DE102004008319B4

DE102004008319B4 - Kontinuierlich arbeitendes eindimensionales Festphasenreaktor-System

Info

Publication number: DE102004008319B4
Application number: DE200410008319
Authority: DE
Inventors: Peter-Jürgen Müller; Jörg-Hermann Ozegowski; Enrico Stang; Horst Dr. Ahlers
Original assignee: Hans-Knoll-Institut fur Naturstoff-Forschung Ev; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; Leibniz Institut fuer Naturstoff Forschung und Infektionsbiol eVi
Current assignee: Hans-Knoll-Institut fur Naturstoff-Forschung Ev; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU; Leibniz Institut fuer Naturstoff Forschung und Infektionsbiol eVi
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2024-02-18
Also published as: DE102004008319A1

Abstract

Festphasenreaktor-System aus einem annähernd eindimensional geformten beweglichen 1-D-Element mit einer Querschnittsabmessung (größte Ausdehnung) im Bereich zwischen 1 μm und 1 mm, an dessen Oberflächen affine, bioaffine, substratspezifische oder substratgruppenspezifische Targetmoleküle oder stoffbindende Strukturen vorhanden sind, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element in longitudinaler Richtung kontinuierlich durch mindestens drei örtlich voneinander getrennte Reaktionszonen bewegt wird, in denen an den Targetmolekülen oder stoffbindenden Strukturen im bewegten Zustand gleichzeitig und örtlich hintereinander Reaktionen zur Durchführung von Stoff- bzw. Informationsübertragung, Stoffbindungen, Stoffgewinnung, Stoffwandlung, Stoffreinigung oder Analyse bzw. Detektion ablaufen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Festphasenreaktor-System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Prozesse, bei denen zeitabhängige Konzentrationen stofflicher Größen auftreten, deren Kinetik kontinuierlich bestimmt werden soll. Sie ist beispielsweise vor allem bei der kontinuierlichen Prozeßüberwachung und kontinuierlichen Regelung bzw. Qualitätsüberwachung von Prozessen in wässriger Umgebung (Trinkwasser, Milch, Getränke), Chlorierung von Wasser, Überwachung natürlicher Gewässer und Prozesswässer, Abwässer und bei mikrobieller Fermentation oder Zellkultur einsetzbar. Ein Gebiet ist dabei die Überwachung von Nahrungsmitteln beispielsweise auf Kontaminationen mit toxischen Stoffen und Mikroorganismen (Biohazard), die Überwachung von Luft auf Gefahrstoffe oder der Einsatz als Konstruktionselemente miniaturisierter biochemischer oder evolutionären Maschinen und der Übertragung und Speicherung von chemisch/biochemischen Informationen.

Integrierte mikrofluidische Systeme, auch lab on the chip bzw. μ-totale analysis systems (μ-TAS) geben die Möglichkeit, chemische und biologische Größen mit geringem Aufwand zu bestimmen. Bei der Entwicklung dieser Systeme müssen Subsysteme mit unterschiedlichen Funktionen in miniaturisierter Form zusammengefügt werden.

Bekannt sind kontinuierliche Reaktoren, bei denen Flüssigkeitströme durch Kanäle, Rohre, Kapillaren, Schläuche oder ähnliches durch Reaktionszonen, wie beispielsweise bei der durch Luftblasen segmentierte Flüssigkeitsströme oder nicht-segmentierte Flüssigkeitsströme bei der „flow injection analysis (FIA)" oder bei gleichzeitiger Auftrennung die Kapillarelektrophorese transportiert wird. Die FIA wird mit Flow Cytometrie verbunden um mikrobielle Populationen zu charakterisieren. Auch bei einer kontinuierlichen Variante der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) wird in einer kontinuierlichen Variante die zu amplifizierende Probe als Flüssigkeitstrom durch Kapillaren mit unterschiedlichen Temperaturen gepumpt, um in den Proben die für die Amplifizierung notwendigen zyklischen Temperaturänderungen zu erzeugen (KOPP, M.U.; MELLO, A.J.; MANZ, A.; Chemical Amplification: Continuous-Flow PCR on a Chip; Science VOL. 280, 1998; S. 1046–1048).

Nachteilig an all diesen Fluid-Systemen ist, dass ihre Miniaturisierung und die Anordnung als Arrays an physikalisch technische Grenzen stößt. Besonders die in das System integrierten mechanischen Mikropumpen stellen eine störanfällige Fehlerquelle dar.

Es gibt bereits Versuche, an Stelle der fluidischen Systeme die Adsorptionseigenschaften von festen Oberflächen, darunter auch solcher, die als Fäden ausgebildet sind, zu nutzen. Bekannt ist die Mikrophasenextraktion, bei der anorganische, meist poröse Fasern zur Adsorption von Bestandteilen von Gasen in Dampfräumen (head space) belegt werden (belegte Fäden), die dann in geeignete Detektoren, beispielsweise der Massenspektroskopie analysiert werden.

