DE10226072B4 - Analytical methods for the analysis of specific binding events, assay methods and use - Google Patents
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Abstract
Analyseverfahren
zur Analyse und/oder zum Nachweis von spezifischen Bindungsereignissen
zwischen in einer Flüssigkeit
befindlichen Molekülen
und einer funktionalisierten Oberfläche, bei dem
– eine Flüssigkeit
mit Molekülen,
die mit einem leitfähigen Marker
versehen sind, mit mindestens einem funktionalisierten Meßbereich
(12, 13) einer Oberfläche
(10) in Kontakt gebracht wird, und
– die Änderung einer Meßgröße durch
das Auftreten von direkten oder indirekten spezifischen Bindungsereignissen der
markierten Moleküle
an dem funktionalisierten Meßbereich
ausgewertet wird,
wobei
als Meßgröße die Transmissions- und/oder
Reflexionseigenschaften eines oberflächenschallwellensensitiven
Elementes verwendet werden, die von der Hochfrequenzimpedanz des
Meßbereiches
abhängen,
als
Oberfläche
eine zumindest teilweise piezoelektrische Oberfläche (10) eingesetzt wird und
zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen
zumindest ein Interdigitaltransducer (16) eingesetzt wird, und
als
Meßbereich
(12, 13) ein zweiter Teil des oberflächenschallwellensensitiven
Elementes (14, 15, 40) eingesetzt wird, dessen erster Teil (28)
im Schallpfad der mit einem Interdigitaltransducer (16) erzeugten
Oberflächenschallwelle liegt
und als...Analysis method for analyzing and / or detecting specific binding events between molecules in a liquid and a functionalized surface, in which
A liquid with molecules provided with a conductive marker is brought into contact with at least one functionalized measuring region (12, 13) of a surface (10), and
The change in a measured quantity is evaluated by the occurrence of direct or indirect specific binding events of the labeled molecules on the functionalized measuring range,
in which
the transmission and / or reflection properties of a surface-acoustic-wave sensitive element are used as the measured variable, which depend on the high-frequency impedance of the measuring range,
an at least partially piezoelectric surface (10) is used as the surface and at least one interdigital transducer (16) is used to generate surface acoustic waves, and
a second part of the surface-acoustic-wave-sensitive element (14, 15, 40) is used as the measuring region (12, 13), the first part (28) of which lies in the sound path of the surface acoustic wave generated by an interdigital transducer (16) and ...
Description
Die Erfindung betrifft Analyseverfahren zur Analyse und/oder zum Nachweis von spezifischen Bindungsereignissen zwischen in einer Flüssigkeit befindlichen Molekülen und einer funktionalisierten Oberfläche und eine vorteilhafte VeRWendung.The The invention relates to analytical methods for analysis and / or detection of specific binding events between in a liquid molecules and a functionalized surface and advantageous use.
In der medizinischen Diagnostik oder auch in der Genanalytik stellt sich oft das Problem, Hybridisierungs- oder allgemein spezifische Bindungsereignisse zwischen Makromolekülen wie DNA, Oligonukleotiden oder Proteinen insbesondere auf der Oberfläche eines festen Trägers nachzuweisen (siehe z. B. M. Schena: DNA Microarrays, Oxford University Press, 2000).In medical diagnostics or in gene analysis often the problem, hybridization or generally specific Binding events between macromolecules such as DNA, oligonucleotides or proteins, in particular on the surface of a solid support (See, e.g., M. Schena: DNA Microarrays, Oxford University Press, 2000).
Ein Ansatz hierzu ist das direkte Wiegen. Die Oberfläche wird mit einer Lösung mit den Molekülen in Verbindung gebracht. Nach Abwarten einer gewissen Reaktionszeit wird die Flüssigkeit in der Regel wieder entfernt und der zurückbleibende Massebelag, der durch die spezifische Bindung der Moleküle in der Flüssigkeit mit der Oberfläche entstanden ist, gewogen. Eine bekannte Methode dazu ist die Quarz-Micro-Balance. Ein Quarz-Volumenschwinger wird durch zusätzliche Masse auf seiner Oberfläche in seiner Resonanzfrequenz verstimmt. Diese Verstimmung wird gemessen und in einen Massebelag umgerechnet (Wu et al., PNAS, 1560–1564 (2001)). Bei anderen Verfahren wird die Dämpfung von Oberfächenschallwellen gemessen, die durch den zurückgebliebenen Massebelag hervorgerufen wird.One Approach to this is the direct weighing. The surface is filled with a solution the molecules in Connected. After waiting for a certain reaction time becomes the liquid usually removed again and the remaining ground covering, the by the specific binding of the molecules in the liquid with the surface originated, weighed. A well-known method is the quartz micro-balance. A quartz volume oscillator is characterized by extra mass on its surface in its Resonance frequency detuned. This mood is measured and converted into a mass coating (Wu et al., PNAS, 1560-1564 (2001)). at Another method is damping of surface sound waves measured by the lagged Mass coating is caused.
Hier
ist die Empfindlichkeit gegenüber
Volumenschwingern erhöht,
weil höhere
Frequenzen möglich
sind und die schwingende Masse kleiner ist als bei einem soliden
Kristall, da bei Oberflächenschallwellen
im wesentlichen nur eine dünne
Schicht an der Oberfläche
schwingt. Die Auswertung der Dämpfung
einer Oberflächenschallwelle
durch einen verbliebenen Massebelag ist allgemein z. B. in
In
Weitere bekannte Verfahren nutzen fluoreszenzmarkierte Assays, bei denen die Probenmoleküle, die sich in der Flüssigkeit befinden, mit einem Fluoreszenzmarkermolekül markiert worden sind. Die Flüssigkeit mit den fluoreszenzmarkierten Probenmolekülen wird auf die Oberfläche gebracht. Einige der fluoreszenzmarkierten Probenmoleküle hybridisieren mit an der Oberfläche vorgesehenen Fängermolekülen. Nach Entfernen der Probenflüssigkeit bleiben diese hybridisierten Probenmoleküle an der Oberfläche gebunden. Im Fall erfolgreicher Hybridisierung wird die Leuchtdichte bei der Auswertung der Fluoreszenz gegenüber nicht hybridisierten Bereichen deutlich erhöht (siehe z. B. M. Schena: DNA Microarrays, Oxford University Press, 2000). Ähnlich können radioaktiv markierte Assays ausgewertet werden.Further known methods use fluorescence-labeled assays in which the sample molecules, which is in the liquid have been labeled with a fluorescent marker molecule. The liquid with the fluorescently labeled sample molecules is brought to the surface. Some of the fluorescently labeled sample molecules hybridize to the surface intended catcher molecules. To Remove the sample liquid these hybridized sample molecules on the surface bound. In case of successful hybridization, the luminance becomes in the evaluation of the fluorescence compared to non-hybridized areas clearly increased (See, e.g., M. Schena: DNA Microarrays, Oxford University Press, 2000). Similarly, radioactive labeled assays are evaluated.
In W. Fritzsche et al. „New colloidal gold-based detection scheme for DNA-chip technology", European Microscopy and Analysis, Juli 2001, Seiten 5–7 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem leitfähige Metall-Beads als Markierung benutzt werden. Kleine Goldkolloide werden mit einer Molekülsequenz versehen, die mit einer komplementären Molekülsequenz an der Oberfläche spezifisch binden kann. Die Anwesenheit dieser leitfähigen Kügelchen auf einem Spot wird nun entweder optisch nachgewiesen, z. B. durch Reflexionsmessungen. Alternativ kann man die Leitfähigkeit der Kügelchen direkt nachweisen, indem man die Gleichspannungsleitfähigkeit der durch die Goldkügelchen erzeugten Schicht, ggf. nach einer zusätzli chen elektrochemischen Versilberung mißt (siehe R. Möller et al. „Electrical classification of the concentration of bioconjugated metal colloids after surface adsorption and silver enhancement", Langmuir 2001, 17, 5426–5430). Dazu müssen in der Regel die Kügelchen nachträglich vergrößert werden, da ein geschlossener Strompfad vorliegen muß.In Fritzsche et al. "New colloidal gold-based detection scheme for DNA-chip technology ", European Microscopy and Analysis, July 2001, pages 5-7 a method is described at the conductive Metal beads are used as a marker. Small gold colloids be with a molecule sequence specific to the surface having a complementary molecule sequence specific can bind. The presence of these conductive globules on a spot will now either optically detected, z. B. by reflection measurements. Alternatively you can check the conductivity the beads prove directly by using the DC conductivity the one through the gold beads produced layer, optionally after an addi tional electrochemical Silver plating measures (see R. Möller et al. "Electrical Classification of the concentration of bioconjugated metal colloids after surface adsorption and silver enhancement ", Langmuir 2001, 17, 5426-5430) have to usually the beads later to be enlarged because there must be a closed current path.
