DE60023862T2 - MICROMASSETTE DEVICE FOR CHEMICAL ANALYSIS - Google Patents
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Abstract
Description
Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Detektieren der Anwesenheit einer Zielspezies in einer wässrigen Probe und auch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration und Reaktionskinetik von Zielspezies. Die Erfindung ist auf die Überwachung (das Monitoring) vieler verschiedener molekularer Wechselwirkungen anwendbar, insbesondere auf molekulare Erkennung zwischen einem immobilisierten Affinitätspartner und einer Spezies in Lösung, wie Immunoglobulin/Antigen-Wechselwirkung, DNA-Hybridisierung, Haptamer-Protein-Wechselwirkung, Arzneimittel- und Virusdetektion und Hochdurchsatz-Screening synthetischer Moleküle.These The invention relates to a device for detecting presence a target species in an aqueous Sample and also a device for determining the concentration and reaction kinetics of target species. The invention is to the monitoring (monitoring) of many different molecular interactions applicable, in particular to molecular recognition between a immobilized affinity partner and a species in solution, like Immunoglobulin / antigen interaction, DNA hybridization, haptamer-protein interaction, Drug and virus detection and high throughput synthetic screening Molecules.
Da viele Affinitätskomplexbildungen zwischen zwei Reaktionspartnern diffusionskontrolliert sind, hängt die zum Erreichen des Reaktionsgleichgewichts erforderliche Zeit direkt von dem Massentransport des Moleküls ab. Die Diffusionszeit eines Moleküls in einer Lösung ist proportional zu dem Quadrat der Weglänge; in der Regel braucht ein kleines Molekül weniger als eine Sekunde, um durch 10 μm hindurch zu diffundieren, während es zwei Stunden benötigt, um einen Millimeter zurückzulegen. Um die Gleichgewichtszeit der Reaktion herabzusetzen, müssen die chemischen Partner daher so nahe wie möglich beieinander aufgebracht werden; die Gleichgewichtszeit kann dramatisch herabgesetzt werden, indem die Reaktorgröße auf Mikrodimensionen reduziert wird, ein Partner auf der Oberfläche des Reaktors immobilisiert wird und der Reaktor mit dem zweiten Partner gefüllt wird.There many affinity complexations between two reactants are diffusion controlled, depends time required to reach the reaction equilibrium directly from the mass transport of the molecule. The diffusion time of a molecule in one solution is proportional to the square of the path length; usually needs one small molecule less than one second to diffuse through 10 μm, while it takes two hours to travel one millimeter. To reduce the equilibrium time of the reaction, the chemical partners therefore as close as possible applied to each other become; the equilibrium time can be dramatically reduced by the reactor size on microdimensions is reduced, a partner immobilized on the surface of the reactor and the reactor is filled with the second partner.
Die Verwendung von Mikroreaktoren erhöht nicht nur die Geschwindigkeit der Affinitätsassays, sondern erleichtert auch das Erhalten von Informationen, die Reaktionskinetiken betreffen, was zum Verständnis der thermodynamischen Stabilität von Komplexen wichtig ist. Die Affinitätskonstante Kd ist das Verhältnis zwischen den vorwärts und rückwärts gerichteten Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten k+ und k–, die für die Assoziationsbeziehungsweise Dissoziationskonstanten stehen. Eine starke Komplexbildung ist durch eine sehr rasche Assoziation und eine sehr langsame Dissoziation gekennzeichnet, die im speziellen Fall von Sorbensaffinitätsassays Adsorption und Desorption von der Oberfläche des Mikroreaktors sind. Das Verständnis dieser thermodynamischen Eigenschaften kann für die Studie der Kreuzreaktivität zwischen mehreren Antigenen oder der unspezifischen Adsorption eines