DE102007012866A1

DE102007012866A1 - Flusskanalsystem und Verfahren zum Anbinden von Analyten an Liganden

Info

Publication number: DE102007012866A1
Application number: DE102007012866A
Authority: DE
Inventors: Frank Sonntag; Florian Mehringer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2008-09-18
Also published as: WO2008110147A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Flusskanalsystem und ein Verfahren zum Anbinden von Analyten an Liganden. Für die Detektion und Untersuchungen mit chemischen, biochemischen Molekülen und Partikeln werden üblicherweise miniaturisierte Flusskanäle eingesetzt, in denen eine zu analysierende flüssige Probe, in der mindestens ein Analyt enthalten ist, mit einem Liganden, als spezifischem Bindungspartner, in Verbindung gebracht werden soll. Aufgabe der Erfindung ist es, Möglichkeiten vorzuschlagen, mit denen eine effektivere Anbindung von in flüssigen Proben enthaltenen Analyten an auf Oberflächen von Messflächen immobilisierten Liganden erreicht werden kann, wobei das erforderliche Volumen einer flüssigen Probe möglichst klein gehalten werden soll. Ein erfindungsgemäßes Flusskanalsystem ist so aufgebaut, dass durch einen Flusskanal, in dem mindestens eine Messfläche, auf der mindestens ein Ligandtyp immobilisiert ist, angeordnet ist. Durch den Flusskanal wird eine inerte Flüssigkeit hindurchgeführt, die einen Hauptstrom bildet. Im Flusskanal ist mindestens eine Zuführung für eine flüssige Probe vorgesehen und so angeordnet, dass die flüssige Probe die Messfläche(n) direkt überströmt und darüber einen Flüssigkeitsfilm bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Flusskanalsystem und ein Verfahren zum Anbinden von Analyten an Liganden.
Für die Detektion und Untersuchungen mit chemischen, biochemischen Molekülen und Partikeln werden üblicherweise miniaturisierte Flusskanäle eingesetzt, in denen eine zu analysierende flüssige Probe, in der mindestens ein Analyt enthalten ist, mit einem Liganden, als spezifischem Bindungspartner, in Verbindung gebracht werden soll. Dabei werden die jeweiligen Liganden auf Messflächen an deren Oberfläche immobilisiert, um später an solche Liganden gebundene Analyten untersuchen zu können. Dabei kann auch eine quantitative oder qualitative Detektion von in flüssigen Proben enthaltenen Analyten durchgeführt werden.
Die für die Anbindung von Analyten an Liganden erforderliche Reaktion hängt aber stark von den Strömungsverhältnissen im jeweiligen Flusskanal oberhalb der Messfläche ab. Da die Reaktion für die Bindung häufig wesentlich schneller als der Transport von Analyten aus der jeweiligen flüssigen Probe beim Strömen über die Oberfläche der Messfläche abläuft. Der Analyttransport erfolgt dabei im Wesentlichen durch Konvektion und Diffusion. Es bildet sich in der Nähe der Oberfläche einer Messfläche eine Schicht aus, in der nur noch die Diffusion vorliegt (Nernstsche-Diffusionsschicht). Der Analyttransport wird dadurch aber stark eingeschränkt, wobei mit steigender Dicke einer solchen Diffusionsschicht sich dieser Effekt noch verstärken kann.
So wird in EP 1 021 703 B1 vorgeschlagen, zwei laminare Strömungen innerhalb einer Durchflussküvette auszubilden, die gemeinsam in derselben Richtung über die Sensoroberfläche mit einer Grenzfläche zueinander strömen, wobei die Grenzfläche parallel zur Strömungsrichtung verläuft und zumindest ein Sensibilisierungsfluid die Sensoroberfläche sensibilisieren kann. Die Sensibilisierungsfluide strömen dabei nebeneinander über Messflächen. Es erfolgt dabei keine vorteilhafte Beeinflussung der Diffusion und Anbindung.
