Die
Erfindung betrifft Verfahren zur Detektion von biologischen Substanzen,
insbesondere von Mikroorganismen oder deren Bestandteilen, und Biosensoren
zur Umsetzung der Verfahren.The
This invention relates to methods of detecting biological substances
in particular of microorganisms or their components, and biosensors
to implement the procedures.
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 means for feeling or
Detecting physical or chemical quantities or
of substances. In particular, the sensors for detecting substances belong
Biosensors with which biological substances can be detected. Under
Biological substances (or biocomponents) are general here
Substances, compounds, macromolecules
or aggregates of biological origin or more complex ones
Materials, such. B. live or dead biological cells, cell groups
or cell components understood. Biosensors work on
the basis of affinity relationships,
as for example between antigens and antibodies or
an enzyme or a substrate. Between a biological
Substance to be detected in a sample and a substance
(signaling material) in the biosensor is running a biochemical reaction
whose product is detected using physical methods, for example
becomes.
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.).Special
Requirements exist for biosensors that are used to detect microorganisms, in particular
of biological pathogens. To this
Requirements in particular count
a high selectivity
and functional safety under practical conditions outside
of the laboratory, z. B. in mobile use as in particular in public
Space (airports,
stations
etc.).
Das
Funktionsprinzip eines herkömmlichen Biosensors
für Mikroorganismen
ist in 10 illustriert.
Der herkömmliche
Biosensor 10' (siehe 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 functional principle of a conventional biosensor for microorganisms is in 10 illustrated. The conventional biosensor 10 ' (please refer 10a ) comprises a suspension chamber 20 ' with an introducer 30 ' , a detector device 40 ' and a detector area 50 ' , The detector area 50 ' is formed by a substrate on which as signaling materials 21 ' B lymphocytes 22 ' are arranged immobilized. In the suspension chamber 20 ' is a nutrient solution for the supply of living B lymphocytes 22 ' arranged. About the introduction device 30 ' becomes a sample with the microorganisms to be detected 1' in the suspension chamber 20 ' introduced. The B lymphocytes 22 ' carry specific antibodies 23 ' which are adapted for binding with the microorganism to be detected. The B lymphocytes 22 ' are further formed by genetic manipulation so that when coupled by one or more microorganisms 1' on the antibodies 23 ' green fluorescent proteins 25 ' (so-called GFP's) are generated. In the detector device, an excitation light source and an optical detector are provided, which are tuned to the excitation and detection of GFP fluorescence.
Bei
Einführung
von Mikroorganismen 1' in die
Suspensionskammer 20' kommt
es zur Anbindung an den Antikörpern 23' der B-Lymphozyten 22' (siehe 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 introducing microorganisms 1' in the suspension chamber 20 ' it comes to the connection to the antibodies 23 ' of B lymphocytes 22 ' (please refer 10b ). It comes to GFP production and to stimulate the GFP-specific fluorescence (arrow F), which is a signal for the occurrence of microorganisms. Although 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, there are the following disadvantages that severely 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 Maßnah men
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 disadvantage is primarily 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. There are technical measures to take to maintain the vitality of the cells. In addition, the cell vitality must be constantly checked. This complicates the structure of the biosensor. The required sterility is inherently contradictory to the detection of microorganisms from an environmental environment. With the sample, z. B. from the air, the various types of biological pathogens are continuously recorded in the biosensor, which cells 22 ' attack 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.One
Another disadvantage of the conventional
Biosensors consists in the short reaction time. The process to
Gene expression and signal chain linkage, in the result of which
green GFP fluorescence
measurable, takes at least 10 minutes to an hour. so
However, long response times are especially in the detection
dangerous
Microorganisms unacceptable.
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.Further
Disadvantages of the conventional
Biosensors exist in the low functionality, in the limited shelf life
and duration of use, in the limited
Simultaneous detection of various pathogens and in danger of a
False alarm.
