DE19836110C2 - Sensorvorrichtung mit einer Mischeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung, die Oberflächenbindungsreaktionen an einer Sensoroberfläche als sensorische Reaktionen verwendet, insbesondere einen Oberflä­ chenplasmonenresonanzsensor, mit einer Einrichtung zum Mischen einer zu untersuchenden Flüssigkeit.

Ein derartiger Biosensor, in den eine Küvette mit der zu unter­ suchenden Flüssigkeit eingebracht wird, ist aus EP 0 781 987 A2 bekannt. Dort besteht die Mischeinrichtung aus einem in die Flüssigkeit herabragenden Rührer, der mittels eines elektroma­ gnetischen Motors oder zur Erzielung hoher Frequenzen mittels einer piezoelektrischen Einrichtung angetrieben wird. Aus den nachfolgend erläuterten Gründen entspricht der erzielte Mi­ schungseffekt jedoch nicht den hohen Anforderungen, wie sie bei Biosensoren im Interesse der Meßgenauigkeit und hoher Leistung zu stellen sind.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, eine Flüssigkeit in ei­ nem optischen Biosensor an der optischen Meßoberfläche anzukop­ peln. Ein erstes Verfahren betrifft ein Küvettensystem, in dem eine Kammer oder ein Topf verwendet wird, bei dem eine Seiten­ wand oder der Boden die Sensoroberfläche bildet. Ein zweites Verfahren betrifft ein Flußsystem, bei dem über Flußkanäle die Flüssigkeit an der Meßoberfläche vorbei gepumpt wird. Dabei wird häufig ein Flow-Injection-Analysis-Verfahren verwendet, und die Flüssigkeit wird häufig in einer Flüssigkeitsschleife über die Meßoberfläche geführt. Das hiervon bevorzugte System ist das Küvettensystem, die Erfin­ dung findet aber auch Anwendung bei einem Flußsystem. Ein drittes Verfahren verwendet einen faseroptischen Sensor (wie beispielsweise in der DE-A-40 33 741 gezeigt), bei dem eine Glasfaser oder ein anderes optisches Element in den Flüssig­ keitsstrom oder in die stehende Flüssigkeit eingetaucht wird.

Optische Biosensoren beruhen in der Regel darauf, daß Parti­ kel (Moleküle, Bakterien, Viren, usw.) über eine Ligand-Re­ zeptor-Wechselwirkung an die optische Meßoberfläche gebunden werden, wodurch sich unter anderem die optische Schichtdicke eines dünnen Filmes auf der Meßoberfläche verändert. Diese Veränderung wird über ein optisches Verfahren nachgewiesen. Das optische Signal ist ein Maß für die Bindungsstärke oder die Konzentration der bindenden Partner. Die Bindung wird in der Nähe der Oberfläche durch die zur Verfügung stehende Konzentration an bindenden Molekülen bestimmt. Haben sich aufgrund vorangegangener Bindungsereignisse Moleküle oder größere Partikel aus der Flüssigkeit bereits an die Oberflä­ che gebunden, tritt lokal in unmittelbarer Nähe der Oberflä­ che (bis 1-10 µm) eine Verarmung (depletion) oder ein Kon­ zentrationsgefälle auf, welches die weitere Messung ver­ fälscht. Insbesondere wenn kinetische Phänomene gemessen werden sollen, werden also häufig nicht Reaktionsgeschwin­ digkeiten, sondern die Diffusion gemessen. Beim gewöhnlichen Mischen mit z. B. Rühren liegt in der Nähe der Oberfläche in der Regel ein laminarer Flüssigkeitsstrom vor und aufgrund von Newton-Reibung findet an der Sensoroberfläche keine aus­ reichende Durchmischung mit übrigem Meßvolumen statt. Bei Meßvorrichtungen mit Flußkammern kann dieses Problem dadurch gelöst werden, daß Flüssigkeitsströme mit unterschiedlicher Geschwindigkeit über die Oberfläche geführt werden und aus den erhaltenen Daten extrapoliert wird, welche Bindungskine­ tiken aufträten, falls ein beliebiger Austausch d. h. optimale Durchmischung mit der Meßflüssigkeit erfolgen würde.