Mit den Verfahren des Standes der Technik ist es nur sehr aufwendig oder gar nicht möglich, die Reaktionsdynamik zu untersuchen, also ggf. bereits während des Reaktionsprozesses die Messung zu beobachten, da in der Regel vor der Messung die Flüssigkeit mit den nicht spezifisch gebundenen Molekülen wieder entfernt werden muß (wie z. B. bei den Fluoreszenzmessungen oder den Messungen, die das direkte Wiegen eines Massebelages ausnutzen), oder es muß erst ein geschlossener Strompfad erzeugt werden (wie z. B. bei der Auswertung der Gleichstromleitfähigkeit). So sind nur Endpunktmessungen möglich.With The method of the prior art, it is very expensive or not possible at all, to investigate the reaction dynamics, so possibly already during the Reaction process to observe the measurement, as a rule, before measuring the liquid be removed again with the non-specifically bound molecules must (like z. As in the fluorescence measurements or the measurements, the direct Take advantage of weighing a mass coating), or it must first a closed current path generated (such as in the evaluation of DC conductivity). So only end point measurements are possible.
WO01/20781A1 zeigt eine Vorrichtung mit einem Interdigitaltransducer zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen, bei dem sich ein Messbereich zwischen zwei Interdigitaltransducern befindet.WO01 / 20781A1 shows a device with an interdigital transducer for generating of surface sound waves, in which there is a measuring range between two interdigital transducers located.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem auch dynamische Messungen der spezifischen Bindungen bzw. der Hybridisierung möglich sind und das mit einfachen und kostengünstig herstellbaren Vorrichtungen durchgeführt werden kann.task The present invention is to provide a method, with also dynamic measurements of the specific bonds or the Hybridization possible are and that with simple and inexpensive to produce devices carried out can be.
Diese Aufgabe wird mit einem Analyseverfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1, einem Untersuchungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruches 17, einem Untersuchungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruches 19, oder einem Untersuchungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruches 21 gelöst. Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen gerichtet. Eine vorteilhafte Verwendung ist Gegenstand des Anspruches 23.These Task is with an analysis method with the features of the claim 1, an examination method with the features of the claim 17, an examination method with the features of the claim 19, or an investigation method with the features of the claim 21 solved. The dependent claims are on advantageous embodiments directed. An advantageous use is the subject of the claim 23rd
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß eine Flüssigkeit mit Molekülen, die einen leitfähigen Marker aufweisen, mit einem Meßbereich einer Oberfläche in Kontakt gebracht wird. Es wird die Änderung einer Meßgröße ausgewertet, die durch das Auftreten von spezifischen Bindungsereignissen der Moleküle an der Oberfläche ausgelöst wird. Die ausgewertete Meßgröße wird dazu derart ausgewählt, daß sie von der Hochfrequenzimpedanz des Meßbereiches abhängt.According to the invention, it is provided that a liquid with molecules, the one conductive Have marker, with a measuring range a surface is brought into contact. The change of a measurand is evaluated, due to the occurrence of specific binding events of the molecules on the surface triggered becomes. The evaluated measured variable is selected in such a way that she depends on the high frequency impedance of the measuring range.
Soll speziell das spezifische Bindungsverhalten von in der Flüssigkeit vorhandenen, ersten Molekülen, die mit einem leitfähigen Marker versehen sind, untersucht werden, so kann dazu der Meßbereich derart funktionalisiert werden, daß daran diese Moleküle direkt oder indirekt binden können, und die Änderung einer von der Hochfrequenzimpedanz abhängigen Meßgröße durch spezifische Bindungsereignisse der in der Flüssigkeit vorhandenen markierten Moleküle untersucht werden. Eine solche Funktionalisierung des Meßbereiches kann z. B. zweite Moleküle umfassen, die mit den ersten, mit dem leitfähigen Marker versehenen Molekülen eine spezifische Bindung eingehen können.Should specifically the specific binding behavior of in the liquid existing, first molecules, the one with a conductive Markers are examined, so can the measuring range be functionalized such that these molecules directly or bind indirectly, and the change a high frequency impedance dependent measure by specific binding events in the liquid existing labeled molecules to be examined. Such a functionalization of the measuring range can z. B. second molecules comprising a specific one of the first molecules provided with the conductive marker Binding can enter.
Soll andererseits das spezifische Bindungsverhalten von an einer Oberfläche gebundenen zweiten Molekülen untersucht werden, so kann eine Flüssigkeit mit ersten Molekülen, die mit einem leitfähigen Marker versehen sind, verwendet werden, die diese ersten Moleküle in bekannter Art und Konzentration enthält, wobei die ersten Moleküle derart ausgewählt sind, daß sie mit den zweiten Molekülen direkt oder indirekt eine spezifische Bindung eingehen können. Wird die Änderung einer von der Hochfrequenzimpedanz abhängigen Meßgröße durch das Auftreten spezifischer Bindungsereignisse bei einer solchen Verfahrensführung ausgewertet, erhält man Information über das spezifische Bindungsverhalten der an der Oberfläche als Funktionalisierung vorhandenen zweiten Moleküle. Dabei kann vorgesehen sein, daß die Bindung zwischen den ersten und den zweiten Molekülen nicht direkt, sondern durch Vermittlung über eine oder mehrere weitere Moleküle geschieht.Should on the other hand, the specific binding behavior of bound on a surface second molecules can be examined, so can a liquid with first molecules, which with a conductive marker be used, which these first molecules in known Contains type and concentration, being the first molecules are selected that she with the second molecules can directly or indirectly enter into a specific binding. Becomes the change a dependent of the high frequency impedance measured variable by the occurrence of specific Binding events evaluated in such a procedure, one obtains information about the specific binding behavior of the surface as a functionalization existing second molecules. It can be provided that the Binding between the first and the second molecules not directly, but through mediation over one or more others molecules happens.
Schließlich umfaßt die Erfindung auch ein Verfahren, um das Bindungsverhalten von in einer Flüssigkeit enthaltenen dritten Molekülen zu untersuchen. In der Flüssigkeit werden erste Moleküle eingebracht, die mit einem Marker versehen sind und mit den dritten Molekülen direkt oder indirekt eine spezifische Bindung eingehen können. Diese Flüssigkeit wird auf einen Meßbereich einer Oberfläche gebracht, die zumindest teilweise derart funktionalisiert ist, daß die dritten Moleküle spezifisch daran gebunden werden können. Wiederum wird die Änderung einer Meßgröße ausgewertet, die von der Hochfrequenzimpedanz des Meßbereiches abhängt, wobei die Änderung ausgewertet wird, die von der durch die dritten Moleküle vermittelten spezifischen Bindung der ersten Moleküle mit den Markern an dem zumindest einen funktionalisierten Meßbereich hervorgerufen wird. Eine solche Messung erlaubt also Aussagen über das Reaktionsverhalten, die Art bzw. die Menge der vorhandenen dritten Moleküle, ohne daß sie selbst mit einem Marker versehen werden müßten.Finally, the invention includes also a method for the binding behavior of in a liquid contained third molecules to investigate. In the liquid become first molecules introduced, which are provided with a marker and with the third molecules can directly or indirectly enter into a specific binding. These Becomes liquid on a measuring range a surface which is at least partially functionalized such that the third molecules be specifically bound to it. Again, the change will be evaluated a measured variable, which depends on the high-frequency impedance of the measuring range, the change which is mediated by that mediated by the third molecules specific binding of the first molecules with the markers on the at least a functionalized measuring range is caused. Such a measurement thus allows statements about that Reaction behavior, the type or amount of existing third molecules without her should be provided with a marker.