Aus EP 1 082 601 B1 ist ein Durchfluss-Scheranalysator zur Messung der Adsorptions-, Desorptions- und Reaktionskinetik von Molekülen mit signalgebenden Eigenschaften an Oberflächen bekannt. Dabei soll eine Volumeneinheit eines mit einer flüssigen Probe nicht mischbaren Fluids in den Detektionsbereich gebracht werden, um den Querschnitt stark zu reduzieren. So soll auch die Nernstsche- Diffusionsschicht in ihrer Dicke reduziert werden. Nachteilig ist es dabei aber, dass dies nur sehr lokal begrenzt erreicht werden kann. Bei Einsatz von Gasblasen als ein solches mit einer flüssigen Probe nicht mischbaren Fluids kann die Verbindung von Analyten und Liganden an der Oberfläche von Messflächen geschädigt werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten vorzuschlagen, mit denen eine effektivere Anbindung von in flüssigen Proben enthaltenen Analyten an auf Oberflächen von Messflächen immobilisierten Liganden erreicht werden kann, wobei das erforderliche Volumen einer flüssigen Probe möglichst klein gehalten werden soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Flusskanalsystem, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Dabei kann mit einem Verfahren gemäß Anspruch 9 gearbeitet werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Allgemein kann noch ausgesagt werden, dass für eine verbesserte Anbindung die Dicke einer Nernstschen Diffusionsschicht klein gehalten werden sollte, um durch einen kurzen Diffusionsweg eine schnelle Nachführung von Analyten aus der flüssigen Probe zu ermöglichen. Eine geringe Dicke der Nernstschen-Diffusionsgrenzschicht kann mit einer ausreichend großen Strömungsgeschwindigkeit im Bereich von Messflächen erreicht werden.
Für eine hohe Ausbeute sollte die Nernstschen- Diffusionsgrenzschicht mit dem Volumen an flüssiger Probe klein gehalten sein. Sie sollte aber größer als die Nernstschen-Diffusionsgrenzschicht sein. Dabei sollte auch berücksichtigt sein, dass während der kurzen Verweilzeit oberhalb von Messflächen eine Diffusion vom Rand der Schicht bis zur Messfläche möglich ist. Bei der Wahl der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich von Messflächen sollte aber beachtet werden, dass es in Folge von wirkenden Scherkräften nicht zum Lösen bereits erreichter Anbindungen kommen kann.
Ein erfindungsgemäßes Flusskanalsystem zum Anbinden von Analyten, die in flüssigen Proben enthalten sind, mit an auf Oberflächen von Messflächen immobilisierten für den jeweiligen Analyten spezifischen Liganden ist so aufgebaut, dass durch einen Flusskanal, in dem mindestens eine Messfläche, auf der mindestens ein Ligandtyp immobilisiert ist, angeordnet ist. Durch den Flusskanal wird eine inerte Flüssigkeit hindurchgeführt, die einen Hauptstrom bildet. Im Flusskanal ist mindestens eine Zuführung für eine flüssige Probe vorgesehen und so angeordnet, dass die flüssige Probe die Messfläche (M) direkt überströmt. Unter interter Flüssigkeit, die für die Ausbildung des Hauptstromes durch den Flusskanal hindurchgeführt werden soll, soll eine Flüssigkeit verstanden werden, die keine Reaktionen mit der flüssigen Probe und darin enthaltenen Analyten ermöglicht. Außerdem sollte eine solche inerte Flüssigkeit nicht bzw. nur sehr schwer in der flüssigen Probe oder auch umgekehrt gelöst werden können. Außerdem sollten auch keine Reaktionen mit dem jeweiligen Liganden erfolgen können.
Am Flusskanalsystem sollte eine Zuführung für eine flüssige Probe so angeordnet und ausgebildet sein, dass die flüssige Probe die jeweilige(n) Messfläche(n) vollflächig überströmen kann. Dementsprechend sollte eine Zuführung für eine flüssige Probe senkrecht zur Strömungsrichtung eine Breite aufweisen, die mindestens der Breite einer jeweiligen Messfläche entspricht.
