WO2016015701A1 - Vorrichtung zur bioanalytik, deren herstellung und verfahren zum nachweis von bioanalyten mittels der vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur bioanalytik, deren herstellung und verfahren zum nachweis von bioanalyten mittels der vorrichtung Download PDF

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WO2016015701A1
WO2016015701A1 PCT/DE2015/000373 DE2015000373W WO2016015701A1 WO 2016015701 A1 WO2016015701 A1 WO 2016015701A1 DE 2015000373 W DE2015000373 W DE 2015000373W WO 2016015701 A1 WO2016015701 A1 WO 2016015701A1
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WO
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layer
functional layer
carrier
cover layer
sensor elements
Prior art date
Application number
PCT/DE2015/000373
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Scheefers
Original Assignee
Schebo Biotech Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schebo Biotech Ag filed Critical Schebo Biotech Ag
Publication of WO2016015701A1 publication Critical patent/WO2016015701A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • G01N33/54386—Analytical elements

Definitions

  • the invention relates to a novel apparatus for bioanalytics and to methods for detecting analytes (such as bioanalytes, cells, immune complexes, supramolecular structures, cell compartments, etc.) from biological samples by means of the device according to the invention.
  • analytes such as bioanalytes, cells, immune complexes, supramolecular structures, cell compartments, etc.
  • It is a sensor-receiver sandwich assembly for measuring the local electrical, optical, biophysical properties of substances in an immunofunction thin-film, which also serves as a bioanalytical platform.
  • the invention further describes the use of nanoparticles, NanoDots, sensors: z. As magnetic sensors, sensor circuits, combined sensors, measurement techniques for this purpose, etc.
  • Techniques used include: immunoagglutination, immunoprecipitation, one-dimensional simple immunodiffusion according to Oudin, two-dimensional immunodiffusion according to Ouchterlony (for the generation of immunoprecipitation patterns), immuno and cross-electrophoresis, electrodiffusion, immunofixation, radial diffusion and rocket electrophoresis, preparative immunoprecipitation. zipitation, radioimmunoassay (RIA), nephelometry.
  • RIA radioimmunoassay
  • the visualization of an immune reaction / immune binding is based on a stable bridge between the sought-after reaction partners (antigen or antibody) and the e.g. Amplification system.
  • amplifiers or indicators: fluorescent dyes, luminescent dyes, radioactivity, enzymes, nanoparticles, e.g. colloidal gold.
  • the visualization of the antibody binding is carried out by direct and indirect methods, eg PAP methods of Sternberger, biotin-avidin bridge (ABC technique), direct or indirect Proof of, for example, a labeled protein A acting as an amplifying agent, eg direct protein A gold method, indirect protein A gold method but also proof of a labeled lectin functioning as an amplifying agent.
  • direct and indirect methods eg PAP methods of Sternberger, biotin-avidin bridge (ABC technique)
  • direct or indirect Proof of, for example, a labeled protein A acting as an amplifying agent eg direct protein A gold method, indirect protein A gold method but also proof of a labeled lectin functioning as an amplifying agent.
  • Demonstration of Specificity of Antibodies in Cells and Tissues by Sandwich Method DOT Immunoassay, Western Blotting, Protein Transfer, Immobilization, and Immunodetection.
  • Biacore technology is based on a sensor chip that can generate surface plasmon resonance (SPR-S stands for surface, PR stands for plasmon resonance).
  • SPR-S surface plasmon resonance
  • PR plasmon resonance
  • the invention is based on the technical problem of providing devices for bioanalytics which allow a more objectivatable reading.
  • possibilities for automatic, computer-based, Reading will be provided.
  • the analysis of larger units, such as cell compartments, cell substructures, whole cells or cell superstructures should be made possible.
  • the invention teaches a device for bioanalytics for selected biological analytes in a liquid phase, comprising a) a carrier layer,
  • the functional layer can absorb and transport liquid and has at least one capture molecule for the selected analyte or analytes
  • the carrier layer and / or the cover layer contains transmitter elements, which in turn by printing technology Method on or in the carrier layer and / or on or in the cover layer were introduced, wherein the transmitter elements are tuned to the selected analyte (s) and / or characterized in that the carrier layer and / or the cover layer contains sensor elements, which in turn by printing process on or in the carrier layer and / or on or in the cover layer were introduced, wherein the transmitter elements are tuned to the selected analyte (s).
  • An essential component of the device according to the invention is a functional layer which is capable of absorbing and transporting liquids.
  • This is, for example, a porous, sponge-like material. It may be z. Silica gel, diatomaceous earth, alumina,
  • Such functional layers generally contain pores having an average pore diameter of, for example, 4-1000 nm.
  • the functional layer contains at least one biological scavenger molecule as at least one site as a "biofalle.” In this way, a microcavity is made available in which the Further evidence leading biochemical reaction can be done (agglutination or precipitation according to "Heidelberger curve").
  • the biological capture molecule may, for example, be an antibody for a selected antigen, for example a protein.
  • the layer is arranged flat and is wetted along one edge with a liquid containing the selected analyte.
  • the liquid migrates through the functional layer and strikes the capture molecule at the appropriate location.
  • the course of the liquid through the functional layer can also be effected by using pumps, in particular micropumps (piezo pumps).
  • pumps in particular micropumps (piezo pumps).
  • other mechanical forces may act, such as a centrifugal force, when the functional layer is rotated.
  • the capture molecule will not react nor agglutinate or precipitate
  • the liquid may be any polar or non-polar solvent, such as DMSO, water, acetonitrile
  • a second recognition molecule which recognizes the complex formed from catcher molecule and analyte, for example a second antibody .
  • This second recognition molecule can be, for example, a radioactive label, a luminescent component, an ionic component. te or metal, for example gold particles, e maintained to ensure or improve the detectability of the agglutinate / precipitate formed.
  • the immune function layer contains capture molecules that are bound to both mobile particles and the solid phase.
  • the immune function layer also contains micro-wells (micro-wells) in which an agglutination reaction with the analytes according to Ouchterlony occurs.
  • RNA and DNA sequences for example RNA and DNA sequences, carbohydrates, lipids, hormones (steroid or sugar hormones), enzymes, cell compartments, cell substructures, cell superstructures and / or whole cells, protein complexes, protein-protein complexes, protein-lipid complexes, protein-carbohydrate complexes, protein-nucleic acid complexes and viruses.
  • catcher molecules must be based on the analyte to be captured:
  • antibodies (polyclonal or monoclonal), aptamers, Spiegelmers, lectins or mixtures thereof come into consideration.
  • several different capture molecules may also be contained in the functional layer, for example: different antibodies or antibodies and aptamers or aptamers and lectins, etc. These may in particular also be located at different positions.
  • the device according to the invention and the methods according to the invention carried out therewith are suitable for the quantitative and qualitative analysis of the different analytes. Many embodiments are suitable for quantitative and qualitative analysis of multiple analytes over the same time period.
  • the functional layer used can be, for example, a nitrocellulose or polyacetate layer, as is known from lateral-flow systems, which is treated at one point with an antibody.
  • the functional layer is applied to a carrier layer in the system according to the invention.
  • This is preferably made of plastic, which in turn is also preferably transparent.
  • the carrier layer is characterized in that it contains sensor elements which in turn have been applied to or into the layer by means of printing technology.
  • sensor / sensors and detector / detectors are to be regarded as synchronous.
  • conductive or semiconducting elements can be introduced as sensor elements. Such elements are known for example from the production of touch screens.
  • the carrier slides around a polyester layer coated with indium tin oxide. Indium tin oxide is a translucent semiconductor.
  • the optional cover layer is in principle of the same construction as the carrier layer, ie a plastic layer in which sensor elements have been applied in or on the layer by means of printing technology.
  • the printing technology of the layer can be done for example by ink jet (inkjet) printing using appropriately conductive ink, but can also be done by appropriate application of methods such as gravure, high-pressure, offset, flexographic or screen printing. Such conductive ink techniques are known in the art.
  • each of cover layer and carrier layer serves as electrodes to which a voltage is applied. Between these electrodes, the resistance can be measured, which can depend, for example, on the liquid flow, in particular the analyte contained. For example, ionic molecular fragments, but also gold particles that bind to a given analyte via antibodies, effectively affect a change in resistance that can be measured.
  • two respective opposing electrodes of carrier layer and cover layer can also form a capacitor whose capacitance can be measured. Also in this case causes the presence of an analyte, in particular an analyte containing metal z.
  • Example 1 Various methods for measuring capacitance are known from the prior art, which can be used to perform the capacitance measurement. These include the measurement of the resonant frequency of an LC resonant circuit formed with the capacitance, the application of an ac voltage under measurement of the current profile or charging with constant current and observing the voltage rise speed.
  • the carrier layer and / or the cover layer contains sensors for photon detection.
  • Photosensitive sensor elements for example a photoresistor or a photodiode, are used for this purpose.
  • Incident light, z. For example, from a laser beam, for example from a tunable dye laser, for example, can radiate through the functional layer and be measured on the carrier layer by means of the sensor elements according to the invention. The passage of a sample leads to a weakening of the beam, for example due to absorption, which causes a change in measured value.
  • the term light does not only cover visible light, but covers the entire range of electromagnetic radiation from the infrared range over the visible range to the UV range.
  • X-rays can also be used from an X-ray laser or appropriate synchrotron radiation.
  • a measuring circuit for measuring light by means of a photodiode is reproduced by way of example in FIG. 17.
  • LEDs based on organic materials so-called OLEDs.
  • Corresponding organic transistors are also applicable as receiver elements based on the CMOS technology.
  • Such optical emitters and sensors are available for example from the companies NovaLED and Hamamatsu on the market.
  • integrated components can be used, for example diode arrays or sensor arrays.
  • a light beam e.g. a laser beam perpendicular to the direction of the sample liquid to be sent through the functional layer.
  • a scattering of the laser beam is achieved, which can be measured by means of the cover layer or the carrier layer and the optoelectronic sensor elements contained therein.
  • the functional layer has the function of a cuvette in this structure.
  • the term "light” is to be understood as meaning that electromagnetic radiation from the infrared range, the visible range, or the UV range is used.
  • a further embodiment of the invention is that extremely light-sensitive carriers and / or cover layers are applied, which contain, for example, elements of a photomultiplier (working, for example, according to the avalanche principle). Such an embodiment requires a bio trap which can be excited to glow, for example on the basis of luminol. The optoelectronic sensor elements from the cover or carrier layer are able to measure the imitated light.
  • a further embodiment of the invention consists in applying light-emitting carrier and / or cover layers which contain, for example, elements of an LED. For this purpose, flat-bed LEDs are produced by printing technology and brought into contact with the functional layer (laminated and / or glued).
  • OFET organic field effect transistors
  • OLED organic light-emitting diodes
  • OVC organic solar cells
  • All of these components can be used according to the invention.
  • the excitation should preferably be done with ultraviolet radiation (transmitter).
  • the sensor should be sensitive to visible or infrared radiation; for the ultraviolet - resp.
  • visible - radiation should be as insensitive as possible.
  • Such infrared sensors are available on the market, such as in the form of the Micro NIR 1700 spectrometer from JDSU. Further embodiments of the invention are based on so-called microbolometers, which recently can also measure uncooled at room temperature.
  • infrared sensors also allows embodiments of the invention in which antibody-provided magnetic nanoparticles are used, which are thermally excited by applying an electromagnetic alternating field of, for example, 100 kHz.
  • the temperature change produced thereby can be measured by the microbolometers mentioned or by thermopiles (see FIG. 16). In these considerations on the choice of electromagnetic
  • a transmitter e.g. an infrared diode
  • a receiver e.g. a photo diode
  • the transmitter-receiver semiconductor components which can be printed on foils (flexible or inflexible), are preferably used.
  • a plurality of light-emitting elements are applied to the support and / or cover layer, e.g. an LED panel.
  • the functional layer can be illuminated simultaneously at several points. For example, corresponding to each individual LED of an LED panel, different antibodies can be introduced into the functional layer.
  • a CCD or a CMOS chip is possible.
  • chips can be used, which are typically installed in digital cameras.
  • a large number of individual sensors are already present, which can be used to measure the incident light (corresponding to the individual pixels of a digital camera).
  • the light emission takes place in the form of an LED panel and the light measurement by means of a corresponding CCD or CMOS element.
  • an array of Photodiodes are used. Such arrays of photodiodes are also known in the art and need no further explanation at this point.
  • the cover and / or carrier layer contains semiconducting elements which act as field-effect transistors (FET).
  • FET field-effect transistors
  • CHEMFETs very sensitive detection systems
  • the metal layer is replaced by a chemically sensitive layer, in this case the functional layer of the device according to the invention with the applied catcher molecule. If there is an antibody-antigen reaction, the potential changes, which can be measured.
  • Such an embodiment of the invention is also particularly suitable for detecting complete cells or cell compartments.
  • IGFET, NIGFET, MISFET, MOSFET, OFET, ISFET, ENFET, EOSFET, CNTFET or floating gate transistors and variants of those mentioned can also be used.
  • entire cells can be detected, for example by light scattering methods, as already mentioned above. Different light scattering methods, such as “forward-scatter” or “side-scatter”, make it possible to differentiate between different cell sizes and shapes. Fluorescence measurements are also possible.
  • the printing elements applied in the cover and / or carrier layer are printed.
  • sensors are used as amperometric probes, in particular for glucose tests, oxygen-sensitive tests and oxidase tests.
  • the sensor elements incorporated in the functional and / or cover layer are used as potentiometric biosensors, for example as pH-sensitive electrodes, as ammonia-sensitive electrodes, as C02-sensitive electrodes.
  • the functional layer has at least one site antibody to the selected analyte, while the liquid contains a second antibody, which leads to the reaction with the analyte.
  • the second antibody is coupled with a dye. Agglutination of the analyte with a complementary coupling to the dye-carrying second antibody thus takes place at the selected location of the functional layer.
  • the reaction with the second antibody may take place before the analyte passes through the corresponding site of the functional layer. Alternatively, the reaction is possible after the first agglutination reaction has already taken place. In any case, care should be taken that the two antibodies do not cross-react.
  • the determination and quantitative measurement of the construct formed is then carried out in the usual way by optical methods.
  • the second antibody in the liquid can be present, for example, in or in the vicinity of the application site of the functional layer in a soluble, unfixed form.
  • Application of the liquid sample causes a solution of the second antibody (or a corresponding colloid formation), which then moves capillary forces through the functional layer and reacts with it at the location of the fixed first antibody and precipitates or agglutinates it. niert.
  • the second antibody can also be added to the sample and then applied to the functional layer as a common solution.
  • the second antibody is preferably bound to nanoparticles, for example silver, gold, iron, lattice or plastic nanoparticles. In this case, in particular, colloids are formed.
  • the embodiments described here are also used for other detection methods (eg.,
  • metal nanoparticles are preferably of a rod-shaped design.
  • particle growth may still be excited prior to detection by the sensor elements, e.g. Growth of silver particles by reaction with silver nitrate in the presence of chloride or bromide ions.
  • the device may be constructed in the manner of an AlphaLIS assay in which an analyte is bound by two different antibodies. Both antibodies are coated so that the irradiation of a laser beam (for example of 680 nm wavelength) leads to an emission of singlet oxygen, which excites the immediately adjacent second antibody to a light emission at a different wavelength (eg 615 nm) , which in turn is detectable.
  • a laser beam for example of 680 nm wavelength
  • the excitation by the laser beam takes place in the visible light range
  • the light emission takes place in the infrared range, preferably in the near infrared range.
  • Suitable dyes are, for example, cyanine dyes (CY7, CY.l or CY7.5).
  • the emission in the area of the near infrared range facilitates the measurement of the light emission.
  • the additional arrangement of a filter layer in front of the sensor elements is recommended, to prevent the disturbing incidence of visible light on the sensor element.
  • the functional layer is formed by carbon nanotubes.
  • Carbon-containing nanosets can also be supplemented and / or replaced by nanotubes and / or other open-porous materials, membranes or flows, such as those manufactured by companies such as Milliporre, Pall, General Electric, Satorius, etc., where the Liquid phase must contain appropriate catcher molecules.
  • glass fibers it is also possible to guide light through glass fibers to the functional layer.
  • light from laser diodes e.g., blue light at 405 nm
  • appropriate glass fibers may be supplied by appropriate glass fibers.
  • Multi-mode readers can also be used to detect the electromagnetic waves.
  • Such hybrid readers can realize one or more types of detection, e.g. B.
  • Raman spectroscopy can also be used in accordance with the invention, for example in the form of Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS).
  • SERS Surface Enhanced Raman Spectroscopy
  • solar cells which are based on the material copper indium gallium diselenide (CIGS) can also be used as photocells.
  • CGS copper indium gallium diselenide
  • indium aluminum gallium nitride which mimic in the UV range
  • Materials based on indium aluminum gallium nitride which mimic in the UV range can also be used according to the invention.
  • wavelengths between 400 and 305 nm are generated.
  • the functional layer can be arranged in a circle, with the capture molecules sitting on concentric circles (see FIG.
  • Such embodiments can be read in the manner of a CD player, in which the functional layer is rotated and the surface of the functional layer is read by a laser and a correspondingly arranged sensor.
  • Appropriate technologies are known from the production of CD players, so that at this point further explanations are unnecessary.
  • lanthanoid-containing particles or antibodies which are coupled to lanthanide-containing chelate ligands are particularly advantageous.
  • Such compounds can be used, for example, on the basis of europium, terbium, samarium or dysprosium. In these compounds, there is a so-called Stokes shift, d. H. a distance between see absorption and emission maximum which avoids interference in the measurement.
  • the detection of the analyte can in principle also be carried out by means of magnetic methods.
  • principle known magnetic proteins can be coupled to an analyte and by magnetic techniques) z. B. by means of SQUIDS).
  • the magnetically-labeled analyte can also be held in a specific position by appropriately applied (homogeneous) magnetic fields.
  • Corresponding magnets can also be introduced by printing techniques into the carrier layer and / or the cover layer, for example on the basis of neodymium.
  • Magnetoresistive voltage sensors magnetoresistive current sensors
  • the reading of the magnetic particles of the functional layer can also be effected by an arrangement as known from hard disk drives or CD-ROM drives: A correspondingly small sensor is transferred a rotating plate, the plate containing magnetic particles.
  • the rotating plate is designed as a functional layer and the magnetic particles trapped by the catcher molecules are read out by means of the magnetic sensor.
  • the sensor elements incorporated in the cover and / or carrier layer must receive an electrical discharge, so that the corresponding measured values can also be supplied to a measuring device.
  • Derivatives of this kind are known in principle from the production of a wide variety of components, for example from the manufacture of touchscreen displays.
  • the discharges are likewise introduced into the carrier and / or cover layer by printing technology.
  • the measured values can then be fed into corresponding analog and / or digital measuring devices.
  • the evaluation of the measurement signals also takes place on a microchip, which in turn was introduced by printing technology onto or into the layer.
  • the electronic derivation of the measurement signals can also be performed after analog-to-digital conversion in a PC, tablet or other Head Hero Computer or Smartphone. This may require a USB and / or Bluetooth interface.
  • the transmission of the measured values can also be carried out by means of other non-contact techniques (eg RFID technology).
  • the methods of statistics, stochastics using the line of algebra by means of feature reflectors, pattern recognition and corresponding algorithms for evaluating the measured data are known in principle. Color changes of the functional layer can also be detected and evaluated via the digital camera of a smartphone or another mobile device.
  • different catcher molecules can be present at several points of the functional layer, so that a wide variety of analytes can be determined from a sample.
  • the sensor elements from the carrier and possibly the cover layer must be adapted to the respective analytes with regard to their position and the type of sensor elements.
  • the functional layer can also be flowed through successively from different sides with different solvents. Such a solvent course corresponds to the techniques known in principle from 2D chromatography. In this way, it is possible to achieve a planar distribution of different analytes, which can then be detected by the sensor elements contained in the carrier and, if appropriate, top layer.
  • the sample can also be applied in the middle of the functional layer so that the liquid course runs in a radial direction around the central point.
  • the course of the liquid in the radial direction can be influenced by the fact that the functional layer is rotated. The occurring centrifugal forces then drive the liquid to the outside.
  • a round embodiment of the functional layer is preferred for such an embodiment.
  • the corresponding catcher molecules can hereby be incorporated into the functional layer in one or more concentric circles (see figures).
  • the cover layer does not cover the entire functional layer. Rather, the functional layer must be free at least one point, so that the sample can be applied.
  • the cover layer it is possible, for example, for the cover layer to cover only a part of the functional layer and to apply the sample in the remaining free part of the functional layer.
  • the cover layer it is possible for the cover layer to have openings at one or more locations which serve for sample application. Only in extreme cases, it will be possible that the wetting of the functional layer takes place solely through the edges of the device according to the invention, wherein the liquid "pulls" through the entire layer only by capillary forces starting from the edge of the functional layer.
  • the analyte or the analytes can also be moved through the functional layer by application of an electrical voltage, for example according to the model of gel electrophoresis.
  • the captured capture molecule-analyte complex eg an antibody-antigen-agglutinate or precipitate
  • the functional layer can be mechanically removed or eluted by appropriate solvents.
  • the isolated complex can then be subjected to further analysis, such as, for example, mass spectroscopy (see, for example, Himmelsbach et al., sympat al., 63, Feb. 2015, pp.144-146).
  • the device according to the invention offers a platform for optimizing the cost / benefit ratio in medical diagnostics, food analysis, forensics and basic research.
  • the device according to the invention permits the quantitative determination of biomarkers present in plasma, blood or other body fluids (proteins, peptides, nucleic acids, etc.) for the diagnosis of cancer.
  • biomarkers can be determined.
  • several biomarkers can be measured simultaneously, which greatly increases the quality of the analysis. It was found in particular that a panel of the following biomarkers, which can be determined both in the stool and in the blood or plasma by means of the device according to the invention:
  • IGFBP2 Insulin like growth factor binding protein 2
  • PK-M2 Pyruvate kinase ⁇ 2
  • the presence of one or more of these biomarkers in blood, plasma or stool may be an indication of colorectal cancer or its precursor.