Bei diesem Verfahren kann die Funktionalisierung des Meßbereiches durch an der Oberfläche gebundene zweite Moleküle gebildet werden, die mit den dritten Molekülen direkt oder indirekt eine spezifische Bindung eingehen können. Dieses Verfahren eignet sich besonders zur Untersuchung von Makromolekülen. Zum Beispiel werden leitfähige Kolloide mit einer ersten Sequenz versehen, die an den ersten fünf Basenpaaren einer Probensequenz (dritte Moleküle) binden. Auf die Oberfläche des Meßbereiches wird eine zweite Sequenz, die an die letzten fünf Basenpaare der Probensequenz spezifisch bindet, aufgebracht. Die erfolgreiche Hybridisierung/Bindung der Probe kann dann durch Auswertung einer von der Hochfrequenzimpedanz abhängigen Meßgröße untersucht werden, ohne daß die Probensequenz selbst markiert werden müßte.at This method can be the functionalization of the measuring range by bound on the surface second molecules be formed with the third molecules directly or indirectly specific binding can enter. This method is particularly suitable for the study of macromolecules. To the Example become conductive Colloids provided with a first sequence at the first five base pairs a sample sequence (third molecules) bind. On the surface of the Measuring range is a second sequence attached to the last five base pairs of the sample sequence specifically binds, applied. Successful hybridization / binding of the Sample can then be evaluated by evaluating one of the high frequency impedance dependent Measured examined be without the Sample sequence itself would have to be marked.
Die erfindungsgemäßen Verfahren sind auch einsetzbar, um überhaupt das Vorhandensein bestimmter Moleküle bzw. Sequenzen in der Flüssigkeit bzw. an der Oberfläche oder das Auftreten bestimmter spezifischer Bindungsereignisse nachzuweisen.The inventive method are also usable at all the presence of certain molecules or sequences in the liquid or on the surface or to detect the occurrence of certain specific binding events.
Allen erfindungsgemäßen Verfahren ist gemeinsam, daß die Änderung einer Meßgröße ausgewertet wird, die von der Hochfrequenzimpedanz des Meßbereiches abhängt, also der Impedanz bei Frequenzen, die in der Regel größer als 100 kHz sind. Zur Auswertung der Hochfrequenzimpedanz ist kein geschlossener Strompfad notwendig, wie bei bekannten Gleichstrommessungen. Die einzelnen leitfähigen Marker, die an dem Meßbereich direkt oder indirekt gebunden werden, koppeln zueinander kapazitiv und sind damit einer Hochfrequenzimpedanzmessung zugänglich.all inventive method is common that the change evaluated a measured variable is, which depends on the high frequency impedance of the measuring range, ie the impedance at frequencies that are usually greater than 100 kHz. To the results the high-frequency impedance does not require a closed current path, as with known DC measurements. The individual conductive markers, at the measuring area bound directly or indirectly, couple to each other capacitively and are thus a high-frequency impedance measurement accessible.
Die Änderung der Hochfrequenzimpedanz bzw. einer davon abhängenden Größe läßt sich auch während des Reaktionsprozesses nachverfolgen, so daß Einblicke in die Reaktionsdynamik möglich sind. Da kein geschlossener Strompfad notwendig ist, muß nicht bis zum Abschluß der Reaktion gewartet werden. Anders als bei z. B. fluoreszenzmarkierten Assays muß die Flüssigkeit vor der Messung nicht entfernt werden.The change The high-frequency impedance or a size dependent thereon can also be during the Track reaction process so that insights into the reaction dynamics possible are. Since no closed current path is necessary, not necessarily until the conclusion of the Reaction to be serviced. Unlike z. B. fluorescently labeled assays must the liquid not be removed before the measurement.
Die erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich besonders zur Untersuchung der Hybridisierung von Nukleinsäuren, Makromolekülen wie DNA, Oligonukleotiden, Proteinen oder Antigen-/Antikörper-Reaktionen.The inventive method are particularly suitable for studying the hybridization of nucleic acids, macromolecules such as DNA, oligonucleotides, proteins or antigen / antibody reactions.
Die erfindungsgemäßen Verfahren sind nicht auf die direkte Bindung beschränkt. Es können auch längere Ketten untersucht werden, wenn die einzelnen Bestandteile so ausgewählt sind, daß Rückschlüsse auf die zu untersuchende Molekülsorte möglich sind.The inventive method are not limited to direct binding. It is also possible to study longer chains if the individual components are selected so that conclusions on the type of molecule to be investigated are possible.
Je nach Anwendung kann die Flüssigkeit über mehrere separate Meßbereiche z. B. in Form eines Arrays verteilt werden, die z. B. unterschiedlich funktionalisiert sein können. Werden die Meßbereiche dann individuell ausgelesen, können mehrere Messungen zur Bestimmung der Bindungsereignisse bei unterschiedlicher Funktionalisierung simultan vorgenommen werden.ever after application, the liquid can over several separate measuring ranges z. B. be distributed in the form of an array z. B. functionalized differently could be. Be the measuring ranges then read individually, can several measurements to determine the binding events at different Functionalization can be carried out simultaneously.
Schließlich können verschiedene Moleküle in der Flüssigkeit und mehrere unterschiedlich funktionalisierte Meßbereiche vorgesehen sein, so daß festgestellt werden kann, welcher Art die Moleküle in der Flüssigkeit sind.Finally, different can be Molecules in the liquid and a plurality of differently functionalized measuring ranges, so that stated can be what kind of molecules in the liquid are.
Je nach Ausgestaltung eines solchen Arrays können verschiedene Molekülsorten untersucht werden. Untersuchungen von bis zu mehreren 100 oder 1000 Molekülsorten sind denkbar, bevorzugt jedoch weniger als 10.ever After embodiment of such an array, different types of molecules to be examined. Examinations of up to several 100 or 1000 types of molecules are conceivable, but preferably less than 10.
Die Flüssigkeit wird dabei vorteilhafterweise als Tropfen auf den Meßbereich aufgebracht. Dazu kann der Meßbereich so ausgestaltet sein, daß der Tropfen ihn ohne äußere Krafteinwirkung nicht verläßt. Eine einfache Möglichkeit dazu ist es, den Meßbereich mit Benetzungseigenschaften auszustatten, die zu einer bevorzugten Benetzung des Meßbereiches durch die Flüssigkeit des Tropfens im Vergleich zu der Umgebung des Meßbereiches führen. Dies kann z. B. bei wäßrigen Lösungen durch eine Silanisierung der Umgebung geschehen, die die Umgebung hydrophober gestaltet als den Meßbereich.The liquid is advantageously as drops on the measuring range applied. For this purpose, the measuring range be designed so that the drop him without external force do not leave. A easy way it is this, the measuring range to provide wetting properties that are preferred Wetting of the measuring range through the liquid of the droplet compared to the environment of the measuring range. This can z. B. in aqueous solutions A silanization of the environment happen that makes the environment more hydrophobic designed as the measuring range.
Als Marker können unterschiedliche metallische Kolloide eingesetzt werden, besonders vorteilhaft sind jedoch Goldkolloide, da diese einfach zu handhaben sind und eine hohe Leitfähigkeit aufweisen.When Markers can different metallic colloids are used, especially However, gold colloids are advantageous because they are easy to handle are and a high conductivity exhibit.