In US 5 104 791 A wird
ein Verfahren zur Detektion von Viren beschrieben, wobei eine Konglomeratbildung
mit Hilfe biologischer Substanzen mit substanzspezifischen Bindungsstellen
stattfindet. In US 6
187 546 B1 wird ein Verfahren zur Isolation von Säugetierzellen
beschrieben, bei dem die Zellen mit Hilfe von „Beads", an denen Antikörper angeheftet wurden, gefangen
werden. Unter Verwendung eines magnetischen Feldes können die „Beads" mitsamt den an ihnen
haftenden Zellen aus einer Suspension isoliert werden.In US 5 104 791 A describes a method for the detection of viruses, wherein a conglomerate formation takes place with the help of biological substances with substance-specific binding sites. In US Pat. No. 6,187,546 B1 will be a method of isolation of Mammalian cells are described in which the cells are captured by means of "beads" to which antibodies have been attached Using a magnetic field, the "beads" together with the cells adhering to them can be isolated from a suspension.
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
The object of the invention is an improved method for detection
provide biological substances, with the disadvantages of conventional
Overcoming detection procedures
become. The new detection method should be especially through
a high reliability,
short response time and permanent and extended usability
distinguished. The object of the invention is also to provide an improved
To provide biosensor for implementing the method. The biosensor according to the invention
should in particular by a simplified structure, increased reliability and
a regenerative ability
distinguished.
Diese
Aufgaben werden durch ein Verfahren und einen Biosensor mit den
Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 und
7 gelöst.These
Tasks are performed by a procedure and a biosensor with the
Features according to claims 1 and
7 solved.
Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.advantageous
embodiments
The invention will become apparent 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
The basic idea of the invention is the detection of biological substances
as signaling materials particles with substance-specific
Use binding sites that move freely in a suspension
are and in the presence of at least one sought target substance
linked to particle aggregates
can be
which are detectable by physical methods. The usage
the freely suspended particles on the one hand and the detection of
Particle aggregates, on the other hand, provide a number of advantages,
the method of the invention
the conventional one
Make techniques far superior.
The particle aggregation has the advantage of a low response time
and effective detectability. There are preferably particles
used from non-living, especially synthetic materials.
In this case, maintain the vitality and sterility of the sensor
no problems. The particles with substance-specific binding sites
represent
although dead matter, which nevertheless induced by the target substance
Particle aggregation on the presence of biologically active target substances
responds.
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 one
important embodiment
The invention relates to particle aggregation as a change in transparency, fluorescence
or scatter the suspension containing the sample, the specific binding particles
and optionally contains particle aggregates, optically detected or
visually observed. Advantageously, by the aggregation
in the suspension larger particles
formed, focusing on the optical properties of the suspension
impact.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung werden die Partikelaggregate in einem Detektorbereich
gesammelt und detektiert. Im Detektorbereich der Sensorkammer werden
Kräfte
er zeugt, 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 one
preferred embodiment of
Invention become the particle aggregates in a detector area
collected and detected. Be in the detector area of the sensor chamber
personnel
He testifies, under their effect particle aggregates in the detector area
collected, but individual particles leave the detector area
can.
The detector area is characterized by the local training of
forces
out selectively on only
the aggregates act. The collection or accumulation of particle aggregates
has the advantage of increased
sensitivity
the detection. When the particle aggregates are in the suspended state
enriched results in an additional advantage of a fast
Enrichment in volume and thus a shortening of the response time. If
the particle aggregates enriched in the solid phase adsorbed state
be, so can advantageously on measures for aggregate collection
for example, using outer fields
be waived.
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
inventive detection
the particle aggregates, for example, with optical or
electrical measurements. According to one
another preferred embodiment
the invention, the measurement signal for detecting the particle aggregates as
Difference signal between a detector signal and a reference signal
determined. The detector signal represents the presence
and / or the amount of particle aggregates in the detector area. The
Reference signal represents
an underground signal that is outside
of the detector area is determined.
