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Dokumentenidentifikation DE102006024355A1 22.11.2007
Titel Mikrofluidische Anordnung zur Detektion von in Proben enthaltenen chemischen, biochemischen Molekülen und/oder Partikeln
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Erfinder Sonntag, Frank, Dipl.-Ing., 09130 Chemnitz, DE
Vertreter PFENNING MEINIG & PARTNER GbR, 01217 Dresden
DE-Anmeldedatum 19.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006024355
Offenlegungstag 22.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse G01N 33/50(2006.01)A, F, I, 20060519, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B01L 3/00(2006.01)A, L, I, 20060519, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische Anordnung zur Detektion von in Proben enthaltenen chemischen, biochemischen Molekülen und/oder Partikeln. Die Detektion kann dabei bevorzugt optisch/massesensitiv durchgeführt werden. Aufgabe der Erfindung ist es, das Anbindungsverhalten von zu detektierenden Molekülen und/oder Partikeln an Fängermoleküle oder Fängersubstanzen zu verbessern. Bei der Erfindung wird in einer mikrofluidischen Anordnung eine flüssige, chemische, biochemische und/oder Partikel enthaltende Probe durch mindestens einen Messkanal in strömender Form geführt. Am Boden eines Messkanals sind dann spezifische Fängermoleküle und/oder Fängersubstanzen immobilisiert, über die die flüssige Probe strömt. Zusätzlich sind aber innerhalb des Messkanals Barriereelemente vorhanden. Die Barriereelemente sind dabei so angeordnet und ausgerichtet, dass sie zumindest bei einem Teil der strömenden flüssigen Probe die Strömungsrichtung verändern. So kann ein Teil der Probe den Messkanal über seine gesamte Länge im Wesentlichen nicht parallel zur Längsachse des Messkanals durchströmen. Dadurch verlängern sich der dabei zurückzulegende Weg und die Verweilzeit beim Durchströmen des Messkanals.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische Anordnung zur Detektion von in Proben enthaltenen chemischen, biochemischen Molekülen und/oder Partikeln. Die Detektion kann dabei bevorzugt optisch/massesensitiv durchgeführt werden. Dabei sollen in flüssigen Proben enthaltene Analyten detektiert werden können, wie dies z.B. bei Immunoassays oder einer DNA-Analyse erforderlich ist. Sie kann bei so genannten Lab-on-a-Chip-Systemen eingesetzt werden.

An sich bekannte Messverfahren sind hierfür Fluoreszenzimmunoassays oder auch SPR-Systeme. Dabei wird bei letzteren dass Oberflächen-Plasmonen-Resonanz-Prinzip ausgenutzt.

Die Detektion wird so durchgeführt, dass Fängermoleküle oder Fängersubstanzen lokal definiert auf einer Oberfläche, beispielsweise dem Boden eines Messkanals immobilisiert werden, so dass eine ortsaufgelöste Detektion für einen oder mehrere Analyten erfolgen kann. Eine flüssige Probe sowie ggf. auch eine Spülflüssigkeit oder Puffer-Lösung überströmen die immobilisierte Oberfläche. Dabei können jeweilige Moleküle oder auch Partikel an den spezifischen vorab immobilisierten Fänger anbinden (hybridisieren) und dann lokal definiert detektiert werden.

Die lokale Immobilisierung der Fänger kann in unterschiedlichster Anordnung erfolgen, wobei im Falle von SPR-Systemen eine streifenförmige, auch als Messstreifen bezeichnete Ausbildung bevorzugt ist. Dies ist beispielsweise in DE 103 24 973 A1 beschrieben.

Eine flüssige Probe durchströmt dabei einen Messkanal in seiner Längsrichtung, auf dessen Boden auch die jeweiligen Fänger in streifenförmiger Anordnung immobilisiert sind. Die Messstreifen sind dabei parallel zueinander und senkrecht zur Längsachse des Messkanals ausgerichtet. Dabei können bis ca. 50 Messstreifen vorhanden sein. Sie können eine Breite und einen Abstand zueinander von jeweils ca. 0,1 mm aufweisen. Ihre Länge kann dabei bei ca. 3 mm liegen.

Besondere Probleme stellt aber die Anbindung der jeweiligen Moleküle oder auch Partikel an ihre spezifischen Fänger dar. Hierzu sollte die flüssige Probe unter günstigen Bedingungen die jeweiligen Fänger überströmen und möglichst gleichzeitig vermischt werden.