Marinkovich ( US 44 59 360 ) verwendet Baumwollfäden oder andere Filamente, an die Allergene kovalent gebunden sind. Die Fäden werden mit der zu untersuchenden Körperflüssigkeit in Kontakt gebracht und es werden eventuell anwesende Antikörper des IgE-Typs gebunden. Anschließend werden mit einem zweiten markierten Antikörper die gebundenen Antikörper nachgewiesen. Auch US 45 67 149 verwendet analytspezifisch funktionalisierte bzw. bioaffine Fäden für die Durchführung eines diagnostischen Bindungsassays für Allergene. Die Probenlösung fließt hierbei durch eine längliche Kammer, in der die Fäden quer zur Strömungsrichtung aufgespannt sind. Die an die Fäden gebundenen Analyten werden anschließend direkt am Faden detektiert oder mit einer Flüssigkeit abgelöst und bestimmt.

Nach US 51 71 989 A wird bei der Laser-Desorptionmassenspektroskopie die Probe in Form eines gefrorenen Eisfadens in die Vakuumkammer der massenspektrografischen Analysenzone eingeführt.

EP 0 451 686 A2 schlägt die Verwendung eines Fadens vor, an dem zu detektierende Moleküle fixiert sind, um mit ihnen die Funktion flächenhaft ausgebildeter Detektionszonen zu erproben. Hierzu wird der Faden zusammen mit dem Analyten in eine Detektionszone gezogen und beispielsweise an Hand eines Farbumschlags das Funktionieren des analytischen Systems angezeigt.

Alle die aufgeführten Beispiele, bei denen textile und andere Fäden zur Aufnahme von Probenmaterial eingesetzt werden, um anschließend in ein Detektorsystem eingeführt werden, funktionieren diskontinuierlich und die mit ihrer Hilfe durchgeführten Reaktionen beschränken sich auf die Funktionen des Beladen mit den Analyten und der anschließenden Detektion.

Derya ( DE 100 53 394 C2 ) beschreibt ein zu diskontinuierlichen Analyse eingesetztes Analysensystem, bestehend aus funktionalisierten Fiberelementen, die immobilisierte Probenmolekülspezies bzw. Probenmolekülspeziesgruppen auf der Mantelflächen enthalten. Beim Aufbringen der Probenmolekülspezies wird ein Endlosfiber kontinuierlich durch eine Flüssigkeit geleitet, die die Probenmolekülspezies enthalten, sie werden immobilisiert, die Endlosfiber optional einem Waschvorhaben zugeführt und anschließend wird die Endlosfiber in die Fiberelemente zerschnitten. Diese werden in stationärer Form mit Probenlösungen in Kontakt gebracht und die Reaktionen diskontinuierlich gemessen.

Außer diesem Beispiel einer kontinuierlichen Beschichtung, Funktionalisierung bzw. Immobilisierung mit dem Ziel, anschließend in einer stationären Vorrichtung Analyten zu binden, existiert bei der Herstellung von textilen Garnen eine Vielzahl von Behandlungen, die im Durchlauf des Fadens mit flüssigen Reaktanten gefüllten Reaktoren kontinuierlich durchgeführt werden, so beispielsweise die Mercurisierung von Garnen ( EP 1 36 521 A2 ). Die Reaktionen haben das Ziel, die textilen Materialeigenschaften zu verbessern.

Bekannt ist der Einsatz von bewegten, in der Regel magnetisierten Bändern zur analogen oder digitalen Informationsübertragung, bei denen aber keine Targetmoleküle oder stoffbindenden Strukturen vorhanden sind.

Nicht beschrieben werden in der Literatur kontinuierliche Verfahren mit Fäden bzw. eindimensionalen Festphasenreaktor-Systemen, mit denen bei gleichzeitiger Anwesenheit von wässrigen Phasen Stoff- oder Informationsübertragung bzw. Analytik durchgeführt wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein System zu beschreiben, mit dem die Durchführung von hochkomplexen chemischen oder biochemischen oder physikalischen Reaktionen bei hohem Automatisierungs- sowie Miniaturisierungsgrad bei Anwesenheit von wässrigen Phasen kontinuierlich möglich ist. Mit dem aufgabengerechten System soll es möglich sein, ein breites Feld von Anwendungen abzudecken, bei dem sowohl Konzentrationsänderungen chemischer/biochemischer Stoffe als auch prozessspezifische Reaktionen, Transportvorgänge, Stoffumwandlungen und die Stoffdetektion kontinuierlich d.h. ohne Unterbrechung bzw. über längere Zeiträume durchgeführt. werden können

