DE10153899A1

DE10153899A1 - Detecting microorganisms containing target substances, comprises feeding a sample into a sensor chamber containing a suspension of particles with binding positions for the substance

Info

Publication number: DE10153899A1
Application number: DE2001153899
Authority: DE
Inventors: Guenter R Fuhr
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-11-02
Filing date: 2001-11-02
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2021-11-03
Also published as: DE10153899B4

Abstract

Detecting microorganisms, viruses or components of these containing a target substance, comprising feeding a test sample into a sensor chamber (20) containing a suspension of particles (21) which have binding positions (23, 24) for the substance, is new. The particles form aggregates and a signal is generated when this occurs. An Independent claim is included for an apparatus for carrying out the method comprising: (a) a suspension chamber; (b) a feed section (30) for the sample; and (c) a detector (40) for particle aggregates.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Detektion von biologischen Substanzen, insbesondere von Mikroorganismen oder deren Bestandteilen, und Biosensoren zur Umsetzung der Verfahren. The invention relates to methods for the detection of biological Substances, especially of microorganisms or their Components, and biosensors for implementing the processes.

Sensoren sind Einrichtungen zum Fühlen oder Detektieren von physikalischen oder chemischen Größen oder von Substanzen. Zu den Sensoren zur Detektion von Substanzen gehören insbesondere Biosensoren, mit denen biologische Substanzen erfassbar sind. Unter biologischen Substanzen (oder: Biokomponenten) werden hier allgemein Stoffe, Verbindungen, Makromoleküle oder Aggregate biologischen Ursprungs oder entsprechende komplexere Materialien, wie z. B. lebende oder tote biologische Zellen, Zellgruppen oder Zellbestandteile verstanden. Biosensoren funktionieren auf der Grundlage von Affinitätsbeziehungen, wie sie beispielsweise zwischen Antigenen und Antikörpern oder einem Enzym oder einem Substrat bestehen. Zwischen einer biologischen Substanz, die in einer Probe erfasst werden soll, und einer Substanz (signalgebendes Material) im Biosensor läuft eine biochemische Reaktion ab, deren Produkt beispielsweise mit physikalischen Methoden erfasst wird. Sensors are devices for sensing or detecting physical or chemical quantities or of substances. To the Sensors for the detection of substances belong in particular Biosensors with which biological substances can be detected. Among biological substances (or: biocomponents) are here generally substances, compounds, macromolecules or aggregates of biological origin or correspondingly more complex Materials such as B. living or dead biological cells, Cell groups or cell components understood. biosensors work on the basis of affinity relationships, such as for example between antigens and antibodies or one Enzyme or a substrate. Between a biological Substance to be recorded in a sample and one Substance (signaling material) in the biosensor is running biochemical reaction, the product of which, for example physical methods is recorded.

Besondere Anforderungen bestehen an Biosensoren, die zur Detektion von Mikroorganismen, insbesondere von biologischen Krankheitserregern, eingerichtet sind. Zu diesen Anforderungen zählen insbesondere eine hohe Selektivität und Funktionssicherheit unter praktischen Einsatzbedingungen außerhalb des Labors, z. B. im mobilen Einsatz wie insbesondere im öffentlichen Raum (Flughäfen, Bahnhöfe usw.). There are special requirements for biosensors that are used for Detection of microorganisms, especially biological ones Pathogens are set up. These requirements include in particular high selectivity and functional reliability under practical conditions outside the laboratory, e.g. B. in mobile use, especially in public spaces (Airports, train stations, etc.).

Das Funktionsprinzip eines herkömmlichen Biosensors für Mikroorganismen ist in Fig. 10 illustriert. Der herkömmliche Biosensor 10' (siehe Fig. 10a) umfasst eine Suspensionskammer 20' mit einer Einführeinrichtung 30', einer Detektoreinrichtung 40' und einem Detektorbereich 50'. Der Detektorbereich 50' wird durch ein Substrat gebildet, auf dem als signalgebende Materialien 21' B-Lymphozyten 22' immobilisiert angeordnet sind. In der Suspensionskammer 20' ist eine Nährlösung zur Versorgung der lebenden B-Lymphozyten 22' angeordnet. Über die Einführeinrichtung 30' wird eine Probe mit den zu detektierenden Mikroorganismen 1' in die Suspensionskammer 20' eingeführt. Die B-Lymphozyten 22' tragen spezifische Antikörper 23', die für eine Bindung mit dem zu detektierenden Mikroorganismus eingerichtet sind. Die B- Lymphozyten 22' sind ferner durch genetische Manipulation so gebildet, dass bei Ankopplung von einem oder mehreren Mikroorganismen 1' an den Antikörpern 23' grün fluoreszierende Proteine 25' (sogenannte GFP's) erzeugt werden. In der Detektoreinrichtung sind eine Anregungs-Lichtquelle und ein optischer Detektor vorgesehen, die auf die Anregung und Detektion der GFP- Fluoreszenz abgestimmt sind. The principle of operation of a conventional biosensor for microorganisms is illustrated in FIG. 10. The conventional biosensor 10 '(see FIG. 10a) comprises a suspension chamber 20 ' with an insertion device 30 ', a detector device 40 ' and a detector area 50 '. The detector region 50 'is formed by a substrate on which B-lymphocytes 22 ' are arranged as immobilized as signaling materials 21 '. A nutrient solution for supplying the living B lymphocytes 22 'is arranged in the suspension chamber 20 '. A sample with the microorganisms 1 'to be detected is introduced into the suspension chamber 20 ' via the insertion device 30 '. The B lymphocytes 22 'carry specific antibodies 23 ' which are set up for binding to the microorganism to be detected. The B lymphocytes 22 'are also formed by genetic manipulation in such a way that green fluorescent proteins 25 ' (so-called GFP's) are produced when one or more microorganisms 1 'are coupled to the antibodies 23 '. An excitation light source and an optical detector are provided in the detector device, which are matched to the excitation and detection of the GFP fluorescence.

Bei Einführung von Mikroorganismen 1' in die Suspensionskammer 20' kommt es zur Anbindung an den Antikörpern 23' der B- Lymphozyten 22' (siehe Fig. 10b). Es kommt zur GFP-Produktion und zur Anregung der GFP-spezifischen Fluoreszenz (Pfeil F), die ein Signal für das Auftreten der Mikroorganismen ist. Der herkömmliche Biosensor mit immobilisierten Lymphozyten besitzt zwar den Vorteil einer hochempfindlichen Zellreaktion, die technisch relativ einfach in ein optisches und elektrisches Signal umsetzbar ist. Es treten jedoch die folgenden Nachteile auf, die die Anwendbarkeit dieser Biosensoren erheblich einschränken. When microorganisms 1 'are introduced into the suspension chamber 20 ', they are bound to the antibodies 23 'of the B lymphocytes 22 ' (see FIG. 10b). GFP production occurs and GFP-specific fluorescence (arrow F) is stimulated, which is a signal for the appearance of the microorganisms. The conventional biosensor with immobilized lymphocytes has the advantage of a highly sensitive cell reaction, which is technically relatively easy to convert into an optical and electrical signal. However, the following disadvantages occur, which considerably limit the applicability of these biosensors.

Nachteilig ist in erster Linie die Handhabung und Stabilität der zellbasierten Biosensoren. B-Lymphozyten oder auch andere Zellen höherer Organismen (Säuger) müssen unter sterilen Bedingungen gehalten werden. Die Zellen sind empfindlich gegenüber Erschütterungen und Temperaturschwankungen. Es sind technische Maßnahmen zur Erhaltung der Vitalität der Zellen zu treffen. Außerdem muss die Zellvitalität laufend geprüft werden. Dadurch wird der Aufbau des Biosensors kompliziert. Die geforderte Sterilität steht in inhärentem Widerspruch zur Detektion von Mikroorganismen aus einem Umgebungsmilieu. Mit der Probe, z. B. aus der Luft werden laufend die verschiedensten Arten biologischer Erreger in den Biosensor aufgenommen, die die Zellen 22' angreifen können oder wie im Fall von Bakterien um die gemeinsame Nahrungsquelle im Sensor konkurrieren. The main disadvantage is the handling and stability of the cell-based biosensors. B-lymphocytes or other cells of higher organisms (mammals) must be kept under sterile conditions. The cells are sensitive to shocks and temperature fluctuations. Technical measures must be taken to maintain the vitality of the cells. In addition, the cell vitality must be checked continuously. This complicates the structure of the biosensor. The sterility required is an inherent contradiction to the detection of microorganisms from an ambient environment. With the sample, e.g. B. from the air, the most diverse types of biological pathogens are continuously absorbed into the biosensor, which can attack the cells 22 'or, as in the case of bacteria, compete for the common food source in the sensor.

Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen Biosensoren besteht in der geringen Reaktionszeit. Der Prozess zur Genexpression und Signalkettenverknüpfung, in dessen Ergebnis die grüne GFP- Fluoreszenz messbar ist, dauert mindestens 10 Minuten bis zu einer Stunde. Derart lange Ansprechzeiten sind jedoch insbesondere bei der Detektion gefährlicher Mikroorganismen unannehmbar. Another disadvantage of conventional biosensors is the short response time. The process of gene expression and Signal chain linkage, the result of which is the green GFP Fluorescence is measurable, takes at least 10 minutes up to one hour. Such long response times are particularly important unacceptable when detecting dangerous microorganisms.