  • the device according to the invention also offers a platform for analyzing larger cell units, for example cell compartments or other cell substructures, whole cells or even superstructures. Also, dimers, trimers, tetramers or polymers of peptides, proteins, antibodies, carbohydrates, lipids and other biomolecules can be fed to a simplified analysis. Further supramolecular structures that can be analyzed with the device according to the invention and the method described here include protein-nucleic acid complexes, protein-lipid complexes,
  • a particular advantage of the invention is that denaturations of the analytes by chemicals (such as detergents) are largely avoided.
  • the functional layer may have capture molecules for selected analytes at several sites. For example, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024 or 2048 digits may be occupied by catcher molecules.
  • versions with 384 or 1,536 positions have proven to be useful.
  • the catcher molecules can be designed identically (ie for the same analyte) or differently (eg for different analytes).
  • the various locations may be arranged, for example, like a checkerboard, z. B. 32 measuring points in a 8x8 matrix, so that there are sufficient gaps between the measuring points that the measurement results are not falsified.
  • the immune function thin layer represents a platform for the purpose of bioanalysis.
  • the structure of this arrangement serves to investigate the measurement of the local electrical properties of this functional layer.
  • the two (located on both sides) electrodes represent an electric plate capacitor.
  • the plates of the plate capacitor can take any shape, for example, square, rectangular, hexagonal or round.
  • comb-like shaped plates have proven useful.
  • comb expansions arranged in a comb-like manner can be realized at one or more edges of a rectangle (FIG. 15).
  • Various such electrodes can be confined with one another in order to utilize the surface particularly well and to realize the smallest possible electrode distances (FIG. 15, bottom).
  • such "restricted electrode combs” can be realized in only one layer (eg the cover layer or the carrier layer.)
  • such "entangled electrode combs” can be formed in only two layers (the cover layer and the carrier layer ) be realized opposite each other.
  • the arrangement and these preferred semiconductor components are used for measuring / investigating the optical, biophysical, biochemical properties of the analytes (antigens) which are agglutinated in the immune function layer and thus locally concentrated.
  • the arrangement according to the invention allows the analytes (antigens) selected by selected catcher molecules and concentrated locally in the functional layer to be accessed by various analysis and examination methods.
  • the mobile capture molecules on the nanoparticles serve 1. the selection, the stationary capture molecules serve 2. the local concentration of the analytes (antigens) in the 3D structure of the functional layer and thus closing examination by means of various physical methods accessible.
  • the local arrangement of the capture molecules causes "traps" in which the analytes / antigens agglutinate and are thus concentrated.
  • Electrodes represent an electrical capacitor. This capacitor can be electrically read by means of electroanalytical methods, which are used in analytical chemistry.
  • Voltametry The term voltametry (English: controlled-current potentiometry titration) is an electrochemical analysis method. It must not be confused with voltammetry.
  • Voltammetry is a collective term for various electroanalytical methods for the qualitative and quantitative analysis of a sample, with which one can determine the chemical composition of substance mixtures on the basis of the voltage-dependent current profile, as well as for the elucidation of reaction mecha- nisms.
  • these electrical properties can be measured (eg by special measuring methods, by selected sensors, active principles and their practical implementation, also eg by automated measuring systems).
  • the measurement of the electrical properties should preferably be carried out by so-called application-specific integrated circuits. The measurement can be carried out in certain embodiments cost and mass suitable.
  • a so-called ASIC (English: application specific integrated cireuit), also "custom chip” is an electronic circuit, which was implemented as an integrated circuit.This particularly suitable, but also other microchips are to find application.Only developed ASIC building block on the market For example, the company Elmos is a company among many who are familiar with the so-called amplifier ASIC, and the corresponding evaluation algorithms could, for example, be acquired by Siemens.
  • the e.g. Dispensing the antibody solutions into the XYZ dimension of the functional layer could e.g. carried out by devices of the company M2 -Automation.
  • Nano-Elektronics is the term used to refer to the use of nano technology on electronic components, including transistors so small that inter-atomic, interactions and quantum mechanical properties.
  • Nano-Photonics should be used. That on the nanometer scale.
  • the invention makes use of the special properties of the immune function layer. This is based on nano-mechanics. Nano-mechanics is a nano-science field that investigates the elastic, thermal and kinetic properties of a physical system on a nanometer scale. According to the invention, the use of "nanomaterials", fillers and carbon forms nanoparticles and colloids.
  • the invention is used inter alia. studying on nanomaterials. This means: Field web studies materials with morphological features on the nanoscale, especially those that have special properties stemming from their nanoscale dimensions.
  • Nanoparticles and their colloids are to be used in the invention. Colloidal Gold, Nanocomposites, Nanofiber Nanobots, Nanobeads, Nanomesh, tubequantumdots etc ..
  • the device or the immune function layer is used for the study and measurement of eg DNA proteins, DNA-RNA, DNA-protein-lipid, DNA-protein-sugar. In the particular embodiment of the device, a so-called quantum point contact can come into play.
  • the immune function layer can later be replaced by certain techniques, e.g. Microscopy and special techniques, atomic force microscopy, scanning panelmicroscopy, scanning probe microscopy etc.
  • the device according to the invention is used for analytical instrumentation and as a tool for characterizing biological materials, e.g. by means of broadband with electrical impedance spectroscopy (EIS), e.g. in the frequency range from a few megahertz up to 100 gigahertz.
  • EIS electrical impedance spectroscopy
  • the measurement of bioimpedance can be used as a high-performance tool for the rapid and minimally or non-invasive characterization of biological objects.
  • the selection of the frequency range, the time resolution (measurement speed) and the electrode arrangements determines the interpretability of the measured properties.
  • the competence of the specialist lies in the choice, adaptation and characterization of the technical measuring environment (hardware and software) to the biological-medical measuring task to be solved in the different application areas.
  • macro and microelectrodes with a wide variety of geometries can be used.
  • amperometric and impedimetric biosensors are used. Electrode production can be carried out by means of electroplating on various substrates. According to the state of the art, commercially available impedance measuring systems which are tuned, for example, to the interests of communications engineering or materials science can not be used to measure the electrochemical properties of biomaterials.
  • thin-film transistor TFT thin-film transistor TFT
  • the capacitor electrodes which can be controlled individually.
  • These thin-film transistors TFT can preferably be embedded in the functional layer during the production of the immune function layer, in which the casting process, ie the production process of the functional layer, for example nitrocellulose or polyacetate, is direct running on a thin film in which, for example, these TFT are embedded.
  • each cavity has two active components (FIG. Electrodes) and a fluid moves through this layer by capillary forces, this immune function layer may also be referred to as an active matrix. If you replace the o.g. electrical components TFT by optical components, so the cavities can be optically measured and examined. Due to the fact that with the help of the capacitor
  • Electrodes or with the aid of the two opposing TFTs larger charges over a longer period of time, "stored” and measured, can be read out, the mean charge density of each cavity and thus the contrast during electrical and / or optical "triggering" increases. the functional layer.
  • LEDs or an LED panel should preferably be installed according to the invention.
  • the functional layer contains microcavities in which agglutination occurs.
  • the colored colloidal gold particles provided with fluorescent dyes, for example can be excited by the photodiodes to emit radiation in the "agglutination lump", for example by electromagnetic waves which serve for the excitation by, for example, electronic photosensitive semiconductor components (“receptors”) by, for example, photoresistors, photodiodes, photomultiplier diodes, etc.
  • the electrical radiation effects an "electrical current flow" which is amplified with corresponding measurement technology known from the prior art
  • This emission radiation is detected by the underlying detection layer (sensor layer) in which sensors of different types are located.
  • sensor layer In the detection layer, sensor layer, it is preferable to use field effect transistors with insulated gel IGFET or with non-isolated gel NIGFET paten according to the application.
  • Functional layer according to the invention consists of an open-pored material with pore sizes of 0.1 ⁇ m to 8 ⁇ m and with
  • the functional membrane is used, for example, for particle analysis, ie analysis of the clots which have arisen through the agglutination reaction.
  • the functional layer can be examined and measured electrically or optically as shown.
  • the functional membrane according to the invention may be made from nitrocellulose, polyacetate, cellulose acetate, cellulose nitrate, cellulose triacetate, hydrocellulose, nylon, polycarbonate, polyester, polyethersulfone, polytetrafluoroethylene or regenerated cellulose, e.g. consist, with pore sizes of 0.1, 0.2, 0.4, 0.45, 0.65, 0.8, 1.2, 3 microns, 5 microns, 8 microns with molecular weight cut-offs of 30,000, 50,000 , 100,000, 1,000 daltons, 5,000 daltons, 10,000 daltons, 20,000 daltons, 30,000 daltons.
  • the functional membrane may also consist of glass fiber membranes, preferably partially altered by appropriate silane chemistry, such that covalently proteins, e.g. can be covalently coupled to the 3D structure of the glass fiber membrane by means of succinimide.
  • An alternative embodiment is the use of graphene as a functional layer.
  • glass / microfibers which have been produced with synthetic binders and which serve for the strength of the membrane.
  • the functional membrane is mechanically and chemically stable and either hydrophobic or hydrophilic. Preference is given to hydrophilic membranes.
  • papers are also conceivable as a functional membrane, in particular tissue paper. Blotting papers, chromatographic papers, filter cardboard, glass microfiber filters, germination paper, kieselguhr filter paper, line cleaning paper, surface protection paper, parchment weighing paper, phase separation paper, etc.
  • the functional layer according to the invention preferably consists of microporous membrane material.
  • the Sephadex are polymeric sugars that are three-dimensionally crosslinked. The material has different porosity, between 20 and 30 ⁇ m. Pore size e.g. Sephadex G200, 1000 to 200,000 Molecular Weight. Manufacturers for this are Sartorius, but also GE (General Electric), Health Care Life Sciences with different brands, Emerson, Sephacryl, Sephadex etc.
  • a particular embodiment is the use of a flat form of "Capto", a material for purifying large biomolecules
  • different molecules can be agglutinated in the microcavities of the functional layer by means of, for example, antibodies and / or lectins or other scavengers. structures are brought to "lump".
  • the agglutinated material may e.g. from proteins, nucleic acids, DNA, RNA, siRNA, microRNA, iRNA, sRNA, shRNA, qPCR, cDNA, lipids and carbohydrates and their aggregates in supramolecular architecture, which until now was difficult to access for analytics ,
  • the functional layer may consist of various porous materials used for chromatography, eg, Superdex, Superose (cross-linked with agarose) materials from Whatman, Merck / Millipore, Satorius, Pall, and other companies that are used for lateral flow and flow through and immunoassays, eg, absorbent pads, bloodseparator, glassfibre, blood, components for dipsticks, membranes for immunoassay, conjugate release, glassfiber pads with different absorption properties can be used according to the invention.
  • porous materials used for chromatography eg, Superdex, Superose (cross-linked with agarose) materials from Whatman, Merck / Millipore, Satorius, Pall, and other companies that are used for lateral flow and flow through and immunoassays, eg, absorbent pads, bloodseparator, glassfibre, blood, components for dipsticks, membranes for immunoassay, conjugate release, glassfiber pads with different absorption properties can be used according
  • a particular inventive embodiment is the use of PCR, in particular real-time PCR method.
  • the invention also relates to the use of super-paramagnetic nanoparticles whose surface is functionalized with bio-affine ligands.
  • a particular inventive embodiment is the use of a magnetic detector. This leads to the development of a mobile measuring device that is suitable for fast, highly sensitive evaluation of magnet-> marker-based multiplex assays.
  • GMR Magneto-Resistive
  • AMR Magnetic MR
  • TMR Magnetic MR
  • Maxwell bridges and / or resonance coils could be used according to the invention.
  • a particular embodiment is the provision of an array-i arrangement of the electronic components in the functional layer.
  • the array arrangement of the individual sensors in the transmitter and receiver layer should be arranged according to the arrangement of olfactory cells in the mammalian olfactory epithelium.
  • the sensors of the array layer and their electrical signals are electronically detected as patterns, i.
  • the activities or the signals of the individual sensor cells are compared by means of an algorithm, so that an activity pattern is generated which is typical for the presence of many simultaneously present analytes.
  • a similar arrangement of the sensor cells can also be found in the retina. Also the principle “cabling" of the individual sensor cells, both in the olfactory system and in the optical system of the retina (see bionics).
  • the antibodies in a particular production step, e.g. by nanodispensing directly onto e.g.
  • the "base region" of an organic field-effect transistor is applied before the contact with the open-pored functional layer is established, and the absorptive or covalent bonding of the capture molecules to the specially designed "base” of the transistor is to be optimally pursued.
  • the material used at the base of the transistor may e.g. Graphene (?) Or other material materials.
  • Streptavidin-biotin-protein A can be used for administration.
  • the exitation of the immune function layer takes place by means of electromagnetic waves using LEDs, preferably LEDs printed on foils.
  • the radiation penetrates into the 3D structure of the functional layer and excites there in the microcavities agglutinated particles, nanoparticles, colloids, which are provided with catcher molecules and / or are preferably labeled with dyes, for emission of electric-magnetic radiation.
  • the emitted radiation is converted into electrical signals by a sensor that functions as a transducer.
  • the signals are evaluated by means of state-of-the-art micro- or nanobased measurement technology and apps in a smartphone, tablet, PC, which function as a computer and display, and the corresponding measured values or the "result" are visually displayed on the screen Display shown.
  • the exitation layer (sensor layer) preferably contains flat-bed LEDs, which are preferably applied to adhesive-coated films and are replaced by e.g. Lamination can be connected during production with the functional layer.
  • the detection layer (sensor layer) preferably contains printed on adhesive film z.
  • the flatbed LEDs can also be designed as thin-film panels.
  • the detection layer can also be designed as a thin-film receptor layer panels.
  • the device according to the invention is used for bioanalytics and diagnostics.
  • the functional layer can be used, for example, as a disposable article.
  • An embodiment of the functional layer can identify different running distances. This is inventively achieved by z. Bd. The application of liquid wax. This will created the individual, separate tracks in the immune function layer. These tracks are electrically, mechanically and optically separated from each other.
  • a claim of the functional layer is:
  • This multiple functional layer should be designed such that e.g. various liquid samples by means of e.g. a multichannel pipette at the start line (ped) can be applied simultaneously.
  • This multiple functional layer can also be processed and measured "simultaneously" in a laboratory automatic machine according to the invention.
  • thin-layer LEDs printed, preferably thin-layer field-effect transistors, in the exitation layer or detection layer.
  • the present invention may also be coupled to a mass spectrometer by means of a TLC MS interface.
  • a mass spectrometer by means of a TLC MS interface.
  • the supramolecular structures immunoprecipitated in the functional layer can be extracted and eluted by means of liquid and infused directly or after LC into the ion source of a mass spectrometer for further characterization.
  • the use of MALDI-MS or HPLC-MS techniques is likewise possible.
  • Electronic processors are in the smartphone, tablet, PC and their different operating systems.
  • Smartphone, tablet, PC additionally serve as transmitters and provide access to the "cloud", to the Internet.
  • the functional layer according to the invention is produced either by conventional production methods known from thin-layer chromatography ("casting of TLC plates") or else by printing techniques, in which case the "casting" of the functional layer (which according to the invention is also known as Gel can be formed) can also be made directly on Sen- sorimplantation.
  • a functional layer can be applied directly to a commercially available CMOS or CCD chip, as known from digital cameras. correspond The same applies to light-emitting elements, eg LEDs or semiconductor lasers.
  • the functional layer of the device according to the invention can also be produced by 3D printing techniques, which nowadays work just as quickly and reliably as injection molding.
  • the application of antibodies in the functional layer can be done by printing techniques.
  • a particularly preferred production method for the devices according to the invention is the lamination technique, in which one or two layers which already contain the sensor elements are laminated to a functional layer on one or both sides, for example by using moderate pressures and / or temperatures ,
  • a particular application of the invention is in the context of histology.
  • tissue samples are examined histologically.
  • Particularly noteworthy here are the early diagnosis of tumors, the detection of metabolic disorders, parasitic, bacterial, inflammatory diseases and the like.
  • Classical examination methods in the histodiagnostic laboratory include tissue fixation, paraffin ingrowing, paraffin block cutting, and microscopic examination of the layer.
  • tissue fixation By means of the device according to the invention using appropriate antibodies, it is possible to physicochemically bind and visualize the various cells and cell structures.
  • serve a fluorescent dye which is bound at the site of a protein, or a cell or a cell compart- ment and allows its detection.
  • tissue such as connective and supporting tissue, adipose tissue, bone tissue, cartilage tissue, epithelial tissue, muscle tissue and nerve tissue is possible.
  • the functional layer present within the device can be measured by microvolume spectrophotometry, e.g. through the DeNovix system from Zeiss. This system allows measurement in the range of 190nm to 840nm and allows 3D imaging, clinical routine, correlative microscopy, deep-tissue imaging, fluorescence imaging, image handling, and life-cycle analysis. Cell imaging, spectral imaging, ultrastructural studies, X-ray microscopy for biomedical engineering, cell biology, developmental biology, neuroscience, pathology, pharmacology and toxicology, structural biology and / or zoology and plant sciences. In any case, a coordination of the agents involved is essential to the invention, so that no hook effect occurs.
  • the functional layer is applied to a carrier layer and covered with a cover layer. Both the carrier layer and the cover layer contain electrically conductive sensor elements which have been applied by printing to the layers and face each other. Each form two opposing sensor elements
  • a capacitor in analogy to the representation in Figure 1.
  • Between a plate pair are antibodies as catcher molecules.
  • the capture molecules are able to catch gold microparticles.
  • the capacitance of the capacitor changes, which can be measured by means of the arrangement described below.
  • the following diagram shows the comparison measurement of two capacitors constructed in this way (C1 and C2) by means of an Atmega88 processor, which displays a display in the form of a light-emitting diode display.
  • the clock generator on the UART specifies the standard clock frequency between the transmitter (controller) and the receiver (required for external data transmission).
  • a uniform baud rate must be set in order to "synchronize" the systems.
  • the transmitted data stream consists of a start bit, the following data bits and a stop bit with parity.
  • the baud rate can be determined as a function of the processor clock frequency; UBRR_Val ((F_CPU + BAUD * 8) / (BAUD * 16) -1). In the usage variant described here, a variable in the "unsigned-long" area was chosen.
  • the UART interface is ready for transmission. To avoid a collision of data in the send buffer, it must be checked for an assignment. A check of the UCSROA register with reference to UDRE0 reveals whether the buffer is empty. An empty register outputs the status "1." In a variable, the value to be sent is output via the interface.
  • the data to be transferred is written to an array.
  • a string with about 10 elements of the type "char" should suffice for a port, the index logically starts at 0 and ends at 9.
  • the capacity measurement is 3.94, this value is arranged as follows:
  • a variable (here C-time) 0 is initialized.
  • a port (here PB is declared as an output and switched to a LOW level in order to discharge the applied capacity at the beginning of the measuring cycle.
  • the corresponding port is switched from LOW to HIGH and an internal pull-up is activated. From the switchover time, the capacitor is charged until the controller detects (via a loop) a high level. This level depends on the set reference voltage.
  • the reference voltage is currently 3.5 V. However, this voltage may depend very much on the selected controller and the power supply (button battery / AA battery / USB port / power supply). No matter which power supply is selected, it will take some time until a high level is detected. This time must be measured in a do loop and forms a ratio to the capacitance over an approximately constant charging current. If a long charging time is measured, the capacity also becomes very large. In order to convert the measured time into a capacitance, a voltage and current-dependent factor must be determined. This is in the already known example at 0.000622. This changes with a different reference voltage or a strongly deviating capacitance.
  • the system should be able to display the capacitance of the capacitor using simple optical indicators.
  • a reference value (yet to be determined) is stored in the system. This reference value becomes that in the variable (here "c"). If the two values deviate only minimally from each other, a green LED lights up. If the deviation is greater, the yellow or the red LED is energized.
  • one antibody specifically binds to the antigen
  • the second antibody binds to a particular protein, on the nanoparticle on the one hand, and bound to one piece of DNA
  • the agglutinate can be greatly enlarged in space by greatly extending the short pieces of DNA present on the antibodies by means of a DNA polymerase reaction.
  • the resulting 3D DNA agglutination structure is spatially large ( Figure 26), e.g. bring the electrodes (teeth) of the two combs, which act as electrodes (see Figure 15, bottom), into electrical contact. If the two comb-shaped electrodes are bridged by means of the 3D structure, this causes a very great change in the electrical resistance.
  • the change in the electrical resistance can be measured very sensitively by means of an electronic measurement setup.
  • the resistance change serves to quantify e.g. of the desired antigen (analyte).
  • microchannels are formed in a wide variety of materials, such as glass, plastic silicon, and fluids are moved through these channels.
  • the movement can be carried out by means of appropriate micro pumps, but also by application of centrifugal force.
  • Printed field effect transistors are i.a. described by Dimos Poulikakos, ETH Zurich.
  • Various conductive printing inks are commercially available, for. From BASF.
  • gur 1 shows schematically the construction of an embodiment of a device according to the invention in cross-section:
  • the electrode pairs 1/1 ⁇ 2/2 'and 3/3 ⁇ each form (plate) capacitors whose capacitance (inter alia) depends on the dielectric properties of the intermediate space. Change in the dielectric properties of the gap, for example due to trapping of antibody-coated gold particles lead to capacity changes that can be measured (eg in the form of permittivity) and stored time-dependent.
  • FIG. 2 shows schematically the structure of another embodiment of a device according to the invention in cross section:
  • photosensor 2 e.g. CCD CMOS chip
  • photosensor 1 e.g. CCD or CMOS chip 1
  • the LEDs 1, 2 and 3 each form with the opposite photosensors 1, 2 and 3, light barriers.