Erfindungsgemäß wird zur Bestimmung der Hochfrequenzimpedanz des Meßbereiches die indirekte Untersuchung mit Oberflächenschallwellen eingesetzt, wobei als Meßgröße die Transmissions- und/oder Reflexionseigenschaften des Meßbereiches für die Oberflächenschallwellen dienen. Oberflächenschallwellen haben eine hohe Obertlächensensitivität, so daß mit hoher Empfindlichkeit die spezifischen Bindungsereignisse von mit leitfähigen Markern versehenen Molekülen an der Oberfläche untersucht werden können. Dies ist speziell bei Messungen von Vorteil, bei denen sich die Flüssigkeit in Form eines Tropfens auf der Oberfläche befindet. Die bereits aus dem Tropfen an der Oberfläche gebundenen mit einem leitfähigen Marker versehenen Moleküle werden durch die Vermessung mit den Obertlächenschallwellen empfindlich erfaßt, während die noch in der Flüssigkeit und nicht an der Oberfläche gebundenen mit einem leitfähigen Marker versehenen Moleküle die oberflächensensitive Meßmethode weniger beeinflussen.According to the invention is for Determining the high-frequency impedance of the measuring range, the indirect examination with surface sound waves used, as a measured quantity, the transmission and / or Reflection properties of the measuring range for the Surface acoustic wave serve. Surface acoustic wave have a high surface sensitivity, so that with high Sensitivity the specific binding events of with conductive markers provided molecules on the surface can be examined. This is especially useful for measurements in which the liquid is in the form of a drop on the surface. The already off the drop on the surface bound with a conductive Marker provided molecules become sensitive by measuring with the surface acoustic waves detected, while still in the liquid and not bound to the surface with a conductive Marker provided molecules the surface-sensitive Measuring method less influence.
Die
Hochfrequenzimpedanz eines Meßbereiches
läßt sich
mit Oberflächenschallwellen
vermessen. Zur Erklärung
wird auf
Die
Transmissions-/Reflexionsparameter Sij sind
von der Hochfrequenzimpedanz der Ports, dem genauen Design der einkoppelnden
Elemente, z. B. der Transducer an den Ports, den Eigenschaften der Laufstrecke
zwischen Port
Die Verwendung von Oberflächenschallwellen zur Untersuchung der spezifischen Bindungseigenschaften birgt unter anderem den Vorteil, daß die Flüssigkeit in den Meßbereich z. B. mit Hilfe des Impulsübertrages von Oberflächenschallwellen transportiert werden kann, wie es z. B. in DE-A-100 55 318 beschrieben ist.The Use of surface sound waves for the investigation of the specific binding properties Another advantage is that the liquid in the measuring range z. B. with the help of Impulsübertrages of surface sound waves can be transported, as it is z. B. in DE-A-100 55 318 described is.
Um effektiv Oberflächenschallwellen anregen zu können, wird die Dicke des Materials, auf dem sich die Oberflächenschallwelle ausbreiten soll, sehr viel größer als die Wellenlänge der Oberflächenschallwelle, und die Wellenlänge der Oberflächenschallwelle sehr viel größer als die Amplitude gewählt.Around effectively surface sound waves to be able to stimulate will determine the thickness of the material on which the surface acoustic wave should spread, much larger than the wavelength the surface sound wave, and the wavelength the surface sound wave much bigger than the amplitude is chosen.
Besonders einfach lassen sich Oberflächenschallwellen auf piezoelektrischen Oberflächen unter Einsatz von Interdigitaltransducern erzeugen, wie sie in der Oberflächenwellenfiltertechnologie Verwendung finden.Especially it is easy to get surface sound waves on piezoelectric surfaces generate using interdigital transducers, as in the Surface acoustic wave filter technology Find use.
Interdigitaltransducer zur Anregung der Oberflächenschallwellen auf piezoelektrischen Oberflächen bestehen in der einfachsten Ausführungsform aus mindestens zwei kammartig ineinander greifenden Metallstrukturen, die z. B. mit einem planartechnischen Prozeß auf eine Substratoberfläche aufgebracht werden. Wird an eine solche Interdigitalstruktur ein hochfrequentes Wechselspannungssignal (größer 100 kHz bis einigen 100 MHz) angelegt, so ergibt sich nach dem inversen piezoelektrischen Effekt eine Kristalldeformation, die die räumliche Periodizität des Interdigitalwanders und die zeitliche Periodizität der hochfrequenten Wechselspannung aufweist. Sofern das angelegte hochfrequente Wechselspannungssignal mit der Oberflächenschallgeschwindigkeit des betreffenden Substrats im wesentlichen in Resonanz gebracht ist, wird sich eine akustische Oberflächenschallwelle senkrecht zur Achse des Interdigitaltransducers ausbreiten. Die entsprechende Resonanzbedingung ergibt sich in bekannter Weise zu f = v/λ, mit f: Frequenz des angelegten Wechselfeldes, v: Oberflächenwellenschallgeschwindigkeit, λ: räumliche Periodizität des Interdigitaltransducers.interdigital transducer for exciting the surface acoustic waves on piezoelectric surfaces exist in the simplest embodiment from at least two comb-like interlocking metal structures, the z. B. applied with a planartechnischen process on a substrate surface become. Is a high-frequency to such an interdigital structure AC signal (greater than 100 kHz to a few 100 MHz), the result is the inverse piezoelectric effect a crystal deformation, which is the spatial periodicity of the interdigital transducer and the temporal periodicity of the high-frequency Has alternating voltage. Unless the applied high-frequency AC signal with the surface sound velocity the relevant substrate brought substantially resonant is a surface acoustic wave perpendicular to the Spread the axis of the interdigital transducer. The corresponding Resonance condition results in a known manner to f = v / λ, with f: Frequency of the applied alternating field, v: surface acoustic wave velocity, λ: spatial periodicity of the interdigital transducer.
Erfindungsgemäß wird ein vollständig piezoelektrisches Substrat oder ein Substrat mit einer piezoelektrischen Oberflächenschicht eingesetzt. Interdigitaltransducer lassen sich sehr einfach mit bekannten planartechnologischen Methoden auf Festkörperoberflächen erzeugen und stellen eine wohldefinierte rein elektrische Schnittstelle zwischen der Vorrichtung und einer eventuellen externen Ansteuerungs- und Kontrollelektronik dar. Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß durch Verbindung mit einer entsprechenden Antenneneinkopplungseinrichtung die Interdigitaltransducer auch drahtlos angesteuert bzw. ausgelesen werden können.According to the invention is a Completely piezoelectric substrate or a substrate with a piezoelectric surface layer used. Interdigital transducers are very easy to use generate known planartechnologischen methods on solid surfaces and put a well-defined purely electrical interface between the device and any external Ansteuerungs- and Control electronics. A particular advantage is that through Connection to a corresponding Antenneneinkopplungseinrichtung the Interdigital transducer also wirelessly controlled or read can be.