Außerdem sollte eine Zuführung in einen Flusskanal eines erfindungsgemäßen Flusskanalsystems so angeordnet sein, dass flüssige Probe in einen Bereich des Flusskanals zugeführt wird, in dem die inerte Flüssigkeit als Hauptstrom, mit bevorzugt laminarer Strömung, bereits ausgebildet ist. Dadurch kann ein mit der inerten Flüssigkeit ausgebildeter Hauptstrom die flüssige Probe verdrängen und diese so direkt über die Messfläche strömen lassen, wobei mit der flüssigen Probe ein geschlossener von inerter Flüssigkeit des Hauptstroms freier Flüssigkeitsfilm oberhalb der Oberfläche von Messflächen ausgebildet werden kann.
Der durch den Flusskanal hindurch geführte Hauptstrom sollte eine höhere Strömungsgeschwindigkeit als die dem Flusskanal zugeführte flüssige Probe aufweisen. Allein oder zusätzlich trifft dieser Sachverhalt und das entsprechende Verhältnis auch auf die jeweiligen Volumenströme von Hauptstrom und flüssiger Probe zu, wobei die Wahl eines größeren Hauptstromvolumenstroms zu bevorzugen ist. Die Strömungsgeschwindigkeit könnte bei kleinen Probenzuführungsdurchmessern mit kleinen Volumenströmen gleich oder die Strömungsgeschwindigkeit der zugeführten flüssigen Probe ggf. sogar größer als die des Hauptstroms sein. Dadurch kann erreicht werden, dass die flüssige Probe mit dem durch den Flusskanal hindurch strömenden Hauptstrom beschleunigt und so deren Strömungsgeschwindigkeit im Flusskanal beim Überströmen einer Messfläche erhöht werden kann. Außerdem kann die Dicke einer Schicht der über eine Oberfläche von Messflächen strömenden flüssigen Probe sehr klein gehalten werden, um den Transport von Analyten durch Diffusionseffekte in Richtung Oberfläche der Messfläche zu den dort immobilisierten jeweiligen spezifischen Liganden verbessern und die für die Anbindung von Analyten an Liganden erforderliche Zeit verkürzen zu können.
Der Abstand einer Zuführung für flüssige Probe zu einer jeweiligen Messfläche, in Strömungsrichtung betrachtet, sollte dabei möglichst klein gehalten sein, um eine gegebenenfalls mögliche Diffusion von Analyten in den Hauptstrom möglichst klein halten zu können, wenn nicht gar zu vermeiden.
Volumenstrom und Strömungsgeschwindigkeit für den Hauptstrom sollten so gewählt werden, dass auch unter Berücksichtigung des jeweiligen Volumenstroms an zugeführter flüssiger Probe mit dem Hauptstrom im Bereich von Messflächen der Hauptstrom den freien Querschnitt des Flusskanals zu mindestens 70 bevorzugt mindestens 90% ausfüllt, um eine möglichst geringe Filmschichtdicke der über die Oberfläche von Messflächen strömenden flüssigen Probe einhalten zu können.
Als geeignete inerte Flüssigkeit für die Ausbildung eines Hauptstroms in einem Flusskanal können Pufferlösungen, Leichtöle (Tetradecan), Mineralöl oder Perfluride eingesetzt werden.
Wie bereits angedeutet, sollte der Volumenstrom des Hauptstroms größer als der Volumenstrom der in den Flusskanal eingeführten flüssigen Probe sein, die dann mit dem Hauptstrom beschleunigt werden kann. So sollte der Volumenstrom des Hauptstroms mindestens dem 1,5-fachen des Volumenstroms der über die Zuführung in den Flusskanal eingeführten flüssigen Probe entsprechen.
