitet werden. Eine weitere Aufarbeitung des Messsignals kann in der Ausgabeeinheit erfolgen. Ein Computer mit Display stellt z.B. eine solche Ausgabeeinheit dar.

In der in Fig. 1 dargestellten Durchflusszelle 1 mit Sensor- Chip erfolgt keine Kühlung oder Heizung der Flüssigkeit. Beim Befüllen bzw. Durchströmen der Zelle 1 mit Flüssigkeit binden die Target-Moleküle 7 an die Fänger-Moleküle 6 und gleichzeitig kann an den Labein 8 der Target-Moleküle 7 ein Substratumsatz erfolgen. Durch die Strömung der Flüssigkeit werden die umgesetzten Substrat-Moleküle 14 zu benachbarten oder weiter entfernt befindlichen Sensor-Oberflächen 5, insbesondere Elektroden transportiert, und dort registriert bzw. gemessen. Ein Übersprechen erfolgt und die gemessenen Ergebnisse können nicht mehr den spezifischen Target-Molekülen 7 *, ** _f *** _auf den zugehörigen Sensoren 5 A, B, C zugeordnet werden. Die Messergebnisse sind verfälscht.

In Fig. 2 ist schematisch eine Schnittdarstellung einer Durchflusszelle 1 mit einem Sensor-Array auf einem Sensor- Chip 2 dargestellt, welche eine Kühleinrichtung 15 umfasst. Beim Befüllen der Durchflusszelle 1 mit zu analysierender Flüssigkeit wird über die Kühleinrichtung eine erniedrigte Temperatur Ti über dem Sensor-Chip 2 eingestellt bzw. aufrechterhalten. Die Temperatur kann über einen auf dem Sensor- Chip befindlichen Temperatur-Sensor 10 gemessen werden. Über eine nicht dargestellte Regeleinrichtung, welche z.B. in der Elektronik auf dem Chip 9 integriert ist, wird die Kühleinrichtung gesteuert. Die Temperatur Ti liegt bevorzugt im Be- reich von 0 bis 20⁰C, besonders bevorzugt im Bereich von 10⁰C.

Durch die Kühlung des Sensor-Chips 2 während des Befüllens der Durchflusszelle 1 werden die Label 8 auf einer Temperatur gehalten, bei welcher diese inaktiv sind, d.h. kein Substrat- Umsatz stattfinden kann oder zumindest eingeschränkt stattfindet. Edukt-Moleküle 13 werden nicht bzw. nur eingeschränkt zu Produkt-Molekülen 14 umgesetzt. Ein Verschleppen durch die Strömung der Flüssigkeit und ein Messen von Produkt-Molekülen

14 an Elektroden 5, an welchen diese nicht gebildet worden sind, wird so verhindert bzw. stark eingeschränkt. Ein Übersprechen erfolgt nicht oder nur in geringem Ausmaß.

In Fig. 3 ist schematisch eine Schnittdarstellung der Durchflusszelle 1 aus Fig. 2 dargestellt, nachdem das Befüllen der Durchflusszelle 1 abgeschlossen ist. Es findet kein Strömen von Flüssigkeit über das Sensor-Array 2 statt. Die Kühleinrichtung 15 ist abgeschaltet und über dem Sensor-Chip mit Sensor-Array 2 bildet sich eine erhöhte Temperatur aus. Um diese erhöhte Temperatur auszubilden kann die Kühleinrichtung

15 als Heizeinrichtung 15 verwendet werden, z.B. indem erwärmte Flüssigkeit durch die Kühl/Heizeinrichtung 15 geströmt wird. Alternativ kann die Heizeinrichtung in Form von PeI- tier-Elementen, CMOS-Transistoren und/oder -Widerständen ausgebildet sein. Diese können in dem Chip 2 integriert oder an, in oder auf dessen Rückseite, welche der Seite mit dem Sensor-Array gegenüber liegt, oder auf dessen Vorderseite, der Seite mit dem Sensor-Array, angeordnet sein. Eine bevorzugte Temperatur zum Heizen liegt bei T₂ im Bereich von 20 bis 50⁰C, besonders bevorzugt im Bereich von 40⁰C (+/- 5°C) .