Um dynamische Messungen der spezifischen Bindungen bzw. der Hybridisierung durchführen zu können, muß der Meßbereich während der Messung mit der Flüssigkeit in Kontakt bleiben. Oberflächenschallwellen mit Rayleigh-Wellen-Anteil haben Impulskomponenten, die nicht in der Ebene der Oberfläche liegen, und werden daher durch Flüssigkeit auf der Oberfläche stark gedämpft, so daß die Messung der Hochfrequenzimpedanz behindert würde. Bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird daher als Meßbereich ein Teil eines oberflächenschallwellensensitiven Elementes eingesetzt, der nicht im Schallpfad der mit einem Interdigitaltransducer erzeugten Oberflächenschallwelle liegt. Der andere Teil des oberflächenschallwellensensitiven Elementes liegt im Schallpfad der Oberflächenschallwelle, so daß Schallpfad und Meßbereich räumlich voneinander getrennt sind. Eine stärkere Dämpfung der Oberflächenschallwelle wird also verhindert, da sich die Flüssigkeit nicht im Schallpfad befindet. Bei der Auswahl des Substrates bzw. eines Kristallschnittes muß also nicht darauf geachtet erden, ob der Rayleigh-Wellen-Anteil groß oder klein ist. Durch die Hybridisierung bzw. die spezifischen Bindungsereignisse der leitfähigen markierten Moleküle an der Oberfläche des Meßbereiches ändert sich die Hochfrequenzimpedanz des oberflächenschallwellensensitiven Elementes im Meßbereich. Diese Änderung wirkt sich auf die Hochfrequenzimpedanz des gesamten oberflächenschallwellensensitiven Elementes aus, so daß die Hochfrequenzimpedanz insgesamt verändert wird, was sich in den Transmissions- bzw. Reflexionseigenschaften niederschlägt.Around dynamic measurements of specific bonds or hybridization carry out to be able to must the Measuring range while the measurement with the liquid keep in touch. Surface acoustic wave with Rayleigh wave component have pulse components that are not in the level of the surface lie, and therefore become strong due to liquid on the surface steamed, so that the measurement the radio frequency impedance would be hindered. In an embodiment according to the invention is therefore used as a measuring range a part of a surface acoustic wave sensitive Element used that is not in the sound path of an interdigital transducer generated surface sound wave lies. The other part of the surface sound wave sensitive Elementes lies in the sound path of the surface acoustic wave, so that sound path and measuring range spatial are separated from each other. A stronger damping of the surface sound wave is thus prevented because the liquid is not in the sound path located. In the selection of the substrate or a crystal cut does not have to Pay attention to whether the Rayleigh wave proportion is large or small is. By hybridization or specific binding events the conductive one labeled molecules on the surface of the Measuring range changes the high-frequency impedance of the surface-acoustic wave-sensitive Element in the measuring range. This change Affects the high frequency impedance of the entire surface acoustic wave sensitive Element, so that the High frequency impedance is changed altogether, resulting in the Reflects transmission or reflection properties.
Als oberflächenschallwellensensitives Element können unterschiedliche Anordnungen von Metallelektroden auf der Oberfläche eingesetzt werden, deren Reflexions- und/oder Transmissionsverhalten sich durch die kapazitive Kopplung der Elektroden über zwischen ihnen befindliche spezifisch gebundene Moleküle mit leitfähigen Markern ändert. Es kommen z. B. Multistripkoppler, Reflektoren oder Resonatoren in Betracht. Diese lassen sich sehr einfach durch eine Anordnung von Metallstreifen auf der Oberfläche realisieren. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung wird auf denjenigen jeweiligen Teil der Metallstreifen, auf den die Oberflächenschallwelle nicht trifft, die Flüssigkeit aufgebracht.As a surface acoustic wave sensitive element different arrangements of metal electrodes can be used on the surface, the reflection and / or transmission behavior by the capacitive coupling of the electrodes located between them specific bounds ne molecules with conductive markers changes. It come z. B. Multistripkoppler reflectors or resonators into consideration. These can be realized very simply by arranging metal strips on the surface. In a preferred embodiment, the liquid is applied to that particular part of the metal strip to which the surface acoustic wave does not impinge.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Analyseverfahrens dieser Ausgestaltung umfaßt das oberflächenschallwellensensitive Element ein Reflektorelement, das aus einer Anordnung von Metallstreifen auf der Oberfläche besteht, die in der Art eines Bragg-Reflektors wirken, also einen Fingerabstand haben, der im wesentlichen kommensurabel mit der verwendeten Oberflächenschallwellenlänge ist. Diese Ausgestaltung macht sich zu Nutze, daß Oberflächenschallwellen an entsprechend periodischen Strukturen im Schallpfad reflektiert werden. Der Reflexionsfaktor solcher Reflektoren hängt einerseits von dessen Geometrie, Schichtdicke, Periodizität ab, andererseits aber auch von der Hochfrequenzimpedanz des Reflektorelementes. Das heißt z. B., wenn zwischen den Metallstreifen eines periodischen Reflektor-Arrays leitfähige Marker gebunden sind, werden diese über ihre Leitfähigkeit und die kapazitive Kopplung untereinander und mit den Elektroden des Reflektorelementes dessen Hochfrequenzimpedanz verändern. Damit ist der Reflexionsfaktor abhängig von der Dichte der leitfähigen Marker und das reflektierte Oberflächenschallwellensignal gibt als Maß für die Hochfrequenzimpedanz eine Information über die gebundenen Moleküle.at an advantageous development of the analysis method of this embodiment comprises the surface sound wave sensitive Element is a reflector element that consists of an arrangement of metal strips on the surface exists, which act in the manner of a Bragg reflector, so one Finger distance, which is essentially commensurate with the used Surface acoustic wave is. This embodiment makes use of that surface sound waves in accordance with periodic structures are reflected in the sound path. The reflection factor such reflectors depends on the one hand by its geometry, layer thickness, periodicity, on the other hand but also from the high-frequency impedance of the reflector element. The is called z. B. when between the metal strips of a periodic reflector array conductive Markers are bound, these are about their conductivity and the capacitive coupling with each other and with the electrodes of the Reflector element whose high-frequency impedance change. In order to the reflection factor is dependent from the density of the conductive Marker and the reflected surface sound wave signal gives as a measure of the high-frequency impedance an information about the bound molecules.
Durch das Aufbringen der Flüssigkeit und die daraufhin stattfindende Änderung der Hochfrequenzimpedanz durch die spezifischen Bindungen von mit Markern versehenen Molekülen an der Oberfläche ändert sich in gleicher Weise auch das Transmissionsverhalten von entsprechenden Metallstreifenarrays. Aus der sich ändernden Transmission der Oberflächenschallwellen läßt sich also ebenfalls Information über die Hochfrequenzimpedanz des Bauelementes und damit über die Menge der im Meßbereich gebundenen Moleküle mit Markern erhalten.By the application of the liquid and the subsequent change the high frequency impedance through the specific binding of with markers provided molecules on the surface changes in the same way, the transmission behavior of corresponding Metal strip arrays. From the changing transmission of surface acoustic waves let yourself So also information about the high frequency impedance of the device and thus on the Quantity of in the measuring range bound molecules obtained with markers.
Durch die räumliche Trennung des Schallpfades von dem Meßbereich ist es möglich, daß die Metallstreifen im Meßbereich einen anderen Abstand voneinander haben als im vom Schallpfad getroffenen Abschnitt. Auf diese Weise läßt sich das Verfahren an die unterschiedlichen Anforderungen anpassen, z. B. eine sehr niedrige Konzentration von Molekülen mit Markern in der Flüssigkeit, die einen meßbaren Effekt bei nur sehr kleinem Fingerabstand erlauben, der nicht zur optimalen Reflexion der Oberflächenschallwelle geeignet wäre. Solche Ausführungsformen sind sowohl bei Reflexions- als auch bei Resonatoruntersuchungen möglich.By the spatial Separation of the sound path from the measuring range, it is possible that the metal strip in the measuring range have a different distance from each other than in the path taken by the sound path Section. In this way can be adapt the procedure to the different requirements, eg. B. a very low concentration of molecules with labels in the liquid, the one measurable Allow effect with only a very small finger distance, which does not allow for optimal reflection of the surface sound wave would be suitable. Such embodiments are both in reflection and in Resonatoruntersuchungen possible.
Je nach Anforderung läßt sich die Geometrie der Metallstreifen in dem Meßbereich auch unterschiedlich wählen, um die Effizienz der Signaländerung zu verstärken. Oberflächenschallwellen sind an sich bereits sehr oberflächensensitiv. Die Elektrodenanordnung kann noch zusätzlich optimiert werden, daß sich das elektrische Feld besonders stark in der Ebene der Oberfläche konzentriert und das elektrische Feld außerhalb der Ebene der Oberfläche stark abfällt.ever after request can be the geometry of the metal strips in the measuring range also different choose, about the efficiency of the signal change to reinforce. Surface acoustic wave are in themselves very surface-sensitive. The electrode arrangement can be additionally optimized so that the electric field is particularly concentrated in the plane of the surface and the electric field outside the level of the surface falls sharply.