Weitere Nachteile der herkömmlichen Biosensoren bestehen in der geringen Funktionsfähigkeit, in der eingeschränkten Lagerfähigkeit und Einsatzdauer, in der beschränkten Simultandetektion verschiedener Erreger und in der Gefahr eines Fehlalarms. Other disadvantages of conventional biosensors are that low functionality, in the restricted Shelf life and service life in the limited simultaneous detection various pathogens and in the risk of a false alarm.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Detektion biologischer Substanzen bereitzustellen, mit dem die Nachteile herkömmlicher Detektionsverfahren überwunden werden. Das neue Detektionsverfahren soll sich insbesondere durch eine hohe Zuverlässigkeit, kurze Ansprechzeit und dauerhafte und erweiterte Einsetzbarkeit auszeichnen. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, einen verbesserten Biosensor zur Umsetzung des Verfahrens bereitzustellen. Der erfindungsgemäße Biosensor soll sich insbesondere durch einen vereinfachten Aufbau, eine erhöhte Funktionssicherheit und eine Regenerationsfähigkeit auszeichnen. The object of the invention is to provide an improved method for Provide detection of biological substances with which the Disadvantages of conventional detection methods can be overcome. The new detection method should be characterized in particular by a high reliability, short response time and durable and distinguish extended usability. The object of the invention is also an improved biosensor to implement the Provide procedure. The biosensor according to the invention is intended in particular through a simplified structure, an increased Functional reliability and a regenerative ability.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und einen Biosensor mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 und 8 gelöst. These tasks are accomplished through a process and a biosensor solved with the features according to claims 1 and 8.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Advantageous embodiments of the invention result from the dependent claims.

Die Grundidee der Erfindung ist es, bei der Detektion biologischer Substanzen als signalgebende Materialien Partikel mit substanzspezifischen Bindungsstellen zu verwenden, die in einer Suspension frei beweglich sind und bei Anwesenheit mindestens einer gesuchten Targetsubstanz zu Partikelaggregaten verknüpft werden können, die mit physikalischen Methoden detektierbar sind. Die Verwendung der frei suspendierten Partikel einerseits und die Detektion von Partikelaggregaten andererseits liefern eine Reihe von Vorteilen, die das erfindungsgemäße Verfahren den herkömmlichen Techniken weit überlegen machen. Die Partikelaggregation besitzt den Vorteil einer geringen Ansprechzeit und effektiven Detektierbarkeit. Es werden vorzugsweise Partikel aus nicht-lebenden, insbesondere synthetischen Materialien verwendet. In diesem Fall stellen die Vitalitätserhaltung und die Sterilität des Sensors keine Probleme dar. Die Partikel mit substanzspezifischen Bindungsstellen repräsentieren zwar tote Materie, die dennoch durch die Targetsubstanz-induzierte Partikelaggregation auf die Anwesenheit biologisch wirksamer Targetsubstanzen anspricht. The basic idea of the invention is in detection biological substances as signaling materials with particles to use substance-specific binding sites in a Suspension are freely movable and at least when present a searched target substance linked to particle aggregates can be detected with physical methods are. The use of the freely suspended particles on the one hand and, on the other hand, provide the detection of particle aggregates a number of advantages that the inventive method make it far superior to conventional techniques. The Particle aggregation has the advantage of a short response time and effective detectability. Particles are preferably made from non-living, especially synthetic materials used. In this case, the maintenance of vitality and the Sterility of the sensor is not a problem. The particles with substance-specific binding sites represent dead Matter that is still induced by the target substance Particle aggregation on the presence of biologically effective Target substances appeals.

Gemäß einer wichtigen Ausführungsform der Erfindung wird die Partikelaggregation als Änderung der Transparenz, Fluoreszenz oder Streuung der Suspension, die die Probe, die spezifisch bindenden Partikel und gegebenenfalls Partikelaggregate enthält, optisch detektiert oder visuell beobachtet. Vorteilhafterweise werden durch die Aggregation in der Suspension größere Teilchen gebildet, die sich auf die optischen Eigenschaften der Suspension auswirken. According to an important embodiment of the invention, the Particle aggregation as a change in transparency, fluorescence or scatter the suspension that is the sample that is specific contains binding particles and possibly particle aggregates, optically detected or visually observed. advantageously, become larger particles through the aggregation in the suspension formed, which affects the optical properties of the Impact suspension.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Partikelaggregate in einem Detektorbereich gesammelt und detektiert. Im Detektorbereich der Sensorkammer werden Kräfte erzeugt, unter deren Wirkung Partikelaggregate im Detektorbereich gesammelt werden, einzelne Partikel jedoch den Detektorbereich verlassen können. Der Detektorbereich zeichnet sich durch die lokale Ausbildung von Kräften aus, die selektiv ausschließlich auf die Aggregate wirken. Die Sammlung oder Anreicherung der Partikelaggregate besitzt den Vorteil einer erhöhten Sensitivität der Detektion. Wenn die Partikelaggregate im suspendierten Zustand angereichert werden, ergibt sich als zusätzlicher Vorteil einer schnellen Anreicherung im Volumen und damit einer Verkürzung der Ansprechzeit. Wenn die Partikelaggregate im Festphasen-adsorbierten Zustand angereichert werden, so kann vorteilhafterweise auf Maßnahmen zur Aggregatsammlung beispielsweise unter Verwendung äußerer Felder verzichtet werden. According to a preferred embodiment of the invention, the Particle aggregates collected in a detector area and detected. Forces occur in the detector area of the sensor chamber generated, under whose effect particle aggregates in the detector area collected, individual particles but the detector area being able to leave. The detector area is characterized by the local training of forces that are selective exclusively act on the aggregates. The collection or enrichment of the Particle aggregates have the advantage of an increased Sensitivity of detection. When the particle aggregates are suspended in the Condition enriched results as an additional The advantage of a quick enrichment in volume and thus one Shortening the response time. If the particle aggregates in the Solid phase adsorbed state can be enriched, so advantageously on measures for aggregate collection for example using external fields.

Die erfindungsgemäße Detektion der Partikelaggregate erfolgt beispielsweise mit optischen oder elektrischen Messungen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Messsignal zur Erfassung der Partikelaggregate als Differenzsignal zwischen einem Detektorsignal und einem Referenzsignal ermittelt. Das Detektorsignal repräsentiert das Vorhandensein und/oder die Menge der Partikelaggregate im Detektorbereich. Das Referenzsignal repräsentiert ein Untergrundsignal, das außerhalb des Detektorbereiches ermittelt wird. The particle aggregates are detected according to the invention for example with optical or electrical measurements. According to another preferred embodiment of the invention the measurement signal for recording the particle aggregates as Difference signal between a detector signal and a Reference signal determined. The detector signal represents that Presence and / or the amount of particle aggregates in the Detector area. The reference signal represents an underground signal, that is determined outside the detector range.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Erzeugung einer Strömung der Suspension mit der Probe, den Partikeln mit substanzspezifischen Bindungsstellen und den gegebenenfalls gebildeten Partikelaggregaten. Die Suspensionsströmung (vorzugsweise Ringströmung) durchströmt wiederholt den Detektorbereich, in dem die Partikelaggregate aus der Suspension festgehalten werden. Durch diese Maßnahme wird die Sensitivität der Detektion erhöht und die Ansprechzeit der Detektion verkürzt. Another advantageous feature of the invention The method consists in generating a flow of the suspension with the sample, the particles with substance-specific Binding sites and any particle aggregates formed. The Suspension flow (preferably ring flow) flows through repeats the detector area in which the particle aggregates are made the suspension are held. This measure will the sensitivity of the detection increases and the response time of the Detection shortened.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Detektion in einer Suspension, die verschiedene Partikelarten mit verschiedenen substanzspezifischen Bindungsstellen enthält. Für zwei oder mehr gesuchte Targetsubstanzen sind entsprechend zwei oder mehr Partikelarten mit zugehörigen Bindungsstellen oder Partikel mit zwei oder mehr substanzspezifischen Bindungsstellen vorgesehen. Die Partikel werden vorzugsweise je nach den gesuchten Targetsubstanzen in getrennten Detektorbereichen angereichert und detektiert. Vorteilhafterweise können gleichzeitig verschiedene Mikroorganismen mit hoher Spezifität und Zuverlässigkeit erfasst werden. According to a further preferred embodiment of the invention detection takes place in a suspension that is different Particle types with different substance-specific Contains binding sites. For two or more target substances are sought corresponding to two or more particle types with associated ones Binding sites or particles with two or more substance-specific binding sites are provided. The particles will preferably in separate, depending on the target substances sought Detector areas enriched and detected. advantageously, can simultaneously different microorganisms with high Specificity and reliability are recorded.

Ein Gegenstand der Erfindung ist auch ein Biosensor zur Umsetzung des genannten Verfahrens. Der erfindungsgemäße Biosensor umfasst insbesondere eine Suspensionskammer zur Aufnahme einer Suspension mit Partikeln mit substanzspezifischen Bindungsstellen, eine Einführeinrichtung zur Einführung einer Probe in die Suspension und eine Detektoreinrichtung zur Erfassung von Partikelaggregaten. Der erfindungsgemäße Biosensor besitzt den Vorteil eines erheblich vereinfachten Aufbaus. Der Biosensor kann als sogenannter Sensorchip miniaturisiert und mobil verwendet werden. Die Funktionsfähigkeit des Biosensors ist von den Umgebungsbedingungen, wie z. B. Erschütterungen, Temperatur und dgl. relativ unabhängig. Er ermöglicht eine Lagerung über beliebige Zeiträume, eine einfache Reinigung und Regeneration. The invention also relates to a biosensor for Implementation of the above procedure. The biosensor according to the invention includes in particular a suspension chamber for receiving a Suspension with particles with substance-specific Binding sites, an introducer for introducing a sample into the Suspension and a detector device for detecting Particle aggregates. The biosensor according to the invention has the Advantage of a significantly simplified structure. The biosensor can miniaturized as a so-called sensor chip and used mobile become. The functionality of the biosensor is different from that Environmental conditions, such as B. shocks, temperature and the like. relatively independent. It enables storage over any Periods, easy cleaning and regeneration.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Suspensionskammer mindestens einen Detektorbereich auf, der zur Aggregatanreicherung ausgebildet und auf den die Detektoreinrichtung gerichtet ist. Der Detektorbereich wird beispielsweise durch eine Festphase an einer Wand der Suspensionskammer oder durch einen Teilbereich der Suspensionskammer mit einer Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung von Rückhaltefeldern für die Partikelaggregate gebildet. Die Felderzeugungseinrichtung umfasst vorzugsweise Elektroden, die zur dielektrophoretischen Sammlung von Partikelaggregaten ausgebildet sind. According to a preferred embodiment of the invention, the Suspension chamber at least one detector area, which for Aggregate enrichment trained and on the Detector device is directed. The detector area is, for example by a solid phase on a wall of the suspension chamber or through a section of the suspension chamber with a Field generating device for generating retention fields for the Particle aggregates formed. The field generator preferably comprises electrodes used for dielectrophoretic Collection of particle aggregates are trained.