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.One
Another advantageous feature of the method according to the invention consists in the
Generation of a flow
the suspension with the sample, the particles with substance-specific
Binding sites and optionally formed particle aggregates.
The suspension flow
(preferably ring flow)
flows through
Repeats the detector area in which the particle aggregates
the suspension are held. This measure will
the sensitivity
the detection increases
and the response time of the detection is 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, the detection is carried out in a suspension containing different types of particles with different substance-specific binding sites. For two or more sought-after target substances, two or more particle types with associated binding sites or particles with two or more substance-specific binding sites are accordingly provided. The particles are preferably each enriched and detected according to the desired target substances in separate detector areas. Advantageously, different microorganisms can be detected simultaneously with high specificity and reliability.
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.One
The invention also provides a biosensor for the implementation of
mentioned method. The biosensor according to the invention comprises in particular
a suspension chamber for receiving a suspension with particles
with substance-specific binding sites, an insertion device
for the introduction
a sample in the suspension and a detector device for detection
of particle aggregates. The biosensor according to the invention has the advantage
a considerably simplified structure. The biosensor can be used as so-called
Sensor chip miniaturized and used mobile. The functionality
of the biosensor is dependent on the environmental conditions, such. B. shocks,
Temperature and the like. Relatively independent. He allows one
Storage over
any periods,
a simple 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 um fasst
vorzugsweise Elektroden, die zur dielektrophoretischen Sammlung
von Partikelaggregaten ausgebildet sind.According to one
preferred embodiment of
Invention, the suspension chamber at least one detector area
on, which is designed for aggregate enrichment 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 partial area
the suspension chamber with a field generating device for generating
of retention fields
for the
Particle aggregates formed. The field generation facility includes
preferably electrodes used for the dielectrophoretic collection
are formed by particle aggregates.
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 biosensor according to the invention are the provision
a flow generator
for generating a flow
in the suspension chamber, the formation of the introduction
as a permeable membrane, through which the sample from the ambient air
can be transferred directly into the suspension chamber
and the provision of a fast-response alarm system,
that the generation of particle aggregates from the particles with substance-specific
Binding sites and the substances to be detected signals,
z. B. indicates audible
makes or otherwise informs the user of the biosensor.
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 position-independent design. He is for longer periods, z.
B. over
one or more days, operational. Advantageously
given a quick activation. He can easily stand up
different types of microorganisms are adapted. A false alarm
is practically impossible. The procedure is among the most diverse
Conditions, in particular mobile or stationary, at technical facilities
or usable in 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.One
particular advantage of the biosensor according to the invention consists in the
possibility
a complete
Cleaning and regenerability by washing and refilling. Of the
Biosensor is maintenance free. This is especially true of a mass,
routine use
significant. Living cells are not mandatory as sensor material
required, so that sterility requirements
do not have to be respected
and the sensor by dust and uncritical substances (harmless
Microorganisms) can be contaminated without an alarm is triggered.
Depending on the suspension filling
and particle equipment can be in a system in parallel or
successively monitor several biocomponents in series
and detect.
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 will become apparent below
Reference to the attached
Drawings described. Show it:
1 ein
Schema eines erfindungsgemäßen Biosensors, 1 a diagram of a biosensor according to the invention,
2 einen
erfindungsgemäß verwendeten Partikel
mit substanzspezifischen Bindungsstellen, 2 a particle with substance-specific binding sites used according to the invention,
3 eine
Illustration einer erfindungsgemäßen Partikelaggregation, 3 an illustration of a particle aggregation according to the invention,
4, 5 schematische
Teilansichten von Biosensoren gemäß weiteren Ausführungsformen
der Erfindung, 4 . 5 schematic partial views of biosensors according to further embodiments of the invention,
6 weitere
Einzelheiten eines erfindungsgemäßen Biosensors, 6 further details of a biosensor according to the invention,
7 eine
schematische Teilansicht eines Biosensors gemäß einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung, 7 a schematic partial view of a biosensor according to another embodiment of the invention,
8, 9 Illustrationen
einer Ausführungsform
der erfindungsgemäß verwendeten
Einführeinrichtung,
und 8th . 9 Illustrations of an embodiment of the introducer used in the invention, and
10:
Illustrationen eines herkömmlichen Biosensors
(Stand der Technik). 10 : Illustrations of a conventional biosensor (prior art).