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindung sind in den Unteranspruchen gennant. Es wird ein Festphasenreaktor-System vorgeschlagen, das auf der Bindung von Edukten, Analyten oder Substanzen (Probenmaterial) in wässrigen Phasen oder bei Anwesenheit von Wasser an eine feste Phase basiert und das dabei die strukturellen Vorteile der biegsamen, eindimensionalen, praktisch unbegrenzt langen bzw. endlosen oder als Schleife ausgebildeten und spezifisch funktionalisierten 1-D-Elemente bzw. Fadens als feste Phase nutzt. Das 1-D-Element wird erfindungsgemäß in longitudinaler Richtung kontinuierlich durch mindestens drei örtlich voneinander getrennte Reaktionszonen bewegt, in denen an den am 1-D-Element vorhandenen Targetmolekülen oder stoffbindenden Strukturen im bewegten Zustand unterschiedliche physikalische, chemische oder biochemische Reaktionen zur Durchführung von Stoff- bzw. Informationsübertragung, Stoffwandlungen, Stoffreinigung sowie Analyse-, Detektion- oder Informationsauswertung ablaufen. Erfindungsgemäß werden bei Nutzung des Festphasen-Systems mindestens drei Reaktionszonen wie beispielsweise Beladungszone, Markierungszone und Detektionszone durchlaufen. Das Vorhandensein von mindestens drei Reaktionszonen ist für die erfindungsgemäße Funktion des Reaktorsystems eine notwendige Vorausetzung. Nicht Teil der Erfindung sind die bereits bekannten kontinuierlich durchgeführte Prozesse, bei denen die Materialeigenschaften von 1-D-Elementen, insbesondere von textilen Fäden verändert werden. Hierzu gehören auch Herstellungsprozesse, bei denen spezifische funktionalisierte 1-D-Elemente produziert werden.

Das vorgeschlagene Festphasenreaktor-System enthält ein annähernd eindimensional geformtes, bewegliches und biegsames 1-D-Element, dessen Querschnittsabmessung (größte Ausdehnung) in der Regel im Bereich zwischen 1 μm und 1 mm liegt und deren Länge oder Form durch die jeweilige Aufgabenstellung bestimmt wird. Es wird in longitudinaler Richtung nacheinander durch die örtlich getrennten Reaktionszonen bewegt, wobei Richtungsänderung der Fadenbewegung erfolgen können.

Der Begriff „Bewegung in longitudinaler Richtung" bedeuted in diesem Zusammenhang, dass das 1-D-Element eine Bewegung durchführt, die sich bei Einwirken einer Kraft auf einen beweglichen Faden in Richtung der Längsachse des 1-D-Elementes im Bereich des Angriffspunktes der Kraft ergibt. Wenn die Kraft am Ende des Fadens angreift, wird der Vorgang landläufig als Ziehen bezeichnet. Eine transversale Bewegung in Form einer Seitwärtsversetzung des laufenden 1-D-Elementes kann aus technischen Gründen vorkommen, stellt aber kein typisches Merkmal der Erfindung dar.

An den 1-D-Elemente, an denen in an sich bekannter Weise adsorptive, affine, bioaffine, substratspezifische oder gruppenspezifische Targetmoleküle oder bindende Strukturen vorhanden sind und die in diesem Zustand als funktionalisierte 1-D-Elemente bezeichnet werden, finden beim Durchlaufen der Reaktionszonen physikalische, chemische oder biochemische Reaktionen zur Durchführung von Stoff- bzw. Informationsübertragung, Stoffwandlungen, Stoffreinigung, Analyse oder Detektion statt. Targetmoleküle können beispielsweise Proteine wie Enzyme, Rezeptoren oder Antikörper, Allergene, Nukleinsäuren wie DNA, RNA oder DNA-Antikörper (Aptamere) oder Polysaccharide wie Lectine oder Wirkstoffe oder Zellen und Zellmembranen oder andere zur Adsorption geeignete Materialien sein.

In einer typischen Ausführung der Erfindung werden die mit bindenden Strukturen versehenen 1-D-Elemente in speziellen Reaktionszonen im Durchlauf beispielsweise in einer Quellungszone angequollen, in einer Beladungszone mit Probenmaterial beladen, in einer Waschzone mit Pufferlösungen gewaschen, in einer Blockierungszone nicht abgesättigte bioaffine Targetmoleküle blockiert, in einer Markierungszone mit einem Marker umgesetzt, in einer Temperierungszone temperiert, in einer Detektionszone detektiert, in einer Regenerationszone Eigenschaften wiederhergestellt oder adsorbierte Moleküle oder Partikel in einer Desorptionszone desorbiert. Die Detektion von Analyten oder Partikeln kann ohne dass dadurch die Erfindung begrenzt wird, beispielsweise in Form von Partikelzählung, Lichtstreuung, Lichtbeugung, Fluoreszenz, Leitfähigkeit oder Extinktionsänderungen, elektrischer Signale oder Magnetismus gemessen werden.