Weitere besonders bevorzugte Merkmale des erfindungsgemäßen Biosensors sind die Bereitstellung eines Strömungsgenerators zur Erzeugung einer Strömung in der Suspensionskammer, die Ausbildung der Einführeinrichtung als permeable Membran, durch die die Probe aus der Umgebungsluft direkt in die Suspensionskammer überführt werden kann und die Bereitstellung eines schnell ansprechenden Alarmsystems, das die Erzeugung der Partikelaggregate aus den Partikeln mit substanzspezifischen Bindungsstellen und den zu detektierenden Substanzen signalisiert, z. B. anzeigt, hörbar macht oder anderweitig dem Nutzer des Biosensors mitteilt. Further particularly preferred features of the invention Biosensors are the provision of a flow generator Generation of a flow in the suspension chamber, the Formation of the insertion device as a permeable membrane through which the Sample from the ambient air directly into the suspension chamber can be transferred and deployed quickly responsive alarm system that generates the Particle aggregates from the particles with substance-specific binding sites and signals the substances to be detected, e.g. B. indicates, makes audible or otherwise to the user of the biosensor telling.

Die Erfindung besitzt die folgenden weiteren Vorteile. Der Biosensor besitzt eine kleine und lageunabhängige Bauform. Er ist über längere Zeiträume, z. B. über einen oder mehrere Tage, einsatzfähig. Vorteilhafterweise ist eine schnelle Aktivierbarkeit gegeben. Er kann ohne weiteres auf verschiedene Typen von Mikroorganismen angepasst werden. Ein Fehlalarm ist praktisch ausgeschlossen. Das Verfahren ist unter den verschiedensten Bedingungen, insbesondere mobil oder stationär, an technischen Einrichtungen oder am Menschen einsetzbar. The invention has the following further advantages. The Biosensor has a small and location-independent design. He is over longer periods, e.g. B. over one or more days, operational. Advantageously, a quick one Activability given. It can easily be applied to different types of Microorganisms are adapted. A false alarm is practical locked out. The procedure is among the most varied Conditions, especially mobile or stationary, on technical Facilities or usable on humans.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Biosensors besteht in der Möglichkeit einer vollständigen Reinigung und Regenerierbarkeit durch Waschen und Neubefüllung. Der Biosensor ist wartungsfrei. Dies ist besonders bei einem massenhaften, routinemäßigen Einsatz von Bedeutung. Lebende Zellen sind als Sensormaterial nicht zwingend erforderlich, so dass Sterilitätsanforderungen nicht eingehalten werden müssen und der Sensor durch Staub und unkritische Substanzen (ungefährliche Mikroorganismen) kontaminiert werden kann, ohne dass ein Alarm ausgelöst wird. Je nach Suspensionsbefüllung und Partikelausstattung lassen sich in einem System parallel oder in Serie nacheinander mehrere Biokomponenten selektiv überwachen und detektieren. There is a particular advantage of the biosensor according to the invention in the possibility of complete cleaning and Regenerability through washing and refilling. The biosensor is maintenance-free. This is especially true with a mass routine use of importance. Living cells are called Sensor material is not absolutely necessary, so that Sterility requirements do not have to be met and the sensor due to dust and non-critical substances (harmless microorganisms) can be contaminated without triggering an alarm. ever after filling the suspension and fitting the particles, one system in parallel or in series several Selectively monitor and detect biocomponents.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Further advantages and details of the invention are described in following described with reference to the accompanying drawings. Show it:

Fig. 1 ein Schema, eines erfindungsgemäßen Biosensors, FIG. 1 is a diagram of a biosensor according to the invention,

Fig. 2 einen erfindungsgemäß verwendeten Partikel mit substanzspezifischen Bindungsstellen, Fig. 2 is a particle according to the invention with substance-specific binding sites,

Fig. 3 eine Illustration einer erfindungsgemäßen Partikelaggregation, FIG. 3 is an illustration of a particle aggregation invention,

Fig. 4, 5 schematische Teilansichten von Biosensoren gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung, Fig. 4, 5 are partial schematic views of biosensors according to further embodiments of the invention,

Fig. 6 weitere Einzelheiten eines erfindungsgemäßen Biosensors, Fig. 6 for further details of a biosensor according to the invention,

Fig. 7 eine schematische Teilansicht eines Biosensors gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, Fig. 7 is a partial schematic view of a biosensor according to a further embodiment of the invention,

Fig. 8, 9 Illustrationen einer Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten Einführeinrichtung, und Fig. 8, 9 illustrations of an embodiment of the insertion means used in the invention, and

Fig. 10 Illustrationen eines herkömmlichen Biosensors (Stand der Technik). Fig. 10 illustrations of a conventional biosensor (prior art).

Fig. 1 zeigt in schematischer Übersichtsdarstellung Komponenten eines erfindungsgemäßen Biosensors 10. Je nach Anwendungsfall sind alle Komponenten in Kombination oder nur Teilkomponenten vorgesehen oder bestimmte Merkmale modifiziert ausgebildet. Das Schema dient lediglich Illustrationszwecken, ohne auf bestimmte Größen, Größenverhältnisse, Formen oder Anordnungen der Teile erfindungsgemäßer Biosensoren beschränkt zu sein. Fig. 1 shows a schematic overview of components of a biosensor 10 of the present invention. Depending on the application, all components are provided in combination or only partial components or certain features are modified. The diagram is only used for illustration purposes, without being limited to specific sizes, proportions, shapes or arrangements of the parts of the biosensors according to the invention.

Allgemein umfasst ein erfindungsgemäßer Biosensor 10 mindestens eine Suspensionskammer 20, mindestens eine Einführeinrichtung 30 und mindestens eine Detektoreinrichtung 40. Die Suspensionskammer 20 ist zur Aufnahme einer Suspension mit Partikeln 21 (vergrößert eingezeichnet, siehe Fig. 2) eingerichtet. Mindestens Teilbereiche der Kammerwand bestehen aus einem transparenten Material, z. B. Kunststoff. Der Biosensor kann in Form eines Sensorchips als mobiles System gebildet sein. In general, a biosensor 10 according to the invention comprises at least one suspension chamber 20 , at least one insertion device 30 and at least one detector device 40 . The suspension chamber 20 is designed to receive a suspension with particles 21 (shown enlarged, see FIG. 2). At least partial areas of the chamber wall consist of a transparent material, e.g. B. plastic. The biosensor can be in the form of a sensor chip as a mobile system.

Die Einführeinrichtung 30 ist in eine Wand der Suspensionskammer 20 integriert oder als gesonderte Komponente an der Suspensionskammer 20 angebracht. Die Einführeinrichtung 30 stellt die Schnittstelle zwischen dem gasförmigen oder flüssigen Außenmedium und der Suspension im Sensor dar und dient der Einführung einer Probe oder von Teilen einer Probe in die Suspensionskammer 20. Es ist beispielsweise eine Austauschermembran (siehe Fig. 6, 8, 9) zur Übernahme von Bestandteilen aus einer gasförmigen Probe (z. B. Umgebungsluft) in die Suspension oder eine Dosiereinrichtung zur Zuführung einer flüssigen Probe (z. B. aus Grundwasser) in die Suspension vorgesehen. Die Dosiereinrichtung umfasst beispielsweise eine Leitung mit einem Ventil, ggf. mit einer Saugpumpe. The insertion device 30 is integrated in a wall of the suspension chamber 20 or attached to the suspension chamber 20 as a separate component. The introduction device 30 represents the interface between the gaseous or liquid external medium and the suspension in the sensor and serves to introduce a sample or parts of a sample into the suspension chamber 20 . It is, for example, an exchange membrane (see FIGS. 6, 8, 9) for taking over components from a gaseous sample (e.g. ambient air) into the suspension or a metering device for supplying a liquid sample (e.g. from groundwater) in the suspension provided. The metering device comprises, for example, a line with a valve, possibly with a suction pump.