  • the light transmission through the functional layer depends on the optical properties of the intermediate space. Changes in the light absorption of the interspace, for example due to trapping of antibody-coated gold particles, lead to a location-dependent change in the light absorption that can be measured and stored over time.
  • the evaluation can also be carried out on a wavelength-dependent basis.
  • FIG. 3 shows schematically the construction of an expanded embodiment of a device according to the invention.
  • the device already described in FIG. 2 is supplemented by two filter layers (18 and 19).
  • This embodiment makes it possible to filter out light radiation having specific wavelengths.
  • This embodiment is particularly suitable for capture molecules which, when irradiated with light of a certain wavelength, emit light of a different wavelength, as described above. Thanks to the built-in filter layers, it is thus possible to ensure that on the part of the
  • Transmitter only light with the transmission wavelength is emitted and that only light with the receiving wavelength reaches the receiving sensor on the part of the receiver. In this way, disturbances are largely suppressed, which leads to correspondingly more precise measurement results.
  • Figure 4 shows schematically an embodiment of the invention with five different measuring points (shown here as black bars). Capture molecules for selected analytes can be positioned at each of these measurement sites. The corresponding sensor elements will be contained in the carrier and / or cover layer matching these locations. In this way For example, five different analytes can be analyzed in one measurement run.
  • FIG. 5 shows a checkered arrangement of catcher molecules and sensor elements. In this way, many different analytes can be measured.
  • FIG. 6 shows an embodiment of the invention in which the application point is in the middle and the direction of travel of the applied solution runs concentrically, that is to say uniformly in all directions of the plane.
  • FIG. 7 schematically shows an embodiment of the invention based on FIG. 6, in which several rings with measuring points are positioned concentrically around the application site.
  • FIG. 8 shows schematically the arrangement of ten measuring points within a device according to the invention, wherein the measuring points have spacings to each other in all directions of the plane.
  • Such an arrangement may be required to prevent disturbances of the measurements.
  • Such disorders can z. B. occur in that - in the case of the application of optical analysis methods - light emissions, for example, due to scattering, fall on adjacent measuring sensors len.
  • electrical measuring methods in which, for example, the capacitance measurement of a capacitor unit formed can be disturbed by electrical influences of the neighboring measuring stations.
  • Another source of interference may be the application of the catcher molecules during the production of the functional layer. This can (depending on the type of application) lead to a certain bleeding of the applied solution. In this case, immediately adjacent plots could even lead to mixing effects in the border areas, which is effectively prevented by the arrangement shown in Figure 8.
  • FIG. 9 again shows the basic functional structure in the side view.
  • the functional layer is located in the middle of the device, with an application site on the left and a "Wiek" on the right, which absorbs incoming liquid and thus ensures that the capillary flow is maintained.
  • the capillary flow direction is shown by the arrow.
  • the carrier layer and the cover layer are laminated to the functional layer by means of a pressure-sensitive adhesive.
  • two capacitors are formed by a respective capacitor plate in the carrier and the cover layer and adjacent Kondensatorabtubplatten.
  • the right-hand condenser unit shown in Figure 9 includes a microcavity with immunoagglutination. At this point are the catcher molecules.
  • the capacitor shown on the left in FIG. 9, which is initially reached by the capillary flow serves only as a reference or for control purposes.
  • the carrier and cover layers are formed as a film.
  • the illustrated illustration of reasons distance between the film and the functional layer is not present in reality.
  • the film is adhered directly to the functional layer by means of the adhesive.
  • FIG. 10 shows a structure corresponding to FIG. 9 at a time 4 minutes after application.
  • the reference capacitor shown in FIG. 9 is omitted for reasons of clarity.
  • the catcher molecules according to the invention are located in the microcavities between the plates of the measuring capacitor. Since at this time the analyte to be measured has not yet passed this place, it is not yet have come to an immunoagglutination.
  • the resonant circuit formed by the capacitor plates makes it possible to measure the capacitor capacitance. You can also see supplementary capacitor shielding plates to reduce interference.
  • the liquid flow flowing from the application site in the capillary flow direction has reached the microcavities already shown in FIG. 10 and led to immunoagglutination.
  • the capture molecules reacted with the analyte accordingly.
  • the agglutinates that accumulate as a result lead to a change in the capacitor capacitance, which is measured by means of the resonant circuit formed.
  • FIG. 12 again shows the structure according to FIG. 11 in the top view.
  • an immunoagglutination which changes the capacitance of the capacitor.
  • FIG. 12 again shows the structure according to FIG. 11 in the top view.
  • an immunoagglutination which changes the capacitance of the capacitor.
  • FIG. 13 shows the associated functional measurement setup for determining the capacitor capacitance. This will be two
  • the capacitor is formed by corresponding plates, which are located above or below the functional layer and are printed, for example, on a foil.
  • the resonant circuit 2 is a trim capacitor. At the beginning of the measurement, if no immunagglutination has taken place yet. has found, the trim capacitor is tuned to the measuring capacitor. If the capacitance of the measuring capacitor changes due to immunoagglutination, the deviation can be determined and measured by resonance measurement.
  • FIG. 14 again shows a device according to the invention with two foils, between which a functional layer is located. Applied to the films are electrically conductive plates which act as a capacitor. Between the capacitor plates is an electric field. By located next to the actual capacitor plates additional plates, a shield is caused.
  • FIG. 15 shows various embodiments of comb-shaped capacitor plates.
  • the bottom figure shows two such comb-like shaped capacitor plates, which are interlocked.
  • FIG. 16 schematically shows an embodiment with measurement of a temperature increase, for example by means of a bolometer, after electromagnetic excitation of nanoparticles by an alternating field by means of IR radiation.
  • FIG. 17 describes the basic functional structure of an embodiment of the present invention, in which various individual pads are embedded in a non-electrically conductive polymer film.
  • FIG. 18 shows the basic functional structure of an optical detection method.
  • the sample is applied at the application site and flows in the illustrated capillary flow direction to a "Wiek" located at the opposite end, which contains liquid. can.
  • the functional layer contains microcavities prepared for immunoagglutination at one site.
  • the coupling of the antibody to a fluorophore is provided.
  • the transmitter is arranged below the functional layer, for example in the form of an LED, a laser or another light emitter. Above the layer, the emitted light is measured by the receiver.
  • the receiver can be designed, for example, as a photoresistor or phototransistor.
  • Optional optical filters may be set up between the functional layer and the transmitter or the receiver (see below).
  • Figure 19 shows a similar arrangement in which the receiver is in the form of an avalanche diode.
  • FIG. 20 shows an embodiment of the invention in which the detection in the microcavities is carried out by thermodetection.
  • An electromagnetic alternating field is applied at the detection site, which thermally excites the nanoparticles bound in the microcavity.
  • a corresponding detector for.
  • a thermal camera a microbolometer or a similar detector indicates the presence of nanoparticles by the resulting increase in temperature.
  • FIG. 21 shows another embodiment with an optical detection in which both transmitter and receiver are arranged on the same side of the functional layer. This is possible because the fluorescence generated in the microcavities is naturally radiated in all spatial directions.
  • FIG. 22 shows an expanded embodiment of the device shown in FIG. Here the fluorescence excitation and measurement takes place at two different points of the functional shift takes place.
  • the emission detection point shown on the left in FIG. 22 serves as the reference measurement range, while the emission or detection arrangement shown on the right in FIG. 22 represents the measurement of the analyte in the microcavity formed.
  • FIG. 23 shows a similar arrangement as in FIG. 23, wherein only the beam directions for excitation or for measurement are arranged at an angle to the functional layer.
  • Figures 18-23 exemplify the use of filters. Because of the Stokes shift and the preferred use of filters e.g. As a result, only the light emitted by the fluorescence (emission light (for example 800-770 nm)) reaches the receiver.
  • the blocking filter is designed so that it is only transparent to the longer-wavelength emission light (about 790-870 nm) of the fluorescence. The still existing, in the example shorter wavy excitation light (about 600-750 nm) is absorbed.
  • FIG. 24 shows schematically a circuit for measuring emitted light by means of a photodiode.
  • FIG. 25 shows an embodiment of the invention based on a "magnetoresistive current sensor" which is very sensitive and can be obtained inexpensively together with the necessary circuitry.
  • FIG. 26 shows the structure formed in accordance with Example 2 by using two antibodies, one antibody specifically bindable to the antigen, the second antibody binding to a particular protein, on the nanoparticle on the one hand and bound to a piece of DNA.
  • 27 shows an example of a device according to the invention in which the functional area ("Active Area") is applied directly to a semiconductor element (above schematically, below as a photograph). Nanoparticles can be detected extremely sensitive to this fact.
  • the new inventive platform utilizes the natural agglutination of nanoparticles present in the colloid.
  • the colloid was created artificially by the addition of nanoparticles.
  • the nanoparticles are provided with catcher molecules.
  • the agglutination takes place in the 3D structure of the functional layer.
  • capture molecules by using, for example, specific microdispensing devices are introduced into the functional layer during production of the platform, locally in the coordinates xyz.
  • the capture molecules are mainly biophysical to e.g. the open pore structure of e.g. Nitrocellulose adorptively bound.
  • a covalent binding of the capture structures in the 3D structure is only an additional variant in the production of the functional layer used.
  • the nanoparticles provided with catcher molecules cause, for example, a "bridge" between
  • the transmitter / receiver / sensor / detector preferably consists either of opto-electronic, magneto-electronic or thermo-electronic components.
  • the nanoparticles present in the colloid, to which catcher molecules are coupled may consist of gold, silver, etc., but magnetic dipoles may also be used with preference.
  • the measurement of locally occurring agglutination can be carried out using various technologies, which are known in principle, but in other contexts of the prior art.
  • the aim is to derive measured values and from them a quantification of the measured analytes.
  • the inventive platform allows the so-called multiplexing of analytes, ie an analyte sample (eg liquid) which has previously been applied to the functional layer with a mixture of different nanoparticles which are provided with different capture molecules and, as stated above, the agglutination takes place at various locations xy (previously provided with different capture molecules bound to the solid phase in the preparation) this leads to a pattern of "agglutination sites", ie also to a "special signature" of the analytical sample. Agglutination at different locations in the functional layer leads to a pattern of supervision
  • the agglutination patterns with the different analytes can, as stated above, advantageously be measured according to the invention, for example by opto-electronic array sensors (with corresponding pixels), for example by using SPAD Single Photon Avalanche Diodes, fabricated in the HV 0.35 ⁇ m CMOS Technology
  • the use of these diodes according to the invention allows the use of
  • each receiver each sensor is provided with the corresponding deflection sensor and leakage measuring sensor.
  • a particular variant of the inventive approach uses e.g. in addition to the variants described, chemoluminescence, e.g. using luminol.
  • chemoluminescence e.g. using luminol.
  • Chemiluminescence for the measurement of analytes belongs to the state of the art. However, the use of luminescence in connection with the functional layer and in connection with the It is self-evident that the reagents to achieve chemoluminescence after completed agglutination have to be applied with a time delay to the sample application site of the functional layer.
  • the radiation emitted in the chemiluminescence radiation is received in accordance with the inventive structure highly sensitive of suitable receivers / sensors / detectors and amplified and evaluated.
  • the device / platform can be realized according to the invention.
  • the device / platform can be realized according to the invention.
  • the device / platform can be realized according to the invention.
  • the device / platform can be realized according to the invention.
  • the device / platform can be realized according to the invention.
  • the device / platform can be realized according to the invention.
  • the device / platform can be realized according to the invention.
  • the device / platform can be realized according to the invention.
  • the devices / platforms produced can have different technical requirement profiles with respect to their use.
  • the transmitter and receiver and the structure of the circuits should be specially designed to implement the required technical solution, eg what sensitivity, separation performance, etc. but also as far as the production costs are concerned.
  • the platform and the structure and the procedure in carrying out the analysis is inventively optimized so that an enrichment, concentration of the analyte to be determined in the sample is localized in the functional layer (the analyte or cages are in microcavities cages as already stated above captured) .
  • the site-specific agglutinated, precipitated analytes e.g. to elute and other techniques of analysis.
  • the user can elute the analytes in a localized manner and supply them to other modern analytical methods, e.g. mass spectrometry and / or modern Raman spectroscopy.
  • the aim is to further analyze the analytes enriched in accordance with the invention in order to obtain further information from the analysis sample which the user can use.
  • inventive platform represents a composition of different technologies
  • NIR radiation near-infrared
  • the preferred use of NIR radiation according to the invention furthermore leads to an optimized signal-to-noise ratio during the measurement.
  • the selectivity is achieved by the choice of bindable catcher molecules suitable for the analyte.
  • Measurement setup The measuring, i. the characterization, quantification and standardization are carried out by the structure according to the invention.
  • the relatively low production costs are obtained according to the invention by the choice and by the production methods described in accordance with the invention (for example, mass-production-suitable).
  • the transmitter in the inventive design can e.g. an LED, a laser diode, etc.
  • the receiver can - as described in the text - e.g. consist of different electronic components or used.
  • the transmitter represents e.g. a coil which, according to Lenz's rule, can generate an alternating electromagnetic field.
  • the receiver may be used in this construction e.g. a CMOS linear sensor, e.g. Visual spectrum from 400 nm to 1000 nm or FAR infrared detector for thermal imaging (use of a microbolometer with readout IC), which is sensitive to long-wave infrared 8 ⁇ m to 14 ⁇ and can provide an IR image by means of an IR camera.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine neue Vorrichtung zur Bioanalytik für ausgewählte biologische Analyten, enthaltend a) eine Trägerschicht, b) eine Funktionsschicht c) optional eine Deckschicht, wobei die Funktionschicht Flüssigkeit aufnehmen und transportieren kann und an mindestens einer Stelle ein Fängermolekül für den ausgewählten Analyten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht und/oder die Deckschicht Sensorelemente für den ausgewählten Analyten enthält, welche ihrerseits durch drucktechnische Verfahren auf oder in die Trägerschicht und/oder die Deckschicht eingebracht wurden sowie Verfahren zum Nachweis von Bioanalyten mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Description

Vorrichtung zur Bioanalytik, deren Herstellung und Verfahren zum Nachweis von Bioanalyten mittels der Vorrichtung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine neue Vorrichtung zur Bioanalytik und Verfahren zum Nachweis von Analyten (wie z.B. Bioanalyten, Zellen, Immunkomplexen, supramolekularen Strukturen, Zellkom- partimenten usw.) aus biologischen Proben mittels der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung. Es handelt sich dabei um eine Sen- der-Empfänger-Sandwich-Anordnung zur Messung der lokalen elektrischen, optischen, biophysikalischen Eigenschaften von Stoffen in einer Immunfunktions-Dünnschicht , die auch als bio- analytische Plattform dient. Die Erfindung beschreibt ferner die Verwendung von Nanopartikeln, NanoDots, Sensoren: z. B. Magnetsensoren, Sensorschaltkreisen, kombinierten Sensoren, Messtechniken hierzu usw.
Stand der Technik und Hintergrund der Erfindung
Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe von Vorrichtungen zur Analytik verschiedenster biologischer Analyten bekannt, wie z.B. Nachweistest, welche nach dem Prinzip eines Immunoas- says mittels verschiedenster Antikörper arbeiten. Bei den meisten dieser Tests wird an einer bestimmten Stelle dieses Testsystems eine Farbänderung erzielt, die dann visuell abge- lesen wird. Die Ablesung erfolgt daher zum Teil subjektiv. Darüber hinaus sind viele dieser Tests lediglich semi- quantitativer Natur. Die Analytik größerer biologischer Ein- heiten, wie beispielsweise Zellkompartimente, Zellsubstruk- turen, ganzer Zellen oder Zellsuprastrukturen ist bislang nur sehr eingeschränkt mit sehr speziellen und aufwändigen Mess- verfahren möglich.
Aus dem Stand der Technik sind weiterhin eine Reihe von Vor- richtungen und Methoden zur Analytik verschiedenster biologi- scher Analyten und Zellen bekannt.
Hierzu angewandte Techniken sind z.B.: Immunagglutination, Im- munpräzipitation, eindimensionale einfache Immundiffusion nach Oudin, zweidimensionale Immundiffusion nach Ouchterlony (zur Generierung von Immunpräzipitationsmustern) , Immun- und Kreu- zelektrophorese, Elektrodiffusion, Immunfixation, radiale Im- mundiffusion und Raketenelektrophorese, präparative Immunprä- zipitation, Radioimmunoassay (RIA), Nephelometrie.
Alle diese Techniken nutzen das bio-physikalische Phänomen der Immunbindung. Nach optimaler Fixierung eines der Reaktions- partner durch Adsorption oder kovalente Kopplung an einen un- löslichen Träger (Nitrozellulose, Glasfaser, Nylon oder andere Träger) .
Die Sichtbarmachung einer Immunreaktion/Immunbindung beruht auf einer stabilen Brücke zwischen den gesuchten Reaktions- partnern (Antigen oder Antikörper) und dem z.B. Amplifi- kationssystem.
Als Amplifikatoren (oder Indikatoren) werden eingesetzt: Fluo- reszenzfarbstoffe, Lumineszenzfarbstoffe, Radioaktivität, En- zyme, Nanopartikel z.B. kolloidales Gold.
Die Sichtbarmachung der Antikörperbindung erfolgt durch direk- te und indirekte Methoden, z.B. PAP-Methoden von Sternberger, Biotin-Avidin-Brücke (ABC-Technik) , direkter oder indirekter Nachweis über z.B. ein als Amplifikator fungierendes markier- tes Protein A, z.B. direkte Protein A-Goldmethode, indirekte Protein A-Goldmethode aber auch Nachweis über ein als Amplifi- kator fungierendes markiertes Lektin. Nachweis der Spezifität von Antikörpern in Zellen und Geweben mittels der Sandwich- Methode, des DOT- Immunoassays , Westernblotting, Proteintrans- fer, Immobilisierung und Immundetektion .
Biacore-Technik/Methode
Diese Methode ist schonend für die Proteine, sie kommt ohne Markierung mit sehr geringen Proteinmengen aus . Außerdem kann bei Verfügbarkeit entsprechend reiner Antigene oder spezifi- scher Antikörper aus komplexen Mischungen, z.B. affinitäts- Chromatrographisch gereinigt, der entsprechende Bindungs- partner in Minuten isoliert werden. Die Technik kann Bindungs- partner auch aus hochverdünnten Lösungen konzentrieren. Der Biacore-Technik liegt ein Sensorchip zugrunde, das Oberflä- chen-Plasmon-Resonanz (SPR- das S steht für Surface, PR steht für Plasmon-Resonanz) generieren kann. Der Sensorchip, der sich in einer kontinuierlich durchströmbaren Mikrozelle befin- det, kann verschiedenen Liganden und Puffer ausgesetzt werden und die Kinetik und das Bindungs- und Trennungsprofil für je- weilige Bindungspaar von Makromolekülen registrieren. Dabei wird die Änderung der SPR in quantitative Messwerte umgerech- net .
Technisches Problem der Erfindung Der Erfindung liegt das technische Problem zu Grunde, Vorrich- tungen zur Bioanalytik zur Verfügung zu stellen, welche eine stärker objektivierbare Ablesung ermöglichen. Darüber hinaus sollen Möglichkeiten zur automatischen, computergestützten, Ablesung zur Verfügung gestellt werden. Ferner soll die Analy- tik größerer Einheiten, wie beispielsweise Zellkompartimente , Zellsubstrukturen, ganzer Zellen oder Zellsuprastrukturen er- möglicht werten.
Grundzüge der Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen
Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung ei- ne Vorrichtung zur Bioanalytik für ausgewählte biologische Analyten in einer flüssigen Phase, enthaltend a) eine Trägerschicht,
b) eine Funktionsschicht
c) optional eine Deckschicht wobei die Funktionschicht Flüssigkeit aufnehmen und transpor- tieren kann und an mindestens einer Stelle ein Fängermolekül für den oder die ausgewählten Analyten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht und/oder die Deckschicht Senderelemente ent- hält, welche ihrerseits durch drucktechnische Verfahren auf oder in die Trägerschicht und/oder auf oder in die Deckschicht eingebracht wurden, wobei die Senderelemente auf den oder die ausgewählten Analyten abgestimmt sind und/ oder dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht und/oder die Deckschicht Sensorelemente ent- hält, welche ihrerseits durch drucktechnische Verfahren auf oder in die Trägerschicht und/oder auf oder in die Deckschicht eingebracht wurden, wobei die Senderelemente auf den oder die ausgewählten Analyten abgestimmt sind.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstände der Unteran- sprüche .
Essentieller Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Funktionsschicht, die in der Lage ist Flüssigkeiten auf- zunehmen und zu transportieren. Es handelt sich hierbei bei- spielsweise um ein poröses, schwammartiges Material. Dabei kann es sich z. B. um Kieselgel, Kieselgur, Aluminiumoxid,
Zellulose, Nitrozellulose oder ein anderes feinkörniges Mate- rial handeln. Derartige Funktionsschichten enthalten in der Regel Poren mit einem mittleren Porendurchmesser von bei- spielsweise 4 - 1000 nm. Die Funktionsschicht enthält an min- destens einer Stelle mindestens ein biologisches Fängermolekül als „Biofalle". Hierdurch wird eine Mikrokavität zur Verfügung gestellt, in der die zum weiteren Nachweise führende biochemi- sche Reaktion erfolgen kann (Agglutination oder Präzipitation gemäß „Heidelberger Kurve"). Bei dem biologischen Fängermole- kül kann es sich beispielsweise um einen Antikörper für ein ausgewähltes Antigen, beispielsweise ein Protein handeln. In einer erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform der Erfin- dung ist die Schicht flächig angeordnet und wird entlang einer Kante mit einer Flüssigkeit benetzt, die den ausgewählten Ana- lyten enthält. Durch Kapillarkräfte wandert die Flüssigkeit durch die Funktionsschicht hindurch und trifft an der entspre- chenden Stelle auf das Fängermolekül. Der Flüssigkeitsverlauf durch die Funktionsschicht hindurch kann auch unter Einsatz von Pumpen, insbesondere Mikropumpen (Piezo-Pumpen) erfolgen. Alternativ können auch andere mechanische Kräfte einwirken, wie z.B. eine Zentrifugalkraft, wenn die Funktionsschicht in Rotation versetzt wird. Wenn der gewünschte Analyt in der nötigen Konzentration in der Flüssigkeit enthalten ist, wird eine Reaktion mit dem Fänger- molekül eintreten, so dass es zu einer Agglutination oder Prä- zipitation bzw. Kopräzipitation gemäß der „Heidelberger-Kurve" kommen kann. Enthält die Flüssigkeit den ausgewählten Analyten nicht in der erforderlichen Menge, wird das Fängermolekül nicht reagieren und auch keine Agglutination oder Präzipitati- on eintreten. Bei der Flüssigkeit kann es sich um ein beliebi- ges polares oder unpolares Lösungsmittel handeln, wie bei- spielsweise DMSO, Wasser, Acetonitril oder Ähnliches. Optional kann noch ein zweites Erkennungsmolekül zugegeben werden, wel- ches den aus Fängermolekül und Analyt gebildeten Komplex er- kennt, beispielsweise ein zweiter Antikörper. Dieses zweite Erkennungsmolekül kann beispielsweise eine radioaktive Markie- rung, eine lumineszierende Komponente, eine ionische Komponen- te oder Metall-, zum Beispiel Goldpartikel, enthalten, um die Nachweisbarkeit des gebildeten Agglutinates/Präzipitates zu gewährleisten oder zu verbessern.