Die Bewegung des 1-D-Elements erfolgt in der Regel mit gleichbleibender Geschwindigkeit. Es ist aber auch möglich, die Bewegung durch Beschleunigungsphasen oder Stillstandsphasen zu unterbrechen. Die 1-D-Element können weiterhin entsprechend den Aufgabenstellung auch zurück (negative Beschleunigung) bzw. hin und her bewegt werden.

Die Bewegungsenergie wird in an sich bekannter Weise durch mehrfach mit dem 1-D-Element umwickelten angetriebenen Antriebswellen oder auch angepreßte Antriebs-Reibrollen auf die 1-D-Elemente übertragen. Transversale Bewegungen werden durch seitliche Verschiebungen erreicht. An sich bekannte Spannrollen werden zum Straffhalten der 1-D-Elemente eingesetzt.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung werden mehrere parallel verlaufende 1-D-Elemente in einer Ausführung in Arrayform angeordnet und in den Reaktionszonen parallel behandelt. Mit dieser Anordnung können mehrere Parameter gleichzeitig gemessen werden.

Die 1-D-Elemente können in bekannter Weise von einer Spule abgespult und auf eine andere Spule aufgespult werden. Durch das aktive Aufspulen wird eine longitudinale Zugkraft bewirkt werden, die das 1-D-Element in Bewegung setzt. In einer anderen Anordnung ist das 1-D-Element als geschlossene Schleife angeordnet und die Reaktionszonen werden oftmals durchlaufen.

Die Reaktionszonen sind in flüssigkeitsgefüllten oder mit Gasen gefüllten Vorrichtungen untergebracht.

Damit die funktionalisierten 1-D-Elemente mit ihren Substraten, Analyten oder Edukten beladen oder behandelt werden können, werden sie durch die entsprechend ihrer Funktion geformten Gefäße bewegt bzw. gezogen. Die notwendigen erfindungsspezifischen Richtungsänderungen der 1-D-Elemente, die für das Hindurchführen durch die Reaktionszonen bzw. den entsprechenden Gefäßen notwendig sind, erfolgen in einer Ausführung durch Umlenkvorrichtungen wie Rollen oder Gleiteinrichtungen. Magnetische 1-D-Elemente können mit magnetischen Kräften in ihrer Richtung ausgelenkt werden.

Um eine definierte Geschwindigkeit des longitudinal bewegten 1-D-Elementes zu erreichen, werden in bekannter Weise Spulenkörper eingesetzt, die über einen Antrieb in rotierende Bewegung versetzt werden. Eine andere Ausführung verwendet die ansich bekannten Reibräder bzw. Reibwalzen zur Übertragung der Bewegung. In einer weiteren Ausführung wird über eine mit einem Motor verbundene Antriebswelle, die mit dem 1-D-Element mehrfach schlupffrei umwickelt wird, das 1-D-Element aufgewickelt und auf der anderen Seite abgewickelt. Hierdurch wird die Verweilzeit des 1-D-Elements in einem Reaktor vergrößert bzw. zur Detektion eine vergrößerte, aus parallel angeordneten 1-D-Elementen bestehende Fläche erzeugt. Die Flächenvergrößerung ist besonders dann günstig, wenn Inhaltsstoffe nachgewiesen werden sollen, die nur in geringen Konzentrationen vorliegen, wie bei der Untersuchung von Gas bzw. Luftbestandteilen. Dieses erfindungsgemäße Prinzip wird vor allem für den Nachweis von Schadstoffen, Umweltgiften, chemischen und biologischen Kampfstoffen, Sprengstoff oder Rauschmittel in Räumen und im Freien im Sinne einer künstlichen Nase vorgeschlagen. Vorteilhaft an den 1-D-Anordnungen ist auch, dass durch oftmaliges Durchlaufen eines als geschlossene Schleife angeordneten 1-D-Elementes durch eine Beladungszone eine Aufkonzentrierung des Probenmaterials auf der Fadenoberfläche auftritt, wodurch beispielsweise im Fall einer analytischen Bestimmung die Empfindlichkeit des Nachweises des Probenmaterials durch eine 1-D-Festphasen-Analysenanordnung wesentlich erhöht wird. Anwendungsgebiete von so gestalteten 1-D-Analysenanordnungen könnte beispielsweise die Analyse von Lufträumen auf solche toxische Substanzen sein, die auf Grund ihres niedrigen Dampfdruckes nur in sehr geringen Konzentrationen vorkommen.

