WO2003012389A2 - Method for analysing macromolecules, analysis device and a method for producing an analysis device - Google Patents

Method for analysing macromolecules, analysis device and a method for producing an analysis device Download PDF

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WO2003012389A2
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    • C12Q1/6837Enzymatic or biochemical coupling of nucleic acids to a solid phase using probe arrays or probe chips

Definitions

  • the invention relates to methods for analyzing macromolecules with the aid of a microarray and a method for producing an analysis device for macromolecules.
  • sample molecules A liquid with macromolecules (“sample molecules”) is rinsed over the microarray, which forms a specific bond with at least one type of probe molecule on the microarray (hybridization). If the liquid is then removed from the surface again, the sample molecules to be examined remain only at the points of the specific binding. With the help of a spatially resolved measurement, e.g. B.
  • a fluorescence measurement it can be determined at which locations to be examined macromolecules are present. From the known position of the individual probe molecules in the matrix form of the microarray it can thus be determined with which type of macromolecules the macromolecules to be examined have entered into a specific bond.
  • microarrays are e.g. B. used to study macromolecules such as proteins, antigens or antibodies.
  • microarrays are also used to examine DNA, e.g. B. used in DNA screening.
  • the duration of a corresponding analysis experiment is largely determined by the diffusion of the sample molecules to the probe molecules and can therefore take some time. Is z. For example, if the concentration of the macromolecule to be examined in the liquid is only low, it can take a long time before it has found its specific binding partner on the array.
  • the microarrays used are miniaturized arrays, which in the case of e.g. B. of DNA microarrays include individual areas (spots) with probe molecules each with a diameter of about 100 microns. There are many different DNA probes (spots) z. B. applied in a checkerboard pattern on the surface and simultaneously used for hybridization reactions.
  • the densities that can be achieved on such a microarray today are, for. B. for DNA (deoxyribonucleic acid) up to about 250,000 different types of molecules per cm 2 (M. Schena (ed.), "DNA Microarrays", Oxford University Press, 1999).
  • the microarray is washed after hybridization according to a special protocol and then the fluorescence is measured in a spatially resolved manner.
  • One possibility is to measure the fluorescence signal with optics of such a shallow depth of field that only the area of the interface between the liquid film and the chip surface contributes to the signal.
  • the second macromolecules are mainly in the already bound state there. The fluorescence signal of two macromolecules, which are in the unbound state in the liquid film above them, is not detected with such optics.
  • the probe molecules are mostly applied using a printing technique (spotting).
  • a printing technique is used e.g. B. from VG Cheung et al., Nature Genetic Supplement, Volume 21, January 1999, pages 15ff. described.
  • a solution with the desired probe molecule is brought onto the chip surface either in a contactless or contacting manner.
  • the probe molecules can also be e.g. B. can be synthesized photolithographically base by base on the chip. Both at Spotting as well as in photolithographic production is difficult to make a quantitative statement about the number and density of the probe molecules on a spot. That means that e.g. B. when detecting the hybridized sample molecules z. B. only limited quantitative conclusions about the number of sample molecules are possible by fluorescence. The comparability of data obtained on different microarrays with nominally identical spots is considerably restricted.
  • the surface of a solid state chip is first functionalized homogeneously, so that, for. B. by the action of light or by the action of an electric field bind the previously also functionalized probe molecules on the surface.
  • the chip is homogeneously flooded with a solution of the probe molecules (e.g. in the order of magnitude of 100 ⁇ l).
  • Local illumination binds photoactive probe molecules locally to the desired locations.
  • electroactive probe molecules which bind to the surface under the action of an electrical field
  • an electrical field is generated locally which triggers the binding.
  • the object of the present invention is to provide methods and a device with which an accurate and reproducible analysis of macromolecules is possible, which can also be used with limited sample material.
  • the production of corresponding analysis devices should be simple and reproducible.
  • the object is achieved by a method having the features of claim 1 or a method having the features of claim 6.
  • the object is achieved by a method having the features of claim 15.
  • the analysis device the object is achieved with an analysis device with the features of claim 25.
  • Subclaims are each directed to preferred configurations.
  • a microarray is used on a solid surface, preferably a chip. At least one drop of liquid with the macromolecules to be examined is placed on the surface of the solid, the amount of liquid in a drop being so small that it essentially touches only one spot or a group of a few spots of the microarray at a time. Conveniently, no more than 10% of all spots of a microarray should be touched by a liquid drop. In this way, the reaction conditions (e.g. temperature or salt concentration) can be optimized depending on the spots touched.
  • the reaction conditions e.g. temperature or salt concentration
  • the process is preferably carried out in such a way that only one spot is touched by a drop of liquid at a time, so that the reaction conditions can be set individually for each individual spot.
  • the z. B. is determined by the typical reaction time of the macromolecules contained in the liquid with the macromolecules, which are located as probe molecules on a spot, is moved to a next spot with the aid of the impulse transfer of a surface acoustic wave of the liquid drops.
  • a predetermined time is again waited until the typical reaction time has passed.
  • the desired spots or all spots of the microarray used with the liquid can be sequenced be brought into contact.
  • this process can also be parallelized by moving several drops simultaneously over different spots.
  • the spots that have come into contact with the liquid drop can then be examined for whether or to what extent a reaction with the macromolecules in the liquid drop has taken place.
  • e.g. B. serve a spatially resolved fluorescence measurement if the macromolecules to be examined are fluorescence-labeled.
  • Other detection methods, e.g. B. using radioactive sample molecules can also be used.
  • the examination of the spots that have come into contact with the liquid drop to determine whether and / or to what extent a specific reaction with the material of the liquid drop has taken place can be carried out at the end of the entire process, i. H. when the drop of liquid was in contact with all the desired spots.
  • the process is carried out appropriately, it is also possible, for example, to measure the fluorescence of the bound second macromolecules in situ.
  • optics with shallow depth of field or appropriately arranged waveguides and evanescent waves can be used, which only detect the interface between the liquid and the chip surface.
  • the liquid with the sample molecules is not applied to the entire surface of the microarray, but rather only to individual spots which are separated from one another. While in classic microarray experiments liquid volumes of about 10-100 ⁇ l are necessary to cover a total sample area of 1 cm 2 , the amount of liquid required can be reduced to a few nl with the method according to the invention if, for. B.
  • Spots with an extension of 100 microns can be used.
  • the small sample drop is gradually moved from spot to spot.
  • the diffusion length is not in the order of 1 cm, but only in the order of 100 ⁇ m.
  • a quick and efficient hybridization reaction then takes place at the spots themselves.
  • the concentration of the starting materials can be much higher even with the same amount of starting material, because instead of about 10-100 ⁇ l, for. B. only about 10 nl are needed.
  • the reaction equilibrium can thus be pushed to the side of the hybridized products, so that a much more precise measurement is possible even with little material to be examined.
  • the time that is waited before the liquid drop is removed again from a spot can be shortened by moving the liquid drop within itself by means of the impulse transmission of a surface sound wave, that is to say “stirring” it.
  • a surface sound wave of lower intensity is used for this. than that for transporting the liquid drop so that the liquid drop does not move away from the spot.
  • the method according to the invention allows a freely programmable path of the sample liquid over the surface.
  • an experimental strategy can be followed in order to first approach those spots for which a positive result is expected.
  • the reaction questions can be conditions can be selected differently. So z. B. the temperature can be set differently using resistance heaters.
  • the chip are heated homogeneously, since the spatial resolution is guaranteed by the limited expansion of the drop.
  • the nature of the liquid to be examined can be changed from one spot to the next. While in a spot z. B. the salt concentration in the liquid has a first value, it can be changed to a second value at a second spot by adding appropriate buffer solution.
  • the buffer solution can also be moved in the direction of the corresponding spot with the aid of the impulse transmission of a surface sound wave.
  • the solid surface z. B. is freed from the liquid in a separate washing step before examining whether and to what extent a reaction of the second macromolecules in the liquid with the first macromolecules of the spots has taken place.
  • the liquid drop is moved away from the corresponding spot with the aid of the surface sound wave, so that an investigation can be carried out immediately afterwards to determine whether bound second macromolecules have remained on the spot.
  • the evaluation can take place parallel to the hybridization. For example, a drop is moved from a fluorescence-labeled sample molecule type in the sample liquid to a first spot. After the typical hybridization time, the drop is moved to the next spot and the fluorescence measured in parallel at the first spot. At the second spot z. For example, to change the reaction conditions, change the temperature or add a small volume of buffer solution to ensure the stringency of the reaction.
  • the amount of second macromolecules bound to the respective spot is determined by the damping and / or change in speed of a surface sound wave determines the presence of the second macromolecules.
  • a surface sound wave is sent in the direction of the spot with the second macromolecules bound to the first macromolecule.
  • the mass on the surface which is formed by the hybridized second macromolecules, dampens the surface sound wave in its intensity or changes its speed.
  • a detector for the surface sound wave its intensity can be measured before and after the hybridization of the second macromolecules, and the number of bound second macromolecules can be deduced from the damping or change in speed determined thereby. If necessary, a calibration measurement can be carried out with known parameters.
  • At least one drop of liquid with second macromolecules is brought onto the surface of the solid body with the microarray, the amount of liquid in a drop being so small that essentially only one spot or a group of a few spots of the microarray at a time with the Drops of liquid come into contact.
  • the drop is moved back and forth with the help of the impulse transmission of two essentially opposite surface sound waves, which are sent alternately in the direction of the liquid drop.
  • the intensity of the surface sound waves is chosen so that the drop is not completely removed.
  • the liquid drop is moved with the aid of the impulse transmission of surface sound waves.
  • a surface acoustic wave is generated on the surface of the chip on which the microarray is located.
  • the momentum transfer is then achieved either by the mechanical deformation of the solid surface or by the force effect of the accompanying electric fields on charged or polarizable matter in the liquid.
  • the strength of the force acting on the liquid can be set in a wide range via the amplitude of the surface sound wave.
  • the surface sound wave can be generated in pulses with pulses of different lengths or continuously.
  • Surface acoustic waves can be on piezoelectric substrates or substrates with piezoelectric areas, e.g. B. piezoelectric coatings.
  • the movement with the help of the impulse transfer of surface sound waves is particularly precise.
  • the surface acoustic wave can be generated with the aid of at least one surface wave generating device.
  • An interdigital transducer known per se is advantageously used for this purpose.
  • such an interdigital transducer has two electrodes that interlock like fingers.
  • a high-frequency alternating field e.g. B. in the order of 10 to a few 100 MHz
  • a surface acoustic wave is excited in a piezoelectric substrate or in a piezoelectric region of the substrate, the Wavelength is the quotient of the surface sound velocity and the frequency.
  • the direction of propagation is perpendicular to the interdigitated finger electrode structures.
  • Interdigital transducers can also, e.g. B. can be controlled wirelessly by irradiation of an alternating electromagnetic field in an antenna device connected to the interdigital transducer.
  • interdigital transducers can be used in the desired arrangement, which are selectively controlled.
  • a laterally limited sound path of the surface sound wave is generated with the aid of so-called tapered interdigital transducers.
  • the finger spacing of the interdigitated finger electrodes changes along the transducer axis.
  • the resonance condition that the frequency is equal to the quotient of the surface sound velocity and the finger spacing is only met in a laterally spatially limited area.
  • an interdigital transducer can also be used as the surface sound wave detector.
  • the analysis method according to the invention can be carried out on a chip on which the probe molecules are directly bound.
  • the liquid drop with the macromolecules to be examined is moved on a preferred location area of the solid surface, the wetting properties of which differ from its surroundings in such a way that the liquid drop is preferably on it.
  • the probe molecules are then arranged on this preferred location area.
  • the area on the solid body on which the liquid is to move can be determined by defining such a preferred location area.
  • the liquid with the macromolecules to be examined is usually only in the preferred location area, without the need for channels or trenches which would otherwise restrict the movement of the liquid.
  • the surface tension of the liquid drop additionally means that the liquid cannot leave the preferred area of residence without the action of an external force.
  • the different wetting properties can e.g. B. can be realized by an appropriate coating either of the preferred lounge area or its surroundings.
  • hydrophilic or hydrophobic areas can be defined.
  • the preferred location is chosen so that it is more hydrophilic than the surrounding solid surface. This can be achieved either by a hydrophilic coating of the preferred area or by a hydrophobic environment.
  • a hydrophobic environment can e.g. B. can be realized by a silanized surface.
  • the solid surface surrounding the area of residence can also be selected to be hydrophilic, lipophobic or lipophilic in comparison to the surface of the preferred area of residence.
  • the wetting properties can also be modulated by microstructuring, as is the case with the so-called lotus effect, which is based on different roughness of the surface and so causes different wetting properties.
  • Such roughness modulation can e.g. B. be obtained by microstructuring the corresponding surface areas, for. B. by chemical treatment or ion radiation.
  • the production of areas with different wetting properties is simple and inexpensive by using already known lithographic processes and / or coating technologies.
  • the geometry of the preferred lounge area can be adapted to the corresponding application.
  • the preferred location area can be meandered through the microarray, so that the individual positions of the microarray line up along the preferred location area.
  • a crosswise arrangement can be provided, in which the individual positions of the microarray are located in the intersection areas.
  • the method according to the invention is carried out on a preferred location area designed in this way, the requirements for the accuracy in the direction and lateral spread of the surface sound wave are lower, since the movement of the liquid drop is also determined by the shape of the location area.
  • correspondingly defined preferred lounge areas are provided only in the area of the individual spots, without being connected to one another.
  • the location areas then serve to localize the drop of liquid in the area of a spot or a group of fewer spots.
  • the stay areas defined in this way act like an “anchor", which makes it easier to locate the drop of liquid at a spot or at a group of fewer spots.
  • the inventive method can, for. B. can be used advantageously for the analysis of oligonucleotides.
  • it is particularly suitable for DNA screening, with the oligonucleotides to be examined e.g. B. consist of short strands of DNA (deoxyribonucleic acid strands).
  • the oligonucleotides to be examined e.g. B. consist of short strands of DNA (deoxyribonucleic acid strands).
  • different macromolecules with specific binding such as different proteins, different antigens or different antibodies can also be provided or analyzed in the microarray.
  • At least one drop of liquid with at least one type of macromolecule is applied to a solid surface, preferably the surface of a chip, the macromolecules having an active group which is activated in this way when a corresponding external parameter changes that it can bond with the surface of the solid or with macromolecules already bound to the surface.
  • the drop is moved to a desired location on the surface with the aid of the impulse transmission of one or more surface sound waves.
  • the external parameter is then changed homogeneously and not locally in such a way that binding of the macromolecules is made possible.
  • the liquid drop can then be moved several times to a different location of the chip with the aid of the surface sound waves and the parameter changed again in order to successively generate a microarray.
  • the lighting is chosen as an external parameter. Depending on the nature of the photoactive group, either its intensity or its frequency is changed in order to enable the photoactive macromolecules to bind to the surface or to macromolecules that have already been bound.
  • the drop of liquid is moved to the desired location using the surface sound wave and then the lighting is switched on or changed accordingly. Only where the liquid is located will the macromolecules bind to the surface. In this way, a spot of a microarray can be generated very precisely and locally.
  • the drop can also contain macromolecules that respond to changes in temperature. If the drop has been moved to the desired location with the aid of surface acoustic waves, the chip surface is heated in order to enable the reaction of the macromolecules with the surface or already bound macromolecules at this location. The temperature increase need not be local, since a spatial resolution is guaranteed by the limited extent of the drop.
  • interdigital transducers e.g. B. so-called tapered interdigital transducers can be used.
  • tapered interdigital transducers can be used.
  • the use of such interdigital transducers in the production method according to the invention offers the same advantages as in the analysis methods according to the invention.
  • the production method according to the invention can take place on the free surface of a solid-state chip.
  • the solid-state chip is provided with a preferred area of residence before use of the production method according to the invention, the wetting properties of which differ from its surroundings in such a way that the liquid with the macromolecules to be bound is preferably thereon.
  • the requirement for the accuracy of the surface sound wave radiation can be reduced, since the movement of the liquid is mainly limited to the preferred location area.
  • an analysis device manufactured with such a production method can be used advantageously to carry out an analysis method according to the invention, in which a preferred lounge area, as already described above, can also be used advantageously.
  • a preferred lounge area can be created as already described in the analysis methods according to the invention. Different geometries of the lounge area are possible.
  • several preferred location areas can also be used, which are arranged at those locations on the surface of the solid body where the spots of the microarray that are produced with the production method according to the invention are to be located. The preferred locations at these locations facilitate the localization of the liquid with the macromolecules to be bound to the spots. By irradiating a surface sound wave of sufficiently high intensity, the liquid drop with the macromolecules which are to form the spots of the microarray can nevertheless be moved from one preferred location area to the next.
  • the amount of macromolecules bound at one location is determined by measuring the attenuation and / or change in speed of at least one surface sound wave which is sent in the direction of the bound macromolecules.
  • a surface sound wave is sent in the direction of the spot or spots and after passing through the corresponding area of the surface, its intensity and / or the speed change is measured.
  • the attenuation or change in speed of the surface sound wave can be determined by the presence of the macromolecules. The amount of bound macromolecules can be deduced from this.
  • the number of macromolecules located there can thus be inferred for each individual spot of the microarray produced. If such a measured microarray for the analysis of macromolecules z. B. used according to the analysis method according to the invention, an accurate quantitative statement is possible. If necessary, a calibration measurement is also carried out.