In anderen Worten ausgedrückt: Die Immunfunktionsschicht ent- hält Fängermoleküle, die sowohl an beweglichen Partikeln als auch an der Festphase gebunden sind. Die Immunfunktionsschicht enthält ferner Mikro-Kavitäten (Mikro-Wells) , in denen eine Agglutinationsreaktion mit den Analyten gemäß Ouchterlony er- folgt .
Als Analyt kann praktisch jede denkbare biologische Einheit bzw. Molekül auftreten: Neben Peptiden und Proteinen kommen beispielsweise RNA- und DNA-Sequenzen, Kohlehydraten, Lipiden, Hormonen (Steroid- oder Zuckerhormone) , Enzymen, Zellkomparti- menten, Zellsubstrukturen, Zellsuprastrukturen und/oder gesam- te Zellen, Protein-Komplexen, Protein- Protein-Komplexen, Pro- tein-Lipid-Komplexen, Protein-Kohlehydrat-Komplexen, Protein- Nucleinsäure-Komplexen sowie Viren in Betracht. Es versteht sich von selbst, dass die entsprechenden Fängermoleküle auf den zu fangenden Analyten abgestellt sein müssen: Hier kommen beispielsweise Antikörper (polyklonale oder monoklonale) , Ap- tamere, Spiegelmere, Lectine oder deren Gemische in Betracht. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung können auch mehre- re verschiedene Fängermoleküle in der Funktionsschicht enthal- ten sein, z.B.: verschiedene Antikörper oder Antikörper und Aptamere oder Aptamere und Lectine, usw..Diese können insbe- sondere auch an verschiedenen Positionen lokalisiert sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und die damit durchgeführten erfindungsgemäßen Verfahren sind zur quantitativen und quali- tativen Analyse der verschieden Analyten geeignet. Viele Aus- führungsformen sind zur quantitativen und qualitativen Analyse von mehreren Analyten im gleichen Zeitraum geeignet.
Als Funktionsschicht kann beispielsweise eine Nitrozellulose- oder Polyacetatschicht dienen, so wie sie aus lateral-flow- Systemen bekannt ist, welche an einer Stelle mit einem Anti- körper versetzt ist.
Die Funktionsschicht ist in dem erfindungsgemäßen System auf eine Trägerschicht aufgetragen. Diese besteht vorzugsweise aus Kunststoff, welcher seinerseits ebenfalls bevorzugterweise transparent ausgebildet ist. Die Trägerschicht ist dadurch ge- kennzeichnet, dass sie Sensorelemente enthält, welche ihrer- seits durch drucktechnische Verfahren auf oder in die Schicht eingebracht wurden. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung sind die Begriffe Sensor/Sensoren und DEtektor/Detektioren als sy- nonym anzusehen. Als Sensorelemente können insbesondere lei- tende oder halbleitende Elemente eingebracht werden. Derartige Elemente sind beispielsweise aus der Herstellung von Touch- screens bekannt. Beispielsweise kann es sich bei der Träger- schiebt um eine Polyesterschicht handeln, die mit Indiumzinno- xid beschichtet ist. Indiumzinnoxid ist ein lichtdurchlässiger Halbleiter. Die optionale Deckschicht ist prinzipiell vom gleichen Aufbau wie die Trägerschicht, d. h. eine KunststoffSchicht , bei der durch drucktechnische Verfahren Sensorelemente in oder auf die Schicht aufgetragen wurden. Die drucktechnische Erzeugung der Schicht kann beispielsweise durch Tintenstrahl ( InkJet) -Druck unter Verwendung entsprechend leitfähiger Tinte erfolgen, kann aber auch durch entsprechende Anwendung von Verfahren, wie Tiefdruck, Hochdruck, Offset- druck, Flexodruck oder Siebdruck erfolgen. Derartige Techniken mit leitfähiger Tinte sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Im einfachsten Fall dient je ein Sensorelement aus Deckschicht und Trägerschicht als Elektroden, an die eine Spannung ange- legt wird. Zwischen diese Elektroden kann der Widerstand ge- messen werden, der beispielsweise von dem Flüssigkeitsfluss , insbesondere den enthaltenen Analyten abhängen kann. So beein- flussen beispielsweise ionische Molekülfragmente, aber auch Goldpartikel, welche über Antikörper an einen bestimmten Ana- lyten binden, wirksam eine Änderung des Widerstandes, der ge- messen werden kann. Je zwei einander gegenüberliegende Elekt- roden aus Trägerschicht und Deckschicht können aber auch einen Kondensator ausbilden, dessen Kapazität gemessen werden kann. Auch in diesem Fall bewirkt das Vorhandensein eines Analyten, insbesondere eines Analyten, enthaltend Metall- z. B. Goldpar- tikel eine Änderung der dielektrischen Eigenschaften, der als Dielektrikum dienenden Funktionsschicht, welche - beispiels- weise in Form der Permittivität-messbar ist. Es handelt sich dabei um eine Ausführungsform des sogenannten „capacitivesen- sing", nämlich ein sogenanntes „proximitysensing" . Die durch die Goldpartikel verursache Änderung des elektrischen Feldes wird durch den Kondensator gemessen und im Vergleich darge- stellt. Eine beispielhafte Ausführungsform wird in Beispiel 1 verdeutlicht. Aus dem Stand der Technik sind verschiedenste Verfahren zur Kapazitätsmessung bekannt, die zur Durchführung der Kapazitätsmessung angewendet werden können. Dazu gehören die Messung der Resonanzfrequenz eines mit der Kapazität ge- bildeten LC-Schwingkreises , das Anlegen einer WechselSpannung unter Messung des Stromverlaufes oder auch das Laden mit kon- stantem Strom und Beobachten der Spannungsanstiegsgeschwindig- keit .
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält die Trägerschicht und/oder die Deckschicht Sensoren zum Photonen- nachweis. Hierzu dienen beispielsweise lichtempfindliche Sen- sorelemente, wie beispielsweise ein Photowiderstand oder eine Photodiode. Einfallendes Licht, z. B. aus einem Laserstrahl, beispielsweise aus einem abstimmbaren Farbstofflaser kann bei- spielsweise durch die Funktionsschicht hindurch strahlen und mittels der erfindungsgemäßen Sensorelemente auf der Träger- schicht gemessen werden. Der Durchtritt einer Probe führt zu einer Schwächung des Strahls, beispielsweise aufgrund von Ab- sorption, welche eine Messwertänderung hervorruft. Der Begriff Licht umfasst dabei nicht nur sichtbares Licht, sondern deckt den gesamten Bereich elektromagnetischer Strahlung vom Infra- rotbereich über den sichtbaren Bereich bis zum UV-Bereich ab. Weiterhin können auch Röntgenstrahlen auch aus einem Röntgen- laser oder entsprechender Synchrotronstrahlung verwendet wer- den. Eine Messschaltung zur Lichtmessung mittels einer Photo- diode ist beispielhaft in Figur 17 wiedergegeben. Erfindungsgemäß einsetzbar sind auch LEDs basierend auf orga- nischen Materialien, sogenannte OLEDs . Entsprechende organi- sche Transistoren sind auch als Empfängerelemente, basierend auf der CMOS-Technologie anwendbar. Derartige optische Emitter und Sensoren sind beispielsweise von den Firmen NovaLED und Hamamatsu auf dem Markt erhältlich. Dabei können integrierte Bauelemente verwendet werden, z.B. Diodenarrays oder Senso- rarrays .
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann ein Licht- strahl, z.B. ein Laserstrahl senkrecht zur Laufrichtung der Probenflüssigkeit durch die Funktionsschicht gesendet werden. Im Falle von einer partikelhaltigen Probe wird eine Streuung des Laserstrahls erreicht, die mittels der Deckschicht bzw. der Trägerschicht und der darin enthaltenen optoelektroni- schenSensorelemente gemessen werden kann. Die Funktionsschicht hat bei diesem Aufbau die Funktion einer Küvette. Auch bei dieser Ausführungsform ist der Begriff „Licht" so zu verstehen, dass elektromagnetische Strahlung aus dem Infrarotbe- reich, dem sichtbaren Bereich, oder dem UV-Bereich verwendet werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass extrem lichtempfindliche Träger und/oder Deckschichten aufge- tragen werden, die beispielsweise Elemente eines Fotomultipli- ers (beispielsweise nach dem Avalanche- Prinzip arbeitend) ent- halten. Eine derartige Ausführungsform setzt eine Biofalle vo- raus, die zum Leuchten angeregt werden kann, wie z.B. auf der Basis von Luminol . Die optoelektronischen Sensorelemente aus der Deck- bzw. Trägerschicht sind in der Lage das imitierte Licht zu messen. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass lichtemittierende Träger- und/oder Deckschichten aufgetragen werden, die beispielsweise Elemente einer LED enthalten. Hier- zu werden Flachbett-LEDs auf drucktechnische Weise hergestellt und mit der Funktionsschicht in Kontakt gebracht (laminiert und/oder verklebt) . Aus dem Stand der Technik ist die Herstel- lung von organischen Feldeffekttransistoren (OFET, Incjet Druck) , organischen Leuchtdioden (OLED, Siebdruck) , organi- schen Solarzellen (OPVC, Siebdruck) , sowie diversen anderen optischen Sensoren, wie z.B. Fotowiderständen bekannt. Alle diese genannten Bauteile können erfindungsgemäß verwendet wer- den.
Bei Ausführungsformen basierend auf optischen Methoden sollte die Anregung ( "exitation" ) bevorzugt mit ultravioletter Strah- lung (Sender) erfolgen.
Der Sensor (Empfänger) sollte für sichtbare bzw. infrarote Strahlung empfindlich sein; für die ultraviolette - bzw.
sichtbare - Strahlung möglichst unempfindlich sein.
Derartige Infrarotsensoren sind auf dem Markt erhältlich, wie beispielsweise in Form des Micro NIR 1700 Spektrometer der Firma JDSU. Weitere Ausführungsformen der Erfindung basieren auf sogenannten Mikrobolometern, die neuerdings auch ungekühlt bei Raumtemperatur messen können.
Die Verwendung von Infrarotsensoren erlaubt auch Ausführungs- formen der Erfindung, in der mit Antikörpern versehene magne- tische Nanopartikel eingesetzt werden, die durch Anlegen eines elektromagnetischen Wechselfeldes von beispielsweise 100kHz thermisch angeregt werden. Die dadurch erzeugte Temperaturän- derung kann durch die genannten Mikrobolometer oder durch Thermopile gemessen werden (siehe Figur 16) . Bei diesen Überlegungen zur Wahl der elektromagnetischen
Strahlung zwischen Sender und Empfänger sollte das Absorpti- onsverhalten des Materials der Funktionsschicht berücksichtigt werden.
Alternativen: Als Sender kann z.B. eine Infrarot-Diodeais Emp- fänger z.B. eine Foto-Diode verbaut werden. Grundsätzlich sollen erfindungsgemäß die Sender-Empfänger- Halbleiterbausteine , die auf Folien (flexible oder unflexib- le) gedruckt werden können, bevorzugt verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden mehrere lichtemittierende Elemente in die Träger- und/oder Deckschicht aufgetragen, z.B. ein LED-Panel. Auf diese Weise kann die Funktionsschicht an mehreren Stellen gleichzeitig durchleuch- tet werden. So können beispielsweise korrespondierend zu jeder einzelnen LED eines LED-Panels verschiedene Antikörper in die Funktionsschicht eingebracht sein.
Als erfindungsgemäßer Lichtempfänger ist beispielsweise auch ein CCD- oder ein CMOS-Chip möglich. Hier sind beispielsweise Chips verwendbar, die typischerweise in Digitalkameras einge- baut werden. Auf diese Weise sind bereits eine Vielzahl ein- zelner Sensoren vorhanden, die zur Messung des einfallenden Lichtes verwendet werden können (entsprechend den einzelnen Pixeln einer Digitalkamera) . In einer bevorzugten Ausführungsform findet die Lichtemission in Form eines LED-Panels und die Lichtmessung durch ein dazu korrespondierendes CCD- oder CMOS-Element statt. Alternativ können in dieser Ausführungsform natürlich auch ein Array von Fotodioden verwendet werden. Auch derartige Arrays von Fotodi- oden sind im Stand der Technik bekannt und benötigen an dieser Stelle keine weitere Erläuterung. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält die Deck- und/oder Trägerschicht halbleitende Elemente, die als Feldeffekttransistoren (FET) wirken. Hierbei handelt es sich um sehr empfindliche Nachweissysteme (sogenannte CHEMFETs) für biochemische Reaktionen, wie z.B. Antikörper-Antigen- reaktionen. Im Unterschied zu einem klassischen Feldeffekt- transistor wird die Metallschicht ersetzt durch eine chemisch sensitive Schicht, in diesem Fall die Funktionsschicht der er- findungsgemäßen Vorrichtung mit dem aufgetragenen Fängermole- kül. Kommt es zu einer Antikörper-Antigenreaktion ändert sich das Potential, welches gemessen werden kann. Eine derartige Ausführungsform der Erfindung ist auch insbesondere geeignet, komplette Zellen bzw. Zellkompartimente zu detektieren. Ent- sprechend können auch IGFET, NIGFET, MISFET, MOSFET, OFET, IS- FET, ENFET, EOSFET, CNTFET oder Floating Gate Transistoren und Varianten der genannten verwendet werden.
Insbesondere für den Nachweis gesamter Zellen bzw. Zellkompar- timente haben sich Verfahren auf der Basis der Durchflusszyto- metrie bewährt. Im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung können gesamte Zellen beispielsweise durch Lichtstreumethoden, wie oben bereits erwähnt, nachgewiesen werden. Durch unter- schiedliche Lichtstreumethoden, wie beispielsweise „forward- scatter" oder „side-scatter" können unterschiedliche Zellgrö- ßen und -formen unterschieden werden. Auch Fluoreszenzmessun- gen sind möglich.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung werden die in die Deck- und/oder Trägerschicht drucktechnisch aufgetragenen Sen- soren als amperometrische Messsonden, insbesondere zu Glukose- tests, Sauerstoff-sensitiven Tests und Oxidase-Tests verwen- det. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die in die Funktions- und/oder Deckschicht eingearbeiteten Sensorelemente als potentiometrische Biosensoren verwendet, beispielsweise als pH-sensitive Elektroden, als Ammoniak- sensitive Elektroden, als C02-sensitive Elektroden.
In einer anderen optischen Ausführungsform der Erfindung weist die Funktionsschicht an mindestens einer Stelle einen Antikör- per für den ausgewählten Analyten auf, während die Flüssigkeit einen zweiten Antikörper enthält, der zur Reaktion mit dem Analyten führt. Der zweite Antikörper ist dabei mit einem Farbstoff gekoppelt. An der ausgewählten Stelle der Funktions- Schicht erfolgt somit eine Agglutination des Analyten mit ei- ner ergänzenden Kopplung an den Farbstoff tragenden zweiten Antikörper. Die Reaktion mit dem zweiten Antikörper kann stattfinden, bevor der Analyt die entsprechende Stelle der Funktionsschicht passiert. Die Reaktion ist aber alternativ auch möglich, nachdem die erste Agglutinationsreaktion bereits stattgefunden hat. In jedem Fall ist darauf zu achten, dass die beiden Antikörper keine Kreuzreaktion ausbilden. Die Be- stimmung und quantitative Messung des gebildeten Konstruktes erfolgt dann in üblicher Weise über optische Methoden.
Der in der Flüssigkeit befindliche zweite Antikörper kann bei- spielsweise an der oder in der Nähe der Auftragestelle der Funktionsschicht in löslicher, nicht- fixierter Form vorhanden sein. Eine Auftragung der flüssigen Probe bewirkt eine Lösung des zweiten Antikörpers (oder eine entsprechende Kolloidbil- dung) , der sich dann Kapillarkräften gehorchend durch die Funktionsschicht bewegt und an der Stelle des fixierten ersten Antikörpers mit diesem reagiert und präzipitiert bzw. aggluti- niert . Alternativ kann der zweite Antikörper auch der Probe zugesetzt und dann als gemeinsame Lösung auf die Funktions- schicht aufgetragen werden. Bevorzugt ist der zweite Antikör- per an Nanopartikel gebunden, z.B. Silber-, Gold- Eisen-, La- tex- oder Kunststoffnanopartikel . In diesem Fall werden insbe- sondere Kolloide gebildet. Die hier geschilderten Ausführungs- formen werden auch für andere Detektionsmethoden (z.B.
elektrisch, elektrochemisch, magnetisch) analog angewendet. Zur besseren Detektion sind Metallnanopartikel bevorzugt stäb- chenförmig ausgebildet. In besonderen Ausführungsformen der Verbindung kann vor der Detektion durch die Sensorelemente noch ein Partikelwachstum angeregt werden, z.B. ein Wachstum von Silberpartikeln durch Umsetzung mit Silbernitrat in Gegen- wart von Chlorid- oder Bromid- Ionen.
In einer weiteren optischen Ausführungsform der Erfindung kann die Vorrichtung nach Art eines AlphaLIS-Assaysaufgebaut sein, bei dem ein Analyt durch zwei verschiedene Antikörper gebunden wird. Beide Antikörper sind so beschichtet, dass die Einstrah- lung eines Laserstrahls (beispielsweise von 680 nm Wellenlän- ge) zu einer Emission von Singuletsauerstoff führt, der den unmittelbar benachbarten zweiten Antikörper zu einer Lichte- mission bei einer anderen Wellenlänge (z.B. 615 nm) anregt, welche wiederum nachweisbar ist. In einer bevorzugten Weiter- entwicklung dieser Ausführungsform erfolgt die Anregung durch den Laserstrahl im Bereich des sichtbaren Lichtes, während die Lichtemission im Infrarotbereich, bevorzugt im Nah-Infrarot- bereich erfolgt. Hierzu verwendbare Farbstoffe sind z.B. Cya- ninfarbstoffe (CY7, CY.l oder CY7.5). Die Emission im Bereich des Nah-Infrarotbereiches erleichtert die Messung der Lichte- mission. In dieser Ausführungsform empfiehlt sich die zusätz- liche Anordnung einer Filterschicht vor den Sensorelementen, um den störenden Einfall sichtbaren Lichtes auf das Sensorele- ment zu verhindern.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Funk- tionsschicht durch Kohlenstoff -Nanonetze gebildet.
Kohlenstoffhaltige Nanonetze können auch ergänzt und/oder er- setzt werden durch Nanotubes und/oder andere offenporöse Werk- stoffe, Membrane oder Fließe, wie sie beispielsweise von Un- ternehmen wie Milliporre, Pall, General Electric, Satorius usw. hergestellt werden, wobei die Flüssigphase entsprechende Fängermoleküle enthalten muss .
In speziellen Ausführungsformen der Erfindung ist es auch mög- lich Licht durch Glasfasern an die Funktionsschicht heranzu- führen. Beispielsweise kann Licht aus Laserdioden (z.B. blaues Licht bei 405nm) durch entsprechende Glasfasern zugeführt wer- den.
Zur Detektion der elektromagnetischen Wellen können auch Mul- ti-Mode Readers verwendet werden. Derartige hybride Lesegeräte können ein oder mehrere Detektionsarten realisieren, z. B.
Fluoreszenz, UV-VIS Absorption, Lumineszenz, Fluoreszenzpola- risation und ähnliche.
Zur Detektion der elektromagnetischen Signale ist auch FT-NIR Analyse vorteilhaft. Auch Raman-Spektroskopie kann erfinde- risch angewandt werden, beispielsweise in Form der Surface En- hanced Raman Spectroscopy (SERS) .
Erfindungsgemäß können als Fotozellen auch Solarzellen verwen- det werden, welche auf dem Werkstoff Kupfer-Indium-Gallium- Diselenid (CIGS) basieren.
Auch Materialien basierend auf Indium Aluminium Gallium Nitrid (InAlGaN) , welche im UV-Bereich imitieren können erfindungsge- mäße verwendet werden. Hier werden beispielsweise Wellenlängen zwischen 400 und 305 nm erzeugt. In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung kann die Funktionsschicht kreisrund angeordnet sein, wobei die Fänger- moleküle auf konzentrischen Kreisen sitzen (s. Figur 6) . Der- artige Ausführungsformen können nach Art eines CD-Players aus- gelesen werden, bei der die Funktionsschicht rotiert und durch einen Laser und einen entsprechend angeordneten Sensor die Oberfläche der Funktionsschicht abgelesen wird. Entsprechende Technologien sind aus der Herstellung von CD-Playern bekannt, so dass an dieser Stelle weitere Erläuterungen entbehrlich sind.