Matrixelements während eines Affinitätsassays verwendet werden. Die Komplexbildung von Partnern mit höherer Affinität wird durch Modulieren der Inkubationszeit der Lösung begünstigt, und die unspezifische Adsorption wird dann auf ein Minimum reduziert. Diese Tatsache kann wegen der Minimierung des Hintergrundsignals bei der Abnahme der Detektionsgrenze in Immunosorbensassays ein wichtiger Faktor sein. Dieses Verfahren kann auch zur Überwachung der Adsorption von Antigenen mit unterschiedlichem Molekulargewicht verwendet werden.The use of microreactors not only increases the speed of the affinity assays, but also facilitates obtaining information related to reaction kinetics, which is important for understanding the thermodynamic stability of complexes. The affinity constant K d is the ratio between the forward and backward reaction rate constants k + and k - , which stand for the association and dissociation constants, respectively. Strong complex formation is characterized by a very rapid association and very slow dissociation, which in the specific case of sorbent affinity assays are adsorption and desorption from the surface of the microreactor. Understanding these thermodynamic properties can be used to study cross-reactivity between multiple antigens or nonspecific adsorption of a matrix element during an affinity assay. Complex formation of higher affinity partners is favored by modulating incubation time of the solution and nonspecific adsorption is then minimized. This fact may be an important factor because of the minimization of the background signal in decreasing the detection limit in immunosorbent assays. This method can also be used to monitor the adsorption of antigens of different molecular weight.
Da der Diffusionskoeffizient eines Moleküls proportional zu seiner Masse ist, unterscheidet sich die Diffusionszeit des Moleküls durch die Reaktionskammer für kleine und große Moleküle. Im Fall von Molekülen mit unterschiedlichem Molekulargewicht und demselben Epitop (z. B. Fibrinabbauprodukten) kann die Kd für alle Moleküle die gleiche sein, während der Diffusionskoeffizient für jedes von ihnen verschieden ist. Wenn ein kinetisches Experiment durchgeführt wird, erreichen die kleineren Moleküle die Antikörper quantitativ vor den größeren. Das Überwachen des aus der Affinitätsreaktion resultierenden Signals als Funktion der Zeit kann somit nützliche Informationen über die Kinetik liefern, was zum Verständnis des Abbauprozesses beitragen kann. Diese kinetischen Ereignisse können durch Modulieren der Verweilzeit von Molekülen in Kontakt mit ihren Reaktionspartnern verfolgt werden, was sich am leichtesten erreichen lässt, indem ein Antikörper auf den Wänden einer Reihe von Mikroreaktoren immobilisiert wird und unterschiedliche Lösungen des interessierenden Analyten für unterschiedliche Zeiträume inkubiert werden.Since the diffusion coefficient of a molecule is proportional to its mass, the diffusion time of the molecule through the reaction chamber differs for small and large molecules. In the case of molecules having different molecular weights and the same epitope (z. B. fibrin degradation products), the K d for all molecules to be the same, while the diffusion coefficient is different for each of them. When a kinetic experiment is performed, the smaller molecules quantitatively reach the antibodies before the larger ones. Monitoring the affinity response resulting signal as a function of time may thus provide useful information about the kinetics, which may aid in understanding the degradation process. These kinetic events can be tracked by modulating the residence time of molecules in contact with their reactants, which is most easily achieved by immobilizing an antibody on the walls of a series of microreactors and incubating different solutions of the analyte of interest for different periods of time.