Die 1-D-Elemente sind als monofiler oder polyfiler Draht, Strick, Faden oder als Filament ausgebildet. Sie können ein von der Kreissymetrie abweichendes Profil beispielsweise ein ovales oder kleeblattförmiges Profil besitzen. Das Material der 1-D-Elementen kann entweder aus Naturfasern, wie Wolle oder Zellulosefasern, Flachs, Lein, Hanf, Baumwolle oder Regeneratfasern aus Protein oder Zellulose oder bevorzugt aus den aus durch niedere Tiere produzierten Gespinsten wie Seidenfäden, wie beispielsweise durch die Seidenspinnerlarve (Bombyx mori (L.), durch die Goldene Radnetzspinne (Nephila clavipes) oder aus Fibroin, gewonnen durch rekombinante Mikroorganismen bestehen wobei die Seidenfäden Durchmesser zwischen 12 und 25 μm aufweisen und können als Filament oder Zwirn eingesetzt werden oder aus Synthesefasern wie Polyethylen, Polystyrol, Polyacrylnitril, Polyamid, Polyester, Polyharnstoff Polyurethan oder Polyvinylchlorid, hydrophile Polymere wie Alginat, Acrylat oder Chitosan oder können auch aus durchsichtigem oder auch nicht durchsichtigem Glas, aus Metall oder Kohlenstoff bestehen.

Das 1-D-Element kann eine glatte aber auch eine mikroporöse oder nanoporöse durchgehende Struktur oder eine solche Oberflächenstruktur aufweisen. Die Poren können als Nanoporen in Form molekular „imprinted" Materialien (MIP's) vorliegen, die dann spezifische Edukte- oder Analyte-bindende Eigenschaften aufweisen.

Das 1-D-Element kann weiterhin magnetisiert oder magnetisierbar sein oder magnetische Partikel enthalten. Ein 1-D-Element mit magnetischen Eigenschaften kann mit magnetisch markierten Analyten, Edukten oder partikuläre Stoffe beladen und diese dann untersucht werden.

Die affine oder bioaffine Targetmoleküle liegen über die Längenausdehnung des 1-D-Elements homogen, heterogen, in einer festgelegter Reihenfolge oder abschnittsweise immobilisiert, fixiert oder adsorbiert vor.

In der Beladungszone können nicht nur Moleküle sondern auch Viren, Zellbestandteile, Organellen oder Mikroorganismen bioaffin gebunden und in den Reaktionszonen behandelt werden. Somit ist in einfacher Weise ist der Nachweis gefährlicher Keime in der Luft, in wässriger Umgebung und/oder auf Oberflächen möglich, wobei bei letzteren das 1-D-Element mit der zu untersuchenden Oberfläche in Kontakt gebracht wird. Die Beladung der 1-D-Elemente mit dem Analyten bzw. Edukt erfolgt, wenn bioaffine Bindungsprinzipien angewendet werden, meistens aus wässrigen Lösungen durch Kontakt des 1-D-Elementes mit der Flüssigkeit. Auch die Adsorption an Oberflächen ohne Anwesenheit flüssiger Phasen ist erfindungsgemäß, wenn weitere Reaktionszonen verbunden mit Richtungswechsel der Bewegung durchlaufen werden. Bei der Kontrolle von Gasen, insbesondere der Luft zum Nachweis von Inhaltsstoffen, beispielsweise von giftigen Substanzen, wird das Gas unter Anwesenheit von Wasser mit dem 1-D-Element kontaktiert oder die Beladung der 1-D-Elementen erfolgt in einer Beladungszone in der die Gasphase durch eine wässrige Reaktionszone strömt. Probennahme aus flüssigen Phasen kann aus Fermentationslösungen, Zellkulturen oder Körperflüssigkeiten gegebenenfalls nach Verdünnen aus Extrakten, Lysaten, Suspensionen von Zellbestandteilen, Organellen oder Zellen erfolgen. Erfindungsgemäß ist auch die Beladung aus lösemittelhaltigen Lösungen oder Suspensionen.

Durch spezifische Funktionalisierung kann die spezifische Bindung von Einzelsubstanzen als auch die Bindung von unterschiedlichen Substanzen mit Substanzgruppen spezifischen Eigenschaften, wie hydrophil oder hydrophob, oder von Substanzen mit aromatischen oder aliphatischen Eigenschaften oder mit vergleichbaren funktionellen Gruppen erfolgen.

Das Material der 1-D-Elemente kann mit einem zweiten Material wie Nitrozellulose beschichtet sein und ganze Substanzklassen so beispielsweise Proteine bevorzugt binden.

Die 1-D-Elemente können als langzeitstabile Transportform vorgehalten werden. Sie müssen dann vor dem Einsatz in dem Feststoffreaktor aktiviert werden.