  • a microarray can be produced in a precise and reproducible manner, which can be used particularly advantageously with the analysis method according to the invention.
  • the devices for generating the surface sound waves preferably the interdigital transducer, can first be used for the production of the microarray and then used to carry out analyzes. Any preferred stay area that may be present can also be advantageously used initially in the manufacture of the microarray and then used in the following analyzes.
  • a small amount of liquid is moved with the aid of surface acoustic waves in order to be able to react locally, either to build up a microarray from individual spots or to react the material in the liquid with individual spots of the microarray.
  • the use of the impulse transmission of surface sound waves enables a gentle and defined movement.
  • FIG. 1 shows an arrangement for carrying out the method according to the invention for analyzing macromolecules
  • FIG. 2 shows another arrangement for carrying out a method according to the invention for analyzing macromolecules
  • FIG. 3 shows a further arrangement for carrying out a method according to the invention for the analysis of macromolecules
  • Figure 4 shows a step in the manufacture of an analysis device according to the invention.
  • Figure 1 shows a device for performing the analysis method according to the invention. 1 identifies the surface of a solid-state chip, similar to how it z. B. is also used for applications in semiconductor technology.
  • the material of the substrate of this surface is piezoelectrically and advantageously coated with silicon dioxide.
  • a silicon dioxide coating guarantees a well-defined and well-known surface chemistry.
  • Interdigital transducers 5, 6, 7 and 8 are in a tapered version on the surface.
  • the interdigital transducers consist of electrodes 9 with finger-like extensions which engage in pairs.
  • other geometries of interdigital transducers are also conceivable, as are known from the technology of surface wave filters.
  • a surface sound wave is generated with a wavelength that corresponds to the finger spacing of the electrodes and whose direction of propagation is essentially perpendicular to the finger electrodes. Due to the tapered design, in which the distance between the fingers differs locally, a laterally limited surface sound wave can be generated.
  • the transducers each include a large number of interlocking fingers, only a few of which are shown schematically and not to scale.
  • the number and arrangement of the interdigital transducers is adapted to the desired circumstances.
  • a preferred lounge area 11 between the interdigital transducers. Its wetting properties differ from its surroundings in such a way that an aqueous solution is preferably located thereon.
  • an aqueous solution is preferably located thereon.
  • e.g. B. silanized the surroundings of the preferred lounge area.
  • Such a preferred lounge area improves the localization of aqueous solution, but is not necessarily provided for carrying out the method according to the invention.
  • Spots 16 made of macromolecules are arranged in the area of the preferred stay area 11. The individual spots 16 each comprise macromolecules, which for each spot 16 z. B. are different.
  • the analysis method according to the invention is carried out as follows.
  • a drop of liquid 3 with macromolecules to be examined is z. B. brought into the area of the spots 16 with the aid of a pipetting robot, as can be seen in FIG. 1.
  • the liquid drop is of the order of a few nl to ⁇ l.
  • a spot has B. an expansion of 100 microns when a drop with a few nl is used.
  • a pulse is generated on the amount of liquid.
  • an electromagnetic alternating field of a few 10 to a few 100 MHz is applied to the corresponding interdigital transducer via the electrodes 9 and corresponding connecting electrodes, not shown.
  • a surface acoustic wave is generated which propagates essentially perpendicular to the fingers of the interdigital transducer. This is indicated by the arrow 14 in FIG. 1 as an example.
  • the surface sound wave transmits an impulse to the liquid quantity 3 and thus moves the liquid drop from one spot to another.
  • the liquid drop 3 can thus be brought to the place of a specific spot 16 in a defined manner.
  • the liquid drop 3 After a residence time, which corresponds approximately to the typical hybridization time of the macromolecules present in the liquid drop 3 with the macromolecules present on the spot, the liquid drop 3 is again removed from the spot with the aid of surface acoustic waves. It can be moved to another spot to enable a corresponding hybridization at the location there. After the desired spots 16 have come into contact with the liquid 3, it is analyzed at which spots a hybridization with the macromolecules present in the liquid has taken place. Are z. B. fluorescence-marked macromolecules in the liquid can be determined by a spatially resolved measurement of the fluorescence, at which spots a reaction has taken place. Is the type of macromolecule that is attached the individual spots 16, known, can be inferred in this way from the type of macromolecules in the liquid drop 3.
  • An in situ measurement can also be carried out.
  • the liquid drop 3 After the liquid drop 3 has been applied to the first spot, it is z. B. with the help of the surface sound wave 14 of the first interdigital transducer 7 moved a little away from the spot.
  • the opposite interdigital transducer 6 With the opposite interdigital transducer 6, a second surface acoustic wave is generated, which acts in alternation with the first surface acoustic wave 14 in the opposite direction on the drop 3.
  • the drop 3 moves backwards over the spot. Due to the temporal change of the two surface sound waves, the drop moves back and forth.
  • the drop 3 touches the spot, macromolecules from the liquid react with macromolecules at the spot.
  • the time course of the reaction can be determined and a statement can be made about the reaction kinetics.
  • the measurement of fluorescence or another detection parameter, such as. B. the electrical charge or the mass, is carried out in a known manner with appropriate measuring and evaluation devices and evaluation programs that are not of interest here.
  • the concentration of the macromolecules to be examined in the liquid drop can be higher, even if only a small amount of starting material is present on the macromolecules to be examined.
  • the concentration is comparable to that of conventional methods, the amount of sample can be much smaller since only nanoliter amounts are required.
  • FIG. 2 shows the geometry of another arrangement for carrying out the analysis method according to the invention.
  • the spots 16 are arranged here along a meandering area 17.
  • a drop of liquid which is located on this meandering location area 17 can be moved along the location area with the aid of the interdigital transducers, so that it touches all spots sequentially.
  • This arrangement of the location area lowers the requirements for the accuracy of the lateral resolution of a single interdigital transducer.
  • a surface sound wave 12 is generated with the aid of the interdigital transducer 8, so that a drop of liquid can be moved upward in the part of the area 17 on the left in the figure. For the sake of clarity, the liquid drop itself is not shown.
  • interdigital transducers Appropriate timing of the interdigital transducers also enables the use of interdigital transducers with an even finger spacing.
  • another interdigital transducer is used synchronously, which enables movement in the bent direction.
  • the evaluation is carried out in the same way as for an arrangement in FIG. 1.
  • the method according to the invention can also be carried out with an analysis device according to FIG. 3.
  • the lounge area 19 is cruciform. Even with such an arrangement, the requirements for the precision of the interdigital transducers are lower.
  • preferred areas of residence are provided only in the area of the individual spots, without being connected to one another. Such location areas serve to localize the drop of liquid in the area of the individual spots. By irradiating a surface sound wave of sufficient intensity, the liquid drop can nevertheless be moved from one area to the next. However, the requirements for the precision of the surface wave radiation are reduced, since the preferred areas of residence at the individual spots support the localization of the drop in their area.
  • the method according to the invention can also be carried out without the use of a preferred location area 11, 17, 19 if the control of the interdigital transducers is precise enough.
  • a number of different and individually controllable transducers can also be used, which always only cover a narrow area of the surface with a surface sound wave.
  • FIG. 4 shows a step in the production method for a microarray according to the invention.
  • a preferred residence area 11 is provided on the solid-state chip 1.
  • a drop of liquid 2 is z. B. applied with the aid of a pipetting robot.
  • the amount of liquid is e.g. B. in the order of 1 nl to a few ⁇ l.
  • the liquid drop contains macromolecules which are intended to serve as probe molecules and are to be bound at predetermined locations for this purpose.
  • the liquid drop is brought to a desired location with the aid of surface sound waves, which are generated with the interdigital transducers 5, 6, 7 and 8.
  • a surface wave 13 is shown as an example, which is generated with the interdigital transducer 7 in a manner which has already been described above for the analysis method according to the invention. is written.
  • the impulse transmission of the surface sound wave 13 to the liquid drop 2 moves it in the direction 15.
  • the sonication is stopped with the surface sound wave, so that the liquid drop 2 comes to rest.
  • an external parameter is changed, to which the material in the liquid drop 2 reacts.
  • the macromolecules contained in the liquid drop can be photoactive.
  • an illumination source of suitable wavelength and intensity is switched on, which is arranged above the chip 1 and illuminates the entire chip homogeneously.
  • the surface chemistry of the chip or the preferred location area 11 is selected such that the macromolecules are bound by the illumination of the photoactive group of the macromolecules to the surface. In this way, a spot is generated at a defined location on the surface, at which the macromolecules from the amount of liquid 2 bind. The amount of liquid 2 can then be moved on to generate another spot at another location.
  • a further amount of liquid can be applied in which there are other macromolecules which are to be bound at other locations on the chip, in order to produce a microarray in which different macromolecules are located at different spots.
  • Liquid drops with different macromolecules can also be moved successively over the same spot. In this way, different sequences can be attached to one another in order to generate desired probe molecules.
  • macromolecules which have an electroactive group which binds to the surface when an electric field is applied, so instead of lighting, a homogeneous electric field of suitable strength, orientation and polarity is created.
  • the entire process can also be parallelized to increase the process speed when manufacturing a microarray.
  • FIGS. 2 and 3 can also be generated in an analogous manner.
  • the location of the liquid droplets that are sent over the surface to form the microarray can be supported by the corresponding preferred location areas. It is thus also possible to provide an arrangement of preferred areas of residence on the surface of the solid body at which the spots are to be located according to the manufacturing process. Such localization areas, which are not connected to one another, support the localization of the liquid in the formation of the microarray, so that requirements for the precision of the movement induced by the surface sound waves are reduced.
  • the external parameter in the examples described the lighting or the electrical field, does not have to be generated locally, but can be homogeneous over the entire chip surface.
  • the spatially resolved binding is ensured by the fact that only a very small part of the surface is connected to the liquid drop 2 in which the macromolecules to be bound are located.

Abstract

The invention relates to a method for analysing macromolecules using a microarray, which consists of several spots in a known arrangement. Said spots comprise a plurality of first macromolecules that differ at least partially. The microarray is located on the surface of a solid body, preferably a chip. According to the method, at least one drop of liquid containing macromolecules is applied to the surface of the solid body, the quantity of liquid being so small that only one spot or a small group of spots of the microarray comes or come into contact with the drop of liquid. After a predetermined time has elapsed, the drop of liquid is displaced onto a subsequent spot or an additional small group of spots with the help of the transmission pulse of a surface sound wave. The spots that come into contact with the drop of liquid are then analysed to identify whether a reaction with the material of said drop has occurred. The invention also relates to a method for producing an analysis device for macromolecules. According to said method, at least one drop of liquid containing at least one type of macromolecule is applied to the surface of a solid body, preferably a chip, whereby the macromolecules have an active group that is activated during a modification of a corresponding external parameter, in order to allow bonding to the surface or to molecules that have already been bonded. The drop is displaced to a desired location on the surface with the help of the transmission pulse of one or more surface sound waves. The external parameter is modified in a homogeneous, non-local manner, permitting the bonding of the macromolecules to form the spot of a microarray, in which macromolecules from the drop of liquid are bonded to the surface. The invention also relates to an analysis device for carrying out the inventive analysis method.

Description

Verfahren zur Analyse von Makromolekülen, Analysevorrichtung und Verfahren zurMethod for analyzing macromolecules, analysis device and method for
Herstellung einer AnalysevorrichtungManufacture of an analyzer
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Analyse von Makromolekülen mit Hilfe eines Microarrays und ein Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung für Makromoleküle.The invention relates to methods for analyzing macromolecules with the aid of a microarray and a method for producing an analysis device for macromolecules.
Eine Methode zur schnellen Analyse von Makromolekülen umfaßt den Einsatz eines sogenannten Microarrays auf einem Chip, ähnlich wie er auch aus der Halbleiterindustrie bekannt ist. In einem solchen Microarray sind bekannte erste ggf. verschiedenartige Makromoleküle an verschiedenen Stellen in einer Matrixform angeordnet. Diese Makromoleküle werden auch als „Sondenmoleküle" bezeichnet. Eine Flüssigkeit mit Makromolekülen („Probenmoleküle") wird über das Microarray gespült, die mit mindestens einer Art von Sondenmolekülen auf dem Microarray eine spezifische Bindung eingeht (Hybridisierung). Wird dann die Flüssigkeit wieder von der Oberfläche entfernt, verbleiben vornehmlich nur an den Stellen der spezifischen Bindung die zu untersuchenden Probenmoleküle zurück. Mit Hilfe einer ortsaufgelösten Messung, z. B. einer Fluoreszenzmessung, läßt sich feststellen, an welchen Stellen zu untersuchende Makromoleküle vorhanden sind. Aus der bekannten Lage der einzelnen Sondenmoleküle in der Matrixform des Microarrays kann also festgestellt werden, mit welcher Art von Makromolekülen die zu untersuchenden Makromoleküle eine spezifische Bindung eingegangen sind.One method for the rapid analysis of macromolecules involves the use of a so-called microarray on a chip, similar to that known from the semiconductor industry. In such a microarray, known first, possibly different, macromolecules are arranged at different locations in a matrix form. These macromolecules are also referred to as “probe molecules”. A liquid with macromolecules (“sample molecules”) is rinsed over the microarray, which forms a specific bond with at least one type of probe molecule on the microarray (hybridization). If the liquid is then removed from the surface again, the sample molecules to be examined remain only at the points of the specific binding. With the help of a spatially resolved measurement, e.g. B. a fluorescence measurement, it can be determined at which locations to be examined macromolecules are present. From the known position of the individual probe molecules in the matrix form of the microarray it can thus be determined with which type of macromolecules the macromolecules to be examined have entered into a specific bond.
Solche Mikroarrays werden z. B. zur Untersuchung von Makromolekülen wie Proteinen, Antigenen oder Antikörpern eingesetzt. Im speziellen werden Microarrays auch zur Untersuchung von DNA, z. B. beim DNA-Screening, eingesetzt.Such microarrays are e.g. B. used to study macromolecules such as proteins, antigens or antibodies. In particular, microarrays are also used to examine DNA, e.g. B. used in DNA screening.
Die Dauer eines entsprechenden Analyseexperimentes ist zu einem wesentlichen Teil durch die Diffusion der Probenmoleküle zu den Sondenmolekülen bestimmt und kann daher einige Zeit in Anspruch nehmen. Ist z. B. die Konzentration des zu untersuchenden Makromoleküles in der Flüssigkeit nur gering, so kann es sehr lange dauern, bis es seinen spezifischen Bindungspartner auf dem Array gefunden hat.The duration of a corresponding analysis experiment is largely determined by the diffusion of the sample molecules to the probe molecules and can therefore take some time. Is z. For example, if the concentration of the macromolecule to be examined in the liquid is only low, it can take a long time before it has found its specific binding partner on the array.
Ein weiteres Problem mit der Reaktion (Hybridisierung) zwischen den in der Probenflüssigkeit befindlichen Makromolekülen und der auf der Oberfläche befindlichen Sondenmolekülen liegt darin, daß die zu untersuchenden Makromoleküle in einem sehr weiten Mengenbereich in der Flüssigkeit vorliegen können, der bis hinunter zu einigen wenigen Molekülen reicht. Dennoch muß ausreichend Flüssigkeit vorhanden sein, um die gesamte Arrayoberfläche zu bedecken, so daß alle Sondenmoleküle auch erreicht werden können. So stellt sich ggf. eine sehr geringe Konzentration der Probenmoleküle in der Flüssigkeit ein. Eine derartig niedrige Konzentration bewirkt jedoch ein Reaktionsgleichgewicht, das nach dem Massenwirkungsgesetz für chemische Reaktionen sehr stark auf Seite der Edukte liegt. Probenmoleküle bleiben also in der Flüssigkeit gelöst, auch wenn ein passendes Sondenmolekül auf der Oberfläche noch frei wäre. Zur Überwindung dieses Problems müßte die Menge des Ausgangsmaterials, d. h. der Probenmoleküle in der Probenflüssigkeit, erhöht werden, was mangels einer ausreichenden Menge Aus- gangsmateriales oft nicht zu erreichen ist. Die eingesetzten Microarrays sind miniaturisierte Arrays, die im Falle z. B. von DNA-Microarrays einzelne Flächen (Spots) mit Sondenmolekülen jeweils mit einem Durchmesser von etwa 100 μm umfassen. Dabei werden viele verschiedene DNA-Sonden (Spots) z. B. in einem Schachbrettmuster auf die Oberfläche aufgebracht und gleichzeitig zu Hybridisierungsreaktionen benutzt. Die Dichten, die heute auf einem solchen Microarray erreicht werden können, betragen z. B. für DNA (Desoxyribonukleinsäure) bis zu ca. 250.000 verschiedene Arten von Molekülen pro cm2 (M. Schena (Hrsg.), „DNA Microarrays", Oxford University Press, 1999).Another problem with the reaction (hybridization) between the macromolecules in the sample liquid and the probe molecules on the surface is that the macromolecules to be investigated can be present in the liquid in a very wide range, which extends down to a few molecules , However, sufficient liquid must be available to cover the entire array surface so that all probe molecules can also be reached. This may result in a very low concentration of the sample molecules in the liquid. However, such a low concentration results in a reaction equilibrium which, according to the law of mass action for chemical reactions, is very much on the side of the starting materials. Sample molecules therefore remain dissolved in the liquid, even if a suitable probe molecule would still be free on the surface. In order to overcome this problem, the amount of the starting material, ie the sample molecules in the sample liquid, would have to be increased, which is often not possible due to a lack of a sufficient amount of starting material. The microarrays used are miniaturized arrays, which in the case of e.g. B. of DNA microarrays include individual areas (spots) with probe molecules each with a diameter of about 100 microns. There are many different DNA probes (spots) z. B. applied in a checkerboard pattern on the surface and simultaneously used for hybridization reactions. The densities that can be achieved on such a microarray today are, for. B. for DNA (deoxyribonucleic acid) up to about 250,000 different types of molecules per cm 2 (M. Schena (ed.), "DNA Microarrays", Oxford University Press, 1999).