In der Regel beträgt die Diffusionsgeschwindigkeit im Volumen weniger als 1 µm/sec. Wenn das Oberflächensignal mit einer Taktfrequenz von etwa 1 bis 10 Hz gemessen wird, ist davon aus­ zugehen, daß ein Raum von mehreren µm Höhe über der Meßoberflä­ che möglichst gut in eine Flüssigkeitsstromverbindung mit dem Rest des Volumens gebracht werden muß, um korrekte Meßwerte zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs be­ schriebene Vorrichtung so zu verbessern, daß eine Durchmischung im Grenzflächenbereich erzielt wird, die genaue Messungen mit hoher Durchsatzleistung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Mischeinrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen akustischer Oberflächenwellen zum grenzflächennahen Mischen der Flüssigkeit ist.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung sowie ein Meßverfahren für ihren Einsatz ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der Lösung geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, einen Flüssigkeitsaustausch bzw. eine Durchmischung der Flüssigkeit in unmittelbarer Nähe der Oberfläche (d. h. we­ nige µm) zu erzeugen, wozu Schall, insbeson­ dere Ultraschall, zur Durchmischung in die Flüssigkeit einge­ bracht wird.

Der Schall, insbesondere der Ultraschall, kann dabei auf verschiedene Arten in die Flüssigkeit eingekoppelt werden. Als Schallquelle kann ein Schwingquarz oder ein anderes pie­ zoelektrisches Element vorgesehen sein. Beispielsweise wer­ den die Schall- bzw. Ultraschallwellen vorzugsweise direkt an die Sensoroberfläche übertragen. Dabei wird eine schall­ leitende Verbindung zwischen dem Sensor und der Schallquelle bereitgestellt. Vorzugsweise wird über ein optisches Ele­ ment, wie etwa ein Prisma, oder ein anderes zur Messung ver­ wendetes optisches Element in dem Sensor der Schall einge­ koppelt. Diese Schwingungen werden über das optische Element in die Flüssigkeit übertragen und sorgen dort an der Ober­ fläche des Sensors für eine lokale Durchmischung. Dabei kann die Schallquelle direkt an dem Prisma bzw. direkt an der Sensoroberfläche angeordnet werden.

Vorzugsweise sind die Schwingungen in der Flüssigkeit paral­ lel und/oder senkrecht zur Flächennormalen der Sensorfläche ausgerichtet.

Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß mechanooptische und akustooptische Effekte auftreten können, welche die Durchmi­ schung und die Messung beeinflussen. Schall ist beispiels­ weise geeignet, Oberflächenplasmonen zu modifizieren. Des­ halb wird bevorzugt, das Mischen mit Schall bzw. Ultraschall nur abwechselnd mit der optischen Messung durchzuführen. Da­ bei wird beispielsweise alle 0,1 sec folgende Meßfolge durchgeführt: Ultraschallsignal auf die Meßflüssigkeit ein­ wirken lassen, dieses beenden und anschließend nach einer Pause eine optische Messung durchführen. Danach findet eine erneute Beschallung mit Ultraschall statt. Beispielsweise kann der Zeitverlauf der Messungen folgendermaßen sein: ca. 12 msec für die Aufnahme der Messung, ca. 10 bis 20 msec Einbringen von Ultraschall und eine Pause von bis zu 100 msec. Aus der Summe von Mischzeit, Pause und Meßzeit ergibt sich dadurch eine Meßfrequenz von beispielsweise 10 Hz.

Bei der Wahl der geeigneten Frequenz und Intensität des an­ gewandten Ultraschalls sind verschiedene Faktoren zu berück­ sichtigen. Einerseits ist eine hohe Intensität für eine gute Durchmischung erforderlich, andererseits werden bei zu hohen Intensitäten Mikrokavitäten im Wasser gebildet, in denen zum einen Radikale gebildet werden können und die zum anderen auch Polymerketten mechanisch zerreißen können. Je höher die Frequenz des Schalls ist, desto kleiner die Mikrokavitäten und desto stärker die Bildung von Radikalen. Sowohl die Ra­ dikale als auch die Mikrokavitäten stellen eine Gefahr für die Polymerketten des erfindungsgemäßen Sensors als auch für die biologischen Moleküle dar. Bevorzugt ist deshalb ein Frequenzbereich von 1 bis 300 kHz, vorzugsweise 30 kHz. Bei dieser Frequenz haben die Mikrokavitäten einen Durchmesser von ca. 170 µm, was mit einem einfachen optischen Mikroskop gut zu beobachten ist. Sobald Mikrokavitäten sichtbar sind, ist die eingestellte Intensität zu hoch. Die eingekoppelten Leistungen liegen im Bereich von 0,1 bis 10 W, vorzugsweise 0,5 bis 5 W, am meisten bevorzugt 1 bis 2 W.