Das funktionalisierte oder partiell funktionalisierte 1-D-Element kann in einer trockenen Transportform vorliegen, die vor Anwendung zuerst in einem Quellungszone aktiviert werden muß. Die langzeitstabile Transportform kann auch in einer feuchten, gegen bakteriellen Bewuchs geschützten Umgebung aufbewahrt werden. In diesem Fall entfällt der Quellungschritt.

Die Funktionalisierung kann in einer anderen Ausführung auch erst im Feststoffreaktor in einer Funktionalisierungszone erfolgen, durch die das 1-D-Element hindurchgeführt wird.

Die 1-D-Elemente können weiterhin durch allseitig geschlossene Vorrichtungen wie Kapillaren oder Röhren oder bevorzugt durch einseitig offene Führungen wie Kanäle oder auch über eine ebene Plattform bzw. eine als Array ausgebildete und mit Flüssigkeit gefüllten flachen miniaturisierten Wanne bewegt werden. Vorteilhaft an offenen Führungseinrichtungen ist, dass das 1-D-Element einfach eingelegt werden kann.

Die Erfindung soll, ohne dass sie dadurch einschränkt wird, an Hand der Abbildungen durch folgende Ausführungen näher erläutert werden:
In 1 wird in Seitenansicht schematisch das 1-D-Element, im Weiteren der Einfachheit wegen als Faden bezeichnet, von einer Spule 1 abgespult und nachdem es durch die Reaktorzonen bzw. Reaktionsgefäße 6, 7, 8, 9 in der Richtung 5 gezogen wurde, auf der Spule 2 aufgespult. Die für das Durchlaufen der flüssigkeitsgefüllten Reaktionsgefäße notwendigen Richtungsänderungen werden durch Umlenkrollen 4 erzeugt. Während die Reaktionszonen bzw. Reaktorgefäße 6, 8, 9 in der Zeichnung 1 stellvertretend für viele mögliche Funktionen dargestellt sind, ist die Reaktionszone 7 von Bedeutung. Sie ist für die Beladung mit den Inhaltsstoffen eines Gases, beispielsweise von Luft, die über die Zuleitung 10 in die flüssige Phase der Reaktionszone 7 eingeleitet wird ausgelegt. Die Inhaltsstoffe lösen sich in der flüssigen Phase oder werden im Fall von Partikeln oder Mikroorganismen in ihr suspendiert. Aus der flüssigen Phase heraus werden sie dann an den Faden gebunden bzw. der Faden wird mit ihnen beladen. In der Reaktionszone 6 kann beispielsweise die Quellung eines mit Antikörpern funktionalisierten Fadens erfolgen, der als langzeitstabiler, getrockneter, auf die Spule 1 aufgewickelter Faden vorliegen kann. In der Reaktionszone 8 erfolgt die Markierung mit einem zweiten, fluoreszenz-markierten Antikörper (Markierungszone) und in der Reaktionszone 9 ein Waschprozeß (Waschzone). Anschließend wird durch eine Lichtquelle 11 die Fluoreszenz des Fluroszenzmarkers angeregt und über den optischen Sensor 12 gemessen.
2 stellt in Seitenansicht das Schema eines als flachen, in der Regel flüssigkeitsgefüllten Trog dar, der damit eine wesentliche Voraussetzung für ein Anordnung in Form eines Arrays aufweist. Die Bewegungsrichtung des Fadens 3 wird durch Umlenkeinrichtungen, hier als Umlenkrollen 4 ausgebildet, in den Trog abgelenkt. Es erfolgen Parallelverschiebungen der Bewegungsrichtung 5 in den trogförmigen Reaktor.
3 demonstriert eine Antriebsmöglichkeit, um den Faden bzw. das 1-D-Element in longitudinaler Richtung zu transportieren. Der Faden 3 ist mit den Wicklungen 16 mehrfach um den Antriebszylinder 15 gewickelt. Durch die mehrfache Wicklung wird die Reibung so weit verstärkt, dass eine schlupffreie Übertragung der Rotationsbewegung in Richtung 17 des Zylinders auf den Faden erreicht wird und sich dieser in Richtung 5 bewegt. Die Achsen des Antriebszylinders 14 sind mit einem Antrieb, hier vermittelt durch Zahnräder 19 verbunden, durch die Rotationsenergie des Motors 18 übertragen wird.