Bei Ausführungsformen, die auf dem Prinzip der Fluoreszenzmes- sung basieren sind lanthanoidhaltige Partikel bzw. Antikörper, die mit lanthanoidhaltigen Chelatliganden gekoppelt sind, be- sonders vorteilhaft. Derartige Verbindungen können beispiels- weise auf der Basis von Europium, Terbium, Samarium oder Dys- prosium eingesetzt werden. Bei diesen Verbindungen kommt es zu einer sogenannten Stokes -Verschiebung, d. h. ein Abstand zwi- sehen Absorptions- und Emissionsmaximum welches Störeinflüsse bei der Messung vermeidet.
Der Nachweis des Analyten kann prinzipiell auch mittels magne- tischer Methoden erfolgen. So können beispielsweise prinzipi- eil bekannte magnetische Proteine an einen Analyten gekoppelt werden und durch Magnettechniken) z . B . mittels SQUIDS) nachge- wiesen werden. Alternativ kann der magnetisch markierte Analyt auch durch entsprechend angelegte (homogene) Magnetfelder in einer bestimmten Position gehalten werden. Entsprechende Mag- nete können auch durch Drucktechniken in die Träger- und/oder die Deckschicht eingebracht werden, beispielsweise auf der Ba- sis von Neodym. Erfindungsgemäß können auch magnetoresistive Spannungssensoren (magneto resistive current sensor) verwendet werden.
In Ausführungsformen, bei denen die Funktionsschicht kreisrund angeordnet ist, kann die Ablesung der Magnetpartikel der Funk- tionsschicht auch durch eine Anordnung erfolgen, wie sie aus Festplatten- bzw., CD-ROM-Laufwerken bekannt sind: Ein ent- sprechend kleiner Sensor wird über eine rotierende Platte ge- leitet, wobei die Platte magnetische Partikel enthält. In die- sem Fall ist die rotierende Platte als Funktionsschicht ausge- bildet und die mittels der Fängermoleküle gefangenen Magnet- Partikel werden mittels des Magnetsensors ausgelesen.
Hierfür besonders geeignet sind Partikel wie sie von Graham beschrieben werden (magnetoresistive-based biosensores and bi- ochips (Trends in Biotechnology Vol. 22, no. 9, September 2004, Page 455 ff . ) ) .
In jedem Fall müssen die in die Deck- und/oder Trägerschicht eingearbeiteten Sensorelemente eine elektrische Ableitung er- halten, damit die entsprechenden Messwerte auch einer Messvor- richtung zugeführt werden können. Derartige Ableitungen sind aus der Herstellung verschiedenster Bauteile prinzipiell be- kannt, beispielsweise aus der Herstellung von Touchscreen- displays. In bevorzugter Weise werden die Ableitungen, eben- falls drucktechnisch in die Träger- und/oder Deckschicht ein- gebracht. Die Messwerte können dann in entsprechende analoge und/oder digitale Messgeräte zugeführt werden. In einer bevor- zugten Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Vorrichtung er- folgt auch die Auswertung der Messsignale auf einem Mikrochip, der seinerseits durch Drucktechnik auf oder in die Schicht eingebracht wurde.
Die elektronische Ableitung der Messsignale kann auch nach Analog-Digitalumwandlung in einem PC, einem Tablet bzw. ande- ren Head Held Computer oder einem Smartphone erfolgen. Hierzu ist ggf. eine USB- und/oder Bluetooth-Schnittstelle nötig. Die Übertragung der Messwerte kann auch mittels anderer berüh- rungsloser Techniken (z. B. RFID-Technologie) erfolgen. Die zur Auswertung der Messdaten nötigen Methoden der Statistik, der Stochastik unter Verwendung der Linie an Algebra mittels Merkmallektoren, Mustererkennungen und entsprechende Algorith- men hierzu sind prinzipiell bekannt. Farbliche Veränderungen der Funktionsschicht können auch über die Digitalkamera eines Smartphones oder eines anderen mobilen Devices erfasst und ausgewertet werden.
In fortgeschrittenen Ausführungsformen der Erfindung können beispielsweise an mehreren Punkten der Funktionsschicht unter- schiedliche Fängermoleküle vorhanden sein, so dass unter- schiedlichste Analyten aus einer Probe bestimmt werden können. Die Sensorelemente aus der Träger- und ggf. der Deckschicht müssen hinsichtlich ihrer Position und der Art der Sensorele- mente an die jeweiligen Analyten angepasst werden. In einer weiteren fortgeschrittenen Ausführungsform der Erfindung kann die Funktionsschicht auch nacheinander von verschiedenen Sei- ten mit verschiedenen Lösungsmitteln durchströmt werden. Ein derartiger Lösemittelverlauf entspricht den Techniken, wie sie aus der 2D-Chromatografie prinzipiell bekannt sind. Hierdurch kann eine flächige Verteilung verschiedener Analyten erzielt werden, welche dann durch die in Träger- und ggf. Deckschicht enthaltenden Sensorelemente nachgewiesen werden können.
Hierzu kann die Probe auch in der Mitte der Funktionsschicht aufgetragen werden, so dass der Flüssigkeitsverlauf in radia- ler Richtung um den zentralen Punkt herum verläuft. Wie ein- gangs bereits erläutert kann der Flüssigkeitsverlauf in radia- ler Richtung dadurch beeinflusst werden, dass die Funktions- schicht in Rotation versetzt wird. Die auftretenden Zentrifu- galkräfte treiben dann die Flüssigkeit nach außen. Es versteht sich für den Fachmann von selbst, dass für eine derartige Aus- führungsform eine runde Ausführungsform der Funktionsschicht bevorzugt ist. Die entsprechenden Fängermoleküle können hier- bei in einem oder mehreren konzentrischen Kreisen in die Funk- tionsschicht eingebracht sein (siehe Figuren) .
In jedem Fall ist darauf zu achten, dass die Deckschicht nicht die komplette Funktionsschicht abdeckt. Vielmehr muss die Funktionsschicht an mindestens einer Stelle frei sein, so dass die Probe aufgetragen werden kann. Hierzu ist es beispielswei- se möglich, dass die Deckschicht nur einen Teil der Funktions- schicht überdeckt und in dem verbleibenden freien Teil der Funktionsschicht die Probe aufgetragen wird. Alternativ ist es möglich, dass die Deckschicht an ein oder mehreren Stellen Öffnungen aufweist, die der Probenauftragung dienen. Nur in Extremfällen wird es möglich sein, dass die Benetzung der Funktionsschicht allein durch die Kanten der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt, wobei sich die Flüssigkeit lediglich durch Kapillarkräfte ausgehend von der Kante der Funktions- schicht durch die gesamte Schicht „hindurchzieht".
In einer weiteren fortgeschrittenen Ausführungsform der Erfin- dung kann der Analyt bzw. die Analyten auch durch Anlegung ei- ner elektrischen Spannung durch die Funktionsschicht bewegt werden, wie beispielsweise nach dem Vorbild der Gelelektropho- rese . In einer speziellen Form des Analysenverfahrens mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der gebildete Fängermole- kül-Analytkomplex (z. B. ein Antikörper-Antigen-agglutinat o- der -Präzipitat) mechanisch oder physikochemisch entnommen werden. Hierzu kann beispielsweise die Funktionsschicht mecha- nisch abgetragen oder durch entsprechende Lösungsmittel elu- iert werden. Der isolierte Komplex kann dann einer weiteren Analytik, wie z.B. einer Massenspektroskopie zugeführt werden (siehe z.B. Himmelsbach et al . , Nachrichten aus der Chemie, 63, Febr. 2015, S.144-146).
Alternativ ist, nach dem Vorbild des Western-Blots eine Über- tragung des Analyten bzw. des mittels des Analyten gebildeten Komplexes auf eine zweite Schicht, z. B. ein Gel, möglich. Diese Ausführungsform der Erfindung setzt natürlich voraus, dass die Funktionsschicht keine Deckschicht enthält oder dass die Deckschicht in einem vorgelagerten Schritt mechanisch ent- fernt wurde . Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet eine Plattform zur Op- timierung des Kosten- /Nutzen-Verhältnisses in der medizini- schen Diagnostik, der Lebensmittelanalytik, der Forensik und der Grundlagenforschung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt unter anderem die quantitative Bestimmung von in Plasma, Blut oder anderen Kör- perflüssigkeiten vorhandenen Biomarkern (Proteinen, Peptiden, Nukleinsäuren usw.) zur Diagnose von Krebs. Besonders bewährt hat sich die Untersuchung bei Krebsvorstufen, wie sie bei- spielsweise im Fall des Darmkrebses vorkommen. Hierzu können fäkale Biomarker bestimmt werden. Mittels der erfindungsgemä- ßen Vorrichtung sind gleichzeitig mehrere Biomarker messbar, was die Analysequalität stark erhöht. Dabei wurde insbesondere gefunden, dass ein Panel von folgenden Biomarkern, die man so- wohl im Stuhl als auch im Blut oder Plasma mittels der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung bestimmen kann:
• 14-3-3 Proteins • Serotonin
• Insulin like growth factor binding protein 2 (IGFBP2)
• Dickkopf -3 (DKK3)
• Pyruvatkinase Μ2 (PK-M2)
· Gamma Enolase
Die Anwesenheit von einem oder mehreren dieser Biomarker in Blut, Plasma oder Stuhl kann ein Hinweis für Darmkrebs bzw. dessen Vorstufe sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet darüber hinaus eine Plattform zur Analyse größerer Zelleinheiten, beispielsweise von Zellkompartimenten oder anderen Substrukturen der Zelle, von ganzen Zellen oder sogar Suprastrukturen. Auch Dimere, Trimere, Tetramere oder Polymere von Peptiden, Proteinen, An- tikörpern, Kohlehydraten, Lipiden und anderen Biomolekülen können einer vereinfachten Analytik zugeführt werden. Weitere mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und den hier beschriebe- nen Verfahren analysierbare supramolekulare Strukturen umfas- sen Protein-Nükleinsäure-Komplexe , Protein-Lipid-Komplexe ,
Protein-Glycocylphosphatidyl-inositoi-Komplexe, Sialyglycocon- jugate, Ubiquitin-Proteasom-System, CRL1-CSN Superkomplex, usw. , die nach bisherigem Stand der Technik nur extrem aufwän- dig nachweisbar waren. Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, dass Denaturierungen der Analyten durch Chemikalien (wie beispielsweise Detergenzien) weitgehend vermieden werden.
In besonderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Funkt onsschicht an mehreren Stellen Fängermoleküle für ausgewählt Analyten aufweisen. So können beispielsweise 2, 4, 8, 16, 32 64, 128, 256, 512, 1.024 oder 2.048 Stellen mit Fängermolekü len besetzt sein. Bewährt haben sich darüber hinaus Ausfüh- rungsformen mit 384 oder mit 1.536 Stellen. Je nach Anwen- dungszweck können die Fängermoleküle gleich (d. h. für den gleichen Analyten) oder unterschiedlich (z. B. für unter- schiedliche Analyten) ausgestaltet sein. Dabei können die ver- schiedenen Stellen beispielsweise schachbrettartig angeordnet sein, z. B. 32 Messpunkte in einer 8x8 Matrix, so dass ausrei- chend Zwischenräume zwischen den Messpunkten vorhanden sind, dass die Messergebnisse nicht verfälscht werden. Analog ist auch eine Ausführungsform auf einer runden Funktionsschicht denkbar, bei der die Messstellen konzentrisch um den Mittel- punkt angeordnet sind. Eine alternative Ausführungsform be- steht darin, die Fängermoleküle streifenförmig, im 90° Winkel zu Laufrichtung anzuordnen. Entsprechende Ausführungsformen sind in den Figuren 4 - 8 dargestellt. Weitere Aspekte der Erfindung
Grundaufbau :
2 Platten (Folien oder Glas) dazwischen befindet sich eine dünne Funktionsschicht. Auf der Innenseite der Platten befin- den sich Elektroden. Diese Funktionsdünnschicht ist erfin- dungsgemäß als Immunfunktionsschicht gestaltet . Die Immunfunk- tions-dünnschicht stellt eine Plattform zum Zwecke der Bioana- lytik dar.
Der Aufbau dieser Anordnung dient der Untersuchung der Messung der lokalen elektrischen Eigenschaften dieser Funktions- schicht . Die beiden (auf beiden Seiten befindlichen) Elektroden stellen einen elektrischen Plattenkondensator dar. Die Platten des Plattenkondensators können dabei beliebige Formen annehmen, beispielsweise quadratisch, rechteckig, sechseckig oder rund. In einigen Ausführungsformen der Erfin- dung haben sich kammartig geformte Platten bewährt. Dabei kön- nen an einem oder mehreren Kanten eines Rechteckes kammartig angeordnete Flächenerweiterungen realisiert sein (Figur 15) . Verschiedene derartige Elektroden lassen sich miteinander ver- schränken, um die Fläche besonders gut auszunutzen und um mög- lichst geringe Elektrodenabstände zu realisieren (Figur 15, unten) . Es versteht sich von selbst, dass derartige „ver- schränkte Elektrodenkämme" in nur einer Schicht (z.B. der Deck- oder der Trägerschicht realisiert sein können. Alterna- tiv können derartige „verschränkte Elektrodenkämme" in nur beiden Schichten (der Deck- und der Trägerschicht) einander gegenüberliegend realisiert sein.
Diese beiden Platten lassen sich bevorzugt durch Halblei- terelemente (Fotowiderstände, Fotodioden, Transistoren, Feld- effekttransistoren usw.), ersetzen. Die Anordnung und diese bevorzugten Halbleiterbauelemente dienen der Vermessung/ Un- tersuchung der optischen, biophysikalischen, biochemischen Ei- genschaften der in der Immunfunktionsschicht agglutinierten und damit lokal konzentrierten Analyten (Antigenen) . Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt die durch ausgewählte Fängermoleküle selektionierten und lokal in der Funktions- schicht konzentrierten Analyten (Antigenen) einen Zugang durch verschiedene Analyse- und Untersuchungsmethoden. Die mobilen auf den Nanopartikeln befindlichen Fängermoleküle dienen 1. der Selektion, die stationären Fängermoleküle dienen 2. der lokalen Konzentrierung der Analyten (Antigenen) in der 3D-Struktur der Funktionsschicht und werden somit einer an- schließenden Untersuchung mittels verschiedener physikalischer Methoden zugänglich.
Durchläuft ein Fluid/Suspension die erfindungsgemäße Immun- funktionsdünnschicht , so bewirkt die lokale Anordnung der Fän- germoleküle, „Fallen", in denen sich die Analyten/Antigene ag- glutinieren und somit konzentriert werden.
Durch die erfinderische Anordnung der Fängermoleküle auf der, „fluiden" Phase einerseits und der lokalen Fängermoleküle in der Festphase der Funktionsschicht verankert.
Die sich in der Immunfunktionsschicht gegenüberliegenden
Elektroden stellen einen elektrischen Kondensator dar. Dieser Kondensator lässt sich mittels elektroanalytischer Methoden, welche in der analytischen Chemie verwendet werden, elektrisch auslesen.
Methoden: z.B. Voltametrie, Voltammetrie, Chronoamperometrie , Potentiometrie, Coulometry, Polarographie, Amperometrie, po- tentiometrische Titration, zyklische Voltammetrie, Differenti- al Puls Voltammetrie.
Voltametrie: Der Begriff Voltametrie (englisch: controlled- current Potentiometrie titration) ist eine elektrochemische Analysenmethode. Sie darf nicht mit Voltammetrie verwechselt werden .
Die Voltammetrie ist eine Sammelbezeichnung für verschiedene elektroanalytische Methoden zur qualitativen und quantitativen Analyse einer Probe, mit der man die chemische Zusammensetzung von Stoffgemischen anhand des spannungsabhängigen Stromver- laufs bestimmen kann, sowie zur Aufklärung von Reaktionsmecha- nismen. Nach dem Stand der Messtechnik lassen sich diese elektrischen Eigenschaften ausmessen (z.B. durch spezielle Messmethoden, durch ausgewählte Sensoren, Wirkprinzipien und deren prakti- sehe Umsetzung, auch z.B. durch automatisierte Messsysteme). Die Messung der elektrischen Eigenschaften soll bevorzugt durch sogenannte anwendungsspezifische integrierte Schaltungen erfolgen . Die Messung kann in bestimmten Ausführungsformen kostengünstig und massentauglich erfolgen. Ein sogenannter ASIC (englisch: application specific integrated cireuit) , auch „Custom Chip" ist eine elektronische Schaltung, die als integrierter Schalt- kreis realisiert wurde. Hierfür besonders geeignet, aber auch andere Mikrochips sollen Anwendung finden. Einmal entwickelter ASIC Baustein kann am Markt als anwendungsspezifischer Stan- dardprodukt (ASSP) Anwendung finden. Z.B. ist die Firma Elmos ein Unternehmen unter vielen, welches sich mit sogenannten Verstärker ASIC auskennt. Die entsprechenden Auswertealgorith- men könnten z.B. von der Firma Siemens übernommen werden.
Die z.B. Dispensierung der Antikörperlösungen in die XYZ- Dimension der Funktionsschicht könnte z.B. durch Geräte der Firma M2 -Automation erfolgen.
Im Falle von Sensoren sind sehr viele verschiedene Sensor- schaltkreise aus dem Stand der Technik bekannt. Z.B. CU- Wandler-ASIC usw.
Dienstleister für ASIC-Design für Entwicklung/Fertigung der Messtechnik für Sensorik und der kundengerechten individuellen Komplettlösungsanbietern sind bekannt, Z.B. die Firma GEMAC - Gesellschaft für Mikroelektronik Anwendung Chemnitz mbH. Bei Verwendung von Mikrosensoren sollen alle nach dem Stand der Technik verfügbaren optimierten Mikrosensortechnologien und sogenannte MEMS-Sensor-Generations der 1., 2., 3. und 4. Generation zur Anwendung verwendet werden.
Es soll Nano-Elektronics nach dem Stand der Technik verwendet werden. Unter Nano-Elektronics versteht man use of Nano Tech- nology on Electronic Components, including transistors so small that interatomic, interactions and quantum mechanical properties need can be studied.
Weiterhin soll Nano-Photonics zur Anwendung kommen. D.h. , the behavior of light on the nanometer scale. Die Erfindung nutzt die speziellen Eigenschaften der Immunfunktionsschicht . Diese basiert auf Nano-Mechanics . Unter Nano-Mechanics versteht man einen Bereich der Nano-Science, welche die elastischen, ther- mischen und kinetischen Eigenschaften eines physikalischen Systems auf Nanometer-Skala untersucht. Erfindungsgemäß ist die Anwendung von „Nanomaterials" , Fulle- renes and Carbon forms Nanoparticle and Kolloid.
Die Erfindung dient u.a. dem Studium auf Nanomaterialien . Das bedeutet: Field web studies materials with morphological features on the nanoscale, especially those that have special properties stemming from their nanoscale dimensions.
In der Erfindung sollen Nanopartikel und deren Kolloide zur Anwendung kommen. Kolloidales Gold, Nanocomposites , Nanofiber Nanobots, Nanobeads, Nanomesh, tubequantumdots usw.. Das Device bzw. die Immunfunktionsschicht dient dem Studium und der Vermessung von z.B. DNA-Proteine, DNA-RNA, DNA- Protein-Lipid, DNA- Protein-Zucker . In der besonderen Ausführungsform des devices kann ein soge- nannter Quantum-Point-Kontakt zum Tragen kommen.
Die Immunfunktionsschicht lässt sich später durch bestimmte Techniken wie z.B. Mikroskopie und besondere Techniken, Atomic Force Microscopy, Scanning panelmicroscopy, Scanning probe microscopy usw. untersuchen.
Das erfindungsgemäße Device dient der Analysenmesstechnik und als Werkzeug zur Charakterisierung biologischer Materialien, z.B. mittels Breitband mit elektrischer Impedanzspektrosko- pie(EIS), z.B. im Frequenzbereich von einigen Megahertz bis zu 100 Gigahertz. Die Messung der Bioimpedanz ist bei genauer Kenntnis der Sensor- und Messgeräteeigenschaften ein leis- tungsstarkes Werkzeug zur schnellen und minimal- bzw. nicht- invasiven Charakterisierung biologischer Objekte verwendbar. Die Auswahl des Frequenzbereiches, der Zeitauflösung (Messge- schwindigkeit) und der Elektrodenanordnungen ist bestimmend für die Interpretierbarkeit der gemessenen Eigenschaften. Die Kompetenz des Fachmannes liegt dabei in der Wahl, Anpassung und Charakterisierung der technischen Messumgebung (Hard- und Software) an die zu lösende biologisch-medizinische Messaufga- be in den unterschiedlichen Anwendungsgebieten.
Zu untersuchende biologische Objekte sind
- Gewebeextrakt
- Zellextrakt
- Extrakte von einzelnen Zellen
- Adhärente und suspendierte Zellen - Zellpopulation
- Biomoleküle usw.
Viele der Untersuchungen, Strukturanalysen, Biomorphose, Wech- selwirkung von biologischen Objekten, molekularbiologischen Objekten mit verschiedenen physikochemischen Strukturen.
Zur Anwendung können Makro- und Mikroelektroden mit den ver- schiedensten Geometrien verwendet werden.
Nach dem Stand der Technik lassen sich heute Elektroden > und bis zu 100 μm herstellen.
Mittels etablierter Thiol- Funktionalisierung und der Immobili - sierung von geeigneten Rezeptoren werden amperometrisehe und impedimetrische Biosensoren verwendet. Die Elektrodenherstel- lung kann mittels Galvanisierung auf verschiedenen Substraten erfolgen. Nach dem Stand der Technik lassen sich kommerziell erhältliche Impedanz -Messsysteme , die beispielsweise auf die Belange der Nachrichtentechnik oder der Materialwissenschaft abgestimmt sind, nicht zur Messung der elektrochemischen Eigenschaften von Biomaterialien verwenden.