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. 1 shows a schematic overview of components of a biosensor according to the invention 10 , Depending on the application, all components are provided in combination or only subcomponents or certain features are modified. The scheme is for illustrations only without being limited to specific sizes, proportions, shapes or arrangements of the parts of 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 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.Generally, a biosensor according to the invention comprises 10 at least one suspension chamber 20 , at least one insertion device 30 and at least one detector device 40 , The suspension chamber 20 is for receiving a suspension with particles 21 (magnified drawn, see 2 ) set up. At least portions of the chamber wall are made of a transparent material, for. B. plastic. The biosensor may be formed 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 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 introduction device 30 is in a wall of the suspension chamber 20 integrated or as a separate component to the suspension chamber 20 appropriate. 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 , For example, it is an exchange membrane (see 6 . 8th . 9 ) for taking over components from a gaseous sample (eg ambient air) into the suspension or a metering device for supplying a liquid sample (eg from groundwater) into the suspension. 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 Massendichte messeinrichtung 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 LED's 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.The detector device 40 is depending on the type of physical measurement method for the detection of particle aggregates in the suspension chamber 20 educated. It is integrated in a chamber wall or outside the suspension chamber 20 arranged. It is, for example, a combination of excitation light source and optical sensor (eg CCD sensor) or another measuring device for detecting physical properties of the suspension, in particular in the detector area 50 intended. As a detector device, for example, a mass density measuring device for locally sensitive determination of the mass density in the suspension using ultrasound may be provided. The detector device 40 is with a measuring and control device 45 connected to a signaling device 60 is coupled. The signaling device 60 includes, 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 a response of the sensor. Instead of the signaling device 60 It is also possible to provide a transmitter (not shown) 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 in a housing 70 arranged.
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, a field-generating device comprises for collecting or retaining the aggregates in a suspended state in the detector region 50 or an adsorption layer for the immobilization of aggregates. The field generating device can, depending on the application with the measuring and control device 45 be connected (see dashed arrow) to control the parameters of the aggregate enrichment in response to 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 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 number 80 schematically illustrates another advantageous feature of the invention, according to which in the biosensor 10 With a flow generator, a ring flow is generated. The suspension in the suspension chamber 20 is via a flow circuit 81 which also by a suitably shaped suspension chamber 20 can be formed several times at the detector area 50 passed by (see 7 ). Local forces are exerted locally in the detector area, which selectively act exclusively on the aggregates. Aggregates that are too small to hold on the first pass through the detector area will recirculate and will be collected on the next or following pass.