4 stellt in Aufsicht schematisch eine Arrayanordnung dar, bei der die Fäden 3 parallel über eine ebene Reaktionsplattform 20 in Richtung 5 gezogen werden. Auf der Plattform können Reaktionen durchgeführt oder detektiert werden. So werden beispielsweise die Fäden durch Übertragen von Wärmeenergie getrocknet. Mit einer Lichtquelle, beispielsweise einem Laserstrahl wird der Faden bestrahlt, um Fluoreszenzmarker anzuregen. Als Abstandhalter fungieren kleine Zylinder oder Rollen 21, die auch Reibungswiderstand erzeugen, der die Fäden straff hält.
5 zeigt schematisch im Querschnitt eine Möglichkeit, die Fäden optisch zu detektieren. Die Fäden durchlaufen einen in eine Halbleiteranordnung aus p- und n-dotierten Halbleiterschichten 22 aufgebaut ist, in die ein Kanal 24 eingesägt ist, dessen eine Wand 23 als Lichtaktor und die gegenüberliegende Wand 26 als Lichtsensor wirkt (Kanalstrahlung). An ein im Kanal 24 befindlicher Faden kann mit dieser Vorrichtung die Fluoreszenz eines Markers angeregt und detektiert werden.
6 zeigt das Schema einen stationär angeordneten Lichteinkoppler, bestehend aus einen weitgehend parallelisierten Lichtbündel 28, welches in der abgebildeten Ausführung als Lichtleiter 27 Licht in den als Lichtleiter ausgebildeten in Richtung 5 beweglichen Faden bzw. 1-D-Element 3 einkoppelt. Das eingekoppelte Licht 32 wird durch Totalreflexion im Inneren des Fadens weitergeleitet. Der Übergang von Fremdlicht in den links davon befindlichen Meßraum wird durch eine Blende 31 verhindert. Das in den Faden eingestrahlte Licht führt an dem auf der Oberfläche des Fadens befindlichen fluoreszierenden Marker 29 zur Emission von Fluoreszenzlicht 30.
7 zeigt das Schema einer Reaktorsystems, mit dessen Hilfe evolutionärer Prozesse DNA-Antikörper bzw. Aptamere, welches bioaffin mit einem Antigen wechselwirken, hergestellt werden können.
Die in der Desorptionszone 33 desorbierten DNA-Moleküle fließen zusammen mit den Edukten der kontinuierlichen DNA-Amplifikation in einem kontinuierlich amplifizierenden sogenannten Conticycler 35. Dieser arbeitet im Gegensatz zu den in der Regel batch-weise verlaufenden Polymerase-Ketten-Reaktionen (PCR) nach einem Prinzip, welches die Einstellung eines Fließgleichgewichtes in einen homogen durchmischten Amplifizierungsreaktors anstrebt. Die mit einer bestimmten Mutationsrate bzw. einer einstellbaren Ungenauigkeit bzw. Mutationsrate amplifizierten DNA-Moleküle fließen in die Adsorptionszone 36. Durch die Adsorberzone 36 bewegt sich der mit einem Antigen beladene Faden in Richtung 5. Dieser belädt sich bevorzugt mit den fehlerhaft amplifizierten DNA-Molekülen, die eine höhere Affinität zu dem an dem 1-D-Element fixierten Antigen besitzen. In einer Waschzone 37 werden die nicht so fest gebundenen DNA-Moleküle entfernt. Der Faden wird weiter mit Hilfe des Antriebs 15 in die Desorptionszone 33 transportiert. Die DNA-Spezies mit Aptamerencharakter werden desorbiert und gelangen wieder in den Conticycler, wo sie wieder amplifiziert bzw. vermehrt werden. Das 1-D-Element erfüllt bei dieser Anordnung die Funktionen stoffspezifische Selektion und Transport.
Bei häufigem Durchlaufen der evolutionären Cyclen reichern sich DNA-Spezies an, die eine immer höhere Affinität zu dem Antigen aufweisen.

