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    Für die kontinuierliche Durchführung von chemisch/biochemischen Reaktionen bzw. Transformationen, diagnostischen Bindungsassays, von Stoffgewinnungs- oder Stofftransportprozessen sowie für Informationsübertragungen wird ein Festphasenreaktor-System vorgeschlagen, das bewegliche eindimensionale Elemente (1-D-Elemente) in Form von Fäden, Filamenten oder auch in Form von Bändern enthält, wobei die 1-D-Elemente substanzbindende bzw. (bio)affine und gegebenenfalls detektorische Eigenschaften besitzen, die kontinuierlich modifiziert werden können. Das Reaktorsystem kann miniaturisiert und/oder als Mikroarray ausgelegt werden. Die affinen Eigenschaften werden beispielsweise durch die Immobilisierung oder Adsorption von Antikörpern, Antigenen, Enzymen, Coenzymen und bioreaktiven Substanzen wie spezifischen Rezeptoren, Aktivatoren, Inhibitoren oder Lektinen erzeugt. DOLLAR A Durch longitudinale Bewegung unter Richtungsänderungen wird das 1-D-Element nacheinander durch unterschiedliche Reaktionszonen bewegt, bei denen ein oder mehrere Reaktionsschritte wie Funktionalisierung der Oberfläche, Bindung von Edukten bzw. analyten, Schritte der Reaktionsbeeinflussung und Detektion bzw. Aufsammeln und Freisetzung der Produkte örtlich getrennt nacheinander erfolgen. DOLLAR A Das erfindungsgemäße System kann beispielsweise als diagnostischer Bindungsassay zum Nachweis von Wirkstoffen, Metaboliten und biopolymeren Substanzen wie Toxine, Enzyme, Rezeptoren, Viren bzw. Mikroorganismen eingesetzt werden.
    公开号:DE102004008319A1
    申请号:DE200410008319
    申请日:2004-02-17
    公开日:2005-09-08
    发明作者:Horst Dr. Ahlers；Peter-Jürgen Müller；Jörg-Hermann Ozegowski；Enrico Stang
    申请人:Hans-Knoll-Institut fur Naturstoff-Forschung Ev；KNOELL HANS FORSCHUNG EV；Friedrich Schiller Universtaet Jena；
    IPC主号:B01J19-00
    专利说明:
    [0001] BevorzugtesAnwendungsgebiet der Erfindung sind Prozesse, bei denen zeitabhängige Prozeßparameterauftreten, deren Kinetik in Echtzeit bzw. on line bestimmt werdensoll. Sie ist vor allem bei der kontinuierlichen Prozeßüberwachungund kontinuierlichen Regelung bzw. Qualitätsüberwachung von Prozessen inwäßriger Umgebung(Trinkwasser, Milch, Getränke),Chlorierung von Wasser, ÜberwachungnatürlicherGewässerund Prozesswässer,Abwässerund bei mikrobieller Fermentation oder Zellkultur einsetzbar. EinGebiet ist dabei die Überwachungvon Nahrungsmitteln beispielsweise auf Kontaminationen mit toxischenStoffen und Mikroorganismen (Biohazard). Ein anderes das Gebiet istdie Überwachungvon Luft auf solche Stoffe oder der Einsatz als Konstruktionselementeminiaturisierter biochemischer oder evolutionären Maschinen beim kontinuierlichenStofftransport beispielsweise bei DNA-Amplifikation mit Rückkopplungbei der Herstellung von DNA-Antikörpern (Aptamere)und der Übertagungund Speicherung von chemisch biochemischen Informationen.
    [0002] Integriertemikrofluidische Systeme, auch lab on the chip bzw. μ – totaleanalysis systems (μ-TAS) gebendie Möglichkeit,chemische und biologische Größen mitgeringem Aufwand zu bestimmen. Bei der Entwicklung dieser SystememüssenSubsysteme mit unterschiedliche Funktionen in miniaturisierter Formzusammengefügtwerden.
    [0003] Bekanntsind kontinuierliche Reaktoren, bei denen Flüssigkeitströme durch Kanäle, Rohre,Kapillaren, Schläucheoder ähnlichesdurch Reaktionszonen, wie beispielsweise bei der durch Luftblasensegmentierte Flüssigkeitsströme odernicht-segmentierte Flüssigkeitsströme bei der „flow injectionanalysis (FIA)" oderbei gleichzeitiger Auftrennung die Kapillarelektrophorese transportiertwird. Die FIA wird mit Flow Cytometrie verbunden um mikrobiellePopulationen zu charakterisieren. Auch bei einer kontinuierlichenVariante der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) wird in einer kontinuierlichenVariante die zu amplifizierende Probe als Flüssigkeitstrom durch Kapillaren mitunterschiedlichen Temperaturen gepumpt, um in den Proben die für die Amplifizierungnotwendigen zyklischen Temperaturänderungen zu erzeugen (KoppMU, Mello AJ, Manz A., 1998. Chemical amplification: continuous-flowPCR on a chip. Science 280(5366): 1046–8).
    [0004] Nachteiligan all diesen Fluid-Systemen ist, dass ihre Miniaturisierung unddie Anordnung als Arrays an physikalisch technische Grenzen stößt. Besondersdie in das System integrierten mechanischen Mikropumpen stelleneine störanfällige Fehlerquelledar.