In der Regel wird das Microarray nach der Hybridisierung nach einem speziellen Protokoll gewaschen und anschließend ortsaufgelöst die Fluoreszenz gemessen. Mit speziellen Techniken ist auch eine Messung des Fluoreszenzsignals in situ während der Hybridisierung möglich, um zusätzliche Informationen über die Reaktionskinetik zu gewinnen. Eine Möglichkeit besteht darin, mit einer Optik von so geringer Tiefenschärfe das Fluoreszenzsignal zu messen, daß nur der Bereich der Grenzfläche zwischen dem Flüssigkeitsfilm und der Chipoberfläche zum Signal beiträgt. Dort befinden sich die zweiten Makromoleküle hauptsächlich im bereits gebundenen Zustand. Das Fluoreszenzsignal zweiter Makromoleküle, die sich im darüberliegenden Flüssigkeitsfilm im ungebundenen Zustand aufhalten, wird mit einer solchen Optik nicht erfaßt. Ebenso kann mit entsprechend ausgestalteten Wellenleitern und evaneszenten Wellen, die seitlich auf den Grenzbereich zwischen Flüssigkeit und Oberfläche geleitet werden, die Fluoreszenz auf der Microarrayo- berfläche gebundenen Moleküle untersucht werden (G. L. Duveneck und A. P. A- bel, Review on Fluorescence-based Planar Waveguide Biosensors, Proc. SPIE, Vol. 3858 (1999) Seiten 59 ff.).As a rule, the microarray is washed after hybridization according to a special protocol and then the fluorescence is measured in a spatially resolved manner. Using special techniques, it is also possible to measure the fluorescence signal in situ during hybridization in order to obtain additional information about the reaction kinetics. One possibility is to measure the fluorescence signal with optics of such a shallow depth of field that only the area of the interface between the liquid film and the chip surface contributes to the signal. The second macromolecules are mainly in the already bound state there. The fluorescence signal of two macromolecules, which are in the unbound state in the liquid film above them, is not detected with such optics. Likewise, with appropriately designed waveguides and evanescent waves that are guided laterally to the interface between the liquid and the surface, the fluorescence on the molecules bound to the microarray surface can be examined (GL Duveneck and AP Abel, Review on Fluorescence-based Planar Waveguide Biosensors , Proc. SPIE, Vol. 3858 (1999) pages 59 ff.).
Die Sondenmoleküle werden heute meist durch eine Drucktechnik (Spotten) aufgebracht. Eine solche Drucktechnik wird z. B. von V.G. Cheung et al., Nature Gene- tics Supplement, Volume 21 , Januar 1999, Seiten 15ff. beschrieben. Eine Lösung mit dem gewünschten Sondenmolekül wird entweder kontaktlos oder kontaktierend auf die Chipoberfläche gebracht. Alternativ können die Sondenmoleküle auch z. B. photolithographisch Base für Base auf dem Chip synthetisiert werden. Sowohl beim Spotten als auch bei der photolithographischen Herstellung ist eine quantitative Aussage über die Zahl und Dichte der Sondenmoleküle auf einem Spot schwierig. Das bedeutet, daß z. B. bei einem Nachweis der hybridisierten Probenmoleküle z. B. durch Fluoreszenz nur begrenzt quantitative Rückschlüsse auf die Zahl der Probenmoleküle möglich sind. Die Vergleichbarkeit von Daten, die auf unterschiedlichen Microarrays mit nominell identischen Spots gewonnen wurden, ist erheblich eingeschränkt.Today, the probe molecules are mostly applied using a printing technique (spotting). Such a printing technique is used e.g. B. from VG Cheung et al., Nature Genetic Supplement, Volume 21, January 1999, pages 15ff. described. A solution with the desired probe molecule is brought onto the chip surface either in a contactless or contacting manner. Alternatively, the probe molecules can also be e.g. B. can be synthesized photolithographically base by base on the chip. Both at Spotting as well as in photolithographic production is difficult to make a quantitative statement about the number and density of the probe molecules on a spot. That means that e.g. B. when detecting the hybridized sample molecules z. B. only limited quantitative conclusions about the number of sample molecules are possible by fluorescence. The comparability of data obtained on different microarrays with nominally identical spots is considerably restricted.
Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung von Microarrays wird die Oberfläche eines Festkörperchips zunächst homogen funktionalisiert, so daß z. B. durch Einwirkung von Licht oder durch Einwirkung eines elektrischen Feldes die zuvor ebenfalls funktionalisierten Sondenmoleküle an der Oberfläche binden. Der Chip wird dazu homogen mit einer Lösung der Sondenmoleküle überschwemmt (z. B. in der Größenordnung einer Menge von 100 μl). Durch lokale Beleuchtung binden photoaktive Sondenmoleküle lokal an den gewünschten Stellen. Bei elektroaktiven Sondenmolekülen, die unter Einwirkung eines elektrischen Feldes an der Oberfläche binden, wird lokal ein elektrisches Feld erzeugt, das die Bindung auslöst. Die Ortsauflösung kommt bei diesen Verfahren also durch die Modulation des elektrischen Feldes bzw. die Lichtintensität zustande. Insbesondere bei Chips mit hoher Spotdichte stellt dies ein aufwendiges und teures Verfahren dar. Ist z. B. die Modulation des elektrischen Feldes notwendig, um eine ortsaufgelöste Bindung der Sondenmoleküle an der Oberfläche zu gewährleisten, muß in einer Schicht unterhalb der Chipoberfläche ein Feld von Kondensatoren angebracht sein, die den späteren Spots örtlich entsprechen. Ein solches Verfahren wird von M.J. Heller, A.H. Forster und E. Tu in Electrophoresis, 2000, 21 , Seiten 157ff. beschrieben.In a known method for producing microarrays, the surface of a solid state chip is first functionalized homogeneously, so that, for. B. by the action of light or by the action of an electric field bind the previously also functionalized probe molecules on the surface. For this purpose, the chip is homogeneously flooded with a solution of the probe molecules (e.g. in the order of magnitude of 100 μl). Local illumination binds photoactive probe molecules locally to the desired locations. In the case of electroactive probe molecules which bind to the surface under the action of an electrical field, an electrical field is generated locally which triggers the binding. With these methods, the spatial resolution therefore comes about through the modulation of the electric field or the light intensity. Especially with chips with a high spot density, this represents a complex and expensive process. B. the modulation of the electric field necessary to ensure a spatially resolved binding of the probe molecules to the surface, a field of capacitors must be attached in a layer below the chip surface, which correspond to the later spots locally. Such a procedure is used by M.J. Heller, A.H. Forster and E. Tu in Electrophoresis, 2000, 21, pages 157ff. described.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen eine genaue und reproduzierbare Analyse von Makromolekülen möglich ist, die auch bei begrenztem Probenmaterial einsetzbar ist. Die Herstellung entsprechender Analysevorrichtungen soll einfach und reproduzierbar möglich sein. Bezüglich des Verfahrens zur Analyse von Makromolekülen wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 oder ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst. Bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung einer Analysevorrichtung für Makromoleküle wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 15 gelöst. Bezüglich der Analysevorrichtung wird die Aufgabe mit einer Analysevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 25 gelöst. Unteransprüche sind jeweils auf bevorzugte Ausgestaltungen gerichtet.The object of the present invention is to provide methods and a device with which an accurate and reproducible analysis of macromolecules is possible, which can also be used with limited sample material. The production of corresponding analysis devices should be simple and reproducible. With regard to the method for analyzing macromolecules, the object is achieved by a method having the features of claim 1 or a method having the features of claim 6. With regard to a method for producing an analysis device for macromolecules, the object is achieved by a method having the features of claim 15. With regard to the analysis device, the object is achieved with an analysis device with the features of claim 25. Subclaims are each directed to preferred configurations.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Analyse von Makromolekülen mit Hilfe eines Microarrays, das aus mehreren Spots mit Sondenmolekülen in bekannter Anordnung besteht, wird ein Microarray auf einer Festkorperoberflache, vorzugsweise einem Chip, eingesetzt. Zumindest ein Flüssigkeitstropfen mit zu untersuchenden Makromolekülen wird auf die Festkorperoberflache gebracht, wobei die Flüssigkeitsmenge eines Tropfens so klein gewählt wird, daß sie im wesentlichen nur einen Spot oder eine Gruppe von einigen wenigen Spots des Microarrays zu einem Zeitpunkt berührt. Günstigerweise sollten dabei von einem Flüssigkeitstropfen nicht mehr als 10% aller Spots eines Microarrays berührt werden. Auf diese Weise können die Reaktionsbedingungen (z. B. Temperatur oder Salzkonzentration) in Abhängigkeit der berührten Spots optimiert werden. Je geringer die Anzahl der Spots ist, die von einem Flüssigkeitstropfen zu einem Zeitpunkt berührt werden, desto spezifischer ist die Einstellung von Reaktionsbedingungen in Abhängigkeit von den in einem Spot enthaltenen ersten Makromoleküle möglich. In bevorzugter Weise wird das Verfahren derart durchgeführt, daß nur ein Spot zu einem Zeitpunkt von einem Flüssigkeitstropfen berührt wird, so daß die Reaktionsbedingungen für jeden einzelnen Spot individuell eingestellt werden können.In a method according to the invention for the analysis of macromolecules with the aid of a microarray, which consists of several spots with probe molecules in a known arrangement, a microarray is used on a solid surface, preferably a chip. At least one drop of liquid with the macromolecules to be examined is placed on the surface of the solid, the amount of liquid in a drop being so small that it essentially touches only one spot or a group of a few spots of the microarray at a time. Conveniently, no more than 10% of all spots of a microarray should be touched by a liquid drop. In this way, the reaction conditions (e.g. temperature or salt concentration) can be optimized depending on the spots touched. The smaller the number of spots that are touched by a drop of liquid at a time, the more specifically it is possible to set reaction conditions depending on the first macromolecules contained in a spot. The process is preferably carried out in such a way that only one spot is touched by a drop of liquid at a time, so that the reaction conditions can be set individually for each individual spot.
Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit, die z. B. durch die typische Reaktionszeit der in der Flüssigkeit enthaltenen Makromoleküle mit den Makromolekülen, die als Sondenmoleküle auf einem Spot befindlich sind, bestimmt ist, wird mit Hilfe des Impulsübertrages einer Oberflächenschallwelle der Flüssigkeitstropfen zu einem nächsten Spot bewegt. Hier wird wieder eine vorbestimmte Zeit gewartet, bis die typische Reaktionszeit vergangen ist. Auf diese Weise können die gewünschten Spots oder alle Spots des verwendeten Microarrays mit der Flüssigkeit sequenziell in Berührung gebracht werden. Selbstverständlich kann dieser Prozeß auch paral- lelisiert werden, indem mehrere Tropfen gleichzeitig über verschiedene Spots bewegt werden.After a predetermined time, the z. B. is determined by the typical reaction time of the macromolecules contained in the liquid with the macromolecules, which are located as probe molecules on a spot, is moved to a next spot with the aid of the impulse transfer of a surface acoustic wave of the liquid drops. Here, a predetermined time is again waited until the typical reaction time has passed. In this way, the desired spots or all spots of the microarray used with the liquid can be sequenced be brought into contact. Of course, this process can also be parallelized by moving several drops simultaneously over different spots.
Im Anschluß können die mit dem Flüssigkeitstropfen in Berührung gekommenen Spots daraufhin untersucht werden, ob bzw. in welchem Umfang eine Reaktion mit den Makromolekülen in dem Flüssigkeitstropfen stattgefunden hat.The spots that have come into contact with the liquid drop can then be examined for whether or to what extent a reaction with the macromolecules in the liquid drop has taken place.
Dazu kann z. B. eine ortsaufgelöste Fluoreszenzmessung dienen, wenn die zu untersuchenden Makromoleküle fluoreszenzmarkiert sind. Andere Nachweismethoden, z. B. unter Verwendung radioaktiver Probenmoleküle, sind ebenfalls einsetzbar.For this, e.g. B. serve a spatially resolved fluorescence measurement if the macromolecules to be examined are fluorescence-labeled. Other detection methods, e.g. B. using radioactive sample molecules can also be used.
Die Untersuchung der mit dem Flüssigkeitstropfen in Berührung gekommenen Spots daraufhin, ob und/oder in welchem Maße eine spezifische Reaktion mit dem Material des Flüssigkeitstropfens stattgefunden hat, kann am Ende des gesamten Prozesses durchgeführt werden, d. h. wenn der Flüssigkeitstropfen mit allen gewünschten Spots in Berührung war.The examination of the spots that have come into contact with the liquid drop to determine whether and / or to what extent a specific reaction with the material of the liquid drop has taken place can be carried out at the end of the entire process, i. H. when the drop of liquid was in contact with all the desired spots.
Ebenso ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, die Untersuchung, ob zweite Makromoleküle mit einem Spot oder einer Gruppe weniger Spots reagiert haben, bereits durchzuführen, während die Flüssigkeit mit einem anderen Spot bzw. mit einer anderen Gruppe weniger Spots in Berührung ist, um dort ggf. zur Hybridisierung der zweiten Makromoleküle zu führen. Während die Flüssigkeit also mit dem zweiten Spot bzw. der zweiten Gruppe von Spots in Berührung ist, kann bereits der erste Spot bzw. die erste Gruppe von Spots ausgewertet werden.It is also possible with the method according to the invention to carry out the investigation as to whether second macromolecules have reacted with one spot or a group of fewer spots while the liquid is in contact with another spot or with another group of fewer spots in order to find there possibly lead to hybridization of the second macromolecules. So while the liquid is in contact with the second spot or the second group of spots, the first spot or the first group of spots can already be evaluated.
Schließlich ist es bei entsprechender Verfahrensführung auch möglich, z. b. die Fluoreszenz der gebundenen zweiten Makromoleküle in situ zu messen. Dazu kann z. B. eine Optik geringer Tiefenschärfe oder entsprechend angeordnete Wellenleiter und evaneszente Wellen eingesetzt werden, die nur die Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Chipoberfläche erfassen. Die Flüssigkeit mit den Probenmolekülen wird beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht auf die gesamte Fläche des Microarrays aufgebracht, sondern nur auf voneinander getrennte einzelne Spots. Während bei klassischen Microarrayexperimenten Flüssigkeitsvolumina von etwa 10-100 μl notwendig sind, um eine Gesamtprobenfläche von 1 cm2 zu bedecken, kann die notwendige Flüssigkeitsmenge mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf wenige nl reduziert werden, wenn z. B. Spots mit einer Ausdehnung von 100 μm eingesetzt werden. Der kleine Probentropfen wird schrittweise von Spot zu Spot bewegt. Die Diffusionslänge ist dabei nicht in der Größenordnung von 1 cm, sondern nur in der Größenordnung von 100 μm. An den Stellen der Spots selbst findet dann eine schnelle und effiziente Hybridisierungs- reaktion statt.Finally, if the process is carried out appropriately, it is also possible, for example, to measure the fluorescence of the bound second macromolecules in situ. For this, e.g. B. optics with shallow depth of field or appropriately arranged waveguides and evanescent waves can be used, which only detect the interface between the liquid and the chip surface. In the method according to the invention, the liquid with the sample molecules is not applied to the entire surface of the microarray, but rather only to individual spots which are separated from one another. While in classic microarray experiments liquid volumes of about 10-100 μl are necessary to cover a total sample area of 1 cm 2 , the amount of liquid required can be reduced to a few nl with the method according to the invention if, for. B. Spots with an extension of 100 microns can be used. The small sample drop is gradually moved from spot to spot. The diffusion length is not in the order of 1 cm, but only in the order of 100 μm. A quick and efficient hybridization reaction then takes place at the spots themselves.
Aufgrund der kleinen Probenflüssigkeitsmenge kann die Konzentration der Aus- gangsstoffe auch bei gleicher Menge an Ausgangsmaterial sehr viel höher sein, da statt ungefähr 10-100 μl z. B. nur noch etwa 10 nl benötigt werden. So läßt sich das Reaktionsgleichgewicht auf die Seite der hybridisierten Produkte schieben, so daß eine sehr viel genauere Messung auch mit wenig zu untersuchendem Material möglich ist.Due to the small amount of sample liquid, the concentration of the starting materials can be much higher even with the same amount of starting material, because instead of about 10-100 μl, for. B. only about 10 nl are needed. The reaction equilibrium can thus be pushed to the side of the hybridized products, so that a much more precise measurement is possible even with little material to be examined.