Schließlich können Interdigitaltransducer zur Erzeugung und/oder dem Empfang der Oberflächenschallwellen und/oder das oberflächenschallwellensensitive Element in sogenannter getaperter Ausführung verwendet werden, d.h. streifenförmige Metallelektroden umfassen, deren Abstand zueinander entlang ihrer Länge nicht konstant ist. Ein solches getapertes Oberflächenschallwellenbauelement hat abhängig vom Ort eine unterschiedliche Resonanzfrequenz, so daß zusätzlich Ortsinformation über das Auftreten einer Störung, z. B. durch das Auftreten von spezifischen Bindungsereignissen von mit leitfähigen Markern versehenen Molekülen an der Oberfläche, erhalten werden kann.Finally, interdigital transducers for generating and / or receiving the surface acoustic waves and / or the surface acoustic wave sensitive Element can be used in so-called tapered design, i. strip Metal electrodes include, whose distance from each other along their Length not is constant. Such a taped surface acoustic wave device depends from the location a different resonant frequency, so that additional location information about the occurrence a fault, z. By the occurrence of specific binding events of with conductive markers provided molecules on the surface, preserved can be.
Das oberflächenschallwellensensitive Element kann auch der einkoppelnde Transducer selbst oder ein Empfängertransducer sein, der zur Messung der Transmission der Oberflächenschallwellen dient. Auch dessen Hochfrequenzimpedanz ändert sich durch das Vorhandensein von Molekülen mit leitfähigen Markern an der Oberfläche zwischen den Fingern der ineinander greifenden Elektroden.The surface acoustic wave sensitive Element may also be the coupling transducer itself or a receiver transducer be that for measuring the transmission of surface acoustic waves serves. Its high-frequency impedance also changes due to its presence of molecules with conductive Markers on the surface between the fingers of the interdigitated electrodes.
Bei einer anderen Ausgestaltung wird eine sogenannte gewichtete Interdigitaltransducerstruktur als oberflächenschallwellensensitives Element eingesetzt. Ein gewichteter Interdigitaltransducer zeichnet sich dadurch aus, daß der Überlapp benachbarter Finger nach einer bestimmten Vorschrift nicht überall gleich ausgeführt ist. Die Vorschrift, die den Überlapp als Funktion der Koordinate der Ausbreitungsrichtung der Oberflächenschallwelle beschreibt, steht in direktem Zusammenhang mit dem Frequenzgang. Durch geeignet gewählten Überlapp der benachbarten Finger läßt sich ein gewünschter Frequenzgang erzeugen, der der Fouriertransformierten der Gewichtungsfunktion entspricht. Mit Hilfe eines gewichteten Transducers läßt sich also ein ganz bestimmter Bereich des oberflächenschallwellensensitiven Elementes anhand des Frequenzresponses identifizieren. Auf diese Weise ist zusätzlich räumliche Information erhältlich.at In another embodiment, a so-called weighted Interdigitaltransducerstruktur than surface acoustic wave sensitive Element used. A weighted interdigital transducer records characterized by the fact that the overlap adjacent finger according to a specific rule not the same everywhere accomplished is. The rule that the overlap as Function of the coordinate of the propagation direction of the surface acoustic wave describes, is directly related to the frequency response. By suitably selected overlap the neighboring finger lets itself a desired one Generate frequency response, the Fourier transform of the weighting function equivalent. With the help of a weighted transducer can be So a very specific area of the surface sound wave sensitive Identify element by frequency response. To this Way is additional spatial Information available.
Bei einer Weiterbildung wird ein gewichteter Interdigitaltransducer eingesetzt, dessen Wichtungsfunktion, die den Überlapp der einzelnen benachbarten Finger beschreibt, sin(x)/x-förmig gewichtet ist. Die Fouriertransformierte dieser Überlappfunktion entspricht einem Rechteck im Frequenzraum. Analyse des Frequenzresponses gibt also genaue Information über den Ort auf dem oberflächenschallwellensensitiven Element, an dem eine Änderung der Hochfrequenzimpedanz eingetreten ist, z. B. durch lokale spezifische Bindung von Molekülen mit leitfähigen Markern.In a further development, a weighted interdigital transducer is used whose weighting function, which describes the overlap of the individual adjacent fingers, is weighted sin (x) / x-shaped. The Fourier transform of this overlap function corresponds to a rectangle in frequency space. Analysis of the frequency response thus gives accurate information about the location on the surface acoustic wave sensitive element where a change in high frequency impedance has occurred, e.g. By local specific binding of molecules with conductive markers.
Dabei spiegelt sich die Information wesentlich in der Übertragungsfunktion wider.there the information is reflected significantly in the transfer function.
Eine erfindungsgemäße Verfahrensführung unter Verwendung von Oberflächenschallwellen ist mit einer Analysevorrichtung möglich, die eine piezoelektrische Oberfläche mit mindestens einem Interdigitaltransducer zur Erzeugung von Oberflächenschallwellen und einem oberflächenschallwellensensitiven Element im Ausbreitungsbereich einer mit dem Interdigitaltransducer erzeugten Oberflächenschallwelle aufweist, wobei das oberflächenschallwellensensitive Element aus einer Anordnung von leitfähigen Streifen besteht, die sich derart auf der Oberfläche erstrecken, daß sie jeweils nur teilweise von einer mit dem Interdigitaltransducer erzeugten Oberflächenschallwelle getroffen werden. Eine vorteilhafte Analysevorrichtung weist ein oberflächenschallwellensensitives Element auf, bei dem die leitfähigen Streifen, die in dem Bereich, in dem sie von der Oberflächenschallwelle getroffen werden, einen anderen Abstand aufweisen als im Meßbereich. Um mehrere Untersuchungen gleichzeitig durchzuführen, ist es vorteilhaft, wenn mehrere derartige oberflächenschallwellensensitive Elemente parallel oder versetzt zueinander angeordnet sind und einen unterschiedlichen Abstand von dem oberflächenschallwellenerzeugenden Element bzw. dem oberflächenschallwellenempfangenden Element aufweisen. Werden auf die einzelnen oberflächenschallwellensensitive Elemente unterschiedliche Flüssigkeiten aufgebracht, so kann aus der Laufzeit des veränderten Reflexions- bzw. Transmissionssignales auf dasjenige oberflächenschallwellensensitive Element geschlossen werden, dessen Hochfrequenzimpedanz sich geändert hat. Ähnlich läßt sich mit einem solchen Element untersuchen, wie verschiedene Funktionalisierungen in den unterschiedlichen Meßbereichen auf die in der Flüssigkeit befindlichen Moleküle wirken.A inventive process under Use of surface sound waves is possible with an analysis device that has a piezoelectric surface with at least one interdigital transducer for generating surface acoustic waves and a surface acoustic wave sensitive Element in the propagation area of one with the interdigital transducer generated surface sound wave having the surface sound wave sensitive Element consists of an array of conductive strips, the so on the surface extend that she only partially from a surface acoustic wave generated by the interdigital transducer to be hit. An advantageous analysis device has surface acoustic wave sensitive Element on which the conductive Strip in the area where it is from the surface acoustic wave be taken, have a different distance than in the measuring range. To perform several examinations simultaneously, it is advantageous if several such surface acoustic wave sensitive Elements are arranged parallel or offset from each other and a different distance from the surface acoustic wave generating Element or the surface acoustic wave receiving Element. Be on the individual surface sound wave sensitive Elements applied different liquids, so may from the term of the changed Reflection or transmission signals on the surface sound wave sensitive Be closed element whose high-frequency impedance has changed. Similar can be examine with such an element how different functionalizations in the different measuring ranges on the in the liquid located molecules act.