Hierzu gibt es mehrere Lösungsansätze. So wird beispielsweise eine Vermischung in einer Kammer durch eine externe Pumpe erreicht, die an die Kammer angeschlossen ist.

Bei einer anderen bekannten Lösung wird neben der flüssigen Probe eine definierte Luftblase in eine Kammer eingeschlossen. Durch Drehung der Kammer bewegt sich auch die Luftblase und die flüssige Probe soll dadurch vermischt werden. Dadurch sind aber der Miniaturisierung Grenzen gesetzt und auch größere Probenvolumina erforderlich.

In all diesen Fällen gelingt es jedoch nur bedingt eine ausreichend hohe Anbindungsrate von Analyten an vorab immobilisierte spezifische Fänger zu erreichen, so dass Messfehler nicht vermieden werden können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung das Anbindungsverhalten von zu detektierenden Molekülen und/oder Partikeln an Fängermoleküle oder Fängersubstanzen zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.

Bei der Erfindung wird in einer mikrofluidischen Anordnung eine flüssige, chemische, biochemische und/oder Partikel enthaltende Probe durch mindestens einen Messkanal in strömender Form geführt. Am Boden eines Messkanals sind dann spezifische Fängermoleküle und/oder Fängersubstanzen immobilisiert, über die die flüssige Probe strömt. Zusätzlich sind aber innerhalb des Messkanals Barriereelemente vorhanden. Die Barriereelemente sind dabei so angeordnet und ausgerichtet, dass sie zumindest bei einem Teil der strömenden flüssigen Probe die Strömungsrichtung verändern. So kann ein Teil der Probe den Messkanal über seine gesamte Länge im Wesentlichen nicht parallel zur Längsachse des Messkanals durchströmen. Dadurch verlängern sich der dabei zurück zu legende Weg und die Verweilzeit beim Durchströmen des Messkanals.

Die Barriereelemente sollten dabei in einem Winkel zwischen 1 und 90° in Bezug zur Längsachse des Messkanals ausgerichtet sein, wobei größere Winkel bevorzugt sind. Es kann eine geradlinige Gestalt von Barriereelementen aber auch eine konvexe oder konkave gewählt werden.

Die Barriereelemente sollten vorteilhaft so ausgebildet sein, dass an einem stirnseitigen Ende kein vollständiger Verschluss des Messkanals auftritt. Barriereelemente können hiezu von einem Seitenrand des Messkanals ausgehend ausgebildet sein und das gegenüberliegende stirnseitige Ende in einem Abstand zum gegenüberliegenden Seitenrand des Messkanals angeordnet sein. Werden solche Barriereelemente dann alternierend wechselnd an einem Messkanal vorgesehen und dabei ein nachfolgend angeordnetes Barriereelement von einem Seitenrand, der dem Seitenrand des Messkanals gegenüberliegt von dem das vorhergehende Barriereelement ausgeht, ausgebildet, wechselt ein Teil der flüssigen Probe beim Durchströmen des Messkanals dementsprechend die Strömungsrichtung. Bei einer Ausrichtung von Barriereelementen mit einem großen Winkel und insbesondere bei einem Winkel von 90 ° in Bezug zur Längsachse des Messkanals durchströmt Probenflüssigkeit den Messkanal mäanderförmig.

Besonders vorteilhaft ist es, die Barriereelemente so zu gestalten und zu dimensionieren, dass zwischen Barriereelementen und Boden des Messkanals ein freier Spalt verbleibt, durch den ein Teil der flüssigen Probe strömen kann und dabei im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Messkanals strömt.

Dabei können Barriereelemente beispielsweise an einem Deckelelement ausgebildet oder an diesem befestigt sein, das den Messkanal von oben verschließt. Die Barriereelemente ragen dann von oben in den Messkanal hinein.

Durch die mögliche Beeinflussung der Strömungsverhältnisse beim Durchströmen der flüssigen Probe durch einen Messkanal, kommt es in Folge der Änderungen der Strömungsrichtung und/oder Strömungsgeschwindigkeit, die mit Barriereelementen erreichbar sind, zu einer besseren Vermischung der flüssigen Probe mit darin enthaltenen Analyt(en).