Gegebenenfalls kann die Zeit, die abgewartet wird, bevor der Flüssigkeitstropfen wieder von einem Spot entfernt wird, dadurch verkürzt werden, daß der Flüssigkeitstropfen mit Hilfe des Impulsübertrages einer Oberflächenschallwelle in sich bewegt, also „gerührt" wird. Dafür wird eine Oberflächenschallwelle geringerer Intensität eingesetzt, als die zum Transport des Flüssigkeitstropfens, so daß der Flüssigkeitstropfen sich nicht vom Spot weg bewegt.If necessary, the time that is waited before the liquid drop is removed again from a spot can be shortened by moving the liquid drop within itself by means of the impulse transmission of a surface sound wave, that is to say “stirring” it. A surface sound wave of lower intensity is used for this. than that for transporting the liquid drop so that the liquid drop does not move away from the spot.
Die erfindungsgemäße Methode erlaubt einen frei programmierbaren Weg der Probenflüssigkeit über die Oberfläche. Bei entsprechend angeordneten Spots aus unterschiedlichen Sondenmolekülen kann dabei eine Versuchsstrategie befolgt werden, um so zunächst jene Spots anzufahren, für die man eher ein positives Ergebnis erwartet. Individuell für unterschiedliche Spots können die Reaktionsbe- dingungen unterschiedlich gewählt werden. So kann z. B. die Temperatur mit Hilfe von Widerstandsheizungen unterschiedlich eingestellt werden. Dabei kann z. B. der Chip homogen geheizt werden, da die Ortsauflösung durch die begrenzte Ausdehnung des Tropfens gewährleistet wird.The method according to the invention allows a freely programmable path of the sample liquid over the surface. In the case of suitably arranged spots from different probe molecules, an experimental strategy can be followed in order to first approach those spots for which a positive result is expected. The reaction questions can be conditions can be selected differently. So z. B. the temperature can be set differently using resistance heaters. Here, for. B. the chip are heated homogeneously, since the spatial resolution is guaranteed by the limited expansion of the drop.
Ebenso kann z. B. die Beschaffenheit der zu untersuchenden Flüssigkeit von einem Spot zum nächsten verändert werden. Während bei einem Spot z. B. die Salzkonzentration in der Flüssigkeit einen ersten Wert hat, kann sie bei einem zweiten Spot durch Hinzufügen entsprechender Pufferlösung auf einen zweiten Wert geändert werden. Die Pufferlösung kann ebenfalls mit Hilfe des Impulsübertrages einer O- berflächenschallwelle in Richtung des entsprechenden Spots bewegt werden.Likewise, e.g. B. the nature of the liquid to be examined can be changed from one spot to the next. While in a spot z. B. the salt concentration in the liquid has a first value, it can be changed to a second value at a second spot by adding appropriate buffer solution. The buffer solution can also be moved in the direction of the corresponding spot with the aid of the impulse transmission of a surface sound wave.
Mit den erfindungsgemäßen Analyseverfahren ist es nicht mehr notwendig, daß die Festkorperoberflache z. B. in einem separaten Waschschritt von der Flüssigkeit befreit wird, bevor untersucht wird, ob und in welchem Maße eine Reaktion der zweiten Makromoleküle in der Flüssigkeit mit den ersten Makromolekülen der Spots stattgefunden hat. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Flüssigkeitstropfen mit Hilfe der Oberflächenschallwelle von dem entsprechenden Spot fortbewegt, so daß direkt im Anschluß eine Untersuchung erfolgen kann, ob gebundene zweite Makromoleküle an dem Spot zurückgeblieben sind.With the analysis method according to the invention, it is no longer necessary that the solid surface z. B. is freed from the liquid in a separate washing step before examining whether and to what extent a reaction of the second macromolecules in the liquid with the first macromolecules of the spots has taken place. In the method according to the invention, the liquid drop is moved away from the corresponding spot with the aid of the surface sound wave, so that an investigation can be carried out immediately afterwards to determine whether bound second macromolecules have remained on the spot.
Die Auswertung kann parallel zur Hybridisierung passieren. Zum Beispiel von einer fluoreszenzmarkierten Probenmolekülsorte in der Probenflüssigkeit wird ein Tropfen auf einen ersten Spot bewegt. Nach der typischen Hybridisierungszeit wird der Tropfen auf den nächsten Spot bewegt und parallel am ersten Spot ortsaufgelöst die Fluoreszenz gemessen. Am zweiten Spot kann z. B. zur Änderung der Reaktionsbedingungen die Temperatur geändert werden oder ein geringes Volumen Pufferlösung hinzugegeben werden, um die Stringenz der Reaktion zu gewährleisten.The evaluation can take place parallel to the hybridization. For example, a drop is moved from a fluorescence-labeled sample molecule type in the sample liquid to a first spot. After the typical hybridization time, the drop is moved to the next spot and the fluorescence measured in parallel at the first spot. At the second spot z. For example, to change the reaction conditions, change the temperature or add a small volume of buffer solution to ensure the stringency of the reaction.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Menge der am jeweiligen Spot gebundenen zweiten Makromoleküle aus der Dämpfung und/oder Geschwindigkeitsänderung einer Oberflächenschallwelle durch das Vorhandensein der zweiten Makromoleküle bestimmt. Eine Oberflächenschallwelle wird in Richtung des Spots mit den an den ersten Makromolekülen gebundenen zweiten Makromolekülen gesendet. Durch die Masse auf der Oberfläche, die durch die hybridisierten zweiten Makromoleküle gebildet wird, wird die Oberflächenschallwelle in ihrer Intensität gedämpft oder ihre Geschwindigkeit geändert. Mit einem Detektor für die Oberflächenschallwelle kann deren Intensität vor und nach der Hybridisierung der zweiten Makromoleküle gemessen werden und aus der dadurch bestimmten Dämpfung bzw. Geschwindigkeitsänderung auf die Anzahl der gebundenen zweiten Makromoleküle zurückgeschlossen werden. Gegebenenfalls kann eine Kalibrierungsmessung mit bekannten Parametern durchgeführt werden.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the amount of second macromolecules bound to the respective spot is determined by the damping and / or change in speed of a surface sound wave determines the presence of the second macromolecules. A surface sound wave is sent in the direction of the spot with the second macromolecules bound to the first macromolecule. The mass on the surface, which is formed by the hybridized second macromolecules, dampens the surface sound wave in its intensity or changes its speed. With a detector for the surface sound wave, its intensity can be measured before and after the hybridization of the second macromolecules, and the number of bound second macromolecules can be deduced from the damping or change in speed determined thereby. If necessary, a calibration measurement can be carried out with known parameters.
Bei einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest ein Flüssigkeitstropfen mit zweiten Makromolekülen auf die Festkorperoberflache mit dem Microarray gebracht, wobei die Flüssigkeitsmenge eines Tropfens so klein ist, daß im wesentlichen nur ein Spot oder eine Gruppe von wenigen Spots des Microarrays zu einem Zeitpunkt mit dem Flüssigkeitstropfen in Berührung kommt. Mit Hilfe des Impulsübertrages von zwei im wesentlichen gegeneinander gerichteten Oberflächenschallwellen, die im zeitlichen Wechsel in Richtung des Flüssigkeitstropfens geschickt werden, wird der Tropfen hin und her bewegt. Die Intensität der Oberflächenschallwellen wird dabei so gewählt, daß der Tropfen nicht vollständig entfernt wird.In another embodiment of the method according to the invention, at least one drop of liquid with second macromolecules is brought onto the surface of the solid body with the microarray, the amount of liquid in a drop being so small that essentially only one spot or a group of a few spots of the microarray at a time with the Drops of liquid come into contact. The drop is moved back and forth with the help of the impulse transmission of two essentially opposite surface sound waves, which are sent alternately in the direction of the liquid drop. The intensity of the surface sound waves is chosen so that the drop is not completely removed.
Während der Hin- und Herbewegung wird lokal an dem Spot untersucht, ob und in welchem Maße zweite Makromoleküle an den ersten Makromolekülen des Spots bzw. der Gruppe weniger Spots hybridisiert haben. Dazu wird z. B. wieder die Fluoreszenz von fluoreszenzmarkierten zweiten Makromolekülen untersucht. Durch die Hin- und Herbewegung des Tropfens kann die Zeitabhängigkeit der Reaktion bestimmt werden. So ist eine Aussage über die Reaktionsgeschwindigkeit bzw. die Reaktionskinetik möglich. Mit zunehmender Zeitdauer, d.h. zunehmend häufigerer Hin- und Herbewegung des Tropfens über den Spot des Microarrays, werden mehr zweite Makromoleküle gebunden, wodurch z. B. die Intensität der Fluoreszenz der gebundenen zweiten Makromoleküle an dem jeweiligen Spot erhöht wird. Wird die Fluoreszenz nur dann ausgemessen, wenn sich die Flüssigkeit nicht auf dem Spot bzw. der Guppe von Spots befindet, wird verhindert, daß auch die noch in der Flüssigkeit befindlichen ungebundenen zweiten Makromoleküle an der Fluoreszenzmessung teilnehmen und diese verfälschen würden.During the back-and-forth movement, it is examined locally at the spot whether and to what extent second macromolecules have hybridized fewer spots to the first macromolecules of the spot or group. For this, z. B. again examined the fluorescence of fluorescence-labeled second macromolecules. The time dependence of the reaction can be determined by the back and forth movement of the drop. A statement about the reaction rate or the reaction kinetics is possible. With increasing time, ie increasingly frequent back and forth movement of the drop over the spot of the microarray, more second macromolecules are bound. B. the intensity of the fluorescence of the bound second macromolecules at the respective spot is increased. Will the Fluorescence measured only when the liquid is not on the spot or the group of spots prevents the unbound second macromolecules still in the liquid from participating in the fluorescence measurement and falsifying it.
Selbstverständlich können die erfindungsgemäßen Verfahren kombiniert werden, um eine integrale Aussage über die Menge der hybridisierten Makromoleküle an einem Spot und über die Reaktionskinetik zu erhalten.Of course, the methods according to the invention can be combined in order to obtain an integral statement about the amount of hybridized macromolecules at a spot and about the reaction kinetics.
Bei den erfindungsgemäßen Analyseverfahren wird der Flüssigkeitstropfen mit Hilfe des Impulsübertrages von Oberflächenschallwellen bewegt. Auf der Oberfläche des Chips, auf dem sich das Microarray befindet, wird eine Oberflächenschallwelle erzeugt. Der Impulsübertrag wird dann entweder durch die mechanische Deformation der Festkorperoberflache oder durch die Kraftwirkung der sie begleitenden elektrischen Felder auf geladene oder polarisierbare Materie in der Flüssigkeit erzielt. Die Stärke der Kraftwirkung auf die Flüssigkeit kann in einem weiten Bereich über die Amplitude der Oberflächenschallwelle eingestellt werden. Die Oberflächenschallwelle kann pulsförmig mit Pulsen verschiedener Länge oder kontinuierlich erzeugt werden. Oberflächenschallwellen lassen sich auf piezoelektrischen Substraten oder Substraten mit piezoelektrischen Bereichen, z. B. piezoelektrischen Beschichtungen, erzeugen. Die Bewegung mit Hilfe des Impulsübertrages von Oberflächenschallwellen ist besonders präzise. Zudem sind keinerlei Kanäle oder andere Führungsmechanismen oder Pumpvorrichtungen, wie z. B. mikromechanische Pumpen, notwendig, um die Flüssigkeit auf der Oberfläche zu bewegen.In the analysis method according to the invention, the liquid drop is moved with the aid of the impulse transmission of surface sound waves. A surface acoustic wave is generated on the surface of the chip on which the microarray is located. The momentum transfer is then achieved either by the mechanical deformation of the solid surface or by the force effect of the accompanying electric fields on charged or polarizable matter in the liquid. The strength of the force acting on the liquid can be set in a wide range via the amplitude of the surface sound wave. The surface sound wave can be generated in pulses with pulses of different lengths or continuously. Surface acoustic waves can be on piezoelectric substrates or substrates with piezoelectric areas, e.g. B. piezoelectric coatings. The movement with the help of the impulse transfer of surface sound waves is particularly precise. In addition, no channels or other guide mechanisms or pumping devices, such as. B. micromechanical pumps, necessary to move the liquid on the surface.
Die Oberflächenschallwelle kann mit Hilfe mindestens einer Oberflächenwellener- zeugungseinrichtung generiert werden. Vorteilhafterweise wird dazu ein an sich bekannter Interdigitaltransducer eingesetzt. In einfachster Ausführung hat ein solcher Interdigitaltransducer zwei Elektroden, die fingerartig ineinander greifen. Durch Anlegen eines hochfrequenten Wechselfeldes, z. B. in der Größenordnung von 10 bis einigen 100 MHz, wird in einem piezoelektrischen Substrat bzw. in einem piezoelektrischen Bereich des Substates eine Oberflächenschallwelle angeregt, deren Wellenlänge sich als Quotient aus der Oberflächenschallgeschwindigkeit und der Frequenz ergibt. Die Ausbreitungsrichtung ist senkrecht zu den ineinander greifenden Fingerelektrodenstrukturen. Mit Hilfe eines solchen Interdigitaltransducers läßt sich auf sehr einfache Weise eine sehr definierte Oberflächenschallwelle erzeugen. Die Herstellung eines solchen Interdigitaltransducers ist mit bekannten lithographischen Verfahren und Beschichtungstechnologien kostengünstig und einfach. Interdigitaltransducer können zudem, z. B. durch Einstrahlung eines elektromagnetischen Wechselfeldes in eine mit dem Interdigitaltransducer verbundene Antenneneinrichtung, drahtlos angesteuert werden.The surface acoustic wave can be generated with the aid of at least one surface wave generating device. An interdigital transducer known per se is advantageously used for this purpose. In the simplest version, such an interdigital transducer has two electrodes that interlock like fingers. By applying a high-frequency alternating field, e.g. B. in the order of 10 to a few 100 MHz, a surface acoustic wave is excited in a piezoelectric substrate or in a piezoelectric region of the substrate, the Wavelength is the quotient of the surface sound velocity and the frequency. The direction of propagation is perpendicular to the interdigitated finger electrode structures. With the help of such an interdigital transducer, a very defined surface sound wave can be generated in a very simple manner. The production of such an interdigital transducer is inexpensive and simple using known lithographic processes and coating technologies. Interdigital transducers can also, e.g. B. can be controlled wirelessly by irradiation of an alternating electromagnetic field in an antenna device connected to the interdigital transducer.
Um bestimmte lokal begrenzte Bereiche einer Oberfläche mit der Oberflächenschallwelle zu überstreichen, können z. B. mehrere Interdigitaltransducer in der gewünschten Anordnung eingesetzt werden, die selektiv angesteuert werden.In order to sweep over certain localized areas of a surface with the surface acoustic wave, e.g. B. several interdigital transducers can be used in the desired arrangement, which are selectively controlled.
Bei einem besonders vorteilhaften Verfahren wird ein lateral begrenzter Schallpfad der Oberflächenschallwelle mit Hilfe sogenannter getaperter Interdigitaltransducer erzeugt. Bei einem solchen getaperten Interdigitaltransducer ändert sich der Fingerabstand der ineinander greifenden Fingerelektroden entlang der Transduce- rachse. Bei gegebener Frequenz wird die Resonanzbedingung, daß die Frequenz gleich dem Quotienten aus der Oberflächenschallgeschwindigkeit und dem Fingerabstand ist, nur in einem lateral räumlich begrenzten Bereich erfüllt. Mit einem solchen getaperten Transducer kann also ein ausgewählter Bereich der Oberfläche durch entsprechende Wahl der Frequenz gezielt mit einer Oberflächenschallwelle beschallt werden. Auf diese Weise lassen sich einzelne Spots oder einzelne Reihen von Spots auswählen.In a particularly advantageous method, a laterally limited sound path of the surface sound wave is generated with the aid of so-called tapered interdigital transducers. In such a tapered interdigital transducer, the finger spacing of the interdigitated finger electrodes changes along the transducer axis. For a given frequency, the resonance condition that the frequency is equal to the quotient of the surface sound velocity and the finger spacing is only met in a laterally spatially limited area. With a tapered transducer of this type, a selected area of the surface can thus be targeted with a surface sound wave by appropriate choice of the frequency. In this way, individual spots or individual rows of spots can be selected.
Soll gemäß oben beschriebener bevorzugter Ausgestaltung die Dämpfung einer Oberflächenschallwelle durch die Masse der hybridisierten zweiten Makromoleküle ausgewertet werden, kann als Oberflächenschallwellendetektor ebenfalls ein Interdigitaltransducer eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Analyseverfahren kann auf einem Chip durchgeführt werden, auf dem die Sondenmoleküle direkt gebunden sind. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Flüssigkeitstropfen mit den zu untersuchenden Makromolekülen auf einem bevorzugten Aufenthaltsbereich der Festkorperoberflache bewegt wird, dessen Benetzungseigenschaften sich derart von seiner Umgebung unterscheiden, daß sich der Flüssigkeitstropfen bevorzugt darauf aufhält. Die Sondenmoleküle sind dann auf diesem bevorzugten Aufenthaltsbereich angeordnet.If, according to the preferred embodiment described above, the attenuation of a surface sound wave by the mass of the hybridized second macromolecules is to be evaluated, an interdigital transducer can also be used as the surface sound wave detector. The analysis method according to the invention can be carried out on a chip on which the probe molecules are directly bound. However, it is particularly advantageous if the liquid drop with the macromolecules to be examined is moved on a preferred location area of the solid surface, the wetting properties of which differ from its surroundings in such a way that the liquid drop is preferably on it. The probe molecules are then arranged on this preferred location area.