Die Detektoreinrichtung 40 ist je nach Art des physikalischen Messverfahrens zur Detektion von Partikelaggregaten in der Suspensionskammer 20 ausgebildet. Sie ist in eine Kammerwand integriert oder außerhalb der Suspensionskammer 20 angeordnet. Es ist beispielsweise eine Kombination aus Anregungs-Lichtquelle und optischem Sensor (z. B. CCD-Sensor) oder eine anderweitige Messeinrichtung zur Erfassung physikalischer Eigenschaften der Suspension, insbesondere im Detektorbereich 50 vorgesehen. Als Detektoreinrichtung kann beispielsweise auch eine Massendichtemesseinrichtung zur lokal sensitiven Ermittlung der Massendichte in der Suspension unter Verwendung von Ultraschall vorgesehen sein. Die Detektoreinrichtung 40 ist mit einer Mess- und Steuereinrichtung 45 verbunden, die mit einer Signaleinrichtung 60 gekoppelt ist. Die Signaleinrichtung 60 umfasst beispielsweise optische (61), akustische (62) und/oder mechanische (63) Signalisierungsmittel. Als optische Signalisierungsmittel werden beispielweise LEDs verwendet. Eine grüne LED zeigt die Betriebsbereitschaft des Sensors an. Eine rote LED signalisiert ein Ansprechen des Sensors. Anstelle der Signaleinrichtung 60 kann auch ein (nicht dargestellter) Sender vorgesehen sein, der Systemzustände und insbesondere die Detektion der zu untersuchenden Substanz drahtlos an eine Zentraleinheit (nicht dargestellt) übermittelt. Die genannten Komponenten sind in einem Gehäuse 70 angeordnet. Depending on the type of physical measurement method, the detector device 40 is designed for the detection of particle aggregates in the suspension chamber 20 . It is integrated in a chamber wall or arranged outside the suspension chamber 20 . For example, a combination of excitation light source and optical sensor (eg CCD sensor) or some other measuring device for detecting physical properties of the suspension, in particular in the detector area 50, is provided. For example, a mass density measuring device for locally sensitive determination of the mass density in the suspension using ultrasound can also be provided as the detector device. The detector device 40 is connected to a measuring and control device 45 , which is coupled to a signal device 60 . The signaling device 60 comprises, for example, optical ( 61 ), acoustic ( 62 ) and / or mechanical ( 63 ) signaling means. For example, LEDs are used as optical signaling means. A green LED indicates the operational readiness of the sensor. A red LED signals that the sensor has responded. Instead of the signal device 60 , a transmitter (not shown) can also be provided, which transmits system states and in particular the detection of the substance to be examined wirelessly to a central unit (not shown). The components mentioned are arranged in a housing 70 .

Der Detektorbereich 50, in dem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Anreicherung von Partikelaggregaten vorgesehen ist, umfasst eine Felderzeugungseinrichtung zur Sammlung oder Zurückhaltung der Aggregate in einem suspendierten Zustand im Detektorbereich 50 oder eine Adsorptionsschicht zur Immobilisierung von Aggregaten. Die Felderzeugungseinrichtung kann je nach Anwendungsfall mit der Mess- und Steuereinrichtung 45 verbunden sein (siehe gestrichelter Pfeil), um die Parameter der Aggregatanreicherung in Abhängigkeit von Detektorsignalen zu steuern. The detector area 50 , in which, according to a preferred embodiment of the invention, an enrichment of particle aggregates is provided, comprises a field generating device for collecting or retaining the aggregates in a suspended state in the detector area 50 or an adsorption layer for immobilizing aggregates. Depending on the application, the field generating device can be connected to the measuring and control device 45 (see dashed arrow) in order to control the parameters of the aggregate enrichment as a function of detector signals.

Das Bezugszeichen 80 illustriert schematisch ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung, wonach im Biosensor 10 mit einem Strömungsgenerator eine Ringströmung erzeugt wird. Die Suspension in der Suspensionskammer 20 wird über einen Strömungskreislauf 81, der auch durch eine entsprechend geformte Suspensionskammer 20 gebildet sein kann, mehrfach am Detektorbereich 50 vorbeigeführt (siehe Fig. 7). Im Detektorbereich werden lokal Kräfte ausgeübt, die selektiv ausschließlich auf die Aggregate wirken. Aggregate, die bei einem ersten Durchtritt durch den Detektorbereich noch zu klein für ein Festhalten sind, wachsen im Umlauf und werden beim nächsten oder einem folgenden Durchtritt gesammelt. The reference numeral 80 schematically illustrates a further advantageous feature of the invention, according to which an annular flow is generated in the biosensor 10 with a flow generator. The suspension in the suspension chamber 20 is repeatedly guided past the detector area 50 via a flow circuit 81 , which can also be formed by a correspondingly shaped suspension chamber 20 (see FIG. 7). Forces are exerted locally in the detector area, which act selectively only on the units. Aggregates that are too small to hold on the first time they pass through the detector area grow in circulation and are collected the next time or after.

Das Volumen der Suspensionskammer 20 ggf. mit dem Umlauf wird anwendungsabhängig gewählt und beträgt bei mobilen Geräten z. B. 10 µl bis 10 ml. Es können aber auch größere Volumina bis in den 100 ml-Bereich vorgesehen sein. The volume of the suspension chamber 20, possibly with the circulation, is selected depending on the application and is z. B. 10 ul to 10 ml. However, larger volumes can be provided up to the 100 ml range.

Das Wirkprinzip der erfindungsgemäßen Stoffdetektion basiert auf der Verwendung von Partikeln, die substanzspezifische Bindungsstellen tragen und in einer Trägerflüssigkeit (im folgenden: Sensorsuspension) frei suspendiert sind, als signalgebendes Material oder Sensorelement. Ein Partikel 21 ist schematisch vergrößert in Fig. 2 illustriert. Er besteht aus einem Partikelkörper 22, der auf seiner Oberfläche eine Vielzahl von Bindungsstellen 23, 24 trägt. Des weiteren können, wenn eine Fluoreszenzdetektion (siehe unten) vorgesehen ist und der Partikel oder die nachzuweisende Substanz keine genügende Eigenfluoreszenz besitzen, auf der Oberfläche oder im Inneren fluoreszierende Moleküle 25 zur Fluoreszenzmarkierung angeordnet sein. Die Fluoreszenzmarkierung 25 umfasst vorzugsweise Fluoreszenzfarbstoffe oder fluoreszierende Proteine mit einer möglichst hohen Fluoreszenzquantenausbeute, wie z. B. Fluoreszindiazetat. Es kann auch eine Beladung der Partikel 21 mit einer ferromagnetischen Substanz vorgesehen sein, wenn die Partikel 21 in einem Detektorbereich mit einem magnetischen Sammelfeld konzentriert werden sollen. The principle of action of the substance detection according to the invention is based on the use of particles which carry substance-specific binding sites and are freely suspended in a carrier liquid (hereinafter: sensor suspension) as the signaling material or sensor element. A particle 21 is illustrated schematically enlarged in FIG. 2. It consists of a particle body 22 which has a large number of binding sites 23 , 24 on its surface. Furthermore, if fluorescence detection (see below) is provided and the particle or the substance to be detected does not have sufficient intrinsic fluorescence, fluorescent molecules 25 for fluorescent labeling can be arranged on the surface or inside. The fluorescent label 25 preferably comprises fluorescent dyes or fluorescent proteins with the highest possible fluorescence quantum yield, such as. B. fluorescine diacetate. The particles 21 can also be loaded with a ferromagnetic substance if the particles 21 are to be concentrated in a detector region with a magnetic collecting field.

Der Partikelkörper 22 ist ein synthetisches inertes Teilchen aus einem Kunststoff- und insbesondere Polymermaterial. Als Partikelkörper werden beispielsweise kommerziell verfügbare "Beads", Liposomen, Latexkörper oder Gelpartikel verwendet. Der Durchmesser der Partikelkörper 22 beträgt einige Mikrometer (z. B. 3 bis 5 µm) oder weniger bis in den Sub-Mikrometer-Bereich (z. B. bis hinab zu 10 nm). The particle body 22 is a synthetic inert particle made of a plastic and in particular polymer material. For example, commercially available "beads", liposomes, latex bodies or gel particles are used as particle bodies. The diameter of the particle bodies 22 is a few micrometers (eg 3 to 5 μm) or less down to the sub-micrometer range (eg down to 10 nm).

Die Bindungsstellen 23, 24 sind allgemein chemische Substanzen, die spezifisch mit vorbestimmten Targetsubstanzen, die detektiert werden sollen, Bindungen eingehen, gegenüber anderen, in der Probe enthaltenen Stoffen jedoch inert sind. Für die Detektion von Biokomponenten werden als Bindungsstellen vorzugsweise spezifische Antikörper verwendet. Die Antikörper werden nach an sich bekannten Verfahren der Antikörperproduktion gewonnen und nach ebenfalls bekannten molekularbiologischen Techniken an die Partikelkörper angekoppelt. Die Antikörper werden beispielsweise aus B-Lymphozyten (z. B. der Maus) gewonnen. The binding sites 23 , 24 are generally chemical substances that bind specifically with predetermined target substances that are to be detected, but are inert to other substances contained in the sample. Specific antibodies are preferably used as binding sites for the detection of biocomponents. The antibodies are obtained according to known methods of antibody production and coupled to the particle bodies according to known molecular biological techniques. The antibodies are obtained, for example, from B lymphocytes (e.g. the mouse).

Auf der Oberfläche der Partikelkörper 22 befinden sich mehrere Bindungsstellen. Zur Partikelaggregation müssen pro Partikel mindestens zwei Bindungsstellen, vorzugsweise jedoch drei oder mehr Bindungsstellen vorgesehen sein. Je nach Anwendungsfall können die Partikel 21 ausschließlich Bindungsstellen (z. B. 23) tragen, die für genau eine zu detektierende Targetsubstanz spezifisch bindend sind, oder zwei oder mehr verschiedene Antikörper (z. B. 23, 24) tragen, an denen verschiedene Targetsubstanzen ankoppeln. Im letzteren Fall ist die Selektivität des Detektionsverfahrens entsprechend auf eine Gruppe von Targetsubstanzen beschränkt. In der Sensorsuspension können auch Gruppen mit verschiedenen Partikelarten enthalten sein, die jeweils spezifische Bindungsstellen tragen. In diesem Fall ist die Spezifität des Biosensors ebenfalls eingeschränkt, falls nicht zusätzliche Maßnahmen zur selektiven Detektion der verschiedenen Partikelgruppen in verschiedenen Detektorbereichen, z. B. durch verschiedene dielektrophoretische Rückhaltebedingungen, bereitgestellt werden. There are several binding sites on the surface of the particle body 22 . For particle aggregation, at least two binding sites, but preferably three or more binding sites, must be provided per particle. Depending on the application, the particles 21 can only carry binding sites (for example 23) which are specifically binding for exactly one target substance to be detected, or can carry two or more different antibodies (for example 23, 24) on which different target substances docking. In the latter case, the selectivity of the detection method is accordingly restricted to a group of target substances. The sensor suspension can also contain groups with different types of particles, each carrying specific binding sites. In this case, the specificity of the biosensor is also restricted, unless additional measures for the selective detection of the different particle groups in different detector areas, e.g. B. by various dielectrophoretic retention conditions.