Bei dieser Temperatur sind die Label 8 aktiv und Substrat wird von einem Edukt 13 zu einem Produkt 14 umgesetzt bzw. verstärkt umgesetzt, im Vergleich zu der in Fig. 2 dargestellten Situation. Das Fehlen von Strömung in der Flüssigkeit führt zu einer Bewegung der Moleküle nur durch Diffusion. Die Diffusion führt im Vergleich zu einer strömenden Flüssigkeit beim Befüllen der Durchflusszelle 1 zu einer geringen Bewegung und einem beschränkten Bewegungsradius um die Elektroden 5 herum. Substrat, welches an einer Elektrode 5 A von einem Edukt 13 zu einem Produkt 14 umgesetzt wird, wird fast ausschließlich an derselben Elektrode A wieder zu Edukt 13 umgesetzt. Die geringe Bewegung der Moleküle in der Flüssigkeit verglichen mit einer strömenden Flüssigkeit führt zu einem lokalen Stoffumsatz spezifisch an den Elektroden, ohne Übersprechen bzw. mit stark eingeschränktem Übersprechen. Da- durch werden Messfehler verhindert bzw. stark reduziert.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Inhibierung einer chemischen Reaktion von Substanzen in einer Flüssigkeit vor einer Messung der Reakti- onsprodukte (14) auf einem festen Träger (2), mit den Schritten : a) Kühlen des festen Trägers (2) auf eine erste Temperatur, bei welcher die chemische Reaktion nicht oder nur in geringem Umfang erfolgt, b) Strömen der Flüssigkeit mit den Substanzen über den festen Träger (2) , c) Erwärmen des festen Trägers (2) und der darüber befindlichen Flüssigkeit auf eine zweite Temperatur, bei welcher die chemische Reaktion stattfindet oder beschleunigt stattfindet, und d) Nachweisen der Reaktionsprodukte (14) über eine Nachweisreaktion mit am festen Träger (2) gebundenen Nachweissubstanzen durch eine Messung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis d) in der angegebenen Reihenfolge zeitlich aufeinanderfolgend durchgeführt werden und folgend auf den Schritt b) der Flüssigkeitsstrom gestoppt wird bevor Schritt c) gestartet wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur im Bereich von 0⁰C bis 15°C, insbesondere 10⁰C liegt, und die zweite Temperatur im Bereich von 30⁰C bis 60⁰C, insbesondere 40⁰C liegt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass folgend auf die Schritte a) bis d) ein Schritt e) mit Stopp der Messung erfolgt und darauffolgend ein Schritt f) mit Entfernen der Flüssigkeit erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem festen Träger (2) als Nachweissubstanzen über Fänger-Moleküle (6) gebundene Target-Moleküle (7) mit Enzym-Label (8) gebunden werden und die Flüssigkeit mit den Substanzen als Substratlösung über den Träger (2) in Schritt b) geleitet wird, wobei als Reaktionsprodukte (14) in Schritt d) Produkte (14) der chemischen Reaktion des Enzym- Labels (8) mit dem Substrat der Flüssigkeit bei der Messung nachgewiesen werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als fester Träger (2) ein Chip, insbe- sondere ein Silizium-Chip, mit Sensor-Array (5) verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatur-Sensor (10) und eine Temperatur-Regelung oder -Steuerung, welche insbesondere auf dem Chip integriert wird, eine Temperatur des festen Trägers (2) regelt oder steuert, insbesondere im Temperaturbereich von 0⁰C bis 60⁰C, besonders bevorzugt im Temperaturbereich von 10⁰C bis 40⁰C.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung als elektrochemische und/oder optische Messung durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung in Schritt a) und/oder die Erwärmung in Schritt c) mit Hilfe eines Fluids, insbesondere eines Gases Luft, Stickstoff oder Helium oder einer Flüssigkeit Wasser oder Öl, durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung in Schritt a) und/oder die Erwärmung in Schritt c) mit Hilfe von Peltier-Elementen, CMOS- Transistoren und/oder -Widerständen durchgeführt wird.

11. Anordnung zum Ausführen eines Verfahrens, insbesondere eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Oberfläche eines festen Trägers (2) ein Sensor-Array (5) angeordnet ist, wobei auf oder in unmittelbarer Nähe zu den Sensoren Fänger-Moleküle (6) mit über Target-Molekülen (7) gebundenen Enzym-Labeln (8) angeordnet sind, und dass der feste Träger (2) eine Kühl- und Heizeinrichtung (15) umfasst, welche ausgebildet ist abhängig von einem Substratfluss über der Sensor-Oberfläche zu kühlen bzw. zu heizen.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Träger (2) ein Silizium-Chip ist und/oder in oder auf dem festen Träger (2) wenigstens ein Temperatur-Sensor

(10) und/oder eine Temperatur-Regel- oder Steuer-Einrichtung integriert ist/sind, und zum Kühlen oder Heizen auf oder in dem festen Träger (2) Kühl- bzw. Heizelemente integriert sind, insbesondere Peltier-Elemente, CMOS-Transistoren und - Widerstände.

13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Träger (2) Teil einer Durchflusszelle (1) ist .

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Einrichtung zum Regeln oder Steuern eines Flüssigkeitsstroms aufweist.