    [0005] Esgibt bereits Versuche, an Stelle der fluidischen Systeme die Adsorptionseigenschaftenvon festen Oberflächen,darunter auch solcher, die als Fädenausgebildet sind, zu nutzen. Bekannt ist die Mikrophasenextraktion,bei der anorganische meist poröseFasern zur Adsorption von Bestandteilen von Gasen in Dampfräumen (headspace) belegten werden (belegte Fäden), die dann in geeigneteDetektoren, beispielsweise der Massenspektroskopie analysiert werden.
    [0006] Marinkovich(US4459360) verwendet Baumwollfädenoder andere Filamente, an die Allergene kovalent gebunden sind.Die Fädenwerden mit der zu untersuchenden Körperflüssigkeiten in Kontakt gebrachtund es werden eventuell anwesende Antikörper des IgE-Typs gebunden.Anschließendwerden mit einem zweiten markierten Antikörper die gebundenen Antikörper nachgewiesen.Auch US 4567149 verwendetanalytspezifisch funktionalisierte bzw. bioaffine Fäden für die Durchführung einesdiagnostischen Bindungsassays fürAllergene. Die Probenlösungfließthierbei durch eine länglicheKammer, in der die Fädenquer zur Strömungsrichtung aufgespanntsind. Die an die Fädengebunden Analyten werden anschließend direkt am Faden detektiertoder mit einer Flüssigkeitabgelöstund bestimmt.
    [0007] Nach US 5171989 wird bei derLaser-Desorptionmassenspektroskopie die Probe in Form eines gefrorenenEisfadens in die Vakuumkammer der massenspektrografischen Analysenzoneeingeführt.
    [0008] EP 0451686 schlägt die Verwendungeines Fadens vor, an dem zu detektierende Moleküle fixiert sind, um mit ihnendie Funktion flächenhaftausgebildeter Detektionszonen zu erproben. Hierzu wird der Fadenzusammen mit dem Analyten in eine Detektionszone gezogen und beispielsweisean Hand eines Farbumschlags das Funktionieren des analytischen Systemsangezeigt.
    [0009] Alledie aufgeführtenBeispiele, bei denen textile und andere Fäden zur Aufnahme von Probenmaterialeingesetzt werden, um anschließendin ein Detektorsystem eingeführtwerden, funktionieren diskontinuierlich und die mit ihrer Hilfedurchgeführten Reaktionenbeschränkensich auf die Funktionen des Beladen mit den Analyten und der anschließenden Detektion.
    [0010] Umjedoch selektiv bestimmte Substanzen, Edukte oder Analyten aus einerVielzahl anderer Verbindungen spezifisch zu binden und dann nachdem jeweiligen Anwendungsgebiet zu nutzen, müssen in der Regel sehr komplexechemisch/physikalische Prozesse realisiert werden. Um solche Prozesse kontinuierlichdurchzuführen,ist ein erheblicher Technologiefortschritt gegenüber dem Stand der Technik notwendig.
    [0011] DasZiel der Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zu beschreiben,mit der die Durchführungvon hochkomplexen chemischen oder biochemischen oder physikalischenReaktionen bei Analytik sowie bei Stoff- und Informationstransport beihohem Automatisierungs- sowie Miniaturisierungsgrad bevorzugt kontinuierlichmöglichist. Mit dem System soll ein breites Feld von Anwendungen abgedecktwerden, bei dem sowohl Konzentrationsänderungen chemisch/biochemischerStoffe als auch Reaktionen oder Transportvorgänge, Stoffumwandlungen undStoffdetektion bevorzugt on line durchgeführt oder kontrolliert werden.Weiterhin wird gefordert, dass unterschiedlich große Distanzenzwischen Beladungszone und Funktionszone überbrückt werden können.
    [0012] DieAufgabe wird dadurch gelöst,dass ein Reaktorsystem vorgeschlagen wird, das auf der Bindung vonEdukten, Analyten oder Substanzen an feste Phasen basiert und bishernicht genutzte strukturellen Vorteile der biegsamen, eindimensionalen, praktischunbegrenzt langen und affin zu funktionalisierenden 1-D-Elemente,dazu gehörenauch die textilen Fäden,nutzt. Erfindungsgemäß sind andem vorgeschlagenen Festphasenreaktor-System, dass in ihm ein odermehreren annäherndeindimensional geformte bewegliche und biegsame Reaktorelemente(1-D-Elemente) angeordnet sind, deren Querschnittsabmessung (größte Ausdehnung)im Bereich zwischen 1 μmund 1 mm liegt. Sie werden bevorzugt in longitudinaler oder aberauch in transversaler Richtung nacheinander durch drei oder mehrere örtlich getrennteReaktionszonen bewegt, wobei mehrere Richtungsänderung der Fadenbewegung erfolgen. Anden 1-D-Elemente, an denen adsorptive, affine, bioaffine, substratspezifischeoder gruppenspezifische Targetmoleküle oder bindende Materialienvorhanden sind, finden bei Durchlaufen der Reaktionszonen physikalische,chemische oder biochemische Reaktionen zur Durchführung vonStoff- bzw. Informationsübertragung,Stoffwandlungen, Analyse oder Detektion und Regeneration statt.Targetmoleküle können beispielsweiseProteine wie Enzyme, Rezeptoren oder Antikörper, Allergene, Nukleinsäuren wie DNA,RNA oder DNA-Antikörper(Aptamere) oder Polysaccharide wie Lectine oder Wirkstoffe oderZellen und Zellmembranen oder andere zur Adsorption geeignete Materialiensein.