Durch die Definition eines solchen bevorzugten Aufenthaltsbereiches kann die Fläche auf dem Festkörper, auf dem sich die Flüssigkeit bewegen soll, bestimmt werden. Die Flüssigkeit mit den zu untersuchenden Makromolekülen hält sich in der Regel nur auf dem bevorzugten Aufenthaltsbereich auf, ohne daß Kanäle oder Gräben notwendig sind, die die Bewegung der Flüssigkeit ansonsten einschränken würden. Die Oberflächenspannung des Flüssigkeitstropfens bewirkt zusätzlich, daß die Flüssigkeit den bevorzugten Aufenthaltsbereich ohne Einwirkung einer äußeren Kraft nicht verlassen kann.The area on the solid body on which the liquid is to move can be determined by defining such a preferred location area. The liquid with the macromolecules to be examined is usually only in the preferred location area, without the need for channels or trenches which would otherwise restrict the movement of the liquid. The surface tension of the liquid drop additionally means that the liquid cannot leave the preferred area of residence without the action of an external force.
Die unterschiedlichen Benetzungseigenschaften können z. B. durch eine entsprechende Beschichtung entweder des bevorzugten Aufenthaltsbereiches oder dessen Umgebung realisiert werden. Zum Beispiel können hydrophile oder hydrophobe Bereiche definiert werden. Sind die zu untersuchenden Makromoleküle z. B. in wäßriger Lösung enthalten, wird der bevorzugte Aufenthaltsbereich so gewählt, daß er hydrophiler ist als die umgebende Festkorperoberflache. Dies kann entweder durch eine hydrophile Beschichtung des bevorzugten Aufenthaltsbereiches oder durch eine hydrophobe Umgebung erreicht werden. Eine hydrophobe Umgebung kann z. B. durch eine silanisierte Oberfläche realisiert werden. Je nach den Benetzungseigenschaften der Flüssigkeit, in der die zu untersuchenden Makromoleküle enthalten sind, kann die den Aufenthaltsbereich umgebende Festkorperoberflache auch hydrophil, lipophob oder lipophil im Vergleich zur Oberfläche des bevorzugten Aufenthaltsbereiches gewählt werden. Die Benetzungseigenschaften können weiterhin durch Mikrostrukturierung moduliert werden, wie es beim sogenannten Lotuseffekt der Fall ist, der auf unterschiedlicher Rauhigkeit der Oberfläche beruht und so unterschiedliche Benetzungseigenschaften bewirkt. Eine solche Rauhigkeitsmodulation kann z. B. durch Mikrostrukturierung der entsprechenden Oberflächenbereiche erhalten werden, z. B. durch chemische Behandlung oder lonen- bestrahlung. Die Herstellung von Bereichen unterschiedlicher Benetzungseigenschaften ist dabei durch Verwendung bereits bekannter lithographischer Verfahren und/oder Beschichtungstechnologien einfach und kostengünstig.The different wetting properties can e.g. B. can be realized by an appropriate coating either of the preferred lounge area or its surroundings. For example, hydrophilic or hydrophobic areas can be defined. Are the macromolecules to be examined e.g. B. contained in aqueous solution, the preferred location is chosen so that it is more hydrophilic than the surrounding solid surface. This can be achieved either by a hydrophilic coating of the preferred area or by a hydrophobic environment. A hydrophobic environment can e.g. B. can be realized by a silanized surface. Depending on the wetting properties of the liquid in which the macromolecules to be examined are contained, the solid surface surrounding the area of residence can also be selected to be hydrophilic, lipophobic or lipophilic in comparison to the surface of the preferred area of residence. The wetting properties can also be modulated by microstructuring, as is the case with the so-called lotus effect, which is based on different roughness of the surface and so causes different wetting properties. Such roughness modulation can e.g. B. be obtained by microstructuring the corresponding surface areas, for. B. by chemical treatment or ion radiation. The production of areas with different wetting properties is simple and inexpensive by using already known lithographic processes and / or coating technologies.
Die Geometrie des bevorzugten Aufenthaltsbereiches kann an die entsprechende Anwendung angepaßt werden. Zum Beispiel kann der bevorzugte Aufenthaltsbereich mäanderförmig durch das Microarray geführt werden, so daß die einzelnen Positionen des Microarrays sich entlang des bevorzugten Aufenthaltsbereiches aufreihen. Ebenso kann eine kreuzweise Anordnung vorgesehen sein, bei der sich die einzelnen Positionen des Microarrays in den Kreuzungsbereichen befinden.The geometry of the preferred lounge area can be adapted to the corresponding application. For example, the preferred location area can be meandered through the microarray, so that the individual positions of the microarray line up along the preferred location area. Likewise, a crosswise arrangement can be provided, in which the individual positions of the microarray are located in the intersection areas.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren auf einem derartig ausgestalteten bevorzugten Aufenthaltsbereich durchgeführt, sind die Anforderungen an die Genauigkeit in der Richtung und lateralen Ausbreitung der Oberflächenschallwelle geringer, da die Bewegung des Flüssigkeitstropfens durch die Form des Aufenthaltsbereiches mit bestimmt wird.If the method according to the invention is carried out on a preferred location area designed in this way, the requirements for the accuracy in the direction and lateral spread of the surface sound wave are lower, since the movement of the liquid drop is also determined by the shape of the location area.
Bei einer anderen Ausgestaltung werden entsprechend definierte bevorzugte Aufenthaltsbereiche nur im Bereich der einzelnen Spots vorgesehen, ohne miteinander verbunden zu sein. Die Aufenthaltsbereiche dienen dann der Lokalisierung des Flüssigkeitstropfens im Bereich eines Spots bzw. einer Gruppe weniger Spots. Durch Einstrahlen einer Oberflächenschallwelle ausreichender Intensität kann die Flüssigkeit dennoch von einem Aufenthaltsbereich zum nächsten transportiert werden. Die so definierten Aufenthaltsbereiche wirken wie ein „Anker", der die Lokalisierung des Flüssigkeitstropfens an einem Spot oder an einer Gruppe weniger Spots erleichtert.In another embodiment, correspondingly defined preferred lounge areas are provided only in the area of the individual spots, without being connected to one another. The location areas then serve to localize the drop of liquid in the area of a spot or a group of fewer spots. By irradiating a surface sound wave of sufficient intensity, the liquid can still be transported from one area to the next. The stay areas defined in this way act like an "anchor", which makes it easier to locate the drop of liquid at a spot or at a group of fewer spots.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann z. B. vorteilhaft zur Analyse von Oligo- nukleotiden eingesetzt werden. Es eignet sich unter anderem besonders zum DNA-Screening, wobei die zu untersuchenden Oligonukleotide z. B. aus kurzen DNA-Strängen (Desoxyribonukleinsäuresträngen) bestehen. Ebenso können jedoch unterschiedliche Makromoleküle mit spezifischer Bindung wie unterschiedliche Proteine, unterschiedliche Antigene oder unterschiedliche Antikörper im Microarray vorgesehen bzw. analysiert werden.The inventive method can, for. B. can be used advantageously for the analysis of oligonucleotides. Among other things, it is particularly suitable for DNA screening, with the oligonucleotides to be examined e.g. B. consist of short strands of DNA (deoxyribonucleic acid strands). However, different macromolecules with specific binding such as different proteins, different antigens or different antibodies can also be provided or analyzed in the microarray.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung für Makromoleküle wird zumindest ein Flüssigkeitstropfen mit zumindest einer Art von Makromolekülen auf einer Festkorperoberflache, vorzugsweise der Oberfläche eines Chips, aufgebracht, wobei die Makromoleküle eine aktive Gruppe aufweisen, die bei Änderung eines entsprechenden äußeren Parameters derart aktiviert wird, daß sie eine Bindung mit der Festkorperoberflache oder bereits an der Oberfläche gebundenen Makromolekülen eingehen kann. Der Tropfen wird mit Hilfe des Impulsübertrages einer oder mehrerer Oberflächenschallwellen an einen gewünschten Ort auf der Oberfläche bewegt. Daraufhin wird der äußere Parameter homogen und nicht lokal derart verändert, daß eine Bindung der Makromoleküle ermöglicht wird. Der Flüssigkeitstropfen kann danach ggf. mehrfach an einen anderen Ort des Chips mit Hilfe der Oberflächenschallwellen bewegt und der Parameter wieder geändert werden, um so sukzessiv ein Microarray zu erzeugen. Selbstverständlich können diese Prozesse auch parallelisiert werden, indem mehrere Flüssigkeitstropfen gleichzeitig über die Festkorperoberflache bewegt werden und durch die Änderung des äußeren Parameters am gewünschten Ort eine Reaktion der in den Flüssigkeitstropfen enthaltenen Makromoleküle mit der Oberfläche ermöglicht wird. Mit den so an die Festkorperoberflache gebundenen Molekülen wird dann ein Microarray aus Sondenmolekülen gebildet.In a method according to the invention for producing an analysis device for macromolecules, at least one drop of liquid with at least one type of macromolecule is applied to a solid surface, preferably the surface of a chip, the macromolecules having an active group which is activated in this way when a corresponding external parameter changes that it can bond with the surface of the solid or with macromolecules already bound to the surface. The drop is moved to a desired location on the surface with the aid of the impulse transmission of one or more surface sound waves. The external parameter is then changed homogeneously and not locally in such a way that binding of the macromolecules is made possible. The liquid drop can then be moved several times to a different location of the chip with the aid of the surface sound waves and the parameter changed again in order to successively generate a microarray. Of course, these processes can also be parallelized by moving several liquid drops simultaneously over the surface of the solid and by changing the external parameter at the desired location to enable the macromolecules contained in the liquid drops to react with the surface. A microarray of probe molecules is then formed with the molecules bound to the surface of the solid.
Im Unterschied zu herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines Microarrays ist es nicht notwendig, daß der äußere Parameter nur lokal verändert wird. Dies stellt eine signifikante Vereinfachung des Verfahrens dar, da z. B. keine ortsaufgelöste Beleuchtung oder ortsaufgelöste elektrische Felder notwendig sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen der Chip mit der Flüssigkeit, die die zu bindenen Makromoleküle enthält, überschwemmt werden muß, ist außerdem der Materialverbrauch erheblich reduziert. Um den Chip homogen zu überschwemmen, werden typisch 10-100 μl benötigt, während man mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Nanoliter- (nl-) bzw. wenigen Mikroliter- (μl-) Mengen auskommen kann.In contrast to conventional methods for producing a microarray, it is not necessary for the external parameter to be changed only locally. This represents a significant simplification of the process, since e.g. B. no spatially resolved lighting or spatially resolved electrical fields are necessary. In contrast to conventional methods, in which the chip must be flooded with the liquid which contains the macromolecules to be bound, this is also the case Material consumption significantly reduced. In order to flood the chip homogeneously, typically 10-100 μl are required, while the method according to the invention can be used with nanoliter (nl) or a few microliter (μl) amounts.
Werden z. B. Makromoleküle mit einer photoaktiven Gruppe verwendet, wird als äußerer Parameter die Beleuchtung gewählt. Je nach Natur der photoaktiven Gruppe wird entweder deren Intensität oder deren Frequenz geändert, um eine Bindung der photoaktiven Makromoleküle mit der Oberfläche bzw. bereits gebundenen Makromolekülen zu ermöglichen. Der Flüssigkeitstropfen wird an die gewünschte Stelle mit Hilfe der Oberflächenschallwelle bewegt und dann die Beleuchtung eingeschaltet bzw. entsprechend verändert. Nur dort, wo sich die Flüssigkeit gerade befindet, werden die Makromoleküle mit der Oberfläche eine Bindung eingehen. So läßt sich sehr genau und lokal ein Spot eines Microarrays erzeugen.Are z. B. Macromolecules with a photoactive group, the lighting is chosen as an external parameter. Depending on the nature of the photoactive group, either its intensity or its frequency is changed in order to enable the photoactive macromolecules to bind to the surface or to macromolecules that have already been bound. The drop of liquid is moved to the desired location using the surface sound wave and then the lighting is switched on or changed accordingly. Only where the liquid is located will the macromolecules bind to the surface. In this way, a spot of a microarray can be generated very precisely and locally.
Werden z. B. Makromoleküle mit einer elektroaktiven Gruppe verwendet, dient als zu verändernder äußerer Parameter das elektrische Feld. Der Flüssigkeitstropfen wird mit Hilfe der Oberflächenschallwellen an die gewünschte Stelle auf dem Festkörperchip bewegt. Dann wird das elekrische Feld derart geändert, daß eine Reaktion der Makromoleküle in der Flüssigkeit mit der Oberfläche des Chips bzw. bereits gebundenen Makromolekülen stattfinden kann. Dabei ist es nicht notwendig, daß die Elektroden zur Anlegung des elektrischen Feldes eine lokale begrenzte Ausdehnung haben. Die gesamte Chipoberfläche kann als Elektrode dienen, da die Ortsauflösung der Reaktion durch die begrenzte Flüssigkeitsmenge gewährleistet ist.Are z. B. used macromolecules with an electroactive group, serves as an external parameter to be changed, the electric field. The drop of liquid is moved to the desired location on the solid-state chip with the aid of the surface sound waves. Then the electrical field is changed such that a reaction of the macromolecules in the liquid with the surface of the chip or already bound macromolecules can take place. It is not necessary for the electrodes for the application of the electrical field to have a locally limited extent. The entire chip surface can serve as an electrode, since the spatial resolution of the reaction is guaranteed by the limited amount of liquid.
Der Tropfen kann auch Makromoleküle enthalten, die auf Temperaturänderungen reagieren. Ist der Tropfen mit Hilfe von Oberflächenschallwellen an den gewünschten Ort bewegt worden, wird die Chipoberfläche erwärmt, um an diesem Ort die Reaktion der Makromoleküle mit der Oberfläche oder bereits gebundenen Makromolekülen zu ermöglichen. Die Temperaturerhöhung braucht nicht lokal zu sein, da eine Ortsauflösung durch das begrenzte Ausmaß des Tropfens gewährleistet wird.The drop can also contain macromolecules that respond to changes in temperature. If the drop has been moved to the desired location with the aid of surface acoustic waves, the chip surface is heated in order to enable the reaction of the macromolecules with the surface or already bound macromolecules at this location. The temperature increase need not be local, since a spatial resolution is guaranteed by the limited extent of the drop.
Die Verwendung von Oberflächenschallwellen zur Bewegung von Flüssigkeitstropfen bietet bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren die gleichen Vorteile wie bei den oben beschriebenen erfindungsgemäßen Analyseverfahren. Zur Erzeugung der Oberflächenschallwellen können ebenso wie bei den erfindungsgemäßen Analyseverfahren Interdigitaltransducer, z. B. sogenannte getaperte Interdigitaltransducer, eingesetzt werden. Der Einsatz derartiger Interdigitaltransducer bietet bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren die gleichen Vorteile wie bei den erfindungsgemäßen Analyseverfahren.The use of surface acoustic waves for the movement of liquid drops offers the same advantages in the production method according to the invention as in the analysis methods according to the invention described above. To generate the surface sound waves, as in the analysis method according to the invention, interdigital transducers, e.g. B. so-called tapered interdigital transducers can be used. The use of such interdigital transducers in the production method according to the invention offers the same advantages as in the analysis methods according to the invention.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann auf der freien Oberfläche eines Festkörperchips erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Festkörperchip vor Anwendung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens mit einem bevorzugten Aufenthaltsbereich versehen wird, dessen Benetzungseigenschaften sich von seiner Umgebung derart unterscheiden, daß sich die Flüssigkeit mit den zu bindenden Makromolekülen bevorzugt darauf aufhält. Ebenso wie bei den erfindungsgemäßen Analyseverfahren läßt sich so die Anforderung an die Genauigkeit der Oberflächenschallwelleneinstrahlung reduzieren, da die Bewegung der Flüssigkeit sich hauptsächlich auf den bevorzugten Aufenthaltsbereich beschränkt.The production method according to the invention can take place on the free surface of a solid-state chip. However, it is particularly advantageous if the solid-state chip is provided with a preferred area of residence before use of the production method according to the invention, the wetting properties of which differ from its surroundings in such a way that the liquid with the macromolecules to be bound is preferably thereon. As with the analysis methods according to the invention, the requirement for the accuracy of the surface sound wave radiation can be reduced, since the movement of the liquid is mainly limited to the preferred location area.
Zudem ist eine mit einem solchen Herstellungsverfahren hergestellte Analysevorrichtung vorteilhaft einsetzbar, um ein erfindungsgemäßes Analyseverfahren durchzuführen, bei dem ebenfalls ein bevorzugter Aufenthaltsbereich wie bereits oben beschrieben vorteilhaft zum Einsatz kommen kann.In addition, an analysis device manufactured with such a production method can be used advantageously to carry out an analysis method according to the invention, in which a preferred lounge area, as already described above, can also be used advantageously.