Günstig ist es außerdem, die flüssige Probe in einem schräg geneigten Winkel in den Flusskanal einzuführen, wofür die Zuführung außerhalb des Flusskanals entsprechend geneigt werden kann. Die Neigung einer solchen Zuführung sollte aber in Bezug zum Flusskanal einen spitzen Winkel entgegen gesetzt zur Strömungsrichtung bilden.
Mit einer gesteuerten Pumpe kann die Zufuhr einer flüssigen Probe in dosierter Form erfolgen und ein jeweils gewünschtes Verhältnis der Volumenströme von Hauptstrom und flüssiger Probe eingehalten werden. Dies trifft sinngemäß natürlich auch auf die jeweiligen Strömungsgeschwindigkeiten von Hauptstrom und flüssiger Probe beim Eintritt der flüssigen Probe in den Flusskanal zu.
Vorteilhaft ist es außerdem, die flüssige Probe über eine semipermeable Membran oder ein Mikrosieb in den Flusskanal einzuführen, um beispielsweise eine Zufuhr von Gasbläschen in einen Flusskanal vermeiden zu können.
Mit der Erfindung kann ein verbesserter und verkürzter Transport von Analyten aus der flüssigen Probe und dementsprechend auch eine in kürzerer Zeit erreichbare Anbindung an jeweilige spezifische Liganden erreicht werden. Dies betrifft auch die erforderliche Zeit bis zum Erreichen eines Sättigungsgrades. Es lassen sich auch entsprechend verkürzte Detektionszeiten und höhere Messsignalwerte bei einer entsprechend durchgeführten Detektion erreichen.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 in schematischer Form und in Seitenansicht ein erfindungsgemäß ausgebildetes Flusskanalsystem;
2 eine schematische Darstellung in Draufsicht eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Flusskanalsystems. und
3 in schematischer Form ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Flusskanalsystems in Seitenansicht.
In 1 ist eine schematische Seitenansicht eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Flusskanalsystems dargestellt. Dabei wird von der hier links dargestellten Seite eine inerte Flüssigkeit, als Hauptstrom 2, in einen Flusskanal 1 eingeführt. Dort füllt der Hauptstrom 2 den gesamten freien Querschnitt des Flusskanals 1 aus. In Strömungsrichtung dahinter liegend ist eine Zuführung 5 für eine flüssige Probe 2 vorgesehen, die in einem schräg geneigten Winkel ausgerichtet ist. In Strömungsrichtung hinter der Zuführung 5 ist eine Messfläche 4 innerhalb des Flusskanals 1 in einem kurzen Abstand zur Mündung der Zuführung 5 in den Flusskanal 1 angeordnet. Die flüssige Probe 3 wird mit einem reduzierten Volumenstrom und möglichst auch geringerer Strömungsgeschwindigkeit, als denen des Hauptstroms 2 in den Flusskanal 1 zugeführt und dabei wird die Strömungsgeschwindigkeit der flüssigen Probe 2 und auch die Strömungsgeschwindig keit des Hauptstroms 2 erhöht, da durch die zugeführte flüssige Probe 3 quasi eine Querschnittsreduzierung innerhalb des Flusskanals 1 erreicht wird. Die flüssige Probe 3 überströmt dabei als geschlossener Film die Oberfläche der Messfläche 4, an der jeweilige spezifische Liganden immobilisiert worden sind. Aus der flüssigen Probe 3 erfolgt dann eine Anbindung von in der flüssigen Probe 3 enthaltenen Analyten an die vorab immobilisierten Liganden auf der Messfläche 4. Wird ein kleiner Volumenstrom an flüssiger Probe 3 zugeführt kann die Strömungsgeschwindigkeit auch gleich sein.