In der Vergangenheit sind analytische Verfahren des oben beschriebenen Typs (wie enzymgebundene Immunosorbensassays – ELISAs) mit Mikrotiterplatten durchgeführt worden und waren relativ langsam. Es wurden in den vergangenen Jahren große Anstrengungen unternommen, die Größe von Analysevorrichtungen auf Mikrometermaßstab zu reduzieren, um die Reaktionszeiten zu verringern: Diese miniaturisierten Systeme sind als "Mikromaßstab-Vollanalysesysteme" (μ-TAS)1 bezeichnet worden, und sie sind bereits als zweckmäßiges Mittel zum Manipulieren und Analysieren kleiner Probemengen bekannt2–8. Die meisten μ-TAS-Vorrichtungen sind bislang durch Photolithographie, nasschemisches Ätzen oder Dünnfilmabscheidung auf Substraten wie Glas, Quarz und Silizium hergestellt worden9,10. Um die Produktionskosten herabzusetzen, sind Kunststoffsubstrate auch maschinell mikrobearbeitet worden, wobei entweder Gießen von Silikonkautschuk11–14, Spritzgießen15, Prägen16,17 oder Laserphotoablation18 verwendet wurden. Diese Strukturen sind planare Vorrichtungen mit Kanälen von Mikrometergröße, die oft durch thermisches oder anodisches Binden an eine Glasabdeckung versiegelt sind. Miteinander verbundene Kanäle lassen sich leicht fertigen, wodurch die rasche Trennung und Reaktionen in Volumina von wenigen Picolitern möglich werden. Andere Vorteile von μ-TAS sind die Verringerung von Proben- und Reagenzverbrauch und die höhere Genauigkeit und Reproduzierbarkeit, verglichen mit Vorrichtungen im Labormaßstab21,22.In the past, analytical methods of the type described above (such as enzyme-linked immunosorbent assays - ELISAs) have been performed with microtiter plates and have been relatively slow. Great efforts have been made in recent years to reduce the size of micrometer scale analyzers to reduce response times: these miniaturized systems have been termed "full-scale microanalysis systems" (μ-TAS) 1 , and they are already useful Means for manipulating and analyzing small sample quantities known 2-8 . Most μ-TAS devices have heretofore been made by photolithography, wet-chemical etching, or thin-film deposition on substrates such as glass, quartz, and silicon 9,10 . In order to reduce production costs, plastic substrates have also been machine-micromachined using either casting of silicone rubber 11-14 , injection molding 15 , stamping 16, 17, or laser photoablation 18 . These structures are planar devices with channels of micrometer size, often sealed by thermal or anodic bonding to a glass cover. Interconnected channels are easy to fabricate, allowing for rapid separation and reactions in volumes of a few picoliters. Other advantages of μ-TAS are the reduction in sample and reagent consumption, and the higher accuracy and reproducibility compared to laboratory-scale devices 21,22 .
Es sind auch kompetitive Immunoassays auf Mikrochips23–25 durchgeführt worden, die Mikrokanäle sind jedoch nur zum elektrophoretischen Trennen von freien und gebundenen Formen von Antigen oder Antikörper verwendet worden. In diesen Assays werden Antikörper und markiertes Antigen in spezifischen Mengen zu der zu analysierenden Probe gegeben. Die Probe wird dann mit einer Mischung der markierten und nativen Antigene inkubiert, die um eine begrenzte Anzahl von Antikörperbindungsstellen konkurrieren. Der Mikrokanal wird dann zum Trennen des freien markierten Antigens von dem Komplex durch Kapillarelektrophorese verwendet, und die Quantifizierung wird durch Lumineszenz (Fluoreszenz oder Chemilumineszenz) am Ende des Trennkanals durchgeführt. Die gemessene Menge an freiem markiertem Antigen wird dann unter Verwendung einer zuvor bestimmten Kalibrierungskurve mit der Analytkonzentration in der Probe in Beziehung gesetzt. Es ist bei diesem Assaytyp wesentlich, die Adsorption eines Reaktionspartners auf den Mikrokanalwänden zu vermeiden.Competitive immunoassays have also been performed on microchips 23-25 , but the microchannels have been used only to electrophoretically separate free and bound forms of antigen or antibody. In these assays, antibody and labeled antigen are added in specific amounts to the sample to be analyzed. The sample is then incubated with a mixture of the labeled and native antigens that compete for a limited number of antibody binding sites. The microchannel is then used to separate the free labeled antigen from the complex by capillary electrophoresis, and the quantification is performed by luminescence (fluorescence or chemiluminescence) at the end of the separation channel. The measured amount of free labeled antigen is then related to the analyte concentration in the sample using a previously determined calibration curve. It is essential in this type of assay to avoid adsorption of a reactant on the microchannel walls.