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 if necessary with the circulation is selected application-dependent and amounts to with mobile devices z. B. 10 .mu.l to 10 ml. But it can also be provided larger volumes up in 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 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 suspended in a carrier fluid (hereinafter: sensor suspension) as signaling material or sensor element. A particle 21 is schematically enlarged in 2 illustrated. It consists of a particle body 22 , on its surface a variety of binding sites 23 . 24 wearing. Further, when fluorescence detection (see below) is provided and the particle or substance to be detected does not have sufficient intrinsic fluorescence, fluorescent molecules can be formed on the surface or inside 25 be arranged for fluorescence labeling. The fluorescent label 25 preferably comprises fluorescent dyes or fluorescent proteins with the highest possible fluorescence quantum yield, such. B. fluorescein diacetate. It can also charge the particles 21 with a ferromagnetic Substance be provided when the particles 21 to be concentrated in a detector area with a magnetic collection 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 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 body 22 is several microns (eg, 3 to 5 microns) or less down to the sub-micron 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 which bind specifically to predetermined target substances to be detected, but are inert to other substances contained in the sample. For the detection of biocomponents, specific antibodies are preferably used as binding sites. The antibodies are obtained according to known methods of antibody production and coupled to the particle body according to known molecular biological techniques. The antibodies are obtained, for example, from B lymphocytes (eg of 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.On the surface of the particle body 22 There are several binding sites. For particle aggregation at least two binding sites must be provided per particle, but preferably three or more binding sites. Depending on the application, the particles can 21 only binding sites (eg 23 ), which are specifically binding for exactly one target substance to be detected, or two or more different antibodies (eg. 23 . 24 ), to which different target substances couple. In the latter case, the selectivity of the detection method is correspondingly limited to a group of target substances. The sensor suspension may also contain groups with different types of particles, each carrying specific binding sites. In this case, the specificity of the biosensor is also limited, unless additional measures for the selective detection of the different particle groups in different detector areas, eg. By different 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 due to their small size and their aggregation freedom in the unloaded state are freely distributed in the sensor suspension. The sensor suspension thus provides an isotropic basic signal (eg fluorescence signal) which indicates the readiness of the biosensor. If the particles are sufficiently small, the sensor suspension is transparent and clear, which can advantageously be visually checked.
Wenn
sich in der Sensorsuspension die gesuchte Targetsubstanz befindet,
kommt es zu der in 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 desired target substance is in the sensor suspension, the in 3 illustrated particle aggregation. The target substance is introduced via the introduction device (see below) into the sensor suspension where it is dissolved or suspended freely. The target substance contains, for example, at least one desired biocomponent (for example microorganisms, viruses or spores) or parts of these or other biological substances. Biocomponents are, for example, molecules, compounds, macromolecules, such as. As proteins or lipids, or aggregates 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 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.The biocomponents 1 meet due to the thermal movement or possibly an additional directional or non-directional flow movement in the sensor suspension after a short time for free binding sites 23 to which they connect specifically. Furthermore, freely suspended particles (e.g. 21 ) to one with at least one biocomponent 1 loaded particles or particle composite. The result is a particle aggregate 26 , which according to the schema representation in 3 an irregularly thread-like or netlike grown composite of particles 21 and biocomponents 1 represents. This composite can, depending on the quantitative proportions dimensions in the range of z. B. 0.2 to 10 microns, wherein it is further 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.Aggregate formation generally changes the physical properties of the sensor suspension (eg optical properties, mass density distribution, viscosity or the like). In the simplest case, for example, particle aggregation causes a visually observable clouding when from particles 21 with characteristic sizes smaller than the visible wavelengths of light to scattering aggregates grow. For a sensitive and automatable detection, however, the measurement of an altered physical size of the sensor suspension is preferred instead of the visual observation. This will be 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 autofluorescence or a fluorescent label 25 used. Aggregate formation alters the local distribution of the fluorescent emitters in the sensor suspension. In front of the aggregate Formation is an isotropically distributed fluorescence fundamental signal detectable, which is uniform in all parts by volume of the sensor suspension by the number of individual particles contained in the volume part 21 certainly. During and after aggregate formation, a reduction in some parts by volume and an increase in fluorescence in other parts by volume occur accordingly. 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.Under
Site-selective fluorescence measurement is generally the most localized
Excitation (illumination) and / or detection of fluorescence in one
enough
understood small volume element. When measuring with a sufficient
fast-response detector results over time of the fluorescence signal
with increasing aggregation fluctuations, which are characteristic
for the
temporary occurrence of particle aggregates in the locally excited
and / or detected area. The occurrence of fluctuations
can be used as a measure of aggregate formation
and for that
the detection of the target substance sought and used in a
Alarm signal to be implemented.