Bei einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Analyseverfahrens wird ein oberflächenschallwellensensitives Element eingesetzt, das zumindest einen zweiten Interdigitaltransducer mit einem dazu parallel geschalteten Meßelement umfaßt, das aus mindestens zwei Elektroden auf einem Oberflächenelement besteht, das als Meßbereich mit der Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird. Wiederum können die Reflexions- und/oder Transmissionseigenschaften des zweiten Interdigitaltransducers ausgewertet werden, die eine Meßgröße für die Hochfrequenzimpe danz des oberflächenschallwellensensitiven Elementes darstellen. Durch das in Kontakt Bringen des Meßelementes mit der Flüssigkeit können an dem Meßbereich spezifische Bindungen der mit einem leitfähigen Marker versehenen Moleküle stattfinden, wodurch sich der Hochfrequenzwiderstand des Meßelementes verändert. Da dieser parallel zu dem zweiten Interdigitaltransducer geschaltet ist, ändert sich die Gesamthochfrequenzimpedanz des so gebildeten oberflächenschallwellensensitiven Elementes. Auswertung dieser Änderung gibt Information über die spezifischen Bindungsereignisse im Meßbereich. Eine solche Ausführungsform ist z. B. besonders als Eintauchsensor für Mikrotiter-Platten geeignet.at another embodiment of the analysis method according to the invention is a surface acoustic wave sensitive Element used, the at least one second interdigital transducer with a measuring element connected in parallel, the consists of at least two electrodes on a surface element, as Measuring range with the liquid is brought into contact. Again, the reflection and / or Transmission properties of the second interdigital transducer evaluated which are a measure of the high-frequency impedance of the surface sound wave sensitive Represent element. By bringing the measuring element into contact with the liquid can at the measuring range specific binding of the molecules provided with a conductive marker take place, whereby the high-frequency resistance of the measuring element changes. There this switched parallel to the second interdigital transducer is, changes the total high frequency impedance of the surface acoustic wave sensitive so formed Element. Evaluation of this change gives information about the specific binding events in the measuring range. Such an embodiment is z. B. particularly suitable as immersion sensor for microtiter plates.
Bei einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Vermeidung der stärkeren Dämpfung, wie sie bei Rayleigh-Wellen durch auf der piezoelektrischen Oberfläche befindliche Flüssigkeit auftritt, eine Oberfläche eines piezoelektrischen Kristalles eingesetzt, der in einer Richtung geschnitten ist und bei dem die Ausrichtung des oberflächenschallwellenerzeugenden Interdigitaltransducers derart ist, daß in der Ausbreitungsrichtung der mit dem Interdigitaltransducer erzeugten Oberflächenschallwellen im wesentlichen nur Scherwellen auftreten können. Scherwellen zeichnen sich durch einen hauptsächlich parallel zur Ebene gerichteten Impuls aus, so daß sie im wesentlichen nur elektrisch Wechselwirken und daher eine geringere Dämpfung auftritt als bei Rayleigh-Wellen. Eine solche Ausgestaltung kann günstig sein, wenn eine Trennung von Schallpfad und Meßbereich unerwünscht ist, wohingegen eine Ausführungsform mit vom Schallpfad getrenntem Meßbereich vorteilhaft ist, wenn eine aufwendige exakte Ausrichtung des Schnittes des piezoelektrischen Kristalls zu aufwendig ist.at Another embodiment of the method according to the invention is used to avoid the stronger one Damping, as with Rayleigh waves through on the piezoelectric surface liquid occurs, a surface a piezoelectric crystal used in one direction is cut and in which the orientation of the surface acoustic wave generating Interdigitaltransducers such that in the propagation direction the surface acoustic waves generated by the interdigital transducer essentially only shear waves can occur. Draw shear waves by one mainly In parallel to the plane directed pulse so that they are essentially only electrically Interact and therefore a lower attenuation occurs than in Rayleigh waves. Such a configuration may be favorable be, if a separation of sound path and measuring range is undesirable, whereas an embodiment is advantageous with separated from the sound path measuring range, if a complex exact alignment of the section of the piezoelectric Crystal is too expensive.
Durch Verwendung von mindestens zwei Empfängertransducern kann man bei den Verfahrensführungen unter Verwendung von Oberflächenschallwellen das Meßsignal über z. B. homodynes Mischen in ein Gleichstromsignal verwandeln, das zeitlich von einem „Sendepuls" getrennt ist. Durch eine solche Autokorrelationsmessung ist eine zeitaufgelöste Messung nicht mehr notwendig, um Information über die Reaktionsdynamik zu bekommen.By At least two receiver transducers can be used the process guides using surface acoustic waves the measuring signal over z. B. transform homodyne mixing into a dc signal, in time separated by a "transmission pulse" such autocorrelation measurement is a time-resolved measurement no longer necessary to get information about the reaction dynamics to get.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Analyseverfahrens ist der Meßbereich Teil einer Brückenschaltung, z. B. einer Wheatstone-Brücke, die z. B. mit Hilfe von lithographischen Prozessen direkt auf einer Oberfläche realisiert werden kann. Mit einer Brückenschaltung lassen sich auch bei nur leicht unterschiedlichen Impedanzen sehr große Empfindlichkeiten erreichen, was besonders vorteilhaft vor dem Hintergrund ist, daß auch die Flüssigkeit oberhalb des Meßbereiches Partikel mit leitfähigen Markern enthält und somit zur Gesamtimpedanz beitragen kann. Unter der Annahme, daß die Dichte dieser in der Flüssigkeit verteilten Marker im wesentlichen homogen ist, ergibt sich ein räumlich konstantes Hintergrundsignal, das mit Hilfe von Brückenschaltungen in an sich bekannter Weise nicht mit gemessen wird.In an advantageous embodiment of the analysis method according to the invention, the measuring range is part of a bridge circuit, for. As a Wheatstone bridge z. B. can be realized directly on a surface using lithographic processes. With a bridge circuit can be very sensitive even with only slightly different impedances reach, which is particularly advantageous against the background that the liquid above the measuring range contains particles with conductive markers and thus the Gesamtim pedantry can contribute. Assuming that the density of these markers distributed in the liquid is substantially homogeneous, a spatially constant background signal results, which is not measured with the aid of bridge circuits in a manner known per se.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand von vorteilhaften Ausgestaltungen anhand der anliegenden Figuren erläutert. Dabei zeigt (jeweils schematisch und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu)The inventive method is based on advantageous embodiments based on the appended Figures explained. It shows (in each case schematically and not necessarily true to scale)
Das
Oberflächenschallwellenbauelement
ist mit
Port
Die
S-Parameter hängen
empfindlich von der Hochfrequenzimpedanz der Ports, von dem genauen
Design der Ports, z. B. der Interdigitaltransducer, von den Eigenschaften
der Laufstrecke zwischen Port
Die Änderung
der Impedanz des Oberflächenschallwellenbauteiles
In
Eine solche Anordnung kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wie folgt eingesetzt werden. Erläutert wird eine Verwendung zur Untersuchung von DNA-Sequenzen.A such arrangement can be carried out the method according to the invention be used as follows. explains becomes a use for studying DNA sequences.
Im
Meßbereich
Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann selbstverständlich
auch für
andere spezifische Bindungsprozesse eingesetzt werden. Dabei kann
entweder die mit dem leitfähigen
Marker versehene Molekülsequenz
in bekannter Art und Konzentration vorhanden sein oder die zur Funktionalisierung
des Meßbereiches
Die gezeigte Anordnung weist parallele hintereinander angeordnete Reflexionselemente auf. Die Reflexionselemente können z. B. auch oder zusätzlich seitlich zueinander versetzt sein, um in Art eines Arrays ausgelesen werden zu können.The arrangement shown has parallel successively arranged reflection elements on. The reflection elements can z. B. also or additionally be laterally offset from each other to read in the manner of an array to be able to.