Die Sensorsuspension besteht beispielsweise aus einer Elektrolytlösung oder einer physiologischen Kochsalzlösung. Die Zahl der Partikel mit substanzspezifischen Bindungsstellen in der Sensorsuspension ist anwendungsabhängig gewählt. Sie beträgt beispielsweise 100 bis 10⁶ je µl. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Partikel 21 aufgrund ihrer geringen Größe und ihrer Aggregationsfreiheit im unbeladenen Zustand frei in der Sensorsuspension verteilt sind. Die Sensorsuspension liefert somit ein isotropes Grundsignal (z. B. Fluoreszenzsignal), das die Einsatzbereitschaft des Biosensors anzeigt. Wenn die Partikel genügend klein sind, ist die Sensorsuspension transparent und klar, was vorteilhafterweise visuell geprüft werden kann. The sensor suspension consists, for example, of an electrolyte solution or a physiological saline solution. The number of particles with substance-specific binding sites in the sensor suspension is selected depending on the application. It is, for example, 100 to 10 ⁶ per µl. A particular advantage of the method according to the invention is that the particles 21 are freely distributed in the sensor suspension due to their small size and their freedom from aggregation in the unloaded state. The sensor suspension thus supplies an isotropic basic signal (e.g. fluorescence signal) that indicates the readiness for use of the biosensor. If the particles are sufficiently small, the sensor suspension is transparent and clear, which can advantageously be checked visually.

Wenn sich in der Sensorsuspension die gesuchte Targetsubstanz befindet, kommt es zu der in Fig. 3 illustrierten Partikelaggregation. Die Targetsubstanz wird über die Einführeinrichtung (siehe unten) in die Sensorsuspension eingeführt und dort gelöst oder frei suspendiert. Die Targetsubstanz enthält beispielsweise mindestens eine gesuchte Biokomponente (z. B. Mikroorganismen, Viren oder Sporen) oder Teile von diesen oder andere biologische Substanzen. Biokomponenten sind beispielsweise auch Moleküle, Verbindungen, Makromoleküle, wie z. B. Proteine oder Lipide, oder Aggregate, die in biologischen Systemen enthalten sind, oder lebende oder tote biologische Zellen, Zellgruppen oder Zellbestandteile. Mikroorganismen umfassen beispielsweise Bakterien oder andere Krankheitserreger. If the target substance sought is in the sensor suspension, the particle aggregation illustrated in FIG. 3 occurs. The target substance is introduced into the sensor suspension via the insertion device (see below) and dissolved or freely suspended there. The target substance contains, for example, at least one sought-after biocomponent (eg microorganisms, viruses or spores) or parts of these or other biological substances. Biocomponents are also, for example, molecules, compounds, macromolecules, such as. B. proteins or lipids, or aggregates, which are contained in biological systems, or living or dead biological cells, cell groups or cell components. Microorganisms include, for example, bacteria or other pathogens.

Die Biokomponenten 1 treffen aufgrund der thermischen Bewegung oder ggf. einer zusätzlichen gerichteten oder ungerichteten Strömungsbewegung in der Sensorsuspension nach kurzer Zeit auf freie Bindungsstellen 23, an die sie spezifisch anbinden. Ferner treffen frei suspendierte Partikel (z. B. 21) auf einen mit mindestens einer Biokomponente 1 beladenen Partikel oder Partikelverbund. Es entsteht ein Partikelaggregat 26, das gemäß der Schemadarstellung in Fig. 3 ein irregulär faden- oder netzartig gewachsener Verbund aus Partikeln 21 und Biokomponenten 1 darstellt. Dieser Verbund kann je nach den quantitativen Verhältnissen Dimensionen im Bereich von z. B. 0.2 bis 10 µm erhalten, wobei er weiter in der Suspension frei suspendiert ist. Due to the thermal movement or possibly an additional directional or non-directional flow movement in the sensor suspension, the biocomponents 1 meet free binding sites 23 to which they specifically bind. Furthermore, freely suspended particles (e.g. 21) meet a particle or particle composite loaded with at least one biocomponent 1 . A particle aggregate 26 is formed which, according to the schematic representation in FIG. 3, represents an irregularly filament-like or network-like composite of particles 21 and biocomponents 1 . This network can, depending on the quantitative relationships, dimensions in the range of z. B. 0.2 to 10 microns obtained, it is further freely suspended in the suspension.

Durch Aggregatbildung werden allgemein die physikalischen Eigenschaften der Sensorsuspension (z. B. optische Eigenschaften, Massendichteverteilung, Viskosität oder dgl.) verändert. Im einfachsten Fall verursacht die Partikelaggregation beispielsweise eine visuell beobachtbare Eintrübung, wenn aus Partikeln 21 mit charakteristischen Größen kleiner als die sichtbaren Lichtwellenlängen zu streuenden Aggregaten wachsen. Für eine sensitive und automatisierbare Detektion wird jedoch anstelle der visuellen Beobachtung die Messung einer veränderten physikalischen Größe der Sensorsuspension bevorzugt. Dies wird im folgenden am Beispiel von Fluoreszenzmessungen beschrieben. The formation of aggregates generally changes the physical properties of the sensor suspension (e.g. optical properties, mass density distribution, viscosity or the like). In the simplest case, the particle aggregation causes, for example, a visually observable cloudiness when particles 21 with characteristic sizes grow smaller than the visible light wavelength aggregates. For a sensitive and automatable detection, however, the measurement of a changed physical size of the sensor suspension is preferred instead of the visual observation. This is described below using the example of fluorescence measurements.

Zur Fluoreszenzdetektion werden Partikel mit Eigenfluoreszenz oder einer Fluoreszenzmarkierung 25 verwendet. Durch die Aggregatbildung ändert sich die örtliche Verteilung der fluoreszierenden Emitter in der Sensorsuspension. Vor der Aggregatbildung ist ein isotrop verteiltes Fluoreszenz-Grundsignal detektierbar, das sich in allen Volumenteilen der Sensorsuspension gleichförmig durch die Zahl der im Volumenteil enthaltenen einzelnen Partikel 21 bestimmt. Während und nach der Aggregatbildung kommt es entsprechend in manchen Volumenteilen zu einer Verringerung und in anderen Volumenteilen zu einer Verstärkung der Fluoreszenz. Diese Änderung lässt sich durch eine ortsselektive Fluoreszenzmessung erfassen. For fluorescence detection, particles with their own fluorescence or a fluorescent label 25 are used. The formation of aggregates changes the local distribution of the fluorescent emitters in the sensor suspension. Before the formation of the aggregate, an isotropically distributed basic fluorescence signal can be detected, which is determined uniformly in all volume parts of the sensor suspension by the number of individual particles 21 contained in the volume part. During and after the aggregate formation, there is a corresponding decrease in some parts by volume and an increase in fluorescence in other parts by volume. This change can be detected by a location-selective fluorescence measurement.

Unter ortsselektiven Fluoreszenzmessung wird allgemein die lokal begrenzte Anregung (Beleuchtung) und/oder Detektion der Fluoreszenz in einem genügend kleinen Volumenelement verstanden. Bei Messung mit einem ausreichend schnell ansprechenden Detektor ergeben sich im Zeitverlauf des Fluoreszenzsignals mit zunehmender Aggregatbildung Fluktuationen, die charakteristisch für das zeitweilige Auftreten von Partikelaggregaten im lokal angeregten und/oder detektierten Bereich sind. Das Auftreten der Fluktuationen kann als Maß für die Aggregatbildung und damit für die Detektion der gesuchten Targetsubstanz verwendet und in ein Alarmsignal umgesetzt werden. Location-selective fluorescence measurement is generally local limited excitation (lighting) and / or detection of Understand fluorescence in a sufficiently small volume element. at Measurement with a sufficiently fast responding detector arise with increasing over the course of time of the fluorescence signal Aggregate formation fluctuations that are characteristic of the Temporary occurrence of particle aggregates in the locally excited and / or the detected area. The appearance of the Fluctuations can be used as a measure for the formation of aggregates and thus for the Detection of the target substance sought and used in a Alarm signal can be implemented.

Vorzugsweise ist die Detektion der Partikelaggregate jedoch lokal auf mindestens einen Detektorbereich 50 (siehe Fig. 1, 4, 5) gerichtet, in dem eine Konzentration oder Anreicherung der Partikelaggregate 26 erfolgt. Durch die Anreicherung wird die aggregat-induzierte Änderung der örtlichen Fluoreszenzverteilung vorteilhafterweise noch verstärkt, so dass sich die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Detektion weiter erhöht. In einem Detektorbereich 50 werden die Partikel zusätzlichen Kräften ausgesetzt, die selektiv bevorzugt auf die Partikelaggregate und weniger oder gar nicht auf die einzelnen Partikel wirken. Die Kräfte umfassen beispielsweise Kräfte in elektromagnetischen Feldern (siehe z. B. Fig. 4) oder chemische Bindungskräfte (siehe z. B. Fig. 5). In elektromagnetischen Feldern werden beispielsweise dielektrophoretische, magnetische oder optische Kräfte ausgeübt, unter deren Wirkung die Partikelaggregate im Detektorbereich gesammelt werden. Die Aggregatanreicherung erfolgt vorzugsweise unter Wirkung elektromagnetischer Felder, da mit diesen Volumenkräfte erzeugt werden. Mit Volumenkräften lassen sich große Aggregate stärker beeinflussen als einzelne Partikel, was sich positiv auf die Ansprechzeit eines erfindungsgemäßen Biosensors auswirkt. However, the detection of the particle aggregates is preferably directed locally to at least one detector area 50 (see FIGS. 1, 4, 5) in which the particle aggregates 26 are concentrated or enriched. The enrichment advantageously increases the aggregate-induced change in the local fluorescence distribution, so that the sensitivity of the detection according to the invention is further increased. In a detector area 50 , the particles are exposed to additional forces which selectively act preferentially on the particle aggregates and less or not at all on the individual particles. The forces include, for example, forces in electromagnetic fields (see, for example, FIG. 4) or chemical binding forces (see, for example, FIG. 5). For example, dielectrophoretic, magnetic or optical forces are exerted in electromagnetic fields, under the effect of which the particle aggregates are collected in the detector area. The aggregate enrichment is preferably carried out under the action of electromagnetic fields, since these generate volume forces. Large aggregates can be influenced more by volume forces than individual particles, which has a positive effect on the response time of a biosensor according to the invention.