    [0013] Die1-D-Elemente werden in speziellen Reaktionszonen beispielsweisein einer Quellungszone angequollen, in einer Funktionalisierungszonefunktionalisiert, in einer Beladungszone mit Probenmaterial beladen,mit Pufferlösungenin einer Waschzone gewaschen, nicht abgesättigte bioaffine Targetmoleküle in einerBlockierungszone blockiert, mit einem Marker in einer Markierungszoneumgesetzt, in einer Temperierungszone temperiert, in einer Detektionszonedetektiert, in einer Regenerationszone Eigenschaften wiederhergestelltoder adsorbierte Moleküle oderPartikel in einer Desorptionszone desorbiert. Die Zonen, in diedas Anwendungsziele realisiert werden, werden als Funktionalzonenbezeichnet. Die Detektion von Analyten oder Partikeln kann in Form vonPartikelzählung,Lichtstreuung, Lichtbeugung, Fluoreszenz, Leitfähigkeit oder Extinktionsänderungen,elektrischer Signale oder Magnetismus gemessen werden.
    [0014] Eineweitere spezifische Eigenschaft bestimmter 1-D-Elemente, die erfindungsgemäß genutztwird, beruht auf der mehr oder weniger ausgeprägten Eigenschaft, Licht zuleiten. Durch einen zweischichtigen Aurfbau aus einer inneren Hülle mit einemhöherenBrechungsindex als die äußere Hülle wirdein 1-D-Element zu einem besonders guten Lichtleiter, der in Formvon gläsernenLichtleitern oder Lichtleiter aus Kunststoff weit verbreitet ist.Mit Hilfe einer erfindungsgemäßen stationäre Vorrichtungkann in geeignete 1-D-Elemente, auch in den sich bewegenden Lichtleiter,Licht mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtungeingekoppelt werden. Die Vorrichtung wird als in der vorliegendenErfindung als Lichteinkoppler bezeichnet. Sie besteht in einer Varianteaus einem durchstrahlten Lichtleiter, der auf das 1-D-Element gerichtetist. In einer anderen Ausführungwird konvergentes Licht oder Laserlicht eingestrahlt. Durch eineAbschirmung wird Fremdlicht von der Stelle, wo die Fluoreszenz detektiertwird, ferngehalten. Der Winkel, unter dem das Licht in das 1-D-Elementeingekoppelt wird, ist so gewählt,dass es in dem 1-D-Element weitergeleitet wird bzw. dass keine Totalreflexionan der Oberflächender 1-D-Elemente eintritt. Das eingekoppelte Licht bewirkt nachdem der Totalreflexionsmikroskopie zugrunde liegenden physikalischenMechanismen eine Anregung von fluoreszierenden Markern, die sichauf der Oberflächeder 1-D-Elemente an einer von der Einkoppelstelle getrennten Ortbefinden. Das emittierte Licht fälltin einen optischen Sensor, der ebenfalls stationär angebracht ist.
    [0015] DieBewegung des 1-D-Elements erfolgt in bevorzugt in longitudinaleraber auch in transversaler Richtung mit gleichbleibender Geschwindigkeitoder sie wird durch Stillstandsphasen oder Beschleunigungsphasenunterbrochen. Die 1-D-Element könnenweiterhin entsprechend den Aufgabenstellung auch zeitlich versetztzurückbzw. hin und her bewegt werden.
    [0016] DieBewegungsenergie wird durch mehrfach mit dem 1-D-Element umwickeltenangetriebenen Antriebswellen oder auch angepreßte Antriebs-Reibrollen aufdie 1-D-Elemente übertragen.Transversale Bewegungen werden durch seitliche Verschiebungen erreicht.Spannrollen werden zum Straffhalten der 1-D-Elemente eingesetzt.
    [0017] Mehrereparallel verlaufende 1-D-Elemente werden in einer Ausführung inArrayform angeordnet, in Reaktionszonen behandelt oder paralleldetektiert. Mit dieser Anordnung können mehrere Parameter gleichzeitiggemessen werden.
    [0018] Die1-D-Elemente könnenvon einer Spule abgespult und auf eine andere Spule aufgespult werden,wobei eine Spule angetieben und die andere gebremst wird und diegenannten Funktionen wechselseitig wählbar sind. Durch das aktiveAufspulen wird eine longitudinale Zugkraft bewirkt werden, die das 1-D-Elementin Bewegung setzt.