Vorzugsweise
ist die Detektion der Partikelaggregate jedoch lokal auf mindestens
einen Detektorbereich 50 (siehe 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. 4) oder
chemische Bindungskräfte (siehe
z. B. 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.Preferably, however, the detection of the particle aggregates is local to at least one detector area 50 (please refer 1 . 4 . 5 ), in which a concentration or accumulation of particle aggregates 26 he follows. As a result of the enrichment, the aggregate-induced change in the local fluorescence distribution is advantageously enhanced, so that the sensitivity of the detection according to the invention is further increased. In a detector area 50 For example, the particles are exposed to additional forces that selectively act on the particle aggregates and less or not at all on the individual particles. For example, forces include forces in electromagnetic fields (see eg 4 ) or chemical bonding forces (see eg 5 ). In electro-magnetic fields, for example, dielectrophoretic, magnetic or optical forces are exerted, under the effect of which the particle aggregates are collected in the detector area. The aggregate enrichment is preferably under the action of electromagnetic fields, as are generated with these volume forces. With volumetric forces, large aggregates can be influenced more strongly than individual particles, which has a positive effect on the response time of a biosensor according to the invention.
In 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.In 4 is the accumulation of particle aggregates 26 illustrated under the effect of electromagnetic fields. It is part of a suspension chamber 20 with the detector area 50 represented, which is flowed through by the sensor suspension, for example in the direction of arrow A. In the detector area 50 are on the upper and lower side walls of the suspension chamber electrodes 51 arranged with a high frequency generator 52 are connected. In the detector area 50 is also the detector device 40 with an excitation light source 41 and a detector 42 (each illustrated schematically) arranged with the measuring and control device 45 are connected. The fluorescence measurement is carried out with 90 ° offset beam paths of illumination and detection. As an alternative to the fluorescence measurement, the detector device 40 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 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 50 be strahlt
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 applied with high frequency fields such that in the flow direction a dielectrophoretic field barrier is formed, which extends over the suspension and particle size selective. A dielectrophoretic force is generated which interacts with the flow forces such that large particles in the detector area 50 be held and small particles continue to flow. The manipulation of dielectric particles in high-frequency electric fields is known per se, so that it is possible for a person skilled in the art to suitably select the electrode shapes and field parameters as a function of the application. Under the dielectrophoretic force effect are the aggregates 26 in the sensor area 50 retained as the individual particles (not shown) pass under the effect of the suspension flow through the detector area. The concentration of the aggregates results in an increase in the fluorescence intensity in the detector area 50 , The fluorescence measurement of, for example, a single line provides a detector signal which, upon increase, is characteristic of the appearance of the particle aggregates. If a certain threshold is exceeded, the biosensor speaks 10 at. From the measuring and control device 45 a signal is sent to the signaling device 60 (please refer 1 ). The sensitivity and reproducibility of the fluorescence measurement can still be increased by the excitation light source 41 also a volume range of the suspension chamber 20 outside the detector area 50 be irradiated or according to another excitation light source is provided. With the detector 42 or an additional detector, a reference signal can be obtained. 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.
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 for example an LED. As a detector 42 For example, a CCD sensor or other photosensitive element is used. In addition, at the detector 42 Filter be provided for the separation of the excitation light.
Die
Sammlung der Partikelaggregate 26 an einer im Detektorbereich 50 vorgesehenen
Festphase 53 ist in 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 5 besitzt
zwar eine geringere Ansprechzeit als die Sammlung in der freien
Suspension gemäß 4,
ermöglicht
jedoch vorteilhafterweise einen erheblich vereinfachten Aufbau des
Biosensors 10. Es ergibt sich ferner als Vorteil gegenüber dem
herkömmlichen
Prinzip gemäß 10,
dass sich das signalgebende Material bei Ansprechen des Biosensors
im Detektorbereich 50 durch Aufbau der fluoreszierenden
Aggregate vorteilhafterweise schnell sammelt. Bei den in 4 und 5 gezeigten
Prinzipien der Aggregatanreicherung sind Ansprechzeiten des Biosensors 10 im
Sekundenbereich möglich.The collection of particle aggregates 26 at one in the detector area 50 provided solid phase 53 is in 5 illustrated. The solid phase 53 consists of a variety of substance-specific binding sites (eg, antibodies) that are deposited on a substrate on a wall of the suspension chamber 20 , mounted directly on the wall or on the detector. According to the above explained aggregation principle takes place on the solid phase 53 a formation, a growth and a collection of aggregates 26 , The concentration of aggregates 26 can be detected and alerted analogously to the principles described above by a fluorescence measurement (absolute measurement or reference measurement). The solid phase collection according to 5 Although has a lower response time than the collection in the free suspension according to 4 However, advantageously allows a considerably simplified construction of the biosensor 10 , It also results as an advantage over the conventional principle according to 10 in that the signaling material reacts when the biosensor is activated in the detector area 50 advantageously accumulates quickly by building up the fluorescent aggregates. At the in 4 and 5 The principles of aggregate enrichment shown are response times of the biosensor 10 in seconds range possible.