In Fig. 4 ist die Anreicherung von Partikelaggregaten 26 unter der Wirkung elektromagnetischer Felder illustriert. Es ist ein Teil einer Suspensionskammer 20 mit dem Detektorbereich 50 dargestellt, der von der Sensorsuspension beispielsweise in Pfeilrichtung A durchströmt wird. Im Detektorbereich 50 sind an den oberen und unteren Seitenwänden der Suspensionskammer Elektroden 51 angeordnet, die mit einem Hochfrequenzgenerator 52 verbunden sind. Im Detektorbereich 50 ist ferner die Detektoreinrichtung 40 mit einer Anregungs-Lichtquelle 41 und einem Detektor 42 (jeweils schematisch illustriert) angeordnet, die mit der Mess- und Steuereinrichtung 45 verbunden sind. Die Fluoreszenzmessung erfolgt mit um 90° versetzten Strahlengängen der Beleuchtung und Detektion. Alternativ zur Fluoreszenzmessung kann die Detektoreinrichtung 40 auch zu einer Streulichtmessung eingerichtet sein. FIG. 4 illustrates the enrichment of particle aggregates 26 under the effect of electromagnetic fields. A part of a suspension chamber 20 with the detector area 50 is shown, through which the sensor suspension flows, for example in the direction of arrow A. Electrodes 51 , which are connected to a high-frequency generator 52 , are arranged in the detector region 50 on the upper and lower side walls of the suspension chamber. In the detector area 50 , the detector device 40 is further arranged with an excitation light source 41 and a detector 42 (each illustrated schematically), which are connected to the measuring and control device 45 . The fluorescence measurement is carried out with beam paths of lighting and detection offset by 90 °. As an alternative to the fluorescence measurement, the detector device 40 can also be set up for a scattered light measurement.

Die Elektroden 51 werden mit Hochfrequenzfeldern derart beaufschlagt, dass sich in Strömungsrichtung eine dielektrophoretische Feldbarriere bildet, die sich über die Suspension erstreckt und teilchengrößenselektiv wirkt. Es wird eine dielektrophoretische Kraft erzeugt, die so mit den Strömungskräften zusammenwirkt, dass große Teilchen im Detektorbereich 50 gehalten werden und kleine Teilchen weiter strömen. Die Manipulation dielektrischer Teilchen in hochfrequenten elektrischen Feldern ist an sich bekannt, so dass es dem Fachmann möglich ist, die Elektrodenformen und Feldparameter in Abhängigkeit vom Anwendungsfall geeignet zu wählen. Unter der dielektrophoretischen Kraftwirkung werden die Aggregate 26 im Sensorbereich 50 zurückgehalten, während die einzelnen Partikel (nicht dargestellt) unter der Wirkung der Suspensionsströmung durch den Detektorbereich hindurchtreten. Durch die Konzentration der Aggregate ergibt sich eine Erhöhung der Fluoreszenzintensität im Detektorbereich 50. Die Fluoreszenzmessung beispielsweise einer einzelnen Linie liefert ein Detektorsignal, das bei Anstieg charakteristisch für das Auftreten der Partikelaggregate ist. Wird ein bestimmter Schwellwert überschritten, spricht der Biosensor 10 an. Von der Mess- und Steuereinrichtung 45 wird ein Signal an die Signaleinrichtung 60 (siehe Fig. 1) gegeben. Die Empfindlichkeit und Reproduzierbarkeit der Fluoreszenzmessung kann noch erhöht werden, indem die Anregungs-Lichtquelle 41 auch einen Volumenbereich der Suspensionskammer 20 außerhalb des Detektorbereiches 50bestrahlt oder entsprechend eine weitere Anregungs-Lichtquelle vorgesehen ist. Mit dem Detektor 42 oder einem zusätzlichen Detektor kann ein Referenzsignal erhalten werden. Ein Alarmsignal wird beispielsweise erzeugt, wenn ein Differenzsignal zwischen dem Detektorsignal aus dem Detektorbereich 50 und dem Referenzsignal einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. The electrodes 51 are exposed to high-frequency fields in such a way that a dielectrophoretic field barrier is formed in the direction of flow, which extends over the suspension and has a particle size-selective effect. A dielectrophoretic force is generated which interacts with the flow forces such that large particles are held in the detector area 50 and small particles continue to flow. The manipulation of dielectric particles in high-frequency electrical fields is known per se, so that it is possible for the person skilled in the art to select the electrode shapes and field parameters appropriately depending on the application. Under the dielectrophoretic force, the aggregates 26 are retained in the sensor area 50 , while the individual particles (not shown) pass through the detector area under the action of the suspension flow. The concentration of the aggregates results in an increase in the fluorescence intensity in the detector region 50 . The fluorescence measurement of a single line, for example, provides a detector signal which, when rising, is characteristic of the occurrence of the particle aggregates. If a certain threshold value is exceeded, the biosensor 10 responds. A signal is sent from the measuring and control device 45 to the signal device 60 (see FIG. 1). The sensitivity and reproducibility of the fluorescence measurement can be increased further by the excitation light source 41 also irradiating a volume region of the suspension chamber 20 outside the detector region 50 or by correspondingly providing a further excitation light source. A reference signal can be obtained with the detector 42 or with an additional detector. An alarm signal is generated, for example, when a difference signal between the detector signal from the detector area 50 and the reference signal exceeds a predetermined threshold value.

Die Anregungs-Lichtquelle 41 ist beispielsweise eine LED. Als Detektor 42 wird beispielsweise ein CCD-Sensor oder ein anderes photosensitives Element verwendet. Zusätzlich können am Detektor 42 Filter zur Abtrennung des Anregungslichts vorgesehen sein. The excitation light source 41 is an LED, for example. For example, a CCD sensor or another photosensitive element is used as the detector 42 . Filters 42 can also be provided on the detector to separate the excitation light.

Die Sammlung der Partikelaggregate 26 an einer im Detektorbereich 50 vorgesehenen Festphase 53 ist in Fig. 5 illustriert. Die Festphase 53 besteht aus einer Vielzahl von substanzspezifischen Bindungsstellen (z. B. Antikörpern), die auf einem Substrat an einer Wand der Suspensionskammer 20, direkt auf der Wand oder auf dem Detektor angebracht sind. Entsprechend dem oben erläuterten Aggregationsprinzip erfolgt an der Festphase 53 eine Bildung, ein Wachstum und eine Sammlung von Aggregaten 26. Die Konzentration der Aggregate 26 kann analog zu den oben beschriebenen Prinzipien durch eine Fluoreszenzmessung (Absolutmessung oder Referenzmessung) detektiert und alarmiert werden. Die Festphasen-Sammlung gemäß Fig. 5 besitzt zwar eine geringere Ansprechzeit als die Sammlung in der freien Suspension gemäß Fig. 4, ermöglicht jedoch vorteilhafterweise einen erheblich vereinfachten Aufbau des Biosensors 10. Es ergibt sich ferner als Vorteil gegenüber dem herkömmlichen Prinzip gemäß Fig. 10, dass sich das signalgebende Material bei Ansprechen des Biosensors im Detektorbereich 50 durch Aufbau der fluoreszierenden Aggregate vorteilhafterweise schnell sammelt. Bei den in Fig. 4 und 5 gezeigten Prinzipien der Aggregatanreicherung sind Ansprechzeiten des Biosensors 10 im Sekundenbereich möglich. The collection of the particle aggregates 26 on a solid phase 53 provided in the detector area 50 is illustrated in FIG. 5. The solid phase 53 consists of a multiplicity of substance-specific binding sites (eg antibodies) which are attached to a substrate on a wall of the suspension chamber 20 , directly on the wall or on the detector. In accordance with the principle of aggregation explained above, formation, growth and collection of aggregates 26 take place on the solid phase 53 . Analogously to the principles described above, the concentration of the aggregates 26 can be detected and alarmed by a fluorescence measurement (absolute measurement or reference measurement). In accordance with the solid-phase collection of FIG. 5 has a lower response time than the collection in the free suspension FIG. 4, but advantageously allows a substantially simplified construction of a biosensor 10th It also has the advantage over the conventional principle according to FIG. 10 that when the biosensor responds, the signaling material advantageously collects quickly in the detector area 50 due to the structure of the fluorescent aggregates. In the in Fig. 4 and 5 principles of the aggregate enrichment of the biosensor 10 in the seconds range are possible response times.

Alternative Sammelprinzipien basieren auf optischen Kräften, die beispielsweise wie bei Laserpinzetten mit Lasern ausgeübt werden, oder magnetischen Kräften. Am Detektorbereich können beispielsweise Permanentmagneten angeordnet sein, die auf Aggregate eine stärkere Rückhaltekraft ausüben als auf die einzelnen Partikel. Alternative principles of collection are based on optical forces for example as with laser tweezers with lasers be, or magnetic forces. Can at the detector area For example, permanent magnets can be arranged on aggregates exercise greater restraint than individuals Particle.