    [0019] DieReaktionszonen sind in flüssigkeitsgefüllten Gefäßen untergebracht.Damit die 1-D-Elementebeladen oder behandelt werden können,werden sie durch die entsprechend ihrer Funktion geformten Gefäße bewegtbzw. gezogen. Die notwendigen erfindungsspezifischen Richtungsänderungen der1-D-Elemente, die fürdas Hindurchführendurch die Reaktionszonen bzw. den entsprechenden Gefäßen notwendigsind, erfolgen in einer Ausführung durchUmlenkvorrichtungen wie Rollen oder Gleiteinrichtungen. Magnetische1-D-Elemente können mit magnetischenKräftenin ihrer Richtung ausgelenkt werden.
    [0020] Umeine definierte Geschwindigkeit des longitudinal bewegten 1-D-Elementeszu erreichen, werden Spulenkörpervorgeschlagen, die übereinen Antrieb in rotierende Bewegung versetzt werden. Eine andereAusführungverwendet Reibräderbzw. Reibwalzen zur Übertragungder Bewegung oder eine mit einem Motor verbundene Antriebswelle,die mit dem 1-D-Element schlupffrei umwickelt wird, spult das 1-D-Elementauf der einen Seite auf und auf der wieder anderen ab. Hierdurchwird die Verweilzeit des 1-D-Elemnets in einem Reaktor vergrößert bzw.zur Detektion eine vergrößerte, ausparallel angeordneten 1-D-Elementen bestehende Fläche erzeugt.
    [0021] Die1-D-Elementen sind als monofiler oder polyfiler Draht, Strick, Faden,Filament oder Band ausgebildet. Sie können ein von der Kreissymetrie abweichendesProfil beispielsweise ein ovales oder kleeblattförmiges Profil besitzen. DasMaterial der 1-D-Elementen kann entweder aus Naturfasern, wie Wolleoder Zellulosefasern, Flachs, Lein, Hanf, Baumwolle oder Regeneratfasernaus Protein oder Zellulose oder bevorzugt aus den aus durch niedere Tiereproduzierten Gespinsten wie Seidenfäden, wie beispielsweise durchdie Seidenspinnerlarve (Bombyx mori (L.), durch die Goldenen Radnetzspinne (Nephilaclavipes) oder aus Fibroin, gewonnen durch rekombinante Mikroorganismenbestehen wobei die SeidenfädenDurchmesser zwischen 12 und 25 μm aufweisenund könnenals Filament oder Zwirn eingesetzt werden oder aus Synthesefasernwie Polyethylen, Polystyrol, Polyacrylnitril, Polyamid, Polyester, Polyharnstoff,Polyurethan oder Polyvinylchlorid, hydrophile Polymere wie Alginat,Acrylat oder Chitosan oder könnenauch aus durchsichtigem oder auch nicht durchsichtigem Glas, ausMetall oder Kohlenstoff bestehen.
    [0022] Das1-D-Element kann eine glatte aber auch eine mikroporöse odernanoporösedurchgehende Struktur oder eine solche Oberflächenstruktur aufweisen. DiePoren könnenals Nanoporen in Form molekular „imprinted" Materialien (MIP's) vorliegen, die dann spezifische Edukte- oder Analyte-bindende Eigenschaftenaufweisen.
    [0023] Einoder mehrere 1-D-Elemente könnengeschlossene Schleifen bilden. Diese Schleifen können als nicht verdrilltesBand oder in Form eines einmal verdrillten sogenannten MöbiusschesBands oder als mehrfach verdrilltes Band angeordnet sein.
    [0024] Das1-D-Element kann magnetisiert oder magnetisierbar sein oder magnetischePartikel enthalten. Ein 1-D-Element mit magnetischen Eigenschaftenkann mit magnetisch markierten Analyten, Edukten oder partikuläre Stoffebeladen und diese dann untersucht werden.
    [0025] Dieaffine oder bioaffine Targetmoleküle liegen über die Längenausdehnung des 1-D-Elements homogen,heterogen, in einer festgelegter Reihenfolge oder abschnittsweiseimmobilisiert, fixiert oder adsorbiert vor.
    [0026] Inder Beladungszone könnennicht nur Molekülesondern auch Viren, Zellbestandteile, Organellen oder Mikroorganismenbioaffin gebunden und in den Reaktionszonen behandelt werden. Somitist in einfacher Weise ist der Nachweis gefährlicher Keime in der Luft,in wässrigerUmgebund und/oder auf Oberflächenmöglich,wobei bei letzteren das 1-D-Element mit der zu untersuchenden Oberfläch in Kontaktgebracht wird. Die Beladung der 1-D-Elemente mit dem Analyten bzw. Edukterfolgt, wenn bioaffine Bindungsprinzipien angewendet werden, meistensaus wäßrigen Lösungen durchKontakt des 1-D-Elementes mit der Flüssigkeit. Auch die Adsorptionan Oberflächenohne Anwesenheit flüssigerPhasen ist erfindungsgemäß, wennweitere Reaktionszonen verbunden mit Richtungswechsel der Bewegung durchlaufenwerden. Bei der Kontrolle von Gasen, insbesondere der Luft zum Nachweisvon Inhaltsstoffen, beispielsweise von giftigen Substanzen, wirddas Gas unter Anwesenheit von Wasser mit dem 1-D-Element kontaktiertoder die Beladung der 1-D-Elementenerfolgt in einer Beladungszone in der die Gasphase durch eine wäßrige Reaktionszone strömt. Probennahmeaus flüssigenPhasen kann aus Fermentationslösungen,Zellkulturen oder Körperflüssigkeitengegebenenfalls nach Verdünnenaus Extrakten, Lysaten, Suspensionen von Zellbestandteilen, Organellenoder Zellen erfolgen. Erfindungsgemäß ist auch die Beladung auslösemittelhaltigen Lösungen oderSuspensionen.