Zusätzlich zu der Durchmischung mittels Ultraschall kann gleichzeitig eine makroskopische Vermischung dafür sorgen, daß Flüssigkeit aus dem Gesamtvolumen in die Verarmungszone an der Sensoroberfläche transportiert wird. Bevorzugt ist dabei eine Kombination zweier Verfahren. Dabei gibt es meh­ rere Möglichkeiten. Ein herkömmliches Mikro- oder Makrofluß­ system kann mit einer Schall- bzw. Ultraschalldurchmischung kombiniert werden. Ferner ist es möglich, ein klassisches Rühren mit einer schallinduzierten Durchmischung zu kombi­ nieren. Ferner kann eine Durchmischung durch Ansaugen und Ausstoßen von Flüssigkeit mittels einer Spitze mit einer Ul­ traschalldurchmischung kombiniert werden.

Wird zusätzlich zum Durchmischen ein Rührfinger verwendet, kann dieser in seiner Spitze durch eine handelsübliche Wegwerfspitze aus Kunststoff gebildet werden. Diese Spitze kann verwendet werden, um:

• 1. Flüssigkeit in die Flüssigkeitsmeßzelle zu transportie­ ren,
• 2. die Flüssigkeit durch Aufsaugen und Ausstoßen von Flüs­ sigkeit zu vermischen und
• 3. durch eine mit Piezoelementen verursachte Zitterbewegung eine Durchmischung im Mikrometerbereich zu erzeugen.

Ein und dieselbe Spitze dient dabei also als Transportgefäß, als Rührfinger, wie auch zum Ansaugen und Ausstoßen von Flüssigkeit. Die Spitze kann in der x-y-Ebene und/oder in der z-Richtung bewegt werden.

Die erfindungsgemäß verwendeten aku­ stische Oberflächenwellen (SAW) können bei piezoelektrischen Materialien durch Anlegen von Wechselspannungen über z. B. kammartig aus­ geformte, ineinandergreifende Elektroden erzeugt werden. Die akustischen Oberflächenwellen führen zu einer Auslenkung der Oberfläche in der Ebene der Oberfläche, wodurch eine Bewe­ gung relativ zu der darüber befindlichen Flüssigkeit erzeugt wird und dadurch eine oberflächennahe Mischung erfolgt.

Die Erfindung wird nachstehend mit bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der akustische Oberflächenwellen zum Durchmischen verwendet werden, in teilweise geschnittener Seitenansicht und

Fig. 2 die Vorrichtung nach Fig. 1 in einer Sicht von unten.

Die Meßvorrichtung nach Fig. 1 weist ein Substrat 1 mit einer Sensoroberfläche 2 auf. Diese Sensoroberfläche ist be­ vorzugt eine Goldoberfläche. Die Sensoroberfläche 2 ist so angeordnet, daß sie sich zwischen dem Substrat 1 und einer Küvette 3 befindet. Diese Küvette 3 ist mit der zu durchmi­ schenden Flüssigkeit gefüllt.

Gemäß Fig. 2 ist eine Mischeinrichtung 4 mit kammartigen Elektroden 5, 6 vorgesehen, über die durch Anlegen von Wechselspannungen akustische Oberflächenwellen erzeugt werden. Diese akusti­ schen Oberflächenwellen rufen eine Bewegung relativ zu der sich in der Küvette 3 befindlichen Flüssigkeit hervor, wodurch eine oberflächennahe Mischung der Flüssigkeit erfolgt.

Claims (9)

1. Sensorvorrichtung, die Oberflächenbindungsreaktionen an einer Sensoroberfläche als sensorische Reaktion verwendet, insbesondere Oberflächenplasmonenresonanzsensor, mit einer Einrichtung zum Mischen einer zu untersuchenden Flüssig­ keit, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischeinrichtung (4) eine Einrichtung zum Erzeugen akustischer Oberflächenwellen zum grenzflächennahen Mischen der Flüssigkeit ist.

2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenwellen über ein optisches Element der Sensorvorrichtung eingebracht werden.

3. Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element ein Prisma ist.

4. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Mischeinrichtung (4) einge­ brachten Leistungen im Bereich von 0,1 bis 10 W liegen.

5. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen akusti­ scher Oberflächenwellen (4) kammartig ineinandergreifende Elektroden (5, 6) aufweist.

6. Meßverfahren für eine Sensorvorrichtung gemäß einem der An­ sprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) Durchmischen der zu untersuchenden Flüssigkeit mittels der akustischen Oberflächenwellen und
• b) Durchführung der Messung, wobei
• c) zwischen den Schritten a) und b) eine vorbestimmte Pause eingelegt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) zusätzlich durch Rühren gemischt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) zusätzlich durch Ansaugen und Ausstoßen von Flüssigkeit mittels einer Spitze gemischt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Schritt a) das Durchmischen mit einem Mikro- oder Makroflußsystem kombiniert wird.