Weitere Einzelheiten eines Biosensors 10, der beispielsweise auf den in den Fig. 4 und 5 illustrierten Prinzipien beruht, sind in Fig. 6 illustriert. Im Gehäuse 70 sind die Suspensionskammer 20 (teilweise dargestellt) mit der Einführeinrichtung 30, der Detektoreinrichtung 40, der Mess- und Steuereinrichtung (nicht dargestellt) und der Signaleinrichtung 60 untergebracht. Das Gehäuse 70 umfasst Ein- und Austrittsfenster 71, 72 zur Aufnahme und Abgabe eines Mediums (z. B. Umgebungsluft), aus dem eine Probe untersucht werden soll. Im Gehäuse kann auch ein Ventilator (nicht dargestellt) zum Ansaugen von Umgebungsluft in das Gehäuse 70 vorgesehen sein. Des weiteren kann im Gehäuse 70 eine Befeuchtungseinrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, mit der das aufgenommene Medium angefeuchtet wird, um ein Austrocknen des Sensors zu behindern. Alternativ kann auch die Einführeinrichtung 30 an einem Gehäusefenster nach außen hin frei liegen, so dass eine Probe direkt aus der Umgebung in die Suspensionskammer 20 aufgenommen werden kann. Further details of a biosensor 10 , which is based, for example, on the principles illustrated in FIGS. 4 and 5, are illustrated in FIG. 6. The suspension chamber 20 (partially shown) with the insertion device 30 , the detector device 40 , the measuring and control device (not shown) and the signal device 60 are accommodated in the housing 70 . The housing 70 comprises inlet and outlet windows 71 , 72 for receiving and dispensing a medium (eg ambient air) from which a sample is to be examined. A fan (not shown) for drawing ambient air into the housing 70 can also be provided in the housing. Furthermore, a humidification device (not shown) can be provided in the housing 70 , with which the absorbed medium is moistened in order to prevent the sensor from drying out. Alternatively, the insertion device 30 can also be exposed to the outside on a housing window, so that a sample can be taken directly from the environment into the suspension chamber 20 .

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Strömungskammer 20 mit einem Strömungsgeneratur 80 ausgestattet. Mit dem Strömungsgenerator 80 wird in der Sensorsuspension eine Flüssigkeitsbewegung erzeugt, um die Aggregatbildung bei Auftreten der Targetsubstanz zu fördern und die Aggregate am Detektorbereich 50 vorbeizuführen. Die Suspensionskammer 20 ist vorzugsweise als endloser, umlaufender Kanal (z. B. als Ringkammer oder Zylinderkammer) aufgebaut, in dem mit dem Strömungsgenerator 80 eine umlaufende Strömung erzeugt wird, wie dies in Fig. 7 illustriert ist. According to a preferred embodiment of the invention, the flow chamber 20 is equipped with a flow generator 80 . With the flow generator 80 , a liquid movement is generated in the sensor suspension in order to promote the formation of aggregates when the target substance occurs and to lead the aggregates past the detector area 50 . The suspension chamber 20 is preferably constructed as an endless, circumferential channel (for example, as an annular chamber or cylinder chamber), in which a circulating flow is generated with the flow generator 80 , as is illustrated in FIG. 7.

Fig. 7 zeigt eine Suspensionskammer 20 in Form eines flachen Kreiszylinders, in dem eine Ringströmung der Sensorsuspension gebildet ist. An die Suspensionskammer 20 sind ein Zulauf 82 und ein Ablauf 83 angeschlossen, die einen geschlossenen Strömungskreislauf 81 bilden können oder der Systembefüllung und -entleerung dienen. Die Einführeinrichtung 30 (nicht dargestellt) ist direkt mit der Suspensionskammer 20 oder alternativ mit einem Teil des Strömungskreislaufs 81 verbunden. Fig. 7 shows a suspension chamber 20 in the form of a flat circular cylinder in which an annular flow of the sensor suspension is formed. An inlet 82 and an outlet 83 are connected to the suspension chamber 20 , which can form a closed flow circuit 81 or serve for system filling and emptying. The insertion device 30 (not shown) is connected directly to the suspension chamber 20 or alternatively to a part of the flow circuit 81 .

Des weiteren ist an der Suspensionskammer 20 ein Detektorbereich 50 zur Anreicherung der sich im Biosensor 10 gegebenenfalls bildenden Partikelaggregate vorgesehen. Es ist beispielhaft ein Detektorbereich 50 mit einer Vielzahl von Elektroden 51 zur dielektrophoretischen Sammlung der Partikelaggregate (siehe Fig. 4) vorgesehen. Des weiteren ist die Anregungs-Lichtquelle 41 der Detektoreinrichtung an der Suspensionskammer 20 angebracht. Der Darstellung gemäß Fig. 7 ist zu entnehmen, dass bei der Realisierung eines Detektorbereiches 50 zur Anreicherung der Aggregate die Anregungs-Lichtquelle 41 nicht notwendigerweise lokal auf den Detektorbereich 50 gerichtet sein muss. Vielmehr ist es möglich, mit einer geeigneten Optik die gesamte Suspensionskammer 20 zu beleuchten und eine lokal selektive Detektion am Detektorbereich 50 und gegebenenfalls eine Referenzmessung außerhalb des Detektorbereichs 50 vorzunehmen. Furthermore, a detector area 50 is provided on the suspension chamber 20 for enriching the particle aggregates that may form in the biosensor 10 . A detector area 50 with a plurality of electrodes 51 for dielectrophoretic collection of the particle aggregates (see FIG. 4) is provided as an example. Furthermore, the excitation light source 41 of the detector device is attached to the suspension chamber 20 . It can be seen from the illustration according to FIG. 7 that when implementing a detector area 50 for enriching the aggregates, the excitation light source 41 does not necessarily have to be directed locally at the detector area 50 . Rather, it is possible to illuminate the entire suspension chamber 20 with suitable optics and to carry out a locally selective detection at the detector area 50 and possibly a reference measurement outside the detector area 50 .

Während des Sensorbetriebs wird mit dem Strömungsgenerator eine Ringströmung erzeugt, die gegebenenfalls auch für den Medienumlauf durch die Zu- und Abläufe 82, 83 sorgt. Der Strömungsgenerator ist beispielsweise durch ein magnetisches (Magnetrührer), dielektrophoretisches, thermisches oder elektrohydrodynamisches Rührwerk gebildet. Die über die Einführeinrichtung 30 in die Sensorsuspension eingebrachten Probenbestandteile gelangen über den Zulauf 82 in die Suspensionskammer 20. Beim Auftreten der Targetsubstanz erfolgt die Aggregatbildung. Die wachsenden Aggregate werden im Detektorbereich 50 aus der Ringströmung zurückgehalten und konzentriert. Bei Überschreiten eines vorbestimmten Differenzwertes der Fluoreszenz relativ zur Umgebungsfluoreszenz in der Suspensionskammer 20 außerhalb des Detektorbereichs 50 wird ein Alarm signalisiert. Die Ringströmung wird während des Betriebes ununterbrochen aufrechterhalten. During the sensor operation, an annular flow is generated with the flow generator, which optionally also ensures the media circulation through the inlets and outlets 82 , 83 . The flow generator is formed, for example, by a magnetic (magnetic stirrer), dielectrophoretic, thermal or electrohydrodynamic agitator. The sample components introduced into the sensor suspension via the introduction device 30 reach the suspension chamber 20 via the inlet 82 . When the target substance occurs, the aggregate is formed. The growing aggregates are retained in the detector area 50 from the ring flow and concentrated. If a predetermined difference value of the fluorescence relative to the ambient fluorescence in the suspension chamber 20 outside the detector area 50 is exceeded, an alarm is signaled. The ring flow is maintained continuously during operation.

Der in den Fig. 6 und 7 illustrierte Biosensor ist ferner mit den folgenden Komponenten ausgestattet, die im einzelnen nicht gezeigt sind. Es ist eine Mess- und Steuereinrichtung zum Betrieb der optischen Detektion, zur Signalauswertung und zur Alarmerzeugung vorgesehen. Des weiteren ist eine Felderzeugungseinrichtung (z. B. Hochfrequenzgenerator) für die dielektrophoretische, magnetische und/optische Krafterzeugung vorgesehen. Vorteilhafterweise zeigen die Erfahrungen aus der fluidischen Mikrosystemtechnik, dass diese Schaltungen klein und mit geringem Energieverbrauch bereitgestellt werden können, so dass der Biosensor 10 ohne weiteres als mobiles Gerät realisiert werden kann. Des weiteren kann der Biosensor mit einem Spül- und Suspensionskühlsystem, gegebenenfalls mit einem Hilfstank, verbunden sein. The biosensor illustrated in FIGS. 6 and 7 is further equipped with the following components, which are not shown in detail. A measuring and control device for operating the optical detection, for signal evaluation and for generating alarms is provided. Furthermore, a field generating device (e.g. high-frequency generator) is provided for the dielectrophoretic, magnetic and / optical force generation. Experience in fluidic microsystem technology advantageously shows that these circuits can be made small and with low energy consumption, so that the biosensor 10 can be easily implemented as a mobile device. Furthermore, the biosensor can be connected to a rinsing and suspension cooling system, optionally with an auxiliary tank.

In den Fig. 8 und 9 sind Einzelheiten der erfindungsgemäß verwendeten Einführeinrichtung 30 illustriert. Die Einführeinrichtung 30 umfasst beispielsweise eine Austauschmembran oder ein Diffusionsfenster 31, das die Schnittstelle zwischen dem Inneren der Suspensionskammer 20 und der Umgebung darstellt. Das Diffusionsfenster 31 ist beispielsweise eine dünne Membran mit Durchbrüchen oder Poren. Die Membrandicke beträgt beispielsweise 3 µm. Die Poren besitzen charakteristische Durchmesser im Bereich von z. B. 0.5 bis 40 µm. Sie sind derart gewählt, dass die jeweilige Targetsubstanz durch die Poren hindurchtreten kann. Das Diffusionsfenster wird beispielsweise durch eine Oxid- oder Siliziummembran mit entsprechenden Poren 32 gebildet. In FIGS. 8 and 9 are details of the introducer 30 according to the invention is illustrated. The insertion device 30 comprises, for example, an exchange membrane or a diffusion window 31 , which represents the interface between the interior of the suspension chamber 20 and the surroundings. The diffusion window 31 is, for example, a thin membrane with openings or pores. The membrane thickness is, for example, 3 µm. The pores have characteristic diameters in the range of z. B. 0.5 to 40 microns. They are chosen in such a way that the respective target substance can pass through the pores. The diffusion window is formed, for example, by an oxide or silicon membrane with corresponding pores 32 .