Zur elektrischen Auslesung der Immunfunktionsschicht können bevorzugt anstelle der Kondensatorelektroden sogenannte Dünn- schichttransistoren ( thin-film- transistor TFT) verwendet wer- den, die sich einzeln ansteuern lassen. Diese Dünnschichttran- sistoren TFT lassen sich bevorzugt bei der Herstellung der Im- munfunktionsschicht in die Funktionsschicht , "einbetten" , in dem man den Casting- Prozess, sprich denHerstellprozess der Funktionsschicht, z.B. Nitrocellulose oder Polyacetat, direkt auf einer Dünnschichtfolie ausführt, in der z.B. diese TFT eingelassen sind.
Da sich das elektronische Bauelement TFT auf der einen Seite und das TFT auf der anderen Seite der Funktionsschicht befin- det, stellt diese Anordnung eine Kavität in der Funktions- schicht (Kondensator) dar. Da bei dieser Anordnung jede Kavi- tät zwei aktive Bauelemente (Elektroden) enthält und ein Fluid sich durch Kapillarkräfte durch diese Schicht bewegt, kann diese Immunfunktionsschicht auch als Aktivmatrix bezeichnet werden. Ersetzt man die o.g. elektrischen Bauelemente TFT durch optische Bauelemente, so können die Kavitäten optisch vermessen und untersucht werden. Aufgrund der Tatsache, dass mit Hilfe des Kondensators
(Elektroden oder mit Hilfe der beiden gegenüberliegenden TFT) größere Ladungen über einen längeren Zeitraum, "gespeichert" und vermessen, ausgelesen werden kann, steigt die mittlere La- dungsdichte einer jeden Kavität und damit der Kontrast beim elektrischen und/oder optischen, "Auslösens" der Funktions- schicht .
Die Anordnung und die elektrische Ableitung d.h. „Leiterbahnen" der Sensoren ist in Anleitung an das Vorbild in der Natur siehe Retina, Rezeptoranordnung der Riechschleimhaut bevorzugt gestaltet .
Diese sogenannte laterale Hemmung entsteht durch die Ver- schaltung von Fotorezeptor auf die Bipolarzelle und dient Kontraststeigerung im rezeptiven Feldzentrum. In der Exzitationsschicht sollen bevorzugt LEDs bzw. eine LED- Panele erfindungsgemäß verbaut werden. Die Funktionsschicht enthält Mikrokavitäten, in der eine Agglutination erfolgt. Die mit z.B. Fluoreszenzfarbstoffen versehenen gefärbten kol- loidalen Goldpartikel lassen sich im „Agglutinations-Klumpen", z.B. durch elektromagnetische Wellen, die der Exitation die- nen, von den Fotodioden zur Emission von Strahlung anregen. Die elektromagnetische Strahlung bei der Emission soll erfin- dungsgemäß durch z.B. elektronischen lichtempfindlichen Halb- leiterbauelementen („Rezeptoren") durch z.B. Fotowiderstände, Fotodioden, Fotomultiplierdioden usw. In diesen elektrischen Bauelementen bewirkt die elektrische Strahlung einen „elektrischen Stromfluss", der mit entspre- chender nach dem Stand der Technik bekannter Messtechnik ver- stärkt und gemessen werden kann. Diese Emissionsstrahlung wird von der darunterliegenden Detek- tionsschicht (Sensorschicht) , in denen sich Sensoren unter- schiedlicher Art befinden, detektiert. In der Detektions- schicht, Sensorschicht sollen bevorzugt Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gel IGFET oder mit nicht isoliertem Gel NIGFET patentgemäß zur Anwendung kommen.
Folgende Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gel Gate sollen erfindungsgemäß abgedeckt sein: Erfindungsgemäße Funktionsschicht besteht aus einem offenpori- gen Material mit Porengrößen von 0,1 μm bis 8 μη und mit
MolecularWeight Cut Offs von 300.000 bis 1.000 Dalton. Die Funktionsmembran dient z.B. der Partikelanalyse, d.h. der Analyse der Clots, die durch die Agglutinationsreaktion ent- standen sind. Die Funktionsschicht lässt sich wie dargestellt elektrisch bzw. optisch untersuchen und ausmessen.
Eine ganze Reihe von spektroskopischen als auch mikroskopi- schen Techniken sind denkbar, z.B. Epifluoreszenz -Mikroskopie .
Die erfindungsgemäße Funktionsmembran kann aus Nitrocellulose, Polyacetat, Celluloseacetat, Cellulosenitrat , Cellulosetri- acetat, Hydrocellulose, Nylon, Polycarbonat , Polyester, Po- lyethersulfon, Polytetrafluorethylen oder aus regenerierter Cellulose z.B. bestehen, mit Porengrößen von 0,1, 0,2, 0,4, 0,45, 0,65, 0,8, 1,2, 3 μm, 5 μm, 8 μm mit Molekulargewicht cut-offs von 30.000, 50.000, 100.000, 1000 Dalton, 5000 Dal- ton, 10.000 Dalton, 20.000 Dalton, 30.000 Dalton. Die Funktionsmembran kann auch aus Glasfasermembranen beste- hen, vorzugsweise partiell durch entsprechende Silanchemie verändert, so dass kovalent Proteine, z.B. mittels Succinimid kovalent an die 3D- Struktur der Glasfasermembran angekoppelt werden können. Eine alternative Ausführungsform besteht in der Verwendung von Graphen als Funktionsschicht.
Erfindungsgemäß können auch Glas-/Mikrofaser , die mit synthe- tischen Bindern hergestellt wurden und der Festigkeit der Membran dienen, verwendet werden. Die Funktionsmembran ist me- chanisch und chemisch stabil und entweder hydrophob oder hyd- rophil. Bevorzugt sind hydrophile Membranen. Erfindungsgemäß sind auch Papiere als Funktionsmembran denk- bar, insbesondere Seidenpapier. Blottingpapiere , Chromatogra- phiepapiere, Filterkarton, Glas-Mikrofaserfilter, Keimtestpa- pier, Kieselgurfilterpapier, Linienreinigungspapier, Oberflä- chenschutzpapier, Pergament Wägepapier, Phasentrennpapier usw.
Die erfindungsgemäße Funktionsschicht besteht vorzugsweise aus mikroporösem Membranmaterial. Beim Sephadex handelt es sich um polymere Zucker, die dreidimensional vernetzt sind. Das Mate- rial hat verschiedene Porosität, zwischen 20 und 30 μm. Poren- größe z.B. Sephadex G200, 1000 bis 200.000 Molecular- Weight . Hersteller hierfür sind Sartorius, aber auch GE (Gene- ral Electric) , Health Care Life Sciences mit unterschiedlichen Brands, Emerson, Sephacryl, Sephadex usw.
Eine besondere Ausführungsform ist die Verwendung einer flä- chigen Form von „Capto", ein Material zur Reinigung von großen Biomolekülen. In der Funktionsschicht können unterschiedliche Moleküle durch Agglutination in den Mikrokavitäten der Funktionsschicht mit- tels z.B. Antikörper und/oder Lektinen oder anderen Fänger- strukturenzum „Aus klumpen" gebracht werden. Das agglutinierte Material kann z.B. aus Proteinen, Nuclein- säuren, DNA, RNA, siRNA, Mikro-RNA, iRNA, sRNA, shRNA, qPCR, cDNA, Lipiden und Kohlehydraten und deren Aggregate in supra- molekularer Architektur, die bisher der Analytik nichtodr nur schwer zugänglich war, bestehen.
Auch ist die Agglutination verschiedener Zelltypen, Organel- len, Mikroorganismen und subzelluläre Strukturen möglich. Die Funktionsschicht kann aus unterschiedlichem porösem Mate- rial bestehen, welches für die Chromatographie verwendet wird, z.B. Superdex, Superose (gecrosslinked mit Agarose) Materialien der Firmen Whatman, Merck/Millipore, Satorius, Pall und anderen Firmen, die für Lateral Flow und Flow through und Immunoassays verwendet werden, z.B. absorbent Pads, bloodseparator, glassfibre, blood, components for dip- sticks, membranes for immunoassay, conjugaterelease, glassfib- re pads with different absorption propertieskonnen erfindungs- gemäß zur Anwendung kommen.
Eine besondere erfinderische Ausführungsform ist die Verwen- dung von PCR, im Besonderen Real -Time-PCR-Verfahren.
Erfindungsgemäß ist auch die Verwendung von super-paramagnet- ischen Nanopartikeln, deren Oberfläche mit bio-affinen Ligan- den funktionalisiert ist.
Eine besondere erfinderische Ausführungsform ist die Verwen- dung eines Magnet-Detektors. Dies führt zur Entwicklung eines mobilen Messgerätes, das für schnelle, hoch sensitive Auswer- tung von magnet->marker-basierten Multiplex-Assays geeignet ist .
Verschiedene Detektionsmethoden wie Magneto-Resistive (GMR, AMR, TMR) und permitive Sensoren können an das Testformat und an die Umgebungsbedingung angepasst sein. Auch könnten so ge- nannte Maxwell-«Brücken und/oder Resonanz -Spulen erfindungsge- mäß zur Anwendung kommen.
Eine besondere Ausführungsform ist die Bereitstellung einer Array-iAnordnung der elektronischen Bauelemente in der Funkti- onsschicht . Die Array-Anordnung der einzelnen Sensoren in der Sender- als auch Empfängerschicht sollen gemäß der Anordnung von Riechzel- len im Riechepithel von Säugern angeordnet sein.
Die Sensoren der Array- Schicht und deren elektrische Signale werden elektronisch als Muster erfasst, d.h. die Aktivitäten bzw. die Signale der einzelnen Sensorzellen werden mittels ei- nes Algorithmus verglichen, so dass ein Aktivitätsmuster ent- steht, das für die Anwesenheit vieler gleichzeitig vorhandener Analyten typisch ist. Eine ähnliche Anordnung der Sensorzellen findet man auch in der Retina. Auch das Prinzip „Verkabelung" der einzelnen Sensorzellen, sowohl im Riechsystem als auch im optischen System der Retina (siehe Bionik) .
Um die räumliche Nähe der Fängerstrukturen mit den Sensoren zu optimieren, werden in einer besonderen Ausführungsform z.B. die Antikörper in einem besonderen Herstellungsschritt, z.B. durch Nanodispensierung direkt auf z.B. „Basisbereich" eines organischen Feldeffekttransistors aufgebracht, bevor der Kon- takt mit der offenporigen Funktionsschicht hergestellt wird. Absorptive, bzw. kovalente Bindung der Fängermoleküle an die besonders gestaltete „Basis" des Transistors sind hierbei op- timal anzustreben. Das Material, welches an der Basis des Transistors verwendet wird, kann z.B. Graphen (?) oder andere Materialstoffe sein.
Auch können bekannte z.B. Streptavidin - Biotin - Protein A zur Anwendung genutzt werden.
Auch das Aufbringen von Graphen, Kohlenstoff, Proteine z.B. Protein-iA, Biotin, kann in der Gasphase nach dem Stand der Technik erfolgen und ist anzustreben. Prinzip der Transducer-Anordnung in der 3D-Struktur oder Funk- tionsschicht
Prinzipieller Aufbau und Ansprüche: Die Exitation der Immunfunktionsschicht erfolgt mittels elekt- romagnetischer Wellen unter Verwendung von LEDs, vorzugsweise auf Folien bedruckte LEDs.
Die Strahlung dringt in die 3D-Struktur der Funktionsschicht ein und regt dort in den Mikrokavitäten agglutinierte Parti- kel, Nanopartikel, Kolloide, die mit Fängermolekülen versehen sind und/oder bevorzugt mit Farbstoffen markiert sind, zur Emission von elektrisch-magnetischer Strahlung an. Die emitt- ierte Strahlung wird von einem Sensor, der als Transducer funktioniert, in elektrische Signale überführt.
Die Signale werden mittels moderner auf mikro- bzw. nanoba- sierter Messtechnik und mittels Apps in einem Smartphone, Tab- let, PC, weiche als Computer und als Display fungieren, ausge- wertet und die entsprechenden Messwerte oder das „Ergebnis" optisch auf dem Display dargestellt.
Die Exitationsschicht (Sensorschicht) enthält vorzugsweise Flachbett-LEDs, die vorzugsweise auf mit Kleber versehenen Fo- lien aufgebracht wurden und durch z.B. Laminierung bei der Herstellung mit der Funktionsschicht verbunden werden.
Die Detektionsschicht (Sensor-Schicht) enthält bevorzug auf Klebefolie gedruckte z. B. Flachbett-Fotowiderstände oder Flachbett-Feldeffekttransistoren (organische Feldeffekttran- sistoren) .
Die Flachbett-LEDs können auch als Dünnschicht -Panele ausge- führt sein. Die Detektionsschicht kann auch als Dünnschicht- Rezeptorschicht-Panele ausgeführt sein.
Das erfindungsgemäße Device dient der Bioanalytik und der Di- agnostik .
Die Funktionsschicht kann beispielsweise als Einmal -Artikel Verwendung finden.
Eine Ausführungsform der Funktionsschicht kann verschiedene Laufstrecken ausweisen. Dieses wird erfindungsgemäß erreicht durch z. Bd. das Auftragen von flüssigem Wachs. Hierdurch wer- den einzelne, getrennte Laufstrecken in der Immunfunktions- schicht erzeugt. Diese Laufstrecken sind elektrisch, mecha- nisch und optisch voneinander getrennt.
Ein Anspruch der Funktionsschicht ist:
Diese multiple Funktionsschicht soll derartig gestaltet sein, dass z.B. verschiedene flüssige Proben mittels z.B. einer Mehrkanalpipette gleichzeitig an der Startlinie (päd) aufge- tragen werden können.
Diese multiple Funktionsschicht kann auch erfindungsgemäß in einem Laborautomaten „gleichzeitig" abgearbeitet und vermessen werden .
Als elektronische Bauelemente sollten vorzugsweise Dünn- schicht-LEDs (gedruckt) vorzugsweise Dünnschicht- Feldeffekttransistoren in der Exitationsschicht bzw. Detekti- onsschicht zur Anwendung kommen.
Sonstiges
Die vorliegende Erfindung kann auch mittels eines TLC-MS- Interface an ein Massenspektrometer gekoppelt werden. Damit lassen sich die in der Funktionsschicht immunpräzipitierten supramolekularen Strukturen mittels Flüssigkeit extrahieren und eluieren und zur weiteren Charakterisierung direkt oder nach LC in die Ionenquelle eines Massenspektrometers infundie- ren. Der Einsatz von MALDI-MS oder HPLC-MS Techniken ist eben- falls möglich.
Weitere mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und den hier be- schriebenen Verfahren analysierbare supramolekulare Strukturen umfassen Protein-Nukleinsäure - Komplexe , Protein-Lipid-
Komplexe, Protein-Glycocylphosphatidylinositol-Komplexe , Sia- lyglycoconjugate, Ubiquitin-Proteasom-System, CRL1-CSN Super- komplex, usw. , welche mittels der erfindungsgemäßen Vorrich- tung besonders schonend untersucht werden können.
SCHEMA 1:
Figure imgf000040_0001
Electromagnetic Wave (Exitation) erzeugt Electromagnetic Wave Transducer = elektronische Bauteile in der Detektionsschicht Electronic Processors sind im Smartphone, Tablet, PC und deren unterschiedlichen Betriebssystemen.
Verschiedene Apps, für die verschiedenen Betriebssysteme, stellen Algorithmen zur Datenverarbeitung bereit.
Smartphone, Tablet, PC dienen zusätzlich als Transmitter und bewirken einen Zugang zur „cloud" , zum Internet.
Herstellungsverfahren
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden prin- zipiell bekannten Techniken aus anderen Technologien herange- zogen, wie beispielsweise die bereits erwähnte Herstellung von Touchscreens . Die Herstellung der erfindungsgemäßen Funktions- schicht erfolgt entweder durch klassische Herstellungsverfah- ren, die aus der Dünnschichtchromatografie bekannt sind („Gie- ßen von DC-Platten") oder auch durch Drucktechniken. Dabei kann das „Gießen" der Funktionsschicht (welche erfindungsgemäß auch als Gel ausgebildet sein kann) auch unmittelbar auf Sen- sorelemente erfolgen kann. Auf einen handelsüblichen CMOS- o- der CCD-Chip, wie er aus Digitalkameras bekannt ist kann un- mittelbar eine Funktionsschicht aufgetragen werden. Entspre- chendes gilt auch für Licht emittierende Elemete, z.B. LEDs oder Halbleiterlaser. Die Funktionsschicht der erfindungsgemä- ßen Vorrichtung kann auch durch 3D-Drucktechniken hergestellt werden, welches heutzutage genauso schnell und verläßlich wie Spritzguss funktioniert. Insbesondere die Aufbringung von An- tikörpern in die Funktionsschicht kann durch Drucktechniken erfolgen. Eine besonders bevorzugte Herstellungsmethode für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist die Laminiertechnik, bei der auf eine Funktionsschicht auf eine oder auf beide Sei- ten eine bzw. zwei Schichten, die bereits die Sensorelemente enthalten, auflaminiert werden, beispielsweise durch Anwendung von moderaten Drücken und/oder Temperaturen.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Drucktechniken zur drucktech- nischen Erzeugung der Sensorelemente sind aus dem Stand der Technik bekannt und bedürfen an dieser Stelle keiner weiteren Erläuterung.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
Eine besondere Anwendungsmöglichkeit der Erfindung besteht im Rahmen der Histologie. Hier werden Gewebeproben feingeweblich untersucht . Zu nennen ist hier insbesondere die Frühdiagnose von Tumoren, der Nachweis von StoffWechselerkrankungen, von parasitären, bakteriellen, entzündlichen Erkrankungen und ähn- liches . Zu den klassischen Untersuchungsmethoden im histodiag- nostischen Labor gehört die Fixierung von Gewebe, das "Einblo- cken" in Paraffin, das Schneiden des Paraffin-Blocks und die mikroskopische Untersuchung der Schicht. Mittels der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung entsprechender Anti- körper, ist es möglich die verschiedenen Zellen und Zellstruk- turen physikochemisch zu binden und sichtbar zu machen. Hierzu kann beispielsweise ein Fluoreszenz-Farbstoff dienen, welcher am Ort eines Proteins, oder einer Zelle bzw. eines Zellkompar- timentes gebunden wird und dessen Nachweis erlaubt. Die Diag- nostik verschiedenster Gewebearten, wie beispielsweise Binde- und Stützgewebe, Fettgewebe, Knochengewebe, Knorpelgewebe, Epithelgewebe, Muskelgewebe und Nervengewebe ist möglich.
Die im Rahmen der Vorrichtung vorhandene Funktionsschicht kann vermessen werden durch Mikrovolumenspektrophotometrie, wie z.B. durch das DeNovix-System von Zeiss. Dieses System ermög- licht eine Messung im Bereich von 190nm bis 840nm und erlaubt eine Vermessung für das 3D-Imaging, die klinische Routine, die korrelative Mikroskopie, das Deep-Tissue-Imaging, Fluoreszenz - Imaging, Image-Handling und Analyse, Life-Cell- Imaging, Spekt- ro-Imaging, ultrastrukturelle Untersuchungen, Röntgenmikrosko- pie beispielsweise für die biomedizinische Technik, die Zell- biologie, die Entwicklungsbiologie, die Neurowissenschaft , die Pathologie, die Pharmakologie und Toxikologie, die Strukturbi- ologie und/oder die Zoologie und Pflanzenwissenschaften. Erfindungswesentlich ist in jedem Fall eine Abstimmung der be- teiligten Agenzien, so dass kein Hook-Effekt auftritt.
Beispiel 1:
Ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Prinzip der Kapazitätsmessung ausgenutzt wird, wird nachfol- gend beschrieben. Die Funktionsschicht ist dabei auf eine Trä- gerschicht aufgebracht und mit einer Deckschicht überdeckt. Sowohl die Trägerschicht, wie auch die Deckschicht enthalten elektrisch leitfähige Sensorelemente, die drucktechnisch auf die Schichten aufgebracht wurden und einander gegenüberstehen. Jeweils zwei einander gegenüberliegende Sensorelemente bilden somit einen Kondensator in Analogie zur Darstellung in der Fi- gur 1. Zwischen einem Plattenpaar befinden sich Antikörper als Fängermoleküle. Die Fängermoleküle sind in der Lage Gold- Mikropartikel zu fangen. Durch die Anreicherung entsprechender Gold-Mikropartikel zwischen den Kondensatorplatten ändert sich die Kapazität des Kondensators, welche mittels der nachfolgend geschilderten Anordnung gemessen werden kann. Das nachfolgende Diagramm zeigt die Vergleichsmessung zweier derartig aufgebau- ter Kondensatoren (Cl und C2) mittels eines Prozessors des Typs Atmega88, der eine Anzeige in Form einer Leuchtdiodenan- zeigezeigt .
Figure imgf000043_0001
Blockschaltbild des Controllers:
Figure imgf000044_0001
Figure imgf000045_0001
Der Taktgenerator an der UART gibt die einheitliche Taktfre- quenz zwischen dem Sender (Controller) und dem Empfänger vor (notwendig bei der externen Datenübertragung) . Im Quellcode muss eine einheitliche Baud-Rate festgelegt werden um die Sys- teme „zu synchronisieren". Der übertragene Datenstrom setzt sich aus einem Start-Bit, den folgenden Datenbits sowie einem Stopbit mit Parity zusammen.
Die Bestimmung der Baudrate kann in Abhängigkeit der Pro- zessortaktfrequenz erfolgen; UBRR_Val ( (F_CPU+BAUD*8) / (BAUD*16) -1) . In der hier beschriebenen Nutzungsvariante wur- de eine Variable im Bereich „unsigned-long" gewählt.