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
Collective principles are based on optical forces, such as
in laser tweezers with lasers, or magnetic ones
Forces.
At the detector area can
For example, be arranged permanent magnets on aggregates
a stronger one
Retention force
exercise
than to the individual particles.
Weitere
Einzelheiten eines Biosensors 10, der beispielsweise auf
den in den 4 und 5 illustrierten
Prinzipien beruht, sind in 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 For example, in the 4 and 5 based on illustrated principles are in 6 illustrated. In the case 70 are the suspension chamber 20 (partially shown) with the insertion device 30 , the detector device 40 , the measuring and control device (not shown) and the signaling device 60 accommodated. The housing 70 includes entrance and exit windows 71 . 72 for receiving and delivering a medium (eg ambient air) from which a sample is to be examined. The housing may also include a fan (not shown) for drawing ambient air into the housing 70 be provided. Furthermore, in the housing 70 a humidifying device (not shown) may be provided, with which the recorded medium is moistened to hinder drying out of the sensor. Alternatively, the insertion device 30 be exposed to a housing window to the outside, so that a sample directly from the environment in the suspension chamber 20 can be included.
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 7 illustriert ist.According to a preferred embodiment of the invention, the flow chamber 20 with a flow generator 80 fitted. With the flow generator 80 In the sensor suspension, a liquid movement is generated in order to promote aggregate formation when the target substance occurs and the aggregates at the detector area 50 passing out. The suspension chamber 20 is preferably constructed as an endless, circumferential channel (eg as an annular chamber or cylinder chamber) in which with the flow generator 80 a circulating flow is generated, as in 7 is illustrated.
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. 7 shows a suspension chamber 20 in the form of a flat circular cylinder in which a ring flow of the sensor suspension is formed. To the suspension chamber 20 are an inflow 82 and a process 83 connected to a closed flow circuit 81 or system filling and emptying. The introduction device 30 (not shown) is directly with the suspension chamber 20 or alternatively with a part of the flow circuit 81 connected.
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 4) vorgesehen.
Des weiteren ist die Anregungs-Lichtquelle 41 der Detektoreinrichtung
an der Suspensionskammer 20 angebracht. Der Darstellung
gemäß 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, on the suspension chamber 20 a detector area 50 for enrichment in the biosensor 10 optionally forming particle aggregates provided. It is an example of a detector area 50 with a variety of electrodes 51 for the dielectrophoretic collection of particle aggregates (see 4 ) intended. Furthermore, the excitation light source 41 the detector device on the suspension chamber 20 appropriate. The representation according to 7 can be seen that in the realization of a detector area 50 to enrich the aggregates the excitation light source 41 not necessarily local to the detector area 50 must be directed. Rather, it is possible with a suitable optics, the entire suspension chamber 20 to illuminate and a locally selective detection at the detector area 50 and optionally a reference measurement outside the detector area 50 make.