Ein bevorzugter Aufenthaltsbereich kann wie bereits bei den erfindungsgemäßen Analyseverfahren beschrieben hergestellt werden. Dabei sind verschiedene Geometrien des Aufenthaltsbereiches möglich. Ebenso wie bei den erfindungsgemäßen Analyseverfahren können auch mehrere bevorzugte Aufenthaltsbereiche eingesetzt werden, die an denjenigen Orten der Festkorperoberflache angeordnet sind, an denen sich die Spots des Microarrays befinden sollen, das mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellt wird. Die bevorzugten Aufenthaltsbereiche an diesen Orten erleichtern die Lokalisierung der Flüssigkeit mit den Makromolekülen, die an den Spots gebunden werden sollen. Durch Einstrahlen einer Oberflächenschallwelle ausreichend hoher Intensität kann dennoch der Flüssigkeitstropfen mit den Makromolekülen, die die Spots des Microarrays bilden sollen, von einem bevorzugten Aufenthaltsbereich zum nächsten bewegt werden.A preferred lounge area can be created as already described in the analysis methods according to the invention. Different geometries of the lounge area are possible. As with the analysis methods according to the invention, several preferred location areas can also be used, which are arranged at those locations on the surface of the solid body where the spots of the microarray that are produced with the production method according to the invention are to be located. The preferred locations at these locations facilitate the localization of the liquid with the macromolecules to be bound to the spots. By irradiating a surface sound wave of sufficiently high intensity, the liquid drop with the macromolecules which are to form the spots of the microarray can nevertheless be moved from one preferred location area to the next.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird die Menge der an einem Ort gebundenen Makromoleküle durch Vermessung der Dämpfung und/oder Geschwindigkeitsänderung von zumindest einer O- berflächenschallwelle bestimmt, die in Richtung der gebundenen Makromoleküle geschickt wird. Nachdem ein oder mehrere Spots des Microarrays mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind, wird eine Oberflächenschallwelle in Richtung des bzw. der Spots geschickt und nach Durchlaufen des entsprechenden Gebietes der Oberfläche in ihrer Intensität und/oder bzgl. der Geschwindigkeitsänderung vermessen. Durch Vergleich der Intensität und/oder Geschwindigkeit mit dem Wert, der vor dem Aufbringen der Makromoleküle im Microarray gemessen wurde, kann die Dämpfung bzw. Geschwindigkeitsänderung der Oberflächenschallwelle durch die Präsenz der Makromoleküle bestimmt werden. Daraus kann auf die Menge der gebundenen Makromoleküle zurückgeschlossen werden. So kann für jeden einzelnen Spot des hergestellten Microarrays auf die dort befindliche Anzahl der Makromoleküle geschlossen werden. Wird ein solchermaßen vermessenes Microarray zur Analyse von Makromolekülen z. B. gemäß dem erfindungsgemäßen Analyseverfahren eingesetzt, ist eine genaue quantitative Aussage möglich. Gegebenenfalls wird zusätzlich eine Kalibrierungsmessung vorgenommen.In a preferred embodiment of the production method according to the invention, the amount of macromolecules bound at one location is determined by measuring the attenuation and / or change in speed of at least one surface sound wave which is sent in the direction of the bound macromolecules. After one or more spots of the microarray have been produced using the method according to the invention, a surface sound wave is sent in the direction of the spot or spots and after passing through the corresponding area of the surface, its intensity and / or the speed change is measured. By comparing the intensity and / or speed with the value that was measured in the microarray before the macromolecules were applied, the attenuation or change in speed of the surface sound wave can be determined by the presence of the macromolecules. The amount of bound macromolecules can be deduced from this. The number of macromolecules located there can thus be inferred for each individual spot of the microarray produced. If such a measured microarray for the analysis of macromolecules z. B. used according to the analysis method according to the invention, an accurate quantitative statement is possible. If necessary, a calibration measurement is also carried out.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung läßt sich auf präzise und reproduzierbare Weise ein Microarray herstellen, das ins- besondere vorteilhaft mit den erfindungsgemäßen Analyseverfahren eingesetzt werden kann. Die Einrichtungen zur Erzeugung der Oberflächenschallwellen, vorzugsweise also der Interdigitaltransducer, können zunächst für die Herstellung des Microarrays eingesetzt und dann weiterbenutzt werden, um Analysen durchzuführen. Auch ein ggf. vorhandener bevorzugter Aufenthaltsbereich kann zunächst vorteilhaft bei der Herstellung des Microarrays ausgenutzt und dann bei folgenden Analysen verwendet werden.With the method according to the invention for producing an analysis device, a microarray can be produced in a precise and reproducible manner, which can be used particularly advantageously with the analysis method according to the invention. The devices for generating the surface sound waves, preferably the interdigital transducer, can first be used for the production of the microarray and then used to carry out analyzes. Any preferred stay area that may be present can also be advantageously used initially in the manufacture of the microarray and then used in the following analyzes.
Sowohl bei den erfindungsgemäßen Analyseverfahren als auch beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird eine kleine Flüssigkeitsmenge mit Hilfe von Oberflächenschallwellen bewegt, um lokal reagieren zu können, entweder zum Aufbau eines Microarrays aus einzelnen Spots oder zur Reaktion des in der Flüssigkeit befindlichen Materials mit einzelnen Spots des Microarrays. Der Einsatz des Impulsübertrages von Oberflächenschallwellen ermöglicht dabei jeweils eine schonende und definierte Bewegung.Both in the analysis method according to the invention and in the production method according to the invention, a small amount of liquid is moved with the aid of surface acoustic waves in order to be able to react locally, either to build up a microarray from individual spots or to react the material in the liquid with individual spots of the microarray. The use of the impulse transmission of surface sound waves enables a gentle and defined movement.
Anhand der anliegenden Figuren werden Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren im Detail erläutert. Die Figuren sind dabei nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und nur schematisch. Es zeigtRefinements of the method according to the invention are explained in detail with reference to the attached figures. The figures are not necessarily to scale and are only schematic. It shows
Figur 1 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Analyse von Makromolekülen,FIG. 1 shows an arrangement for carrying out the method according to the invention for analyzing macromolecules,
Figur 2 eine andere Anordnung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Analyse von Makromolekülen,FIG. 2 shows another arrangement for carrying out a method according to the invention for analyzing macromolecules,
Figur 3 eine weitere Anordnung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Analyse von Makromolekülen, und3 shows a further arrangement for carrying out a method according to the invention for the analysis of macromolecules, and
Figur 4 einen Schritt bei der erfindungsgemäßen Herstellung einer Analysevorrichtung. Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Analyseverfahrens. 1 kennzeichnet die Oberfläche eines Festkörperchips, ähnlich wie er z. B. auch für Anwendungen in der Halbleitertechnik verwendet wird. Das Material des Substrates dieser Oberfläche ist piezoelektrisch und vorteilhafterweise mit Siliziumdioxid beschichtet. Eine Siliziumdioxidbeschichtung garantiert eine wohl definierte und bekannte Oberflächenchemie.Figure 4 shows a step in the manufacture of an analysis device according to the invention. Figure 1 shows a device for performing the analysis method according to the invention. 1 identifies the surface of a solid-state chip, similar to how it z. B. is also used for applications in semiconductor technology. The material of the substrate of this surface is piezoelectrically and advantageously coated with silicon dioxide. A silicon dioxide coating guarantees a well-defined and well-known surface chemistry.
Auf der Oberfläche befinden sich Interdigitaltransducer 5, 6, 7 und 8 in getaperter Ausführung. Die Interdigitaltransducer bestehen aus Elektroden 9 mit fingerartigen Fortsätzen, die paarweise ineinander greifen. Alternativ sind auch andere Geometrien von Interdigitaltransducern denkbar, wie sie aus der Technologie der Oberflä- chenwellenfilter bekannt sind. Bei Anlegen eines Wechselfeldes an die Elektroden 9 eines Interdigitaltransducers wird eine Oberflächenschallwelle mit einer Wellenlänge erzeugt, die dem Fingerabstand der Elektroden entspricht und deren Ausbreitungsrichtung im wesentlichen senkrecht zu den Fingerelektroden ist. Durch die getaperte Ausführung, bei der der Abstand der Finger lokal unterschiedlich ist, ist eine lateral begrenzte Oberflächenschallwelle erzeugbar. Die Transducer umfassen jeweils eine große Anzahl von ineinander greifenden Fingern, von denen jeweils nur einige schematisch und nicht maßstabsgetreu dargestellt sind.Interdigital transducers 5, 6, 7 and 8 are in a tapered version on the surface. The interdigital transducers consist of electrodes 9 with finger-like extensions which engage in pairs. Alternatively, other geometries of interdigital transducers are also conceivable, as are known from the technology of surface wave filters. When an alternating field is applied to the electrodes 9 of an interdigital transducer, a surface sound wave is generated with a wavelength that corresponds to the finger spacing of the electrodes and whose direction of propagation is essentially perpendicular to the finger electrodes. Due to the tapered design, in which the distance between the fingers differs locally, a laterally limited surface sound wave can be generated. The transducers each include a large number of interlocking fingers, only a few of which are shown schematically and not to scale.
Die Anzahl und Anordnung der Interdigitaltransducer ist an die gewünschten Gegebenheiten angepaßt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Analyseverfahrens befindet sich zwischen den Interdigitaltransducern ein bevorzugter Aufenthaltsbereich 11. Dessen Benetzungseigenschaften unterscheiden sich derart von seiner Umgebung, daß sich eine wäßrige Lösung bevorzugt darauf aufhält. Dazu ist z. B. die Umgebung des bevorzugten Aufenthaltsbereiches silanisiert. Ein solcher bevorzugter Aufenthaltsbereich verbessert die Lokalisierung von wäßriger Lösung, ist jedoch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht notwendigerweise vorgesehen. Im Bereich des bevorzugten Aufenthaltsbereiches 11 sind Spots 16 aus Makromolekülen angeordnet. Die einzelnen Spots 16 umfassen jeweils Makromoleküle, die für jeden Spot 16 z. B. unterschiedlich sind. Mit einer solchen Anordnung wird das erfindungsgemäße Analyseverfahren wie folgt durchgeführt. Ein Flüssigkeitstropfen 3 mit zu untersuchenden Makromolekülen wird z. B. mit Hilfe eines Pipettierroboters in den Bereich der Spots 16 gebracht, wie es in Figur 1 sichtbar ist. Der Flüssigkeitstropfen ist in der Größenordnung von einigen wenigen nl bis μl. Ein Spot hat z. B. eine Ausdehnung von 100 μm, wenn ein Tropfen mit wenigen nl eingesetzt wird.The number and arrangement of the interdigital transducers is adapted to the desired circumstances. In the exemplary embodiment shown of a device for carrying out the analysis method according to the invention, there is a preferred lounge area 11 between the interdigital transducers. Its wetting properties differ from its surroundings in such a way that an aqueous solution is preferably located thereon. For this purpose, e.g. B. silanized the surroundings of the preferred lounge area. Such a preferred lounge area improves the localization of aqueous solution, but is not necessarily provided for carrying out the method according to the invention. Spots 16 made of macromolecules are arranged in the area of the preferred stay area 11. The individual spots 16 each comprise macromolecules, which for each spot 16 z. B. are different. With such an arrangement, the analysis method according to the invention is carried out as follows. A drop of liquid 3 with macromolecules to be examined is z. B. brought into the area of the spots 16 with the aid of a pipetting robot, as can be seen in FIG. 1. The liquid drop is of the order of a few nl to μl. A spot has B. an expansion of 100 microns when a drop with a few nl is used.
Mit Hilfe von Oberflächenschallwellen, die mit den Interdigitaltransducern 5, 6, 7 und 8 erzeugt werden, wird ein Impuls auf die Flüssigkeitsmenge erzeugt. Dazu wird an den entsprechenden Interdigitaltransducer über die Elektroden 9 und entsprechende nicht gezeigte Anschlußelektroden ein elektromagnetisches Wechselfeld einiger 10 bis einiger 100 MHz angelegt. Dort, wo der Fingerabstand derart ist, daß die Resonanzbedingung im wesentlichen erfüllt ist, wird eine Oberflächenschallwelle erzeugt, die sich im wesentlichen senkrecht zu den Fingern des Interdigitaltransducers ausbreitet. Beispielhaft ist dies in Figur 1 durch den Pfeil 14 angedeutet. Die Oberflächenschallwelle überträgt einen Impuls auf die Flüssigkeitsmenge 3 und bewegt so den Flüssigkeitstropfen von einem Spot zu einem anderen. Mit Hilfe der in Figur 1 gezeigten vier Interdigitaltransducer 5, 6, 7 und 8 läßt sich der Flüssigkeitstropfen 3 so definiert an die Stelle eines bestimmten Spots 16 bringen.With the help of surface sound waves, which are generated with the interdigital transducers 5, 6, 7 and 8, a pulse is generated on the amount of liquid. For this purpose, an electromagnetic alternating field of a few 10 to a few 100 MHz is applied to the corresponding interdigital transducer via the electrodes 9 and corresponding connecting electrodes, not shown. Where the finger spacing is such that the resonance condition is essentially fulfilled, a surface acoustic wave is generated which propagates essentially perpendicular to the fingers of the interdigital transducer. This is indicated by the arrow 14 in FIG. 1 as an example. The surface sound wave transmits an impulse to the liquid quantity 3 and thus moves the liquid drop from one spot to another. With the help of the four interdigital transducers 5, 6, 7 and 8 shown in FIG. 1, the liquid drop 3 can thus be brought to the place of a specific spot 16 in a defined manner.
Nach einer Verweildauer, die etwa der typischen Hybridisierungszeit der in dem Flüssigkeitstropfen 3 vorhandenen Makromoleküle mit den an dem Spot vorhandenen Makromolekülen entspricht, wird der Flüssigkeitstropfen 3 wiederum mit Hilfe von Oberflächenschallwellen von dem Spot entfernt. Er kann kann zu einem anderen Spot bewegt werden, um eine entsprechende Hybridisierung an dem dortigen Ort zu ermöglichen. Nachdem die gewünschten Spots 16 mit der Flüssigkeit 3 in Berührung gekommen sind, wird analysiert, an welchen Spots eine Hybridisierung mit den in der Flüssigkeit vorhandenen Makromolekülen stattgefunden hat. Befinden sich z. B. in der Flüssigkeit fluoreszenzmarkierte Makromoleküle, kann durch eine ortsaufgelöste Messung der Fluoreszenz festgestellt werden, an welchen Spots eine Reaktion stattgefunden hat. Ist die Art der Makromoleküle, die sich an den einzelnen Spots 16 befinden, bekannt, läßt sich auf diese Weise auf die Art der Makromoleküle in dem Flüssigkeitstropfen 3 zurückschließen.After a residence time, which corresponds approximately to the typical hybridization time of the macromolecules present in the liquid drop 3 with the macromolecules present on the spot, the liquid drop 3 is again removed from the spot with the aid of surface acoustic waves. It can be moved to another spot to enable a corresponding hybridization at the location there. After the desired spots 16 have come into contact with the liquid 3, it is analyzed at which spots a hybridization with the macromolecules present in the liquid has taken place. Are z. B. fluorescence-marked macromolecules in the liquid can be determined by a spatially resolved measurement of the fluorescence, at which spots a reaction has taken place. Is the type of macromolecule that is attached the individual spots 16, known, can be inferred in this way from the type of macromolecules in the liquid drop 3.
Es kann auch eine in situ-Messung durchgeführt werden. Nachdem der Flüssigkeitstropfen 3 auf den ersten Spot aufgebracht worden ist, wird er z. B. mit Hilfe der Oberflächenschallwelle 14 des ersten Interdigitaltransducers 7 ein wenig von dem Spot weg bewegt. Mit dem gegenüberliegenden Interdigitaltransducer 6 wird eine zweite Oberflächenschallwelle erzeugt, die im Wechsel mit der ersten Oberflächenschallwelle 14 in entgegengesetzter Richtung auf den Tropfen 3 wirkt. Daraufhin bewegt sich der Tropfen 3 rückwärts wiederum über den Spot hinweg. Durch den zeitlichen Wechsel der zwei Oberflächenschallwellen bewegt sich also der Tropfen hin und her. Bei jeder Berührung des Tropfens 3 mit dem Spot reagieren Makromoleküle aus der Flüssigkeit mit Makromolekülen am Spot. Durch Vermessen z. B. der Fluoreszenz zu denjenigen Zeitpunkten, an denen sich der Tropfen 3 gerade nicht an dem Spot befindet, kann so der zeitliche Verlauf der Reaktion bestimmt und eine Aussage über die Reaktionskinetik getroffen werden.An in situ measurement can also be carried out. After the liquid drop 3 has been applied to the first spot, it is z. B. with the help of the surface sound wave 14 of the first interdigital transducer 7 moved a little away from the spot. With the opposite interdigital transducer 6, a second surface acoustic wave is generated, which acts in alternation with the first surface acoustic wave 14 in the opposite direction on the drop 3. Then the drop 3 moves backwards over the spot. Due to the temporal change of the two surface sound waves, the drop moves back and forth. Each time the drop 3 touches the spot, macromolecules from the liquid react with macromolecules at the spot. By measuring z. B. the fluorescence at those times when the drop 3 is currently not at the spot, the time course of the reaction can be determined and a statement can be made about the reaction kinetics.
Die Messung der Fluoreszenz oder eines anderen Nachweisparameters, wie z. B. der elektrischen Ladung oder der Masse, erfolgt in bekannter Weise mit entsprechenden hier nicht näher interessierenden Meß- und Auswerteeinrichtungen und Auswerteprogrammen.The measurement of fluorescence or another detection parameter, such as. B. the electrical charge or the mass, is carried out in a known manner with appropriate measuring and evaluation devices and evaluation programs that are not of interest here.