    [0027] EineVergrößerung derOberflächeder 1-D-Elemente wird durch vielfaches Umwickeln einer drehbarenWelle erreicht, auf die sie aufgespult und wieder abgespult werden.Die Flächenvergrößerung istbesonders dann günstig,wenn Inhaltsstoffe nachgewiesen werden sollen, die nur in geringenKonzentrationen vorliegen, wie bei der Untersuchung von Gas bzw.Luftbestandteilen. Dieses erfindungsgemäße Prinzip wird vor allem für den Nachweisvon Schadstoffen, Umweltgiften, chemischen und biologischen Kampfstoffen,Sprengstoff oder Rauschmittel in Räumen und im Freien im Sinneeiner künstlichen Naseangewendet.
    [0028] Durchspezifische Funktionalisierung kann die spezifische Bindung vonEinzelsubstanzen als auch die Bindung von unterschiedlichen Substanzen mitSubstanzgruppen spezifischen Eigenschaften, wie hydrophil oder hydrophoboder von Substanzen mit aromatischen oder aliphatischen Eigenschaften odermit vergleichbaren funktionellen Gruppen erfolgen.
    [0029] DasMaterial der 1-D-Elemente kann mit einem zweiten Material wie Nitrozellulosebeschichtet sein und ganze Substanzklassen so beispielsweise Proteinebevorzugt binden.
    [0030] Die1-D-Elemente könnenals langzeitstabile Transportform vorgehalten werden. Sie müssen dann vordem Einsatz in dem Feststoffreaktor aktiviert werden.
    [0031] Dasfunktionalsierte oder partiell funktionalisierte 1-D-Element kannin einer trockenen Transportform vorliegen, die vor Anwendung zuerstin einem Quellungszone aktiviert werden muß. Die langzeitstabile Transportformkann auch in einer feuchten, gegen bakteriellen Bewuchs geschützten Umgebungaufbewahrt werden. In diesem Fall entfällt der Quellungschritt.
    [0032] DieFunktionalsierung kann in einer anderen Ausführung auch erst im Feststoffreaktorin einer Funktionalsierungszone erfolgen, durch die das 1-D-Elementeshindurchgeführtwird.
    [0033] Die1-D-Elemente könnenweiterhin durch allseitig geschlossene Vorrichtungen wie Kapillaren oderRöhrenoder bevorzugt durch einseitig offene Führungen wie Kanäle oderauch übereine ebene Plattform bzw. eine als Array ausgebildete und mit Flüssigkeitgefülltenflachen miniaturisierten Wanne bewegt werden. Vorteilhaft an offenenFührungseinrichtungenist, dass das 1-D-Element einfach eingelegt werden kann.
    [0034] DurchSägen vonKanälenin einem speziellen an sich bekannten Halbleiterbauelement werden angegenübeliegenedenWändenoptische Aktoren und optische Sensoren erzeugt. In diesen Kanälen werdendie 1-D-Elemente geführtund kontionuierlich optisch abgetastet.
    [0035] DieDetektion magnetischer Analyten kann durch Sensoren erfolgen, diemagnetische Felder nachweisen wie beispielsweise magnetorestriktiven Widerstände.
    [0036] DieErfindung soll, ohne dass sie dadurch einschränkt wird, an Hand der Abbildungendurch folgende Ausführungennäher erläutert werden:
    [0037] In 1 wirdin Seitenansicht schematisch das 1-D-Element, im weiteren der Einfachheitwegen als Faden bezeichnet, von einer Spule 1 abgespult undnachdem es durch die Reaktorzonen bzw. Reaktionsgefäße 6, 7, 8, 9 inder Richtung 5 gezogen wurde, auf der Spule 2 aufgespult.Die fürdas Durchlaufen der flüssigkeitsgefüllten Reaktionsgefäße notwendigenRichtungsänderungenwerden durch Umlenkrollen 4 erzeugt. Während die Reaktionszonen bzw.Reaktorgefäße 6, 8, 9 inder Zeichnung 1 stellvertretend für viele mögliche Funktionen dargestellt sind,ist die Reaktionszone 7 von Bedeutung. Sie ist für die Beladungmit den Inhaltsstoffen eines Gases, beispielsweise von Luft, die über dieZuleitung 10 in die flüssigePhase der Reaktionszone 7 eingeleitet wird ausgelegt. DieInhaltsstoffe lösensich in der flüssigenPhase oder werden im Fall von Partikeln oder Mikroorganismen inihr suspendiert. Aus der flüssigenPhase heraus werden sie dann an den Faden gebunden bzw. der Fadenwird mit ihnen beladen. In der Reaktionszone 6 kann beispielsweisedie Quellung eines mit Antikörpernfunktionalsierten Fadens erfolgen, der als langzeitstabiler, getrockneter, aufdie Spule 1 aufgewickelter Faden vorliegt kann. In derReaktionszone 8 erfolgt die Markierung mit einem zweiten,fluoreszenz-markierten Antikörper(Markierungszone) und in der Reaktionszone 9 ein Waschprozeß (Waschungszone).Anschließendwird durch eine Lichtquelle 11 die Fluoreszenz des Fluroszenzmarkersangeregt und überden optischen Sensor 12 gemessen.