Figure imgf000046_0001
Für die Nutzung der Standard Baud Einstellung mit 8 Datenbits wird zuerst das Baudregister UBRROH mit „leftshift" beschrie- ben. Das „Casten" erfolgt mit „unsignchar" . Durch das Initia- lisieren mit UBRR_VAL (einfaches casten) werden automatisch die oberen acht Bit abgeschnitten.
Figure imgf000047_0001
Um die erforderlichen Ports UCSROB mit RXENO und TXENO als Empfänger und Sender zu aktivieren werden die entsprechenden Register auf „1 " gesetzt. Das Protokoll des UART wird wie folgt eingestellt:;
• Bit O TXB8n: Transmit data Bit 8
• Bit 1 RXB8n: Receive data bit 8
• Bit 2 UCSZn2: Charakter size
• Bit 3 TXENn: Transmitter enable
• Bit 4 RXENn: Receiver enable
• Bit 5 UDRIEn: USART data register emty Interrupt enable
• Bit 6 TXCIEn: TX complete Interrupt enable
• Bit 7 RXCIEn: RX complete Interrupt enable
Figure imgf000047_0002
Figure imgf000048_0001
Figure imgf000049_0001
Bilder5-10 Auszüge aus dem Herstellerdatenblatt für den gege- benen Anwendungsfall
Mit der eben erläuterten Einstellung ist die UART Schnittstel- ler sendefertig. Um eine Kollision von Daten im Sendepuffer zu vermeiden muss dieser auf eine Belegung geprüft werden. Eine Prüfung des UCSROA Registers mit Bezug auf UDRE0 gibt Auf- schluss ob der Puffer leer ist. Ein leerer Register gibt den Zustand „1" aus. In einer Variable wird der zu senden Wert über die Schnittstelle ausgegeben.
Die zu übergebenden Daten werden in einen Array geschrieben. Im gegebenen Fall sollte für einen Port ein String mit ca. 10 Elementen des Typs „char" ausreichen. Der Index beginnt logi- scherweise bei 0 und endet bei 9. Gibt die Kapazitätsmessung beispielsweise 3,94 aus, wird dieser Wert wie folgt angeordnet:
[3] [.] [9] [4] [spc] [u] [F] [CR] [LF]
Zum Zeitpunkt des Messungsbeginns wird eine Variable (hier C- time) =0 initialisiert. Ein Port ( hier PB= wird als Ausgang deklariert und auf einen LOW Pegel geschaltet um die anliegen- de Kapazität zu Beginn des Messzyklus zu entladen.
Nach der Entladezeit (ca.7 min) wird der entsprechende Port von LOW auf HIGH geschaltet und ein interner Pull-Up akti- viert. Ab dem Umschaltzeitpunkt wird der Kondensator so lange geladen bis der Controller (über eine Schleife) einen High- Pegel erkennt. Dieser Pegel ist abhängig von der gesetzten Re- ferenzspannung. Die Referenzspannung liegt momentan bei 3,5 V. Diese Spannung kann jedoch sehr stark von dem gewählten Con- troller sowie der Spannungsversorgung abhängen (Knopfbatte- rie/AA-Batterie/ USB-Anschluss/ Netzteil) . Egal welche Span- nungsversorgung gewählt wird, es wird bis zum Erkennen eines High-Pegels eine gewisse Zeit Verstreichen. Diese Zeit muss in einer do-Schleife gemessen werden und bildet über einen annä- hernd konstanten Ladestrom ein Verhältnis zur Kapazität. Wird eine Lange Ladezeit gemessen, so wird auch die Kapazität sehr groß. Um die gemessene Zeit in eine Kapazität zu überführen muss ein spannungs- und stromabhängiger Faktor ermittelt wer- den. Dieser liegt im bereits bekannten Beispiel bei 0,000622. Dieser ändert sich bei einer anderen Referenzspannung oder ei- ner stark abweichenden Kapazität.
Das System soll in der Lage sein mithilfe einfacher optischer Indikatoren die Kapazität des Kondensators anzuzeigen. Dafür ist im System ein (noch zu bestimmender) Referenzwert hinter- legt. Dieser Referenzwert wird zu dem in der Variable (hier "c") ins Verhältnis gesetzt. Weichen die beiden Werte nur mi- nimal voneinander ab, leuchtet eine grüne LED. Bei größerer Abweichung wird die gelbe bzw. die rote LED bestromt.
Beispiel 2:
Durch Verwendung zweier Antikörper, der eine Antikörper spezifisch bindungsfähig für das Antigen, der zweite Antikörper bindungsfähig für ein besonderes Protein, auf dem Nanopartikel einerseits und ge- bunden an einem Stück DNA
Nach erfolgter Agglutinations-Reaktion in der Funktionsschicht lässt sich das Agglutinat räumlich sehr stark vergrößern, indem man die kurzen an den Antikörpern befindlichen DNA-Stücke durch eine DNA- Polymerase -Reaktion sehr stark verlängert. Die erhaltene DNA-Agglutinations-3D-Struktur ist räumlich so groß (Figur 26), dass sie z.B. die Elektroden (Zähne) der beiden Kämme, die als Elektroden fungieren (siehe Figur 15, unten) , in elektri- schen Kontakt bringen. Sind die beiden kammartigen Elektroden mit- tels der 3D-Struktur überbrückt, bewirkt dieses eine sehr starke Än- derung des elektrischen Widerstandes. Die Änderung des elektrischen Widerstandes lässt sich mittels eines elektronischen Messaufbaus sehr empfindlich messen. Die Widerstandsänderung dient der Quantifi- zierung z.B. des gesuchten Antigen (Analyten) .
Weiterer Stand der Technik
Eine weitere analytische Methode, basierend auf elektrochemi- schen Prozessen wird beschrieben von Nemiroski et al . , PNAS, 111 (2014) 11984-11989. Weiterer Stand der Technik ist bekannt aus den Druckschriften DE 2020130007536 Ul und PCT/US 2004/021187. Ein System zur Bestimmung von Malaria wurde beschrieben von Qmed (www. qmed. com) .
Ein transportables Spektrophotometer für verschiedenen Pro- teinbestimmungen wird beschrieben unter www . colorimetrix . com .
Ein weiteres Smartphone-basiertes Analyseinstrument für colo- rimetrische Tests wird beschrieben von Yetisen et al . , Sensors and Actuators B: chemical, 196 (2014) 158-160.
Weiterer Stand der Technik wird gebildet durch verschiedenste Systeme auf dem Gebiet der Mikrofluidik . Hierbei werden Mikro- kanäle in verschiedensten Materialien, wie beispielsweise Glas, Kunststoffsilizium gebildet und Flüssigkeiten durch die- se Kanäle bewegt. Die Bewegung kann durch entsprechende Mikro- pumpen erfolgen, aber auch durch Anwendung von Zentrifugal- kraft .
Weitere Vorrichtungen aus dem Stand der Technik sind unter dem Begriff "Westentaschenlabor" oder auch " lab-on-a-chip" be- kannt. Hierbei wird unter Verwendung von mikrofluidischen Sys- temen eine Analytik kleinster Stoffmengen auf einem Chip durchgeführt. Die weiteren Systeme werden unter dem Namen Micrux angeboten (www.micruxfluidic . com) .
Eine Übersichtsarbeit über Vorrichtungen, die auf dem Gebiet der Mikrofluidik arbeiten findet sich bei Fiorini, Biotechni- ques 38 (2005) 429-446. Im Rahmen des BMBF-Proj ektes "BeadPlus" wurden verschiedene bioanalytische Verfahren untersucht, beispielsweise auf der Basis beschichteter magnetischer Nanopartikel und GMR- Sensoren. Damit sollten bis zu 32 verschiedene magnetisch ge- kennzeichnete Biomoleküle nachgewiesen werden. Medizinische Anwendungen wurden hierbei nicht realisiert.
Gedruckte Leiterbahnen, Sensoren und Aktuatoren aus Nanomate- rialien sind bekannt aus dem Projekt PRINTS der TU-München
(www.lme.ei.tum.de ) Heinz-Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik, Professor Dr. Bernhard Wolf. Siehe auch
DE.Wikipedia.org/wiki/gedruckte_elektronik. Gedruckte Feldef- fekttransistoren werden u.a. beschrieben von Dimos Poulikakos, ETH Zürich. Verschiedenste leitfähige Druckfarben sind kommer- ziell erhältlich, z. B. von der BASF.
Weiterer Stand der Technik wird gebildet durch die Dokumente WO 2012/007537 AI und WO 2010/040851 A2. Ferner durch WO
2009/040782 A2 und WO 2009/021964 A2.
Weiterhin auch durch WO 2011/053147 AI und WO 2010/090514 AI, WO 2009/040782, WO 2009/021964, WO 2009/090267,
WO 2010/040851 und WO 2002/084276 sowie durch WO 2014/122094, US20130052748A1, GB 2474888A, WO 2002/084276, EP 2352590 Bl, DE69937631 T2 , DE 102008/025680 Alsowie EP 1614725 AI,
WO2013/130995Al,US8354270B2, EP1992951B1, EP1133694B1,
US5401667A, CN101509924B, WO2014027225A1 , WO2013/083686A1 , WO2014/056987A1, WO2008/000461A1 , DE3121523C2, EP1336089B1, US2012/0267240A1.
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Keine der genannten Druckschriften und auch keine Kombination der Druckschriften nimmt die vorliegende Erfindung vorweg ode: legt sie auch nur nahe.
Erläuterung der Figuren gur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Ausführungsform ner erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt:
1 : Auftragestelle für die Probe
(ggf. zur Filterung und chromatographischer
Vortrennung hergerichtet)
2 : Ableitung der Elektrode 1
3 : Elektrode 1
4 : Deckschicht mit drucktechnisch aufgebrachten
Elektroden und Ableitungen
5 : Ableitung der Elektrode 2
6 : Elektrode 2
7 : Ableitung der Elektrode 3
8 : Elektrode 3
9 : Saugfähiges Material (Wiek)
10 Elektrode 3λ
11: Ableitung der Elektrode 3λ
12 Elektrode 2Λ
13 : Ableitung der Elektrode 2 y
14 : Trägerschicht mit drucktechnisch aufgebrachten
Elektroden und Ableitungen
15 Elektrode 1Λ
16 : Ableitung der Elektrode 1 λ
17 : Funktionsschicht, enthaltend Mikrokavitäten,
diese wiederum an mindestens einer Stelle enthaltend Fängermoleküle
Die Elektrodenpaare 1/1 \ 2/2 ' und 3/3 λ bilden jeweils (Plat- ten- ) Kondensatoren aus, deren Kapazität (u.a.) von den die- lektrischen Eigenschaften des Zwischenraumes abhängt. Änderung der dielektrischen Eigenschaften des Zwischenraumes z.B. auf- grund des Fangens von antikörperbeschichteten Goldpartikeln führen zur Kapazitätsänderung die (z.B. in Form der Permitti- vität) gemessen und zeitabhängig gespeichert werden können.
Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau einer anderen Ausfüh- rungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt:
1: Auftragestelle für die Probe
(ggf. zur Filterung und chromatographischer
Vortrennung hergerichtet)
2: elektrische Zuleitung zu LED 1 (schematisch)
3 : LED 1
4 : Deckschicht mit drucktechnisch aufgebrachten
LEDs und Ableitungen
5: elektrische Zuleitung zu LED 2 (schematisch)
6: LED 2
7: elektrische Zuleitung zu LED 3 (schematisch)
8: LED 3
9: Saugfähiges Material (Wiek)
10 Photosensor 3, z.B. CCD oder CMOS Chip
11: elektrische Ableitung von Photosensor 3
(schematisch)
12 Photosensor 2, z.B. CCD CMOS Chip
13 : elektrische Ableitung von Photosensor 2
(schematisch)
1 : Trägerschicht mit drucktechnisch aufgebrachten Elektroden und Ableitungen
15 Photosensor 1, z.B. CCD oder CMOS Chip 1
16: elektrische Ableitung von Photosensor 1
( schematisch)
17: Funktionsschicht, enthaltend Mikrokavitäten,
diese wiederum an mindestens einer Stelle enthaltend Fängermoleküle Die LEDs 1, 2 und 3 bilden jeweils mit den gegenüberliegenden Photosensoren 1, 2 und 3, Lichtschranken aus. Der Lichtdurch- lass durch die Funktionsschicht hängt von den optischen Eigen- schaften des Zwischenraumes abhängt. Änderung der Lichtabsorp- tion des Zwischenraumes z.B. aufgrund des Fangens von antikör- perbeschichteten Goldpartikeln führen zur ortsabhängigen Ände- rung der Lichtabsorption die gemessen und zeitabhängig gespei- chert werden können. Die Auswertung kann auch wellenlängenab- hängig durchgeführt werden.
Figur 3 zeigt schematisch den Aufbau einer erweiterten Ausfüh- rungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei wird die in Figur 2 bereits beschriebene Vorrichtung um zwei Filter- schichten (18 und 19) ergänzt. Diese Ausführungsform ermög- licht das Ausfiltern von Lichtstrahlung mit bestimmten Wellen- längen. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet für Fän- germoleküle, die bei Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge Licht einer anderen Wellenlänge emittieren, so wie sie weiter oben beschrieben sind. Durch die eingebauten Fil- terschichten kann so sichergestellt werden, dass seitens des
Senders nur Licht mit der Sendewellenlänge ausgesandt wird und dass seitens des Empfängers nur Licht mit der Empfangswellen- länge an den Empfangssensor gelangt. Auf diese Weise werden Störungen weitgehend unterdrückt, was zu entsprechend präzise- ren Messergebnissen führt.
Figur 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung mit fünf verschiedenen Messstellen (hier als schwarze Balken dargestellt) . An jeder dieser Messstellen können Fängermolekü- le für ausgewählte Analyten positioniert sein. Passend zu die- sen Stellen werden in der Träger- und/oder Deckschicht die entsprechenden Sensorelemente enthalten sein. Auf diese Weise können beispielsweise fünf verschiedene Analyten in einem Messdurchlauf untersucht werden.
Figur 5 zeigt eine schachbrettartige Anordnung von Fängermole- külen und Sensorelementen. Auf diese Weise können sehr viele verschiedene Analyten gemessen werden.
Figur 6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der sich die Auftragestelle in der Mitte befindet und wobei die Lauf- richtung der aufgetragenen Lösung konzentrisch, das heißt gleichmäßig in alle Richtungen der Ebene, verläuft.
Figur 7 zeigt schematisch eine auf der Figur 6 basierende Aus- führungsform der Erfindung, bei der mehrere Ringe mit Mess- punkten konzentrisch um die Auftragestelle herum positioniert sind .
Figur 8 zeigt schematisch die Anordnung von zehn Messstellen innerhalb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Mess- stellen in alle Richtungen der Ebene Abstände zueinander auf- weisen. Eine derartige Anordnung kann erforderlich sein, um Störungen der Messungen zu verhindern. Derartige Störungen können z. B. dadurch auftreten, dass - im Fall der Anwendung optischer Analysemethoden - Lichtemissionen, beispielsweise bedingt durch Streuung, auch auf benachbarte Messsensoren fal- len. Entsprechendes gilt für elektrische Messverfahren, bei denen beispielsweise die Kapazitätsmessung einer gebildeten Kondensatoreinheit durch elektrische Einflüsse der Nachbar- messplätze gestört sein kann. Eine weitere Störquelle kann die Auftragung der Fängermoleküle bei der Herstellung der Funkti- onsschicht sein. Diese kann (je nach Art der Auftragung) zu einem gewissen Verlaufen der aufgetragenen Lösung führen. In diesem Fall könnten unmittelbar benachbarte Auftragungen sogar zu Mischeffekten in den Grenzbereichen führen, was durch die in Figur 8 gezeigte Anordnung wirkungsvoll verhindert wird.
Figur 9 zeigt nochmals den prinzipiellen Funktionsaufbau in der Seitenansicht. Die Funktionsschicht befindet sich in der Mitte der Vorrichtung, wobei links eine Auftragestelle gebil- det ist und rechts ein "Wiek", welches ankommende Flüssigkeit aufnimmt und auf diese Weise dafür sorgt, dass der kapillare Fluss aufrechterhalten wird. Die kapillare Fließrichtung ist durch den Pfeil dargestellt. Die Trägerschicht und die Deck- schicht sind mittels eines Haftklebers auf die Funktions- schicht auflaminiert . In diesem Aufbau sind zwei Kondensatoren gebildet durch je eine Kondensatorplatte in der Träger- und der Deckschicht und benachbarte Kondensatorabschirmplatten. Die in Figur 9 dargestellt rechte Kondensatoreinheit schließt eine Mikrokavität mit Immunagglutination ein. An dieser Stelle befinden sich die Fängermoleküle. Der in Figur 9 links darge- stellte Kondensator, der vom kapillaren Fluss zunächst er- reicht wird, dient nur als Referenz bzw. zu Kontrollzwecken.
Wie dargestellt sind die Träger- und Deckschicht als Folie ausgebildet. Der zu Veranschaulichkeitsgründen dargestellte Abstand zwischen der Folie und der Funktionsschicht ist in Wirklichkeit nicht vorhanden. Die Folie ist mittels des Haft- klebers unmittelbar auf die Funktionsschicht aufgeklebt.
Figur 10 zeigt einen der Figur 9 entsprechenden Aufbau zu ei- nem Zeitpunkt 4 Minuten nach Auftragung. Der in der Figur 9 dargestellte Referenzkondensator ist aus Gründen der Über- sichtlichkeit weg gelassen. Zwischen den Platten des Messkon- densators befinden sich die erfindungsgemäßen Fängermoleküle in den Mikrokavitäten. Da zu diesem Zeitpunkt der zu messende Analyt diese Stelle noch nicht passiert hat, ist es noch nicht zu einer Immunagglutination gekommen. Der aus den Kondensator- platten gebildete Schwingkreis ermöglicht die Messung der Kon- densatorkapazität. Zu sehen sind auch ergänzende Kondensator- abschirmplatten zur Verringerung von Störeinflüssen.
Figur 11 zeigt den in Figur 10 bereits dargestellten Funkti- onsaufbau zu einem späteren Zeitpunkt (t = 8 Minuten) . Der von der Auftragestelle in kapillarer Flussrichtung fließende Flüs- sigkeitsstrom hat die in Figur 10 bereits gezeigten Mikrokavi- täten erreicht und führte zur Immunagglutination. Die Fänger- moleküle haben mit dem Analyten entsprechend reagiert . Die sich dadurch ansammelnden Agglutinate führen zu einer Verände- rung der Kondensatorkapazität, die mittels des gebildeten Schwingkreises gemessen wird.
Figur 12 zeigt den Aufbau gemäß Figur 11 nochmals in der Auf- sicht. An der Stelle, an der die Fängermoleküle sitzen, kommt es zu einer Immunagglutination, durch welche die Kapazität des Kondensators geändert wird. Zu sehen sind hier schematisch die in die Folien der Träger- bzw. Deckschicht eingebrachten oder aufgebrachten Messleitungen und deren Anschlüsse. Zu sehen sind auch ergänzende Kondensatorabschirmplatten.
Figur 13 zeigt den dazugehörigen funktionellen Messaufbau zur Bestimmung der Kondensatorkapazität. Hierzu werden zwei
Schwingkreise gebildet, die miteinander gekoppelt sind. In dem Schwingkreis 1 wird der Kondensator durch entsprechende Plat- ten gebildet, die sich ober- bzw. unterhalb der Funktions- schicht befinden und beispielsweise auf eine Folie aufgedruckt sind.
Im Schwingkreis 2 befindet sich ein Trimmkondensator. Zu Be- ginn der Messung, wenn noch keine Immunagglutination stattge- funden hat, wird der Trimmkondensator auf den Messkondensator abgestimmt. Ändert sich die Kapazität des Messkondensators durch eine erfolgte Immunagglutination, ist die Abweichung durch Resonanzmessung feststell- und messbar.
Figur 14 zeigt nochmals eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei Folien, zwischen denen sich eine Funktionsschicht befin- det. Auf die Folien aufgebracht sind elektrisch leitfähige Platten, die als Kondensator wirken. Zwischen den Kondensator- platten befindet sich ein elektrisches Feld. Durch neben den eigentlichen Kondensatorplatten befindliche Zusatzplatten, wird eine Abschirmung hervorgerufen.
Figur 15 zeigt verschiedene Ausführungsformen von kammartig geformten Kondensatorplatten. Die unterste Abbildung zeigt zwei derartige kammartig geformte Kondensatorplatten, die mit- einander verschränkt sind.
Figur 16 zeigt schematisch eine Ausführungsform mit Messung einer Temperaturerhöhung beispielsweise mittels eines Bolome- ters nach elektromagnetischer Anregung von Nanopartikeln durch ein Wechselfeld mittels IR-Strahlung.
Figur 17 beschreibt den prinzipiellen Funktionsaufbau einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der verschie- dene einzelstehende Pads in eine nicht elektrisch leitende Po- lymerfolie eingebettet sind.
Figur 18 zeigt den prinzipiellen Funktionsaufbau einer opti- sehen Detektionsmethode . Innerhalb der Funktionsschicht wird die Probe an der Auftragsstelle aufgegeben und fließt in der dargestellten kapillaren Fließrichtung auf ein am entgegenge- setzten Ende befindliches „Wiek", welches Flüssigkeit aufsau- gen kann. Die Funktionsschicht enthält an einer Stelle Mikro- kavitäten, die zur Immunagglutination hergerichtet sind. In dieser Ausführungsform ist die Kopplung des Antikörpers an ein Fluorophor vorgesehen. Der Sender ist unterhalb der Funktions- schicht angeordnet, beispielsweise in Form einer LED, eines Lasers oder eines anderen Lichtemitters. Oberhalb der Schicht wird das emittierte Licht durch den Empfänger gemessen. Der Empfänger kann beispielsweise als Fotowiderstand oder Foto- transistor ausgebildet sein. Zwischen der Funktionsschicht und dem Sender bzw. dem Empfänger können optionale optische Filter eingerichtet sein (s. unten).
Figur 19 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der der Empfänger in Form einer Avalanche Diode ausgebildet ist.