Bei den beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ist nur eine sehr kleine Flüssigkeitsmenge 3 notwendig, so daß auch bei einer begrenzten Menge Material, das zu untersuchen ist, eine verläßliche und reproduzierbare Messung möglich ist. Es ist nicht notwendig, alle Spots 16 gleichzeitig mit der Flüssigkeit zu überschwemmen.In the described method according to the invention, only a very small amount of liquid 3 is necessary, so that a reliable and reproducible measurement is possible even with a limited amount of material to be examined. It is not necessary to flood all spots 16 with the liquid at the same time.
Da nur eine kleine Flüssigkeitsmenge notwendig ist, kann die Konzentration der zu untersuchenden Makromoleküle in dem Flüssigkeitstropfen höher sein, auch wenn nur wenig Ausgangsmaterial an zu untersuchenden Makromolekülen vorliegt. Andererseits kann bei mit herkömmlichen Verfahren vergleichbarer Konzentration die Probenmenge sehr viel geringer sein, da nur Nanolitermengen benötigt werden.Since only a small amount of liquid is necessary, the concentration of the macromolecules to be examined in the liquid drop can be higher, even if only a small amount of starting material is present on the macromolecules to be examined. On the other hand, if the concentration is comparable to that of conventional methods, the amount of sample can be much smaller since only nanoliter amounts are required.
Figur 2 zeigt die Geometrie einer anderen Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Analyseverfahrens. Die Spots 16 sind hier entlang eines mäanderförmigen Aufenthaltsbereiches 17 angeordnet. Ein Flüssigkeitstropfen, der sich auf diesem mäanderförmigen Aufenthaltsbereich 17 befindet, kann mit Hilfe der Interdigitaltransducer entlang des Aufenthaltsbereiches bewegt werden, so daß er alle Spots sequenziell berührt. Diese Anordnung des Aufenthaltsbereiches senkt die Anforderungen an die Genauigkeit der lateralen Auflösung eines einzelnen Interdigitaltransducers. Bei dem gezeigten Verfahrensschritt der Figur 2 wird eine Oberflächenschallwelle 12 mit Hilfe des Interdigitaltransducers 8 erzeugt, so daß ein Flüssigkeitstropfen im in der Figur linken Teil des Aufenthaltsbereiches 17 nach oben bewegt werden kann. Der Übersichtlichkeit halber ist der Flüssigkeitstropfen selbst nicht dargestellt.FIG. 2 shows the geometry of another arrangement for carrying out the analysis method according to the invention. The spots 16 are arranged here along a meandering area 17. A drop of liquid which is located on this meandering location area 17 can be moved along the location area with the aid of the interdigital transducers, so that it touches all spots sequentially. This arrangement of the location area lowers the requirements for the accuracy of the lateral resolution of a single interdigital transducer. In the process step shown in FIG. 2, a surface sound wave 12 is generated with the aid of the interdigital transducer 8, so that a drop of liquid can be moved upward in the part of the area 17 on the left in the figure. For the sake of clarity, the liquid drop itself is not shown.
Durch eine entsprechende zeitliche Ansteuerung an die Interdigitaltransducer ist auch der Einsatz von Interdigitaltransducern mit gleichmäßigem Fingerabstand möglich. Erreicht der Flüssigkeitstropfen eine Ecke des mäanderförmigen Aufenthaltsbereiches 17, wird zeitlich synchron ein anderer Interdigitaltransducer eingesetzt, der eine Bewegung in der abgeknickten Richtung ermöglicht.Appropriate timing of the interdigital transducers also enables the use of interdigital transducers with an even finger spacing. When the liquid drop reaches a corner of the meandering area 17, another interdigital transducer is used synchronously, which enables movement in the bent direction.
Die Auswertung erfolgt ebenso wie bei einer Anordnung der Figur 1.The evaluation is carried out in the same way as for an arrangement in FIG. 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch mit einer Analysevorrichtung gemäß der Figur 3 durchgeführt werden. Hier ist der Aufenthaltsbereich 19 kreuzförmig gestaltet. Auch bei einer solchen Anordnung sind die Anforderungen an die Präzision der Interdigitaltransducer niedriger.The method according to the invention can also be carried out with an analysis device according to FIG. 3. Here the lounge area 19 is cruciform. Even with such an arrangement, the requirements for the precision of the interdigital transducers are lower.
Selbstverständlich sind auch andere Geometrien der Aufenthaltsbereiche denkbar, die an die entsprechenden Gegebenheiten angepaßt sind. Die Figuren zeigen die Anordnung jeweils nur schematisch. Tatsächlich befindet sich eine sehr viel größere Anzahl von Spots auf einem Chip, so daß z. B. eine DNA-Screening-Analyse möglich ist.Of course, other geometries of the lounge areas are also conceivable, which are adapted to the corresponding circumstances. The figures show the Arrangement only schematically. In fact, there is a much larger number of spots on a chip, so that e.g. B. a DNA screening analysis is possible.
Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform sind bevorzugte Aufenthaltsbereiche nur im Bereich der einzelnen Spots vorgesehen, ohne miteinander verbunden zu sein. Solche Aufenthaltsbereiche dienen der Lokalisierung des Flüssigkeitstropfens im Bereich der einzelnen Spots. Durch Einstrahlen einer Oberflächenschallwelle ausreichender Intensität kann dennoch der Flüssigkeitstropfen von einem Aufenthaltsbereich zum nächsten bewegt werden. Die Anforderungen an die Präzision der O- berflächenwelleneinstrahlung sind jedoch verringert, da die bevorzugten Aufenthaltsbereiche an den einzelnen Spots die Lokalisierung des Tropfens in ihrem Bereich unterstützen.In an embodiment not shown, preferred areas of residence are provided only in the area of the individual spots, without being connected to one another. Such location areas serve to localize the drop of liquid in the area of the individual spots. By irradiating a surface sound wave of sufficient intensity, the liquid drop can nevertheless be moved from one area to the next. However, the requirements for the precision of the surface wave radiation are reduced, since the preferred areas of residence at the individual spots support the localization of the drop in their area.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch ohne Einsatz eines bevorzugten Aufenthaltsbereiches 11 , 17, 19 durchgeführt werden, wenn die Ansteuerung der Interdigitaltransducer präzise genug erfolgt. Anstelle getaperter Interdigitaltransducer kann auch eine Anzahl unterschiedlicher und individuell ansteuerbarer Transducer eingesetzt werden, die immer nur einen schmalen Bereich der Oberfläche mit einer Oberflächenschallwelle überstreichen.The method according to the invention can also be carried out without the use of a preferred location area 11, 17, 19 if the control of the interdigital transducers is precise enough. Instead of tapered interdigital transducers, a number of different and individually controllable transducers can also be used, which always only cover a narrow area of the surface with a surface sound wave.
Figur 4 zeigt einen Schritt bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für ein Microarray. Auf dem Festkörperchip 1 ist ein bevorzugter Aufenthaltsbereich 11 vorgesehen. Ein Flüssigkeitstropfen 2 wird auf den bevorzugten Aufenthaltsbereich 11 z. B. mit Hilfe eines Pipettierroboters aufgebracht. Die Flüssigkeitsmenge ist z. B. in der Größenordnung von 1 nl bis wenigen μl. Der Flüssigkeitstropfen enthält Makromoleküle, die als Sondenmoleküle dienen sollen und zu diesem Zweck an vorbestimmten Orten gebunden werden sollen. Der Flüssigkeitstropfen wird dazu mit Hilfe von Oberflächenschallwellen, die mit den Interdigitaltransducern 5, 6, 7 und 8 erzeugt werden, an einen gewünschten Ort gebracht. Beispielhaft ist eine Oberflächenwelle 13 gezeigt, die mit dem Interdigitaltransducer 7 in einer Weise erzeugt wird, die bereits oben für das erfindungsgemäße Analyseverfahren be- schrieben ist. Durch den Impulsübertrag der Oberflächenschallwelle 13 auf den Flüssigkeitstropfen 2 wird dieser in Richtung 15 bewegt. Ist der Flüssigkeitstropfen 2 an der gewünschten Stelle angekommen, wird die Beschallung mit der Oberflächenschallwelle gestoppt, so daß der Flüssigkeitstropfen 2 zur Ruhe kommt. Daraufhin wird ein äußerer Parameter geändert, auf den das Material in dem Flüssigkeitstropfen 2 reagiert. Zum Beispiel können die in dem Flüssigkeitstropfen enthaltenen Makromoleküle photoaktiv sein. In diesem Falle wird eine Beleuchtungsquelle geeigneter Wellenlänge und Intensität eingeschaltet, die oberhalb des Chips 1 angeordnet ist und den gesamten Chip homogen beleuchtet. Die Oberflächenchemie des Chips bzw. des bevorzugten Aufenthaltsbereiches 11 ist dabei so gewählt, daß durch die Beleuchtung der photoaktiven Gruppe der Makromoleküle eine Bindung der Makromoleküle mit der Oberfläche ermöglicht wird. Auf diese Weise wird an einem definierten Ort der Oberfläche ein Spot erzeugt, an dem sich die Makromoleküle aus der Flüssigkeitsmenge 2 binden. Die Flüssigkeitsmenge 2 kann im Anschluß weiterbewegt werden, um an einer anderen Stelle einen weiteren Spot zu erzeugen.FIG. 4 shows a step in the production method for a microarray according to the invention. A preferred residence area 11 is provided on the solid-state chip 1. A drop of liquid 2 is z. B. applied with the aid of a pipetting robot. The amount of liquid is e.g. B. in the order of 1 nl to a few μl. The liquid drop contains macromolecules which are intended to serve as probe molecules and are to be bound at predetermined locations for this purpose. For this purpose, the liquid drop is brought to a desired location with the aid of surface sound waves, which are generated with the interdigital transducers 5, 6, 7 and 8. A surface wave 13 is shown as an example, which is generated with the interdigital transducer 7 in a manner which has already been described above for the analysis method according to the invention. is written. The impulse transmission of the surface sound wave 13 to the liquid drop 2 moves it in the direction 15. When the liquid drop 2 has arrived at the desired location, the sonication is stopped with the surface sound wave, so that the liquid drop 2 comes to rest. Thereupon an external parameter is changed, to which the material in the liquid drop 2 reacts. For example, the macromolecules contained in the liquid drop can be photoactive. In this case, an illumination source of suitable wavelength and intensity is switched on, which is arranged above the chip 1 and illuminates the entire chip homogeneously. The surface chemistry of the chip or the preferred location area 11 is selected such that the macromolecules are bound by the illumination of the photoactive group of the macromolecules to the surface. In this way, a spot is generated at a defined location on the surface, at which the macromolecules from the amount of liquid 2 bind. The amount of liquid 2 can then be moved on to generate another spot at another location.
Im Anschluß kann z. B. eine weitere Flüssigkeitsmenge aufgebracht werden, in der sich andere Makromoleküle befinden, die an anderen Stellen des Chips gebunden werden sollen, um so ein Microarray zu erzeugen, in dem sich an unterschiedlichen Spots unterschiedliche Makromoleküle befinden.Following z. B. a further amount of liquid can be applied in which there are other macromolecules which are to be bound at other locations on the chip, in order to produce a microarray in which different macromolecules are located at different spots.
Es können auch Flüssigkeitstropfen mit unterschiedlichen Makromolekülen nacheinander über denselben Spot bewegt werden. Auf diese Weise können verschiedene Sequenzen aneinander gehängt werden, um gewünschte Sondenmoleküle zu erzeugen. Die Makromoleküle aus Flüssigkeitstropfen, die zu einem späteren Zeitpunkt über die Oberfläche bewegt werden, auf denen bereits Makromoleküle aus früher über die Oberfläche bewegten Flüssigkeitstropfen gebunden sind, hybridisieren ggf. mit den ersten Makromolekülen, um ggf. längere Makromoleküle zu bilden.Liquid drops with different macromolecules can also be moved successively over the same spot. In this way, different sequences can be attached to one another in order to generate desired probe molecules. The macromolecules from liquid drops that are later moved over the surface, on which macromolecules from liquid drops that have previously moved over the surface are already bound, hybridize with the first macromolecules to form longer macromolecules, if necessary.
Werden Makromoleküle eingesetzt, die eine elektroaktive Gruppe aufweisen, die bei Anlegen eines elektrischen Feldes eine Bindung mit der Oberfläche eingeht, so wird anstelle der Beleuchtung ein homogenes elektrisches Feld geeigneter Stärke, Orientierung und Polarität angelegt.If macromolecules are used which have an electroactive group which binds to the surface when an electric field is applied, so instead of lighting, a homogeneous electric field of suitable strength, orientation and polarity is created.
Der gesamte Prozeß kann auch parallelisiert werden, um die Prozeßgeschwindigkeit bei der Herstellung eines Microarrays zu erhöhen.The entire process can also be parallelized to increase the process speed when manufacturing a microarray.
In analoger Weise lassen sich auch die Anordnungen der Figur 2 und 3 erzeugen.The arrangements of FIGS. 2 and 3 can also be generated in an analogous manner.
Die Lokalisierung der Flüssigkeitstropfen, die zur Bildung des Microarrays über die Oberfläche geschickt werden, kann durch die entsprechenden bevorzugten Aufenthaltsbereiche unterstützt werden. So ist es auch möglich, eine Anordnung von bevorzugten Aufenthaltsbereichen auf der Festkorperoberflache vorzusehen, an denen sich die Spots nach dem Herstellungsverfahren befinden sollen. Durch solche Aufenthaltsbereiche, die nicht miteinander verbunden sind, wird die Lokalisierung der Flüssigkeit bei der Bildung des Microarrays unterstützt, so daß Anforderungen an die Präzision der durch die Oberflächenschallwellen induzierten Bewegung verringert sind.The location of the liquid droplets that are sent over the surface to form the microarray can be supported by the corresponding preferred location areas. It is thus also possible to provide an arrangement of preferred areas of residence on the surface of the solid body at which the spots are to be located according to the manufacturing process. Such localization areas, which are not connected to one another, support the localization of the liquid in the formation of the microarray, so that requirements for the precision of the movement induced by the surface sound waves are reduced.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Microarrays muß also der äußere Parameter, in den geschilderten Beispielen die Beleuchtung oder das elektrische Feld, nicht lokal erzeugt werden, sondern kann homogen über der ganzen Chipoberfläche sein. Die ortsaufgelöste Bindung wird dadurch gewährleistet, daß nur ein sehr kleiner Teil der Oberfläche mit dem Flüssigkeitstropfen 2 in Verbindung ist, in dem sich die zu bindenden Makromoleküle befinden. In the method according to the invention for producing a microarray, the external parameter, in the examples described the lighting or the electrical field, does not have to be generated locally, but can be homogeneous over the entire chip surface. The spatially resolved binding is ensured by the fact that only a very small part of the surface is connected to the liquid drop 2 in which the macromolecules to be bound are located.

Claims

Verfahren zur Analyse von Makromolekülen, Analysevorrichtung und Verfahren zurHerstellung einer AnalysevorrichtungPatentansprüche Method for analyzing macromolecules, analysis device and method for producing an analysis device
1. Verfahren zur Analyse von Makromolekülen mit Hilfe eines Microarrays, das aus mehreren Spots (16) in bekannter Anordnung besteht, die eine Vielzahl von ersten Makromolekülen umfassen, die für einen Spot untereinander im wesentlichen gleich sind, wobei sich das Microarray auf einer Festkorperoberflache (1), vorzugsweise eines Festkörperchips, befindet, bei dem1. A method for analyzing macromolecules with the aid of a microarray which consists of a plurality of spots (16) in a known arrangement which comprise a multiplicity of first macromolecules which are essentially identical to one another for a spot, the microarray being located on a solid surface ( 1), preferably a solid-state chip, in which
a) zumindest ein Flüssigkeitstropfen (3), der zweite Makromoleküle enthält, auf die Festkorperoberflache (1) gebracht wird, wobei die Flüssigkeitsmenge eines Tropfens (3) so klein ist, daß im wesentlichen nur ein Spot (16) oder eine Gruppe von wenigen Spots des Microarrays zu einem Zeitpunkt mit dem Flüssigkeitstropfen (1 ) in Berührung kommt,a) at least one liquid drop (3) containing second macromolecules is brought onto the solid surface (1), the amount of liquid of a drop (3) being so small that essentially only one spot (16) or a group of a few spots the microarray comes into contact with the liquid drop (1) at a time,
b) nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit der Flüssigkeitstropfen (3) mit Hilfe des Impulsübertrages zumindest einer Oberflächenschallwelle (12, 14) zu einem nächsten Spot (16) bzw. einer weiteren Gruppe weniger Spots bewegt wird,b) after a predetermined time of the liquid drops (3) with the aid of the pulse transmission of at least one surface sound wave (12, 14) is moved to a next spot (16) or another group of fewer spots,
c) Wiederholung der Schritte a) und b), bis die gewünschten Spots des Microarrays mit dem Flüssigkeitstropfen (3) in Berührung waren.c) repetition of steps a) and b) until the desired spots of the microarray were in contact with the liquid drop (3).
d) Untersuchung der mit dem Flüssigkeitstropfen (3) in Berührung gekommenen Spots daraufhin, ob und/oder in welchem Maße eine spezifische Reaktion mit dem Material des Flüssigkeitstropfens (3) stattgefunden hat.d) Examination of the spots that have come into contact with the liquid drop (3) to determine whether and / or to what extent a specific reaction with the material of the liquid drop (3) has taken place.