    [0038] 2 stelltin Seitenansicht das Schema eines als flachen, in der Regel flüssigkeitsgefüllten Trogdar, der damit eine wesentliche Voraussetzung für ein Anordnung in Form einesArrays aufweist. Die Bewegungsrichtung des Fadens 3 wirddurch Umlenkeinrichtungen, hier als Umlenkrollen 4 ausgebildet, inden Trog abgelenkt. Es erfolgen Parallelverschiebungen der Bewegungsrichtung 5 inden trogförmigenReaktor.
    [0039] 3 demonstrierteine Antriebsmöglichkeit,um den Faden bzw. das 1-D-Element in longitudinaler Richtung zutransportieren. Der Faden 3 ist mit den Wicklungen 16 mehrfachum den Antriebszylinder 15 gewickelt. Durch die mehrfacheWicklung wird die Reibung so weit verstärkt, dass eine schlupffreie Übertragungder Rotationsbewegung in Richtung 17 des Zylinders aufden 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 übertragenwird.
    [0040] 4 stelltin Aufsicht schematisch ein Arrayanordnung dar, bei der die Fäden 3 parallel über eineebene Reaktionsplattform 20 in Richtung 5 gezogenwerden. Auf der Plattform könnenReaktionen durchgeführtoder detektiert werden. So werden beispielsweise die Fäden durch Übertragenvon Wärmeenergiegetrocknet oder sie werden mit einem Laserstrahl abgetastet, umFluoreszenzmarker anzuregen. Als Abstandhalter fungieren kleineZylinder oder Rollen 21, die auch Reibungswiderstand erzeugen,der die Fädenstraff hält.
    [0041] 5 zeigtschematisch im Querschnitt eine Möglichkeit, die Fäden optischzu detektieren. Die Fädendurchlaufen einen in eine Halbleiteranordnung aus p- und n-dotiertenHalbleiterschichten 22 aufgebaut ist, in die ein Kanal 24 eingesägt ist,dessen eine Wand 23 als Lichtaktor und die gegenüberliegendeWand 26 als Lichtsensor wirkt (Kanalstrahlung). An einim Kanal 24 befindlicher Faden kann mit dieser Vorrichtungdie Fluoreszenz eines Markers angeregt und detektiert werden.
    [0042] 6 zeigtdas Schema einen stationärangeordneten Lichteinkoppler, bestehend aus einen weitgehend parallelisiertenLichtbündel 28,welches in der abgebildeten Ausführungals Lichtleiter 27 Licht in den als Lichtleiter ausgebildetenin Richtung 5 beweglichen Faden bzw. 1-D-Element 3 einkoppelt. Daseingekoppelte Licht 32 wird durch Totalreflexion im Innerendes Fadens weitergeleitet. Der Übergang vonFremdlicht in den links davon befindlichen Meßraum wird durch eine Blende 31 verhindert.Das in den Faden eingestrahlte Licht führt an dem auf der Oberfläche desFadens befindlichen fluoreszierenden Marker 29 zur Emissionvon Fluoreszenzlicht 30.
    [0043] 7 zeigtdas Schema einer Reaktorsystems, mit dessen Hilfe evolutionärer Prozesse DNA-Antikörper bzw.Aptamere, welches bioaffin mit einem Antigen wechselwirken, hergestelltwerden können.
    [0044] Diein der Desorptionszone 33 desorbierten DNA-Moleküle fließen zusammenmit den Edukten der kontinuierlichen DNA-Amplifikation in einemkontinuierlich amplifizierenden sogenannten Conticycler 35.Dieser arbeitet im Gegensatz zu den in der Regel batch-weise verlaufendenPolymerase-Ketten-Reaktionen (PCR) nach einem Prinzip, welches dieEinstellung eines Fließgleichgewichtesin einen homogen durchmischten Amplifizierungsreaktors anstrebt. Diemit einer bestimmten Mutationsrate bzw. einer einstellbaren Ungenauigkeitbzw. Mutationrate amplifizierten DNA-Moleküle fließen in die Adsorptionszone 36.Durch die Adsorberzone 36 bewegt sich der mit einem Antigenbeladene Faden in Richtung 5. Dieser beläd sich besondersmit den fehlerhaft amplifizierten DNA-Molekülen, die eine hohe Affinität zu demAntigen aufweisen. In einer Waschzone 37 werden nicht festgebundene DNA-Moleküleentfernt. Der Faden wird weiter mit Hilfe des Antriebs 15 indie Desorptionszone 33 transportiert, Die DNA-Spezies mitAptamerenchrakter werden desorbiert und gelangen wieder in den Conticycler,wo sie wieder amplifiziert bzw. vermehrt werden.
    [0045] BeihäufigenDurchlaufen der evolutionären Cyclenreichern sich DNA-Spezies an, die eine immer höhere Affinität zu demAntigen aufweisen.