Die Probeneinführung erfolgt derart, dass das Außenmedium (z. B. Außenluft), das auf Mikroorganismen getestet werden soll, an der Außenseite des Diffusionsfensters 31 (siehe Fig. 8a) vorbeigeführt wird. Dies erfolgt aktiv mit einem Ventilator oder passiv durch in der Umgebung vorhandene Medienströmungen. Vorzugsweise ist die Luftfeuchte im Außenraum erhöht. Dies besitzt den Vorteil, dass ein Austrocknen der Sensorsuspension durch die Poren 32 vermindert wird. The sample is introduced in such a way that the outside medium (e.g. outside air), which is to be tested for microorganisms, is guided past the outside of the diffusion window 31 (see FIG. 8a). This is done actively with a fan or passively through media flows in the area. The air humidity in the outside space is preferably increased. This has the advantage that drying out of the sensor suspension by the pores 32 is reduced.

Die in den meisten Fällen hydrophilen Mikroorganismen gelangen auf den Suspensionsmeniskus 33 (siehe Fig. 8b), der an den Poren 32 gebildet ist, oder auf die feuchte Oberfläche des Diffusionsfensters 31 und von dort passiv in die Sensorsuspension. Die Bildung des Suspensionsmeniskus 33 kann vorteilhafterweise durch hydrophobe Materialien 34 am Rand der Poren gefördert werden. Mit dem Strömungsgenerator wird auf der Innenseite der Einführeinrichtung laufend die Sensorsuspension vorbeigeführt. Es wird beispielsweise eine laminare Strömung induziert. Die Targetsubstanz kann in der oben beschriebenen Weise mit den Partikeln in der Suspension wechselwirken, so dass Aggregate gebildet werden. Die Strömungsgeschwindigkeit in der Suspensionskammer 20 kann so eingestellt werden, dass die einzelnen Partikel durch die dielektrophoretische Feldwirkung im Detektorbereich 50 nicht zurückgehalten werden, während sich die größeren Aggregate sammeln und über dem Detektor 42 aggregieren. Vorteilhafterweise kommt es bei der Aggregation zu einem Lawineneffekt. Über die Partikel-Partikel-Polarisationswechselwirkungen sammeln sich weitere einzelne Partikel und wachsende Aggregate an den im Detektorbereich 50 festgehaltenen Partikelaggregaten. Durch diesen Lawineneffekt wird die Empfindlichkeit des Biosensors weiter erhöht. The in most cases hydrophilic microorganisms reach the suspension meniscus 33 (see FIG. 8b), which is formed on the pores 32 , or the moist surface of the diffusion window 31 and from there passively into the sensor suspension. The formation of the suspension meniscus 33 can advantageously be promoted by hydrophobic materials 34 at the edge of the pores. With the flow generator, the sensor suspension is continuously guided past on the inside of the insertion device. For example, a laminar flow is induced. The target substance can interact with the particles in the suspension in the manner described above, so that aggregates are formed. The flow rate in the suspension chamber 20 can be adjusted so that the individual particles are not retained by the dielectrophoretic field effect in the detector area 50 , while the larger aggregates collect and aggregate above the detector 42 . An avalanche effect advantageously occurs during aggregation. Via the particle-particle polarization interactions, further individual particles and growing aggregates collect on the particle aggregates held in the detector area 50 . This avalanche effect further increases the sensitivity of the biosensor.

Fig. 9 zeigt die direkte Ankopplung der Einführeinrichtung 30 an die Suspensionskammer 20. Es ist auch ein besonderer Vorteil der Erfindung erkennbar, der sich auf die Herstellung des Biosensors bezieht. Die Suspensionskammer 20 mit der Einführeinrichtung 30 können einstückig aus einem Material hergestellt sein. Es wird beispielsweise Halbleitermaterial oder Kunststoff mit an sich bekannten dreidimensionalen Strukturierungstechniken geformt und den weiteren Komponenten (z. B. Elektroden) ausgestattet. Der Verdunstungsschutz 73 ist eine Einrichtung zur Anfeuchtung der Luft und besteht z. B. aus wassergetränktem Material. Fig. 9 shows the direct coupling of the insertion device 30 to the suspension chamber 20. There is also a particular advantage of the invention that relates to the manufacture of the biosensor. The suspension chamber 20 with the insertion device 30 can be made in one piece from one material. For example, semiconductor material or plastic is shaped using known three-dimensional structuring techniques and the other components (e.g. electrodes) are equipped. The evaporation protection 73 is a device for humidifying the air and consists, for. B. from water-soaked material.

Die Erfindung kann wie folgt modifiziert werden. Anstelle der synthetischen Partikelkörper des signalgebenden Materials können auch Partikelkörper aus biologischen Substanzen (z. B. lebende oder tote Zellen, wie lebende oder tote B-Lymphozyten, oder Zellfragmente, wie Membranvesikeln) verwendet werden. Es kann vorteilhafterweise eine besonders gute Anpassung an die Betriebsbedingungen erzielt werden, was möglicherweise auftretende Einschränkungen bei der Handhabung der Partikel kompensiert. Die Bindungsstellen können anstelle von Biokomponenten auch für andere Targetsubstanzen, wie z. B. synthetische Toxine, spezifisch bindend sein. Es können an einem Biosensor mehrere Suspensionskammern und an jeder Suspensionskammer mehrere Detektorbereiche vorgesehen sein. The invention can be modified as follows. Instead of synthetic particle body of the signaling material can also particle bodies from biological substances (e.g. living or dead cells, such as living or dead B lymphocytes, or Cell fragments, such as membrane vesicles) are used. It can advantageously a particularly good adaptation to the Operating conditions are achieved, which may occur Limitations in the handling of the particles compensated. The Binding sites can also be used instead of biocomponents other target substances, such as e.g. B. synthetic toxins, specific be binding. There can be several on one biosensor Suspension chambers and several detector areas on each suspension chamber be provided.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein. The in the above description, the drawings and the Features of the invention disclosed in claims can be both individually as well as in any combination for the realization of the invention in its various configurations from Be meaningful.

Claims

1. A method for the detection of biological substances, in particular of microorganisms, viruses or parts thereof, which are contained in a sample as at least one sought-after target substance ( 1 ), the sample being introduced into a sensor chamber ( 20 ) which contains a sensor suspension and Contains particles ( 21 ) with substance-specific binding sites ( 23 , 24 ) for the target substance ( 1 ), characterized in that the particles ( 21 ) are freely suspended in the sensor suspension and to determine the target substance in the sensor suspension, it is determined whether Linking the particles ( 21 ) to the target substance ( 1 ) searched for forms particle aggregates ( 26 ) via the binding sites ( 23 , 24 ), signaling being provided when the formation of the particle aggregates ( 26 ) is detected.

2. The method according to claim 1, in which forces are generated in at least one detector area ( 50 ) of the sensor chamber ( 20 ), under whose action particle aggregates ( 26 ) are collected in the detector area ( 50 ).

3. The method according to claim 2, in which the forces, electromagnetic forces, (26) are collected in a suspended state under the effect of the particle aggregates comprise, or chemical bonding forces, particle aggregates (26) adsorbed solid phase in an under the action state are collected ,

4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the detection of the particle aggregates ( 26 ) comprises an optical, electrical or hydrodynamic measurement.

5. The method according to any one of the preceding claims 2 to 4, in which a circumferential ring flow of the sensor suspension is generated, which passes through the detector region ( 50 ).

6. The method according to any one of the preceding claims, at the particle with binding sites in the sensor suspension are included, the specific with different target substances Enter into bonds, and a detection of the various Substances.

7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the particles ( 21 ) with substance-specific binding sites ( 23 , 24 ) have particle bodies ( 22 ) made of a synthetic material.

8. A biosensor for the detection of biological substances, in particular microorganisms, viruses or parts thereof, in a sample, which comprises:
a suspension chamber ( 20 ) which contains a sensor suspension and particles ( 21 ) with substance-specific binding sites ( 23 , 24 ), and
an introduction device ( 30 ) for introducing the sample into the suspension chamber ( 20 ),
characterized in that
the particles ( 21 ) are freely suspended in the sensor suspension, and
a detector device ( 40 ) is provided for detecting particle aggregates ( 26 ) from the particles and the biological substances sought.

9. The biosensor according to claim 8, wherein the suspension chamber ( 20 ) contains at least one detector region ( 50 ) which is designed for enriching particle aggregates ( 26 ) and is connected to the detector device ( 40 ).

10. Biosensor according to claim 9, wherein the detector area ( 50 ) contains a field generating device ( 51 ) for generating electromagnetic field effects or a solid phase ( 53 ) for generating chemical binding forces.

11. Biosensor according to one of claims 8 to 10, which contains a flow generator ( 80 ) for generating an annular flow in the suspension chamber ( 20 ).

12. Biosensor according to one of claims 8 to 11, wherein the insertion device ( 30 ) has a diffusion window ( 31 ) with pores ( 32 ) which separates the sensor suspension in the suspension chamber ( 20 ) from an outside space.

13. Use of a suspension with freely suspended Particles with substance-specific binding sites as signaling material in a biosensor for the detection of Microorganisms, viruses or parts thereof.