Figur 20 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Detektion in den Mikrokavitäten durch Thermodetektion erfolgt. An der Detektionsstelle wird ein elektromagnetisches Wechsel- feld angelegt, welches die in der Mikrokavität gebundenen Na- nopartikel thermisch anregt. Ein entsprechender Detektor, z. B. eine Thermokamera, ein Mikrobolometer oder ein ähnlicher Detektor zeigt die Anwesenheit der Nanopartikel durch die ent- stehende Temperaturerhöhung an. Figur 21 zeigt eine andere Ausführungsform mit einer optischen Detektion, bei der sowohl Sender, wie auch Empfänger auf der gleichen Seite der Funktionsschicht angeordnet sind. Dies ist möglich, weil die in den Mikrokavitäten erzeugte Fluoreszenz naturgemäß in alle Raumrichtungen gestrahlt wird.
Figur 22 zeigt eine erweiterte Ausführungsform der in Figur 21 dargestellten Vorrichtung. Hier findet die Fluoreszenzanregung und -messung an zwei verschiedenen Stellen der Funktions- schicht statt. Die in der Figur 22 links dargestellte Emissi- ons-Detektionsstelle dient hierbei als Referenzmessbereich, während die in der Figur 22 rechts dargestellte Emissions - bzw. Detektionsanordnung die Messung des Analyten in der ge- bildeten Mikrokavität darstellt.
Figur 23 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Figur 23 wobei le- diglich die Strahlrichtungen zur Anregung bzw. zur Messung in einem Winkel zur Funktionsschicht angeordnet sind.
Figuren 18-23 zeigen beispielhaft die Verwendung von Filtern. Wegen der Stokes-Verschiebung und der bevorzugten Verwendung von Filtern z.B. gelangt hierdurch nur noch das durch die Flu- oreszenz emittierte Licht (Emissionslicht (z.B. 800-770 nm) ) zum Empfänger. Das Sperrfilter ist so beschaffen, dass es nur für das längerwellige Emissionslicht (ca. 790-870 nm) der Flu- oreszenz transparent ist. Das noch vorhandene, im Beispiel kürzer wellige Anregungslicht (ca. 600-750 nm) wird absor- biert .
Figur 24 zeigt schematisch eine Schaltung zur Messung emit- tierten Lichtes mittels einer Photodiode.
Figur 25 zeigt eine Ausführungsform der Eefindung basierend auf einem „Magnetoresistive Current Sensor" welcher sehr emp- findlich und dabei kostengünstig zu erwerben ist zusammen mit der notwendigen Schaltung.
Figur 26 zeigt die gemäß Beispiel 2 gebildete Struktur durch Verwendung zweier Antikörper, der eine Antikörper spezifisch bindungsfähig für das Antigen, der zweite Antikörper bindungs- fähig für ein besonderes Protein, auf dem Nanopartikel einer- seits und gebunden an einem Stück DNA. Figur 27 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrich- tung bei der die Funktionsschicht („Active Area") direkt auf ein Halbleiterelement aufgetragen wird (oben schematisch, un- ten als Fotografie) . Das in der Funktionsschicht gebildete Ag- glutinat, enthaltend beispielsweise Silber-Nanopartikel kann auf diese Wise extrem empfindlich nachgewiesen werden.
Conclusion
Die neue erfinderische Plattform nutzt die natürliche Aggluti- nation von im Kolloid vorhandenen Nanopartikeln. Das Kolloid wurde künstlich durch Zugabe von Nanopartikeln erzeugt. Die Nanopartikel sind mit Fängermolekülen versehen.
Die Agglutination erfolgt in der 3D-Struktur der Funktions- schicht .
In der 3D-Struktur der Funktionsschicht (Festphase) werden zu- sätzlich bei der Herstellung der Plattform, ortsbezogen in den Koordinaten xyz Fängermoleküle (durch Verwendung z.B. speziel- 1er Mikrodosierungsgeräte) in die Funktionsschicht einge- bracht. Die Fängermoleküle sind hauptsächlich biophysikalisch an z.B. der offenporigen Struktur von z.B. Nitrozellulose ad- sorptiv gebunden. Eine kovalente Bindung der Fängerstrukturen in der 3D-Struktur ist nur eine zusätzliche Variante bei der Herstellung der verwendeten Funktionsschicht.
Die mit Fängermolekülen versehenen Nanopartikel bewirken bei- spielsweise eine „Brücke" zwischen
1. dem gebundenen Antigen in der Flüssigphase und den Fänger- molekülen andererseits an der Festphase und
2. zwischen dem gebundenen Antigen in der Flüssigphase und den Fängermolekülen andererseits an der Festphase der in der flüssigen Phase befindlichen Nanopartikel . Es erfolgt eine Ag- glutination (Nutzung eines biophysikalischen Prozesses im Kol- loid der Analysenprobe) . Die lokal auftretende Agglutination lässt sich vermessen und dadurch quantifizieren. Als techni- sehe Lösung hierzu wird ein erfindungsgemäßer Sen- der/Empfänger-Aufbau verwendet.
Der Sender/Empfänger/Sensor/Detektor besteht bevorzugt entwe- der aus opto-elektronischen- , magneto-elektronischen- oder thermo-elektronischen Bauteilen.
Die im Kolloid vorhandenen Nanoteilchen, an die Fängermoleküle gekoppelt sind, können aus Gold, Silber etc. bestehen aber auch können bevorzugt magnetische Dipole verwendet werden.
Die Vermessung der lokal auftretenden Agglutination kann mit verschiedenen Technologien erfolgen, die prinzipiell, aber in anderen Zusammenhängen aus dem Stand der Technik bekannt sind. Ziel ist, Messwerte und daraus eine Quantifizierung der gemes- senen Analyten abzuleiten, zu erhalten.
In einer besonderen Variante erlaubt die erfinderische Platt- form das so genannte Multiplexing von Analyten, d.h. eine Ana- lysenprobe (z.B. flüssig), die zuvor mit einem Gemisch von verschiedenen Nanoteilchen, die mit verschiedenen Fängermole- külen versehen sind, kann auf die Funktionsschicht aufgebracht werden und da, wie oben ausgeführt, die Agglutination an ver- schiedenen Orten xy erfolgt, (die zuvor mit unterschiedlichen an der Festphase gebundenen Fängermolekülen bei der Herstel- lung versehen wurde) führt dieses zu einem Muster der „Agglu- tinationsorte", d.h. auch zu einer „speziellen Signatur" der Analysenprobe . Die Agglutination an verschiedenen Orten in der Funktions- schicht führt zu einem in der Aufsicht entstehenden Muster von
„Agglutinationsflecken/ Agglutinationsbereichen" . Die Agglutinationsmuster mit den unterschiedlichen Analyten können, wie oben ausgeführt, vorteilhaft erfindungsgemäß z.B. durch opto-elektronische Array-Sensoren (mit entsprechenden Pixeln) vermessen werden. Beispielsweise durch Verwendung von SPAD Single Photon Avalan- che Diodes, fabricated in the HV 0.35 μιη CMOS Technology. Die Verwendung dieser Dioden erlaubt erfindungsgemäß die Verwen- dung von
- Optical time-domain reflectometry
- Fluorescence lifetime spectroscopy
Oder Verwendung von CMOS Linear Sensors for Spectroscopy Ap- plications or
FAR infrared detectors for thermal imaging
(Sämtliche Detektoren wurden vom Fraunhhofer Institute for Microelectronic Circuits and Systems IMS entwickelt.)
Es ist selbstverständlich, dass jeder Empfänger, jeder Sensor mit der entsprechenden Ableitsensorik und Ableit-Vermessungs- sensorik versehen ist.
Eine besondere Variante des erfinderischen Vorgehens nutzt z.B. zusätzlich zu den beschriebenen Varianten die Chemolumi- neszenz z.B. unter Verwendung von Luminol . Die Nutzung der
Chemolumineszenz zur Vermessung von Analyten gehört zum Stand der Technik. Jedoch die Nutzung der Lumineszenz im Zusammen- hang mit der Funktionsschicht und im Zusammenhang mit dem er- finderischen Aufbau stellt eine Neuheit dar. Es ist selbstver- ständlich, dass die Reagenzien zur Erreichung der Chemolumi- neszenz nach abgeschlossener Agglutination zeitversetzt auf die Probenauftragestelle der Funktionsschicht aufgetragen wer- den müssen.
Die bei der Chemolumineszenz emittierte Strahlung wird gemäß dem erfindungsgemäßen Aufbau hoch empfindlich von geeigneten Empfängern/Sensoren/Detektoren empfangen und verstärkt und ausgewertet .
Dies stellte eine besondere Variante des erfinderischen Auf- baus dar, da bei diesem speziellen Aufbau auf den Sender ver- zichtet werden kann.
Verschiedene Plattformen können erfindungsgemäß realisiert werden. Die Vorrichtung/Plattform kann
1. als Einmalartikel
2. als Analysenplattform
3. als Forschungsplattform
4. als Screeningplattform (z.B. zum Screenen von Hybridoma- Überständen)
hergestellt und verwendet werden.
Bei dem erfinderischen Aufbau sollen bevorzugt so genannte ge- druckte Schaltkreise als auch gedruckte Leiterbahnen verwendet werden .
Es versteht sich von selbst, dass die hergestellten Vorrich- tungen/Plattformen bezüglich ihrer Verwendung unterschiedliche technische Anforderungsprofile besitzen können. D.h. Sender und Empfänger und Aufbau der Schaltkreise sollen speziell zur Umsetzung der geforderten technischen Lösung, z.B. was Emp- findlichkeit , Trennleistung usw. aber auch was die Herstel- lungskosten anbelangt, unterschiedlich sein.
Die Plattform und der Aufbau und die Vorgehensweise bei der Durchführung der Analyse ist erfinderisch so optimiert, dass eine Anreicherung, Konzentrierung des zu bestimmenden Analyten in der Probe ortsgebunden in der Funktionsschicht erfolgt (der oder die Analyten werden wie oben schon dargelegt in Mikro- kavitäten Käfigen gefangen) .
Es ermöglicht dem Anwender der Plattform gemäß der Erfindung die ortsbezogenen agglutinierten, gefällten Analyten, z.B. zu eluieren und anderen Techniken der Analytik zuzuführen. Z.B. kann der Anwender ortsbezogen die Analyten eluieren und ande- ren modernen analytischen Methoden zuführen, z.B. der Massen- spektrometrie und/oder der modernen Raman-Spektroskopie .
Ziel ist es, die so erfindungsgemäß angereicherten Analyten weiter zu analysieren, um weitere Informationen aus der Analy- senprobe zu erhalten, die der Anwender nutzen kann.
Z. B. könnte man Tumorgewebe und/oder Gewebe, welches patho- physiologische Entzündungsprozesse durchlaufen hat, auf diese komplexe Art und Weise analysieren und die unterschiedlichen Probenergebnisse miteinander vergleichen. Mit dieser Vorge- hensweise ist es z.B. möglich, im Gegensatz zum Stand der Technik, besser als bisher „Tumor-Geschehen" von „Entzündungs- Geschehen" pathogenetisch beim Patienten zu unterscheiden. Die erfinderische Plattform stellt eine Komposition aus ver- schiedenen Technologien
1. Ouchterlony-Technologie
2. Solide State technology 3. Moderner Elektronik
4. Modernen Drucktechniken
5. Modernen Herstellungstechniken
dar.
Zur Herstellung der Plattform können erfindungsgemäß verschie- dene, dem Stand der Technik bekannte, moderne Herstellungsver- fahren zum Einsatz kommen. Neben den verschiedenen oben beschriebenen Verfahren zum Ver- messen der in der Funktionsschicht erfolgten Agglutination soll im Messaufbau bevorzugt die Nahe Infrarot (NIR) -Strahlung verwendet werden, da diese Strahlung tief in die 3D-Struktur der Funktionsschicht eindringt und somit die Agglutination, durch Absorption der NIR-Strahlung in der 3D-Struktur, optimal nutzt. Des Weiteren umgeht die NIR-Strahlung weitgehend die Eigenfluoreszenz der zu messenden Analyten z.B. der von Prote- inen. Die erfindungsgemäße bevorzugte Verwendung von NIR-Strahlung führt des Weiteren zu einem optimierten Signalrausch-Abstand bei der Vermessung.
Fazit :
In der Anwendung werden mehrere technische Lösungen beschrie- ben:
Die Selektivität erfolgt durch die Wahl der zum Analyten ge- eigneten bindungsfähigen Fängermoleküle.
Zum Biophysikalischen Geschehen in der Funktionsschicht: 1. Probenvorbereitung
2. Ortsbezogene Analytenkonzentrierung
3. Ortsbezogene Agglutination der Analyten Die Empfindlichkeit erfolgt durch die Wahl und durch den
Messaufbau. Das Vermessen, d.h. die Charakterisierung, Quanti- fizierung und Standardisierung erfolgt durch den erfindungsge- mäßen Aufbau. Die relativ niedrigen Herstellungskosten werden erfindungsge- mäß durch die Wahl und durch die erfindungsgemäß beschriebenen Herstellungsverfahren (z.B. massenproduktionsgeeignet) erhal- ten. Generell kann der Sender im erfinderischen Aufbau z.B. eine LED, eine Laserdiode usw. sein.
Der Empfänger kann - wie im Text beschrieben - z.B. aus unter- schiedlichen elektronischen Bauteilen bestehen bzw. verwendet werden .
In der besonderen Variante der Verwendung von magnetischen Na- noteilchen (Dipole) stellt der Sender z.B. eine Spule dar, die gemäß der Lenz' sehen Regel ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugen kann. Der Empfänger kann bei diesem Aufbau z.B. ein CMOS Linear Sensor sein, z.B. Visual Spectrum von 400 nm bis 1000 nm oder FAR infrared detector for Thermal Imaging (Verwendung von einem Microbolometer mit Readout IC) , welcher empfindlich ist für langwelliges Infrarot 8μm bis 14 μτη und ein IR-Bild mittels einer IR-Kamera zur Verfügung stellen kann .

Claims

Patentansprüche :
1. Vorrichtung zur Bioanalytik für ausgewählte biologische
Analyten in einer flüssigen Phase, enthaltend
a) eine Trägerschicht,
b) eine Funktionsschicht
c) optional eine Deckschicht wobei die Funktionschicht Flüssigkeit aufnehmen und trans- portieren kann und an mindestens einer Stelle ein Fängermo- lekül für den oder die ausgewählten Analyten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht und/oder die Deckschicht Senderelemente enthält, welche ihrerseits durch drucktechnische Verfahren auf oder in die Trägerschicht und/oder auf oder in die Deckschicht eingebracht wurden, wobei die Senderelemente auf den oder die ausgewählten Analyten abgestimmt sind und/ oder dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht und/oder die Deckschicht Sensorelemente enthält, welche ihrerseits durch drucktechnische Verfahren auf oder in die Trägerschicht und/oder auf oder in die Deckschicht eingebracht wurden, wobei die Senderelemente auf den oder die ausgewählten Analyten abgestimmt sind.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht ein poröses, schwammartiges Material, z. B. poröses Glas, Nylon, Kieselgel, Kieselgur, Alumini- umoxid, Zellulose, Nitrozellulose oder Polyacetat enthält.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht offenporig, mit einer Porengröße der Funktionsschicht von 4-1.000 nm ist.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine se- parate Auftragungsfläche für die Probenauftragung erfolgt, welche in Fluidkontakt mit der Funktionsschicht steht und die eine Vorfilterung oder chromatographische Vortrennung der Probe bewirkt .
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindes- tens einen zweiten Antikörperweicher in Fluidkontakt mit der Funktionsschicht steht und welcher an den Analyten der Probe bindet, wobei der zweite Antikörper seinerseits opti- onal an Nanopartikel (z.B. Silber-, Gold-, Eisen-, Latex- oder Kunststoffnanopartikel) gebunden ist.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Fängermolekül mindestens ein Antikörper (monoklonal o- der polyklonal) , ein Aptamer, ein Spiegelmer, ein Lectin oder ein Gemisch derselben vorhanden ist.
7. Vorrichtung . gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht Farbstoffmoleküle , z.B. Fluoreszenz- farbstoffe (-marker) , insbesondere NIR-Fluoreszenzfarb- stoffe enthält.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich- net, dass das Fängermolekül und/oder Farbstoffmolekül durch ein ink-j et-Verfahren aufgetragen wurde.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht durch ein 3D-Druckverfahren herge- stellt wurde.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fängermolekül und/oder Farbstoffmolekül kovalent an die Funktionsschicht gebunden ist.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fängermolekül und/oder Farbstoffmolekül kovalent durch Kopplung mit N-Hydroxysuccinimid an die Funktionsschicht gebunden ist.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht und/oder die optionale Deckschicht aus transparentem Kunststoff besteht und dass sie leitende oder halbleitende Sensorelemente enthält, welche ihrerseits durch drucktechnische Verfahren auf oder in die Schicht eingebracht wurden.
13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht und/oder die optionale Deckschicht für Laserlicht bestimmter Wellenlängen, insbesondere im NIR- Bereich transparent ist.
14. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht und/oder die optionale Deckschicht wei- terhin eine optische Filterschicht zur Filterung anderer Wellenlängen enthält.
15. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Trägerschicht und/oder die Deckschicht enthalte- nen Sensorelemente eingerichtet sind zur Durchführung der Voltametrie, insbesondere der Cyclovoltametrie, der „differential pulse voltametry" oder der Squarewavevolta- metrie, der Amperometrie , insbesondere der Chronoamperomet- rie,der Potentiometrie, der Konduktometrie oder der Impe- danzmessung .
16. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht und/oder die Deckschicht ein oder mehrere lichtempfindliche Sensorelemente enthält, beispielsweise einen Fotowiderstand, eine Fotodiode (z.B. Si PIN), eine Single Photon Diode oder einen Avalanche-Fotomultiplier (CMOS) , wobei die Sensorelemente auch in einer Array- Anordnung vorliegen können.
17. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Trägerschicht und/oder die Deckschicht enthalte- nen Sensorelemente eingerichtet sind zur Durchführung der Fluorometrie (FRET-Assay) , der Spektrophotometrie , der Lu- mineszenzdetektion oder der Elektrochemilumineszenzdetekti- on.
18. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die die Trägerschicht oder die Deckschicht als Sensorele- ment einen Solid State-Photomultiplier , einen CMOS-Chip, einen CCD-Chip, ein Mikrobolometer auf einem CMOS-Chip oder ein Array von Fotodioden enthält.
19. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht oder die Deckschicht lichtemittierende Einheiten als Senderelemente enthält.
20. Vorrichtung gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
die lichtemittierende Einheiten durch LEDs oder Laser- Dioden, insbesondere Flachbett-LEDs oder Flachbett-Laser- Dioden gebildet werden.
21. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Deck- und/oder Trägerschicht ein- oder auf- gebrachten Sender- oder Sensorelemente halbleitende Elemen te sind und beispielsweise als Feldeffekttransistoren wir- ken.
22. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die in die Träger- und/oder die Deckschicht enthaltenen Sensorelemente den Nachweis magnetischer Partikel ermögli chen .
23. Vorrichtung gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, das die in die Deck- und/oder Trägerschicht ein- oder aufge- brachten Sensorelemente drucktechnisch erzeugte SQUIDs dar stellen.
24. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht an wenigstens einer Position Protein . und/oder Protein G aufweist.
25. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht Graphen, Kohlenstoff -Nanonetze, Nano- tubes oder andere offenporöse Werkstoffe enthält.
26. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht an mehreren Stellen unterschiedliche Fängermoleküle aufweist.
27. Vorrichtung gemäß Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht an mindestens 24 Stellen mindestens 24 unterschiedliche Fängermoleküle aufweist.
28. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Latex- oder Metall-Nanopartikel (z.B. Silber- oder Gold- Nanopartikel ) oder Quanten-Dotsmit Fängermolekülen bzw. En- zymengelabelt sind.
29. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass magnetische Metall-Nanopartikel (z.B. Eisenpartikel) mit Fängermolekülen gelabelt sind.
30. Vorrichtung gemäß Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Metall -Nanopartikeln (z.B. Eisenpartikel) über ein elektromagnetisches Wechselfeld thermisch angeregt werden und dass die Erwärmung mittels IR-Sensoren bestimmt wird.
31. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drucktechnisch in die Träger- und/oder die optionale Deckschicht ein- oder aufgetragenen Sensoren mit elektri- schen Ableitungen verbunden sind, die zu Kontaktpunkten führen, die den Kontakt zu Auswerteeinheiten ermöglichen.
32. Vorrichtung gemäß Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit aus einem speziellen Meßgerät, einem PC oder Tablet-Computer oder einem Smartphone besteht, auf der jeweils die entsprechenden Auswertesoftware läuft.
33. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente und/oder die Ableitungen hiervon unter Anwendung von Tintenstrahldruck, Tiefdruck, Hochdruck, Off- setdruck, Flexodruck oder Siebdruck mittels elektrisch leitfähiger Tinte erfolgt. 34 Verwendung der Vorrichtung gemäß mindestens einem der An- sprüche 1-33 als Untersuchungsplattform, Screeningplattform oder Analyseplattform (Einwegartikel) für die Histologie, für die Histopathologie , für die Zytopathologie, für die Mo- lekularpathologie, für die Pathophysiologie, für die Patho- genese . 35. Verwendung gemäß Anspruch 34 zum Nachweis von Peptiden, Proteinen, RNA- und DNA-Sequenzen, Kohlehydraten, Lipiden, Hormonen (Steroid- oder Zuckerhormone) , Enzymen, Zellkom- partimenten, Zellsubstrukturen, Zellsuprastrukturen
und/oder gesamte Zellen, Protein-Komplexen, Protein- Protein-Komplexen, Protein-Lipid-Komplexen, Protein- Kohlehydrat-Komplexen, Protein-Nucleinsäure-Komplexen sowie von Viren.
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