    权利要求:
    Claims (42)
    [1] Festphasenreaktor-System, gekennzeichnet dadurch,dass in ihm ein oder mehrere annähernd eindimensionalgeformte bewegliche Reaktorelementen (1-D-Elemente) angeordnet sind,deren Querschnittsabmessung (größte Ausdehnung)im Bereich zwischen 1 μmund 1 mm liegt, die bevorzugt in longitudinaler Richtung nacheinanderdurch drei oder mehrere örtlichvoneinander getrennte Reaktionszonen bewegt werden, an denen affine,bioaffine, substratspezifische oder substratgruppenspezifische Targetmoleküle vorhandensind oder das Material des 1-D-Elementes stoffbindende Eigenschaftenaufweist und an denen bei Durchlaufen der Reaktionszonen physikalische,chemische oder biochemische Reaktionen zur Durchführung vonStoff- bzw. Informationsübertragung,Stoffwandlungen, Stoffreinigung sowie Analyse-, Detektion- oderInformationsauswertung ablaufen und bei den diese Prozesse bevorzugtkontinuierlich erfolgen.
    [2] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass das 1-D-Element in einer Quellungszone angequollen,in einer Funktionalisierungszone funktionalisiert, in einer Beladungszonemit einer Probe beladen, mit Pufferlösungen in einer Waschzone gewaschen,nicht abgesättigtebioaffine Targetmolekülein einer Blockierungszone blockiert, mit einem Marker in einer Markierungszone umgesetzt,in einer Temperierungszone temperiert, in einer Detektionszone detektiert,in einer Regenerationszone Eigenschaften wiederhergestellt oder adsorbierteMoleküleoder Partikel in einer Desorptionszone desorbiert werden.
    [3] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass die Detektion von Analyten oder Partikeln in Formvon Partikelzählung, Lichtstreuung,Lichtbeugung, Fluoreszenz, Magnetismus, Leitfähigkeit, Extinktion oder andereSensorsignale erfolgt.
    [4] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass die Bewegung des 1-D-Elementes in transversaler Richtungdurch Parallelverschiebung der 1-D-Elemente erfolgt.
    [5] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass die Bewegung in longitudinaler oder transversalerRichtung mit gleichbleibender Geschwindigkeit erfolgt oder durchStillstandsphasen oder Beschleunigungsphasen unterbrochen wird.
    [6] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, das die 1-D-Elementin der longitudinale Richtung zeitlich versetzt zurück bzw. hinund her bewegt werden.
    [7] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass die 1-D-Elementeals monofiler oder polyfiler Draht, Strick, Faden, Filament oderBand ausgebildet sind.
    [8] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1 und 7, gekennzeichnetdadurch, dass die Bandbreite nicht das Zwanzigfache des Banddurchmessers überschreitet.
    [9] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass die 1-D-Elementen einevon der Kreissymetrie abweichendes Profil aufweisen.
    [10] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass das Material der 1-D-Elemente aus Naturfasern tierischerHerkunft wie Wolle oder Zellulosefasern wie Flachs, Lein, Hanf,Baumwolle oder aus Regeneratfasern aus Protein oder Zellulose bestehen.
    [11] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass die 1-D-Elementeaus durch Tiere produzierten Gespinsten wie Seidenfäden, wiebeispielsweise durch die Seidenspinnerlarve (Bombyx mori (L.), durchdie Goldene Radnetzspinne (Nephila clavipes) oder aus Fibroin, dassmit Hilfe von rekombinanten Mikroorganismen gewonnen und als Filamentoder Zwirn eingesetzt wird, bestehen.
    [12] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass die 1-D-Elementen ausSynthesefasern wie Polyethylen, Polystyrol, Polyacrylnitril, Polyamid,Polyester, Polyharnstoff, Polyurethan, Polyvinylchlorid oder aushydrophilen Polymeren wie Alginat, Acrylat oder Chitosan bestehen.
    [13] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass das 1-D-Elementeine mikroporöseoder nanoporöseStruktur oder Teilstrukturen aufweist oder molekular geprägte Materialien(Molecular Imprinted Materials, MIP) eingesetzt werden.
    [14] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass die 1-D-Elementen ausanorganischen Fasern wie Glas, Metall oder Kohlenstoff bestehen.
    [15] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass das 1-D-Elementeine geschlossene Schleife bildet.
    [16] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1 und 15,gekennzeichnet dadurch, dass diese ein nicht verdrilltes Band oderein MöbiusschesBand oder mehrfach verdrilltes Band enthält.
    [17] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass das 1-D-Elementmagnetisiert oder magnetisierbar ist oder magnetische Partikel enthält.
    [18] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1 und 17,gekennzeichnet dadurch, dass das 1-D-Element mit magnetisch markiertenEdukten, Analyten oder partikulärenStoffen beladen wird.
    [19] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, 17 und18, gekennzeichnet dadurch, dass magnetorestriktive Widerstände zurDetektion eingesetzt werden.
    [20] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass ein oder mehrerer affine oder bioaffine Targetmoleküle über dieLängenausdehnungdes 1-D-Elements homogen oder heterogen oder abschnittsweise verteiltsind.