Gemäß einer nicht gezeigten Ausgestaltung werden als oberflächenschallwellensensitives Element Koppler, insbesondere Multistripkoppler eingesetzt. Solche Koppler umfassen z. B. eine Anordnung von leitfähigen Metallstreifen, die derart bezüglich eines Interdigitaltransducers angeordnet sind, daß sie in einem Bereich von einer Oberflächenschallwelle getroffen werden, die mit diesem Interdigitaltransducer angeregt wird. Die streifenförmige Metallelektrodenanordnung des Kopplers sendet über die gesamte Ausdehnung des Kopplers Oberflächenschallwellen aus. Eine Anordnung von weiteren Interdigitaltransducern dient als Empfängerarray, wobei diese Empfangsinterdigitaltransducer derart angeordnet sind, daß sie jeweils nur Oberflächenschallwellen aus einem bestimmten Bereich des Kopplers empfangen. Befinden sich z. B. mehrere Meßbereiche im Bereich des Koppelelementes, so kann aus den Signalen, die an den Empfangsinterdigitaltransducern empfangen werden, abgelesen werden, in welchem Bereich des Kopplers eine Störung z. B. durch das Auftreten von spezifischen Bindungsereignissen von mit leitfähigen Markern versehenen Molekülen an der Oberfläche stattgefunden hat.According to one not shown embodiment are as surface sound wave sensitive Element coupler, in particular multi-strip coupler used. Such Couplers include z. B. an array of conductive metal strips, the like in terms of an interdigital transducer are arranged to be in an area hit by a surface acoustic wave which is excited with this interdigital transducer. The strip Metal electrode assembly of the coupler sends over the entire extent of the coupler surface acoustic waves out. An arrangement of further interdigital transducers serves as Receiver array, these receiving interdigital transducers being arranged such that she in each case only surface sound waves receive a specific area of the coupler. Are z. B. several measuring ranges in the region of the coupling element, so can from the signals to are received by the receive interdigital transducers be in which area of the coupler a fault z. B. by the occurrence of specific binding events of with conductive markers provided molecules on the surface took place.
Bei
allen beschriebenen Verfahrensführungen
können
die einzelnen Metallstreifen
Es sind auch Elektrodenkonfigurationen einsetzbar, die besonders optimiert sind, um das elektrische Feld in der Ebene der Oberfläche noch stärker zu konzentrieren, bzw. so, daß das elektrische Feld außerhalb dieser Ebene noch stärker abfällt. Bei einer nicht dargestellten Verfahrensführung stehen sich im Bereich des Meßbereiches je zwei Elektroden halbkreisförmig gegenüber, so daß das elektrische Feld sich zwischen ihnen im Meßbereich konzentriert.It Also electrode configurations can be used which are especially optimized are to the electric field in the plane of the surface yet stronger too concentrate, or so that the electric field outside this level even stronger drops. In a process management, not shown, are in the field of the measuring range two electrodes each semicircular across from, so that electric field concentrates between them in the measuring range.
Die
Signale sind in
Multiplikation
der beiden Signale, wie sie der Mischer
Ein
solches Vektorvoltmeter dient der Messung der Frequenz (ω)-abhängigen Impedanz
Z, dargestellt durch den Realteil X und den Imaginärteil y. Das
Vektorvoltmeter
In
Für eine Referenzmessung kann auch ausgenutzt werden, daß ein Interdigitaltransducer in beiden Richtungen senkrecht zu seiner Längserstreckung Oberflächenschallwellen abstrahlt. Ein Interdigitaltransducer kann z. B. zwischen zwei Reflektorstrukturen angeordnet sein. Anregung einer Oberflächenschallwelle mit dem Interdigitaltransducer führt zur Abstrahlung von Oberflächenschallwellen in Richtung beider Reflektoren. Werden die Reflexionseigenschaften eines der Reflektoren durch Bindungsereignisse von mit leitfähigen Markern verbundenen Molekülen an der Oberfläche in z. B. einem vom Schallpfad getrennten Meßbereich geändert, so kann die Differenz der beiden Reflexionssignale ausgewertet werden.For a reference measurement can also be exploited that one Interdigital transducer in both directions perpendicular to it longitudinal extension Surface acoustic wave radiates. An interdigital transducer can, for. B. between two reflector structures be arranged. Excitation of a surface acoustic wave with the interdigital transducer leads to Emission of surface acoustic waves in the direction of both reflectors. Become the reflection properties one of the reflectors by binding events of with conductive markers connected molecules on the surface in z. B. a separate from the sound path measuring range, so the difference the two reflection signals are evaluated.
Alle beschriebenen Verfahrensführungen können auch kombiniert bzw. parallel durchgeführt werden, um z. B. Vergleichsmessungen durchführen zu können.All can also process described combined or performed in parallel to z. B. comparative measurements perform too can.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich ganz besonders dazu, die Dynamik von Hybridisierungs-/spezifischen Bindungsereignissen in situ zu studieren. Folgende weitere Anwendungen der Methode sind möglich:The inventive method is particularly suited to the dynamics of hybridization / specific Study binding events in situ. The following additional applications the method are possible:
Kompetitive Reaktionen (Ko-Hybridisierung):Competitive reactions (Co-hybridization):
Durch Markierung einer Spezies A mit nicht-leitenden Beads (Quarz, Plastik) und einer Spezies B mit leitfähigen Beads (z. B. Gold) kann über die Messung der Dynamik Information über kompetitive Hybridisierungsprozesse gewonnen werden. Nur die mit leitfähigen Beads markierten Prozesse tragen signifikant zu einer Veränderung des Hochfrequenzsignals bei. Jeder kompetitive Prozeß mit nicht leitendem Bead an derselben Stelle schwächt naturgemäß das Signal ab, da die mittlere dielektrische Konstante und damit die kapazitive Kopplung dabei sinkt.By Labeling of a species A with non-conductive beads (quartz, plastic) and a species B with conductive Beads (eg gold) can be used over the Measuring the dynamics information about competitive hybridization processes are obtained. Only those with conductive Beads marked processes contribute significantly to a change of the high-frequency signal. Any competitive process with non-executive Bead weakens in the same place naturally the signal since the mean dielectric constant and thus the capacitive Coupling sinks.
„Schmelzkurven"-Messungen:"Melting curves" measurements:
Hier kann man die Dynamik von Bindungs-/Hybridisierungsereignissen als Funktion der Temperatur dynamisch untersuchen. Bei Überschreiten einer gewissen Temperatur wird die Hybridisierung wieder aufgehoben und das Signal nimmt dementsprechend wieder ab.Here one can see the dynamics of binding / hybridization events as Dynamically examine the function of the temperature. When crossing At a certain temperature, hybridization is abolished again and the signal decreases accordingly.
In ähnlicher Weise kann eine „Schmelzkurve" in Abhängigkeit der Salzkonzentration der Lösung aufgenommen werden, in der sich die mit den leitfähigen Markern versehenen Moleküle befinden.In similar Way, a "melting curve" depending on the salt concentration of the solution to be included in which are the ones with the conductive markers provided molecules are located.
Alle ertindungsgemäßen Verfahren bieten die Möglichkeit, auf einfache Weise spezifische Bindungsprozesse nachzuweisen bzw. nach Art und Konzentration der zu untersuchenden Moleküle zu analysieren. Die Auswertung der Hochfrequenzimpedanz ermöglicht es, auch die Reaktionsdynamik zu untersuchen, ohne daß ein geschlossener Strompfad notwendig ist. Ein Waschprozeß, der ebenfalls eine Untersuchung der Reaktionsdynamik verhindern würde, ist ebenfalls nicht notwendig.All according to the invention provide the opportunity easy to detect specific binding processes or to analyze the type and concentration of the molecules to be investigated. The evaluation of the high-frequency impedance also allows the reaction dynamics to examine without a closed current path is necessary. A washing process, too would prevent an investigation of the reaction dynamics is also not necessary.
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DE2002126072 DE10226072B4 (en) | 2002-06-12 | 2002-06-12 | Analytical methods for the analysis of specific binding events, assay methods and use |
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