Insbesondere wenn die erfindungsgemäße Anordnung an einem System, wie es aus z.B. DE 103 24 973 A1 bekannt ist, eingesetzt werden soll, ist es günstig bei streifenförmiger Immobilisierung von Fängermolekülen und/oder -substanzen, Barriereelemente in Zwischenräumen von benachbart angeordneten Messstreifen anzuordnen.

Für die Anbindung an Fänger ist es ebenfalls vorteilhaft eine Temperiervorrichtung vorzusehen. Dadurch kann eine besonders geeignete Temperatur eingestellt werden, die beispielsweise bei DNA-Analysen bei ca. 60 °C liegen sollte. Hierfür kann beispielsweise ein Wärmetauscher an einer erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehen sein. Durch einen solchen Wärmetauscher kann dann ein entsprechend temperiertes Fluid, beispielsweise erwärmtes Wasser geführt werden.

Eine Temperiervorrichtung kann aber auch mit mindestens einem Heiz- oder Peltierelement gebildet sein. Dabei sollte der Betrieb aber in geregelter Form erfolgen können.

Eine Temperiervorrichtung sollte oberhalb des Messkanals angeordnet sein. Hierfür kann sie beispielsweise an einem Deckelelement angebracht oder darin integriert sein.

Mit der Erfindung kann die Bindungsrate erhöht und die Anbindung mit höherer Ausbeute erreicht werden. Dies erhöht die Sensitivität und die Sicherheit des Analyseergebnisses. Außerdem sind geringere Probenvolumina erforderlich, was zu einer Reduzierung der Kosten führt. Dies trifft auch durch den ggf. möglichen Verzicht oder eine Reduzierung erforderlicher Verbrauchsmittel, wie z.B. kostenintensive Fluophore zu.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Messkanals eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung in einer Draufsicht und

2 eine seitliche Schnittdarstellung durch ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit Temperierung.

Die 1 soll schematisch eine Ausführungsform der Erfindung anschaulich machen. Dabei sind in einem Messkanal 1 Fängermoleküle und/oder Fängersubstanzen auf der Oberfläche des Bodens eines Messkanals 1 in streifenförmiger Anordnung immobilisiert worden. Die entsprechenden Messstreifen 3 sind dabei parallel zueinander und senkrecht in Bezug zur Längsachse des Messkanals 1 ausgerichtet und in jeweils einem Abstand zueinander angeordnet.

In Zwischenräumen von Messstreifen 3 sind Barriereelemente 2 angeordnet, die wie im allgemeinen Teil der Beschreibung schon angedeutet jeweils alternierend wechselnd von sich gegenüberliegenden Seitenrändern des Messkanals 1 ausgehen. Die gegenüberliegenden Stirnseiten der Barriereelemente 2 enden vor einem Seitenrand, so dass zwischen Stirnseiten von Barriereelementen 2 und Seitenrand des Messkanals 1 ein freier Spalt verbleibt durch den ein Teil einer flüssigen Probe strömen kann. So durchströmt ein Teil der flüssigen Probe den Messkanal 1 mäanderförmig, wie dies mit dem Pfeil angedeutet ist.

Aus 1 ist nicht entnehmbar, dass zwischen dem Boden des Messkanals 1 und den nach unten weisenden Kanten, der hier ebenfalls senkrecht zur Längsachse des Messkanals 1 ausgerichteten Barriereelemente 2 ebenfalls ein freier Spalt vorhanden ist, durch den ein weiterer Teil der flüssigen Probe den Messkanal 1 durchströmen kann.

Die beiden Teilströme treffen in Bereichen zwischen Barriereelementen 2 mit unterschiedlicher Strömungsrichtung aufeinander und es kommt zu einer verbesserten Vermischung und Anbindung an die jeweiligen Fänger.

Barriereelemente 2 können aber auch so ausgebildet sein, dass auch ein freier Spalt im Messkanal 1 oberhalb von Barriereelementen 2 vorhanden ist, durch den ein weiterer Teil, der flüssigen Probe den Messkanal 1 durchströmen kann.

Barriereelemente 2 können im Messkanal 1 aber auch so angeordnet und ausgebildet sein, dass freie Spalte alternierend wechselnd an benachbarten Barriereelementen 2 einmal oberhalb und dann unterhalb eines Barriereelementes 2 vorhanden sind.

Mit 2 soll schematisch ein komplexerer Aufbau eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung verdeutlicht werden.