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 Ag gregate
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 sensor operation, a ring flow is generated with the flow generator, which if necessary also for the media circulation through the inlets and outlets 82 . 83 provides. The flow generator is formed for example by a magnetic (magnetic stirrer), dielectrophoretic, thermal or electrohydrodynamic agitator. The over the introduction device 30 Sample components introduced into the sensor suspension pass over the inlet 82 in the suspension chamber 20 , When the target substance occurs, aggregate formation takes place. The growing aggregates are in the detector area 50 retained from the ring flow and concentrated. When a predetermined difference value of the fluorescence is exceeded relative to the ambient fluorescence in the suspension chamber 20 outside the detector area 50 becomes a Alarm signaled. The ring flow is maintained uninterrupted during operation.
Der
in den 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 in the 6 and 7 The illustrated biosensor is further equipped with the following components, which are not shown in detail. It is a measuring and control device for operating the optical detection, signal evaluation and alarm generation provided. Furthermore, a field generating device (eg high-frequency generator) is provided for the dielectrophoretic, magnetic and / or optical force generation. Advantageously, experience from fluidic microsystem technology shows that these circuits can be made small and with low power consumption, so that the biosensor 10 can be easily realized as a mobile device. Furthermore, the biosensor can be connected to a rinsing and suspension cooling system, optionally with an auxiliary tank.
In
den 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 the 8th and 9 are details of the introducer used in the invention 30 illustrated. The introduction device 30 includes, for example, an exchange membrane or a diffusion window 31 that is the interface between the interior of the suspension chamber 20 and the environment. 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 such that the respective target substance can pass through the pores. The diffusion window is for example through an oxide or silicon membrane with corresponding pores 32 educated.
Die
Probeneinführung
erfolgt derart, dass das Außenmedium
(z. B. Außenluft),
das auf Mikroorganismen getestet werden soll, an der Außenseite des
Diffusionsfensters 31 (siehe 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 introduction takes place in such a way that the outside medium (eg outside air), which is to be tested for microorganisms, on the outside of the diffusion window 31 (please refer 8a ) is passed. This is done actively with a fan or passively by existing in the environment media flows. Preferably, the humidity in the outdoor area is increased. This has the advantage that drying out of the sensor suspension through the pores 32 is reduced.
Die
in den meisten Fällen
hydrophilen Mikroorganismen gelangen auf den Suspensionsmeniskus 33 (siehe 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 hydrophilic microorganisms in most cases reach the suspension meniscus 33 (please refer 8b ), on the pores 32 is formed, or on the wet surface of the diffusion window 31 and from there passively into the sensor suspension. The formation of the suspension meniscus 33 can advantageously by hydrophobic materials 34 be promoted at the edge of the pores. With the flow generator, the sensor suspension is continuously passed on the inside of the introducer. 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 by the dielectrophoretic field effect in the detector area 50 can not be held back while the larger aggregates are collecting and above the detector 42 aggregate. Advantageously, the aggregation results in an avalanche effect. The particle-particle polarization interactions collect further individual particles and growing aggregates at the detector area 50 held particle aggregates. This avalanche effect further increases the sensitivity of the biosensor.
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. 9 shows the direct coupling of the introducer 30 to the suspension chamber 20 , It is also a particular advantage of the invention recognizable, which relates to the production of the biosensor. The suspension chamber 20 with the introduction device 30 can be made in one piece from a material. For example, semiconductor material or plastic is formed by means of three-dimensional structuring techniques known per se and the other components (eg electrodes) are equipped. The evaporation protection 73 is a device for moistening the air and consists z. 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 bodies
of the signaling material can
also particle body
biological substances (eg living or dead cells, such as living
or dead B-lymphocytes, or cell fragments, such as membrane vesicles)
be used. It may advantageously be a particularly good one
Adjustment to the operating conditions can be achieved, possibly
occurring restrictions
compensated during handling of the particles. The binding sites
can
instead of biocomponents also for other target substances,
such as As synthetic toxins, specifically binding. It can at
a biosensor several suspension chambers and each suspension chamber
be provided a plurality of detector areas.
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 foregoing description, drawings and claims
Features of the invention can
both individually and in any combination for the realization
the invention in its various embodiments of importance
be.