Claims

Festphasenreaktor-System aus einem annähernd eindimensional geformten beweglichen 1-D-Element mit einer Querschnittsabmessung (größte Ausdehnung) im Bereich zwischen 1 μm und 1 mm, an dessen Oberflächen affine, bioaffine, substratspezifische oder substratgruppenspezifische Targetmoleküle oder stoffbindende Strukturen vorhanden sind, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element in longitudinaler Richtung kontinuierlich durch mindestens drei örtlich voneinander getrennte Reaktionszonen bewegt wird, in denen an den Targetmolekülen oder stoffbindenden Strukturen im bewegten Zustand gleichzeitig und örtlich hintereinander Reaktionen zur Durchführung von Stoff- bzw. Informationsübertragung, Stoffbindungen, Stoffgewinnung, Stoffwandlung, Stoffreinigung oder Analyse bzw. Detektion ablaufen.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass physikalische, chemische oder biochemische Reaktionen durchgeführt werden.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Reaktionen bei Anwesenheit von Wasser oder von wässrigen Phasen durchgeführt werden.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element während der longitudinalen Bewegung einer oder mehrerer der nachfolgend aufgeführten Reaktionen wie in einer Quellungszone angequollen, in einer Beladungszone mit Probenmaterial beladen, in einer Waschzone mit Pufferlösungen gewaschen, in einer Blockierungszone nicht abgesättigte bioaffine Targetmoleküle blockiert, in einer Markierungszone mit einem Marker markiert, in einer Temperierungszone temperiert, in einer Detektionszone detektiert, in einer Regenerationszone Eigenschaften wiederhergestellt oder adsorbierte Moleküle oder Partikel in einer Desorptionszone desorbiert werden.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Detektion von Analyten oder Partikeln auf dem mit ihnen beladenen 1-D-Element durch Lichtstreuung, Lichtbeugung, Fluoreszenz, Magnetismus, Leitfähigkeit oder Extinktion erfolgt.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Bewegung in longitudinaler Richtung mit gleichbleibender Geschwindigkeit erfolgt.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Bewegung des 1-D-Elementes durch Beschleunigungsphasen bzw. Stillstandsphasen unterbrochen wird.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, das das 1-D-Element in der longitudinale Richtung zurück bzw. hin und her bewegt wird.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element eine geschlossene Schleife bildet.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element als monofiler oder polyfiler Draht, Strick, Faden oder Filament ausgebildet ist.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element eine von der Kreissymetrie abweichendes Profil aufweist.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Material des 1-D-Elements aus Naturfasern tierischer Herkunft wie Wolle oder Zellulosefasern wie Flachs, Lein, Hanf, Baumwolle oder aus Regeneratfasern aus Protein oder Zellulose besteht.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element aus durch Tiere produzierten Gespinsten wie Seidenfäden, wie beispielsweise durch die Seidenspinnerlarve (Bombyx mori (L.), durch die Goldene Radnetzspinne (Nephila clavipes) oder aus Fibroin, dass mit Hilfe von rekombinanten Mikroorganismen gewonnen und als Filament oder Zwirn eingesetzt wird, besteht.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element aus Synthesefasern wie Polyethylen, Polystyrol, Polyacrylnitril, Polyamid, Polyester, Polyharnstoff Polyurethan, Polyvinylchlorid oder aus hydrophilen Polymeren wie Alginat, Acrylat oder Chitosan besteht.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element in einem durch Wasser gequollen Zustand vorliegt.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element aus anorganischen Fasern wie Glas, Metall oder Kohlenstoff besteht.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element eine mikroporöse oder nanoporöse Struktur aufweist oder aus unterschiedlich strukturierten Materialen zusammengesetzt ist.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element magnetisiert oder magnetisierbar ist.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass magnetische Kräfte zur Übertragung von Kräften auf das 1-D-Element genutzt werden.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element mit magnetisch markierten Edukten, Analyten oder partikulären Stoffen beladen wird.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass magnetorestriktive Widerstände zur Detektion eingesetzt werden.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass ein oder mehrerer affine oder bioaffine Targetmoleküle mit unterschiedlicher Targetspezifität oder unterschiedliche Bindungszonen über die Längenausdehnung des 1-D-Elements homogen, heterogen oder abschnittsweise verteilt sind.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass in der Beladungszone Viren, Zellbestandteile, Membranen, Organellen oder Mikroorganismen bioaffin gebunden werden.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass mit dem System Fermentationslösungen, Zellkulturen oder Körperflüssigkeiten, Extrakte, Lysate oder wässrige oder wasserhaltige Suspensionen von Feststoffen wie Zellbestandteilen, Organellen, Zellen Böden, Nahrungsmittel, Arzneimittel, Chemikalien, Toxine oder Schlämmen sowie Gase untersucht werden.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass eine gemeinsame Bindung von unterschiedlichen Substanzen oder miteinander verwandten Substanzgruppen oder Substanzen mit vergleichbaren Bindungseigenschaften erfolgt.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Material des 1-D-Elements mit Nitrozellulose beschichtet ist.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Beladung des 1-D-Elements in der Beladungszone mit den Inhaltstoffen einer zu untersuchenden Gasphase in Anwesenheit einer wässrigen Phase erfolgt.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Beladung des 1-D-Elements in einer Beladungszone mit den Inhaltstoffen einer Gasphase in einem durch die Gasphase durchströmten wässriger Reaktionszone erfolgt.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass lösemittelhaltige Lösungen oder Suspensionen untersucht werden.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere parallel verlaufende 1-D-Elementen in Arrayform angeordnet sind.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element durch hohle Anordnungen wie Kanäle, Kapillaren und Röhren bewegt wird.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element durch einen eingetieften mit einer flüssigen Phase gefüllten Behälter bewegt wird.
Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass ein oder mehrere 1-D-Elementen über eine Reaktionsplattform bewegt werden.