Für die Simultananalyse mehrerer Proben ist ein weiterer Typ von Immunoassayvorrichtung entwickelt worden26. In diesem Fall wurden biotinmarkierte Antikörper im Muster auf einen avidinbeschichteten Wellenleiter aufgebracht, um so eine Gruppierung von sechs vertikal orientierten Streifen mit festgelegten Antikörpern zu bilden, die auf der Wellenleiteroberfläche durch Avitin-Biotin-Brücken immobilisiert waren. Die Proben wurden danach mit einem Sandwich-Immunoassayformat analysiert, indem eine weitere Gruppierung von sechs horizontal orientierten Linien, die das entsprechende fluoreszenzmarkierte Antigen in verschiedenen Konzentrationen enthielten, im Muster darüber gelegt wurde. Fluoreszenzkomplexe an der Oberfläche des Wellenleiters wurden danach durch einen Diodenlaser angeregt, und die Fluoreszenzintensitäten der 36 Quadratpunkte wurden durch eine CCD-Kamera erfasst. Dieser Immunosensor ermöglicht die Parallelanalyse mehrerer Proben und die simultane Detektion von mehr als einem Analyten pro Probe.For the simultaneous analysis of several samples another type of immunoassay device has been developed 26 . In this case, biotin-labeled antibodies were patterned on an avidin-coated waveguide to form a grouping of six vertically oriented strips of fixed antibodies immobilized on the waveguide surface by avitin-biotin bridges. The samples were then analyzed by a sandwich immunoassay format by overlaying another array of six horizontally oriented lines containing the corresponding fluorescently labeled antigen at various concentrations. Fluorescence complexes on the surface of the waveguide were then excited by a diode laser, and the fluorescence intensities of 36 square dots were detected by a CCD camera. This immunosensor enables the parallel analysis of multiple samples and the simultaneous detection of more than one analyte per sample.
Zahlreiche
Analysenverfahren verwenden Lumineszenz zum Detektieren eines interessierenden
Analyten. Lumineszenz ist der Oberbegriff, der sich auf die Emission
von elektromagnetischer Strahlung (UV, sichtbarem Licht oder IR)
durch ein angeregtes Molekül
bezieht, das in seinen Grundzustand relaxiert, und kann durch Photoanregung
(Photolumineszenz) oder durch chemische Reaktion (Chemilumineszenz
und Elektrochemilumineszenz) induziert werden. Chemifluoreszenz
(CF) ist eine weitere Klasse von Lumineszenzreaktionen, die den
Reaktionsmechanismus von sowohl PL als auch CL kombiniert. In diesem
Fall wird ein fluorogenes Substrat A durch chemische Reaktion in
ein Fluoreszenzprodukt C umgewandelt, und die Lumineszenz wird durch
Anregung dieses Produkts erzeugt:
Zu analytischen Zwecken kann einer der Reaktanten des Assaysystems, der Lumineszenz erzeugen kann, an ein Molekül gebunden werden, um es spezifisch zu "markieren". Die Anwesenheit oder Abwesenheit einer beobachtbaren Markierung, die an ein oder mehrere der Bindungsmaterialien gebunden ist, wird dann als Indikator für die Existenz eines interessierenden Analyten verwendet. Es hat sich ein großer Bereich von Experimenten zum Detektieren und Quantifizieren von Spurenmengen von Pharmazeutika, Mikroorganismen, Hormonen, Viren, Antikörpern, Nukleinsäuren und anderen Proteinen gemäß derartigen Verfahren entwickelt. In klinischen Diagnostika werden mittlerweile beispielsweise kompetitive und Sandwich-Immunoassays, die Lumineszenzdetektion verwendet, auf Routinebasis27,28 verwendet.For analytical purposes, one of the reactants of the assay system that can produce luminescence can be bound to a molecule to specifically "tag" it. The presence or absence of an observable label bound to one or more of the binding materials is then used as an indicator of the existence of an analyte of interest. There has been developed a wide range of experiments for detecting and quantifying trace amounts of pharmaceuticals, microorganisms, hormones, viruses, antibodies, nucleic acids and other proteins according to such methods. For example, in clinical diagnostics, competitive and sandwich immunoassays utilizing luminescence detection are now being used routinely 27,28 .