Dabei kann über einen Einlass flüssige Probe, Spülllösung oder ein Puffer in den Messkanal 1 eingeführt werden. Dies kann durch eine Pumpe unterstützt werden.

Im Messkanal 1 sind wieder Fängermoleküle oder Fängersubstanzen in streifenform auf dem Boden des Messkanals 1 immobilisiert worden. Es sind ebenfalls Barriereelemente 2 (hier nicht dargestellt), wie beim Beispiel nach 1 vorhanden. Dadurch durchströmt wieder ein Teil der Flüssigkeit dem Messkanal 1 mäanderförmig.

Unterhalb des Bodens des Messkanals 1 besteht die Möglichkeit einer optischen Detektion, die bevorzugt massesensitiv durchgeführt werden kann.

Oberhalb des Messkanals 1 kann dann eine Temperiervorrichtung 6 vorhanden sein, mit der eine für die Anbindung von Analyten besonders geeignete Temperatur eingehalten werden kann.

So ist unterhalb ein für eine optische Detektion geeigneter Aufbau mit einem optischen Wellenleiter 7, der in einem sensitiven Bereich mit einer Goldbeschichtung 8 versehen ist, vorhanden. Dadurch kann die Detektion unter Nutzung des SPR-Prinzips durchgeführt werden.

Oberhalb des Messkanals 1 ist ein Wärmetauscher 6, als Temperiervorrichtung angeordnet, durch den ein temperiertes Fluid zu- und wieder abgeführt werden kann, um eine konstante Temperatur bei der Detektion einhalten zu können.

Über Zu- und Abflüsse 9 und 10 gelangt Flüssigkeit in den Messkanal 1, durchströmt diesen und wird wieder aus dem Messkanal 1 entfernt. Dabei kann auch ein Wechsel vorgenommen werden, also zuerst die Flüssigkeit den Messkanal 1 von links nach rechts und dann nachfolgend in umgekehrter Richtung durchströmen.

Außerdem ist für einen sicheren Abschluss gegenüber der Umgebung eine umlaufende Vakuumdichtung 5 vorhanden, so dass eine sichere Abdichtung gegenüber äußeren unerwünschten Einflüssen erreichbar ist.


Anspruch[de]
Mikrofluidische Anordnung zur Detektion von in Proben enthaltenen chemischen, biochemischen Molekülen und/oder Partikeln, bei der eine flüssige Probe durch einen Messkanal in strömender Form geführt ist, auf dessen Boden Fängermoleküle und/oder Fängersubstanzen immobilisiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Messkanals (1) Barriereelemente (2) vorhanden sind, die die Strömungsrichtung zumindest eines Teils der flüssigen Probe verändern, so dass zumindest ein Teil der flüssigen Probe den Messkanal (1) nicht parallel zu seiner Längsachse durchströmt. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Barrierelemente (2) in einem Winkel zwischen 1 und 90° in Bezug zur Längsachse des Messkanals (1) ausgerichtet sind. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Barriereelemente (2) nicht über die gesamte Breite des Messkanals (1) geführt sind. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Barriereelemente (2) alternierend ausgehend von einem Seitenrand des Messkanals (1) ausgebildet sind und ein stirnseitiges Ende von Barriereelementen (2) am gegenüberliegenden Seitenrand in einem Abstand zu diesem angeordnet ist, so dass ein Teil der flüssigen Probe den Messkanal (1) mit ständig wechselnder Strömungsrichtung oder mäanderförmig durchströmt. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Barriereelementen (2) und dem Boden des Messkanals (1) ein freier Spalt, durch den ein Teil der flüssigen Probe strömt, ausgebildet ist. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Fängermoleküle und/oder Fängersubstanzen streifenförmig immobilisiert sind und Barriereelemente (2) in Zwischenräumen dazu angeordnet sind. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperiervorrichtung vorhanden ist. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung als Wärmetauscher (6) ausgebildet ist. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Wärmetauscher (6) ein temperiertes Fluid geführt ist. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung mit mindestens einem Peltierelement oder einem regelbaren Heizelement gebildet ist. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine flüssige Probe den Messkanal alternierend wechselnd ausgehend von seinen beiden Stirnseiten durchströmt. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein konstanter Innendruck eingehalten ist. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal mittels einer Vakuumdichtung (5) abgedichtet ist. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion optisch und massensitiv erfolgt. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Detektion Oberflächen Plasmonen angeregt werden.






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