Mit 2 soll in einer Draufsicht-Darstellung verdeutlicht werden, dass eine Zuführung 5 für flüssige Probe 3 so angeordnet, ausgebildet und ausgerichtet ist, dass die aus der Zuführung 5 in den Flusskanal 1 eingeführte flüssige Probe 3 zumindest die gesamte Oberfläche einer innerhalb des Flusskanals 1 ausgebildeten und dort angeordneten Messfläche 4 überströmt. Die Zuführung 5 ist dabei senkrecht zur Strömungsrichtung des Hauptstroms 2 ausgerichtet.
Das in 3 gezeigte Beispiel eines erfindungsgemäßen Flusskanalsystems ist an der Zuführung 5 mit einer semipermeablen Membran oder einem Mikrosieb 6 versehen worden, über die eine flüssige Probe 3, hier als Tropfen dargestellt, in den Flusskanal 1 in Strömungsrichtung vor der Messfläche 4 zugeführt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1021703 B1 [0004]
- EP 1082601 B1 [0005]

Claims

Flusskanalsystem zum Anbinden von Analyten an Liganden, mit mindestens einer Messfläche (4), auf der mindestens ein Ligandtyp immobilisiert ist, an den mindestens ein in einer flüssigen Probe (3) enthaltener Analyt anbinden soll, dabei durch einen Flusskanal (1) ein mit einer inerten Flüssigkeit gebildeter Hauptstrom (2) geführt ist, und in Strömungsrichtung vor der/den Messfläche(n) (4) eine Zuführung (5) für die flüssige Probe (3), so angeordnet ist, dass die flüssige Probe (3) die Messfläche(n) (4) direkt überströmt.
Flusskanalsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung (5) so angeordnet und ausgebildet ist, dass die flüssige Probe (3) die Messfläche(n) (4) vollflächig überströmt.
Flusskanalsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung (5) der flüssigen Probe (3) über eine semipermeable Membran oder ein Mikrosieb (6) erfolgt.
Flusskanalsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Volumenstrom des Hauptstroms (2) größer, als die/der der flüssigen Probe (3) ist/sind.
Flusskanalsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Probe (3) mittels einer gesteuerten Pumpe zuführbar ist.
Flusskanalsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptstrom (2) den freien Querschnitt des Flusskanals (1) im Bereich der Messfläche(n) (4) zu mindestens 70% ausfüllt.
Flusskanalsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die inerte Flüssigkeit eine Pufferlösung, ein Leichtöl, ein Mineralöl oder Perflurid ist.
Flusskanalsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung (5) für flüssige Probe (3) im Flusskanal (1) so angeordnet ist, dass die flüssige Probe (3) in einen Bereich des Flusskanals (1) einströmt, in dem ein Hauptstrom (2) ausgebildet ist.
Verfahren zur Anbindung von Analyten an Liganden mit einem Flusskanalsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einer inerten Flüssigkeit gebildeter Hauptstrom (2) durch einen Flusskanal (1) strömt, eine flüssige mindestens einen Analyten enthaltende flüssige Probe (3) in Strömungsrichtung vor mindestens einer im Flusskanal (1) angeordneten Messfläche (4) auf der mindestens ein Ligandtyp immobilisiert ist, zugeführt wird, so dass der Hauptstrom (2) die flüssige Probe (3) so verdrängt, dass sie direkt über die Messfläche(n) (4) strömt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des Hauptstroms (2) größer, als der Volumenstrom der zugeführten flüssigen Probe (3) ist erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Probe mindestens vollflächig über die Messfläche(n) strömt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptstrom (2) mit einem Volumenstrom, der mindestens dem 1,5-fachen des Volumenstroms der flüssigen Probe (3) entspricht, durch den Flusskanal (1) geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Probe (3) mit einem Volumenstrom, der kleiner als der Volumenstrom des Hauptstroms (2) ist, zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Probe (3) in einem schräg geneigten Winkel dem Flusskanal (1) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Probe (3) in den Flusskanal (1) so eingeführt wird, dass sich oberhalb der Messfläche(n) (4) ein geschlossener von inerter Flüssigkeit des Hauptstroms (2) freier Flüssigkeitsfilm ausbildet.