    [21] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass in der Beladungszone Viren, Zellbestandteile, Membranen,Organellen oder Mikroorganismen bioaffin gebunden werden.
    [22] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass eine gemeinsame Bindung von Substanzen oder Substanzgruppen oderSubstanzen mit vergleichbaren Bindungseigenschaften erfolgt.
    [23] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass die 1-D-Elementein einer langzeitstabilen funktionalisierten bzw. bioaffinen undim Festphasenreaktor-System aktivierbaren Form eingesetzt wird.
    [24] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass das Material der 1-D-Elemente mit einem zweiten Materialwie Nitrozellulose beschichtet ist.
    [25] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass das Material der 1-D-Elementen von einer Spule abgespultund anschließendgegebenenfalls auf eine Spule aufgespult wird.
    [26] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass die Beladung der 1-D-Elemente in einer Reaktionszone(Beladungszone) mit den Inhaltstoffen einer zu untersuchenden Gasphasein Anwesenheit einer dispersen wässrigen Phaseerfolgt.
    [27] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass die Beladung der 1-D-Elementen in einer Beladungszonemit den Inhaltstoffen einer Gasphase in einem durch die GasphasedurchströmtenwässrigerReaktionszone erfolgt.
    [28] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass Fermentationslösungen,Zellkulturen oder Körperflüssigkeiten,Extrakte, Lysate oder wässrigeoder wasserhaltige Suspensionen von Feststoffen wie Zellbestandteilen,Organellen, Zellen Böden,Nahrungsmittel, Arzneimittel, Chemikalien oder Schlämmen untersuchtwerden.
    [29] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass lösemittelhaltigeLösungenoder Suspensionen untersucht werden.
    [30] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass stationäreFührungseinrichtungenoder Umlenkvorrichtungen oder stationäre Vorrichtungen mit beweglichenTeilen zur Richtungsänderungender Bewegung der 1-D-Elemente führen.
    [31] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass Spannrollen zum Straffhalten der 1-D-Elemente angewendetwerden.
    [32] Festphasenreaktor-System nach den Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass die Bewegungsenergie auf die 1-D-Elemente durch einoder mehrerer angepreßteAntriebs-Reibrollen oder durch eine angetriebene Antriebswelle erfolgt,die mit dem 1-D-Element schlupffrei umwickelt ist.
    [33] Festphasenreaktor-System nach den Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass zur Vergrößerung derWirkflächedes 1-D-Elementes in den Reaktionszonen, bevorzugt bei der Beladungmit mehreren Wicklungen um eine drehbare Welle gewickelt und abgewickeltwird.
    [34] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass mehrere parallel verlaufende 1-D-Elementen in Arrayformangeordnet sind.
    [35] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass die 1-D-Elementen durchKanäle,Kapillaren und Röhrenoder übereine ebene Reaktionsplattform oder eine eingetiefte, mit einer flüssigen PhasegefülltenWanne, gegebenenfalls in Arrayform, bewegt werden.
    [36] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass zur optischen Anregung und Detektion die Kantenstrahlungvon in Halbleiteranordnungen eingetieften Kanälen genutzt wird.
    [37] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass das 1-D-Elementfür elektromagnetischeStrahlung in einem oder mehreren der aufgeführten Bereiche für UV, sichtbarenBereich und nahen IR-Bereich durchlässig ist.
    [38] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass das Material der 1-D-Elemente als Lichtleiter ausgebildetist.
    [39] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1 und 37,gekennzeichnet dadurch, dass Licht in die longitudinal bewegten,als Lichtleiter ausgebildeten 1-D-Elemente über stationär angeordnete Lichteinkopplereingekoppelt wird.
    [40] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, 37 und38, gekennzeichnet dadurch, dass das der Totalreflexionsmikroskopiezugrunde liegende Prinzip des evaneszenten Feldes bei der Anregungder Fluoreszenz der an der Oberfläche der 1-D-Elemente vorhandenenfluoreszierenden Markern genutzt wird.
    [41] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass ein Antigen-spezifischer DNA-Antikörper bzw. Aptamer durch einen Rückkopplungsprozessgeschaffen wird, bei dem kontinuierlich mit einem kontinuierlichenAmplifizierungsreaktor, einem Conticycler, hergestellte DNA-Amplifizierungsproduktein einer Adsorberzone an ein 1-D-Element adsorbiert werden, an dessen Oberfläche alsTargetmoleküldas Antigen gebunden ist, dass das 1-D-Element eine Waschzone durchläuft, dassdie gebunden DNA-Spezies in einer Desorptionszone desorbiert, dassdie desorbierten DNA-Moleküledem DNA-Amplifizierungsprozess wieder zurückgeführt werden und das der Prozess kontinuierlichverläuft.
    [42] Festphasenreaktor-System nach Anspruch 1, gekennzeichnetdadurch, dass es bei der Detektion von chemischen oder biologischenKampfmittel, bei der Langzeitüberwachungder Umwelt auf Schadstoffe und beim Nachweis von Schadchemikalienwie Rauschmittel oder Sprengstoff im Sinne einer künstlichenNase eingesetzt wird.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004008319B4|2006-11-02|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
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    2005-09-08| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
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