2. Verfahren zur Analyse von Makromolekülen nach Anspruch 1 , bei dem Schritt d) individuell nach der jeweiligen Durchführung des Schrittes a) oder nach der jeweiligen Durchführung des Schrittes b) durchgeführt wird.2. A method for analyzing macromolecules according to claim 1, in which step d) is carried out individually after the respective implementation of step a) or after the respective implementation of step b).
3. Verfahren zur Analyse von Makromolekülen nach Anspruch 1 , bei dem Schritt d) nach Schritt c) durchgeführt wird.3. A method for analyzing macromolecules according to claim 1, in which step d) is carried out after step c).
4. Verfahren zur Analyse von Makromolekülen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine Oberflächenschallwelle in Richtung eines oder mehrerer Spots (16) geschickt wird, und aus deren Dämpfung und/oder Geschwindigkeitsänderung auf die Menge der am jeweiligen Spot (16) gebundenen zweiten Makromoleküle geschlossen wird, nachdem der Flüssigkeitstropfen (3) entfernt worden ist.4. A method for analyzing macromolecules according to one of claims 1 to 3, in which a surface sound wave is sent in the direction of one or more spots (16), and from their damping and / or speed change to the amount of those bound to the respective spot (16) second macromolecule is closed after the liquid drop (3) has been removed.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem Schritt a) den folgenden Schritt a1 ) umfaßt:5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein step a) comprises the following step a1):
a1 ) Bewegung des Flüssigkeitstropfens mit Hilfe des Impulsübertrages von zumindest zwei im wesentlichen gegeneinander gerichteten Oberflächenschallwellen, die derart im Wechsel auf den Flüssigkeitstropfen (3) geschickt werden, daß der Tropfen hin und her bewegt wird, und währenddessen eine zeitabhängige Untersuchung des Spots oder der Grup- pe weniger Spots daraufhin durchgeführt wird, ob und/oder in welchem Maße eine spezifische Reaktion mit dem Material des Flüssigkeitstropfens (3) stattgefunden hat.a1) Movement of the liquid drop with the aid of the impulse transmission of at least two essentially opposing surface sound waves, which are alternately sent onto the liquid drop (3) in such a way that the drop is moved back and forth, and in the meantime a time-dependent examination of the spot or group - pe fewer spots is then carried out on whether and / or to what extent a specific reaction with the material of the liquid drop (3) has taken place.
6. Verfahren zur Analyse von Makromolekülen mit Hilfe eines Microarrays, das aus mehreren Spots (16) in bekannter Anordnung besteht, die eine Vielzahl von ersten Makromolekülen umfassen, die für einen Spot untereinander im wesentlichen gleich sind, wobei sich das Microarray auf einer Festkorperoberflache (1 ), vorzugsweise eines Festkörperchips, befindet, bei dem6. A method for analyzing macromolecules with the aid of a microarray which consists of a plurality of spots (16) in a known arrangement which comprise a multiplicity of first macromolecules which are essentially identical to one another for a spot, the microarray being located on a solid surface ( 1), preferably a solid-state chip, in which
a) zumindest ein Flüssigkeitstropfen (3), der zweite Makromoleküle enthält, auf die Festkorperoberflache (1) gebracht wird, wobei die Flüssigkeitsmenge eines Tropfens (3) so klein ist, daß im wesentlichen nur ein Spot (16) oder eine Gruppe von wenigen Spots des Microarrays zu einem Zeitpunkt mit dem Flüssigkeitstropfen (1 ) in Berührung kommt.a) at least one liquid drop (3) containing second macromolecules is brought onto the solid surface (1), the amount of liquid of a drop (3) being so small that essentially only one spot (16) or a group of a few spots of the microarray comes into contact with the liquid drop (1) at a time.
a1 ) der Flüssigkeitstropfen (3) mit Hilfe des Impulsübertrages von zumindest zwei im wesentlichen gegeneinander gerichteten Oberflächenschallwellen, die im Wechsel in Richtung des Flüssigkeitstropfens (3) geschickt werden, hin und her bewegt wird und währenddessen zeitabhängig untersucht wird, ob und/oder in welchem Maße eine spezifische Reaktion mit dem Material des Flüssigkeitstropfens (3) stattgefunden hat.a1) the liquid drop (3) is moved back and forth with the aid of the impulse transmission of at least two essentially opposite surface sound waves, which are alternately sent in the direction of the liquid drop (3) and during which time is examined whether and / or in which Measured a specific reaction with the material of the liquid drop (3) has taken place.
7. Verfahren zur Analyse von Makromolekülen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem nicht mehr als 10%, vorzugsweise im wesentlichen nur einer der Spots (16) des Microarrays zu einem Zeitpunkt mit dem Flüssigkeitstropfen (3) in Berührung kommen.7. A method for analyzing macromolecules according to one of claims 1 to 6, in which no more than 10%, preferably essentially only one of the spots (16) of the microarray come into contact with the liquid drop (3) at a time.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die zweiten Makromoleküle fluoreszierend sind und zur Untersuchung in Schritt d) bzw. Schritt a1 ) die Fluoreszenz ausgewertet wird. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the second macromolecules are fluorescent and the fluorescence is evaluated for examination in step d) or step a1).
9. Verfahren zur Analyse von Makromolekülen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Flüssigkeitstropfen (3) mit Hilfe der Oberflächenschallwelle (12, 14) auf einem bevorzugten Aufenthaltsbereich (11 , 17, 19) der Festkorperoberflache (1 ) bewegt wird, dessen Benetzungseigenschaften sich derart von seiner Umgebung unterscheiden, daß sich der Flüssigkeitstropfen (3) bevorzugt darauf aufhält.9. A method for analyzing macromolecules according to one of claims 1 to 8, in which the liquid drop (3) is moved by means of the surface acoustic wave (12, 14) on a preferred location area (11, 17, 19) of the solid surface (1), whose wetting properties differ from its surroundings in such a way that the liquid drop (3) is preferably on it.
10. Verfahren zur Analyse von Makromolekülen nach Anspruch 9, bei dem der bevorzugte Aufenthaltsbereich (17) mäanderförmig ist.10. A method for analyzing macromolecules according to claim 9, wherein the preferred location area (17) is meandering.
11. Verfahren zur Analyse von Makromolekülen nach Anspruch 9, bei dem der bevorzugte Aufenthaltsbereich (19) kreuzförmig ist.11. A method for analyzing macromolecules according to claim 9, wherein the preferred location area (19) is cruciform.
12. Verfahren zur Analyse von Makromolekülen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Flüssigkeitstropfen (3) mit Hilfe der Oberflächenschallwellen (12, 14) auf einer Festkorperoberflache (1 ) bewegt wird, die eine Anzahl von bevorzugten Aufenthaltsbereichen aufweist, deren Benetzungseigenschaften sich derart von ihrer Umgebung unterscheiden, daß sich der Flüssigkeitstropfen (3) bevorzugt darauf aufhält, und die an den Orten der Spots (16) angeordnet sind.12. A method for analyzing macromolecules according to one of claims 1 to 8, in which the liquid drop (3) is moved with the aid of the surface sound waves (12, 14) on a solid surface (1) which has a number of preferred areas where the wetting properties differ from their surroundings in such a way that the liquid drop (3) is preferably on it and which are arranged at the locations of the spots (16).
13. Verfahren zur Analyse von Makromolekülen nach einem der Ansprüche 1 bis13. A method for analyzing macromolecules according to one of claims 1 to
12, bei dem die Vielzahl erster Makromoleküle unterschiedliche Oligonukleoti- de und/oder unterschiedliche Proteine und/oder unterschiedliche Antigene und/oder unterschiedliche Antikörper umfaßt, deren Lage auf dem Microarray bekannt ist.12, in which the plurality of first macromolecules comprises different oligonucleotides and / or different proteins and / or different antigens and / or different antibodies, the position of which on the microarray is known.
14. Verfahren zur Analyse von Makromolekülen nach einem der Ansprüche 1 bis14. A method for analyzing macromolecules according to one of claims 1 to
13, bei dem die zumindest eine Oberflächenschallwelle (12, 14) mit zumindest einem, vorzugsweise getaperten, Interdigitaltransducer (5, 6, 7, 8) erzeugt wird. 13, in which the at least one surface sound wave (12, 14) is generated with at least one, preferably tapered, interdigital transducer (5, 6, 7, 8).
15. Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung für Makromoleküle, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem15. A method for producing an analysis device for macromolecules, in particular for carrying out the method according to one of claims 1 to 14, in which
a) zumindest ein Flüssigkeitstropfen (2) mit zumindest einer Art von Makromolekülen auf eine Festkorperoberflache (1 ), vorzugsweise eines Chips, aufgebracht wird, wobei die Makromoleküle eine aktive Gruppe aufweisen, die bei Änderung eines entsprechenden äußeren Parameters aktiviert wird, um eine Bindung an die Oberfläche (1) oder mit bereits an der Oberfläche gebundenen Molekülen zu ermöglichen,a) at least one liquid drop (2) with at least one type of macromolecule is applied to a solid surface (1), preferably a chip, the macromolecules having an active group which is activated when a corresponding external parameter changes in order to bind to it enable the surface (1) or with molecules already bound to the surface,
b) der Tropfen (2) mit Hilfe des Impulsübertrages einer oder mehrerer Oberflächenschallwellen (13) an einen gewünschten Ort auf der Oberfläche (1 ) bewegt wird,b) the drop (2) is moved to a desired location on the surface (1) with the aid of the impulse transmission of one or more surface sound waves (13),
c) der äußere Parameter in zumindest einem Bereich der Oberfläche homogen und nicht lokal derart geändert wird, daß eine Bindung der Makromoleküle ermöglicht wird.c) the external parameter in at least one area of the surface is changed homogeneously and not locally in such a way that binding of the macromolecules is made possible.
16. Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung nach Anspruch 15, bei dem die aktive Gruppe eine photoaktive Gruppe und der äußere Parameter die Beleuchtung, insbesondere deren Intensität oder Frequenz, umfassen.16. A method for producing an analysis device according to claim 15, wherein the active group comprises a photoactive group and the external parameter comprises the illumination, in particular its intensity or frequency.
17. Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung nach Anspruch 15, bei dem die aktive Gruppe eine elektroaktive Gruppe und der äußere Parameter ein elektrisches Feld umfassen.17. A method of manufacturing an analyzer according to claim 15, wherein the active group comprises an electroactive group and the external parameter comprises an electric field.
18. Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung nach Anspruch 15, bei dem Makromoleküle eingesetzt werden, deren aktive Gruppe bei Temperaturerhöhung reagiert, und der äußere Parameter die Temperatur der Oberfläche umfaßt. 18. A method for producing an analysis device according to claim 15, in which macromolecules are used, the active group of which reacts when the temperature rises, and the external parameter comprises the temperature of the surface.
19. Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem die Oberflächenschallwelle mit Hilfe zumindest eines, vorzugsweise getaperten, Interdigitaltransducers (5, 6, 7, 8) erzeugt wird.19. A method for producing an analysis device according to one of claims 15 to 18, in which the surface sound wave is generated with the aid of at least one, preferably tapered, interdigital transducer (5, 6, 7, 8).
20. Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei dem zur Bildung einer Anordnung aus einer Vielzahl von Spots (16), an denen Makromoleküle mit der Oberfläche (1 ) verbunden sind, der Flüssigkeitstropfen (2) mit Hilfe des Impulsübertrages von einer oder mehrerer Oberflächenschallwellen über die Festkorperoberflache (1 ) bewegt wird und der äußere Parameter immer dann zur Ermöglichung der Bindung mit der Oberfläche (1) geändert wird, wenn der Flüssigkeitstropfen (2) eine vorbestimmte Position erreicht hat.20. A method for producing an analysis device according to one of claims 15 to 19, in which to form an arrangement of a plurality of spots (16) on which macromolecules are connected to the surface (1), the liquid drop (2) with the aid of the Impulse transmission of one or more surface sound waves is moved over the solid surface (1) and the external parameter is changed to enable the bond to the surface (1) whenever the liquid drop (2) has reached a predetermined position.
21. Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei dem mehrere Flüssigkeitstropfen (2) an für sie vorbestimmte Positionen auf der Festkorperoberflache (1 ) mit Hilfe einer oder mehrerer Oberflächenschallwellen (13) bewegt werden und durch Änderung des äußeren Parameters zur Ermöglichung der Bindung der Makromoleküle in dem jeweiligen Flüssigkeitstropfen (2), eine Anordnung von Makromolekülen auf der Festkorperoberflache (1 ) erzeugt wird.21. A method for producing an analysis device according to one of claims 15 to 19, in which a plurality of liquid drops (2) are moved to predetermined positions for them on the solid surface (1) by means of one or more surface sound waves (13) and by changing the external parameter In order to enable the binding of the macromolecules in the respective liquid drop (2), an arrangement of macromolecules is generated on the surface of the solid (1).
22. Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21 , bei dem die Festkorperoberflache (1) zumindest einen bevorzugten Aufenthaltsbereich (11 ) umfaßt, dessen Benetzungseigenschaften sich derart von seiner Umgebung unterscheiden, daß sich der zumindest eine Flüssigkeitstropfen (2) bevorzugt darauf aufhält.22. A method for producing an analysis device according to any one of claims 15 to 21, wherein the solid surface (1) comprises at least one preferred area (11) whose wetting properties differ from its surroundings in such a way that the at least one liquid drop (2) is preferred on it.
23. Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, bei dem die Makromoleküle unterschiedliche Oligonukleotide und/oder unterschiedliche Proteine und/oder unterschiedliche Antigene und/oder unterschiedliche Antikörper umfassen. 23. A method for producing an analysis device according to one of claims 15 to 22, wherein the macromolecules comprise different oligonucleotides and / or different proteins and / or different antigens and / or different antibodies.
24. Verfahren zur Herstellung einer Analysevorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, bei dem nach Durchführung der Schritte a), b) und c) die Menge von an einem Ort gebundenen Makromolekülen durch Vermessung der Dämpfung und/oder Geschwindigkeitsänderung von zumindest einer Oberflächenschallwelle bestimmt wird, die in Richtung der gebundenen Makromoleküle geschickt wird, nachdem der Flüssigkeitstropfen (2) von dem Ort entfernt worden ist.24. A method for producing an analysis device according to any one of claims 15 to 23, in which, after carrying out steps a), b) and c), the amount of macromolecules bound at one location is determined by measuring the damping and / or speed change of at least one surface sound wave which is sent towards the bound macromolecules after the liquid drop (2) has been removed from the location.
25. Analysevorrichtung zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen mit25. Analysis device for manipulating small amounts of liquid with
- einer Vielzahl von separaten Aufenthaltsbereichen auf einer Oberfläche, wobei sich die Benetzungseigenschaften der Aufenthaltsbereiche derart von ihrer umgebenden Oberfläche unterscheiden, daß sich die Flüssigkeit bevorzugt darauf aufhält, unda multiplicity of separate areas of residence on a surface, the wetting properties of the areas of residence differing from their surrounding surface in such a way that the liquid preferably resides thereon, and
- mindestens einer Oberflächenwellenerzeugungseinrichtung zur Erzeugung einer Oberflächenschallwelle, wobei die Oberflächenschallwellenerzeu- gungseinrichtung bzw. die Oberflächenschallwellenerzeugungseinrichtun- gen in einer Anzahl und/oder Anordnung vorgesehen sind, daß für je zwei benachbarte Aufenthaltsbereiche eine Oberflächenschallwelle mit einer Impulskomponente in Richtung der Verbindungslinie zwischen den zwei Aufenthaltsbereichen erzeugt werden kann.- At least one surface wave generation device for generating a surface sound wave, the surface sound wave generation device or the surface sound wave generation devices being provided in a number and / or arrangement such that a surface sound wave with a pulse component in the direction of the connecting line between the two stay areas generates for every two adjacent location areas can be.
26. Analysevorrichtung nach Anspruch 25, bei der die Oberfläche die Oberfläche eines piezoelektrischen Festkörpersubstrates bzw. eines Substrates mit einer piezoelektrischen Beschichtung umfaßt.26. Analysis device according to claim 25, wherein the surface comprises the surface of a piezoelectric solid substrate or a substrate with a piezoelectric coating.
27. Analysevorrichtung nach einem der Ansprüche 25 oder 26, bei der die mindestens eine Oberflächenschallwellenerzeugungseinrichtung einen vorzugsweise getaperten Interdigitaltransducer umfaßt. 27. Analysis device according to one of claims 25 or 26, wherein the at least one surface sound wave generating device comprises a preferably tapered interdigital transducer.
28. Analysevorrichtung nach Anspruch 25 , bei der mehrere individuell ansteuerbare Interdigitaltransducer vorgesehen sind.28. Analysis device according to claim 25, in which a plurality of individually controllable interdigital transducers are provided.
29. Analysevorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, bei der die die Aufenthaltsbereiche umgebende Oberfläche im Vergleich zu den Aufenthaltsbereichen hydrophob ist.29. Analysis device according to one of claims 25 to 28, in which the surface surrounding the occupied areas is hydrophobic in comparison to the occupied areas.
30. Analysevorrichtung nach Anspruch 29, bei der die die Aufenthaltsbereiche umgebende Oberfläche silanisiert ist.30. Analysis device according to claim 29, wherein the surface surrounding the occupied areas is silanized.
31. Analysevorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 30, bei der die Oberfläche mit Siliziumdioxid beschichtet ist. 31. Analysis device according to one of claims 25 to 30, wherein the surface is coated with silicon dioxide.
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