Bei enzymvermittelten Immunoassays wird ein Molekül mit einem Enzym markiert, das die Lumineszenzreaktion katalysiert. Typische Beispiele sind die Detektion von Immunoreagenzien, die mit Meerrettichperoxidase (HRP) oder alkalischer Phosphatase (ALP) markiert sind, die in Anwesenheit von Wasserstoffperoxid und Hydroxidionen die Oxidation von Luminol und Dioxetanen beziehungsweise die Hydrolyse von phosphathaltigen Reagenzien erleichtern. ALP ist in ähnlicher Weise in CF-Assays zur Abspaltung einer Phosphatgruppe von einem fluorogenen Substrat verwendet worden, um ein Produkt mit hoher Fluoreszenz zu erhalten29.In enzyme-mediated immunoassays, a molecule is labeled with an enzyme that catalyzes the luminescence reaction. Typical examples are the detection of immunoreagents labeled with horseradish peroxidase (HRP) or alkaline phosphatase (ALP), which in the presence of hydrogen peroxide and hydroxide ions facilitate the oxidation of luminol and dioxetanes or the hydrolysis of phosphate-containing reagents. ALP has been similarly used in CF assays to cleave a phosphate group from a fluorogenic substrate to obtain a product with high fluorescence 29 .
Lumineszenzassayverfahren werden weitverbreitet zur Analyse von Peptiden, Proteinen und Nukleinsäuren verwendet. Es ist gezeigt worden, dass CL ein hochempfindliches Detektionsverfahren sowohl in Fließ-Injektions-Analyse (FIA) als auch Hochleistungsflüssigkeitschromatographie ist30–32, und sie ist auch in der Kapillarelektrophorese (CE)33,34 zur Detektion von Aminosäuren, Neurotransmittern35, Seltenerdmetallionen36 oder markierten Proteinen37 verwendet worden. In Immunoassays ist Lumineszenz jedoch das am häufigsten verwendete Detektionsverfahren27,34,38–43.Luminescent assay methods are widely used for the analysis of peptides, proteins and nucleic acids. It is shown that CL is a highly sensitive detection method in both flow injection analysis (FIA) and high performance liquid chromatography 30-32 , and it is also useful in capillary electrophoresis (CE) 33,34 for the detection of amino acids, neurotransmitters 35 , rare earth metal ions 36 or labeled proteins 37 have been used. However, in immunoassays luminescence is the most commonly used detection method 27, 34, 38-43 .
Unter den Verfahren des Standes der Technik zur Messung der enzymatischen Reaktionsgeschwindigkeit offenbart US-A-4,621,059 ein Verfahren, bei dem das Licht, das von einer lumineszierenden Substanz emittiert wird, die durch eine Kapillarsäule fließt und mit einem immobilisierten Enzym reagiert, durch mehrere optische Fasern aufgefangen wird, die um die Längsrichtung der Säule herum angeordnet sind, um die Enzymaktivität oder die Menge des interessierenden Analyten aus der Verteilung der Lumineszenzintensität zu ermitteln.Under the method of the prior art for measuring the enzymatic Reaction rate, US-A-4,621,059 discloses a method in which the light emitted by a luminescent substance being passed through a capillary column flows and reacts with an immobilized enzyme by multiple optical Fibers are collected around the longitudinal direction of the column are arranged to the enzyme activity or the amount of interest To determine analytes from the distribution of luminescence intensity.
US-A-5,624,850 beschreibt ein Verfahren zur Durchführung von Immunoassays in Kapillaren, wobei Fluoreszenz zum Detektieren eines interessierenden Analyten in durchscheinenden Kapillaren mit einem Innendurchmesser von ~0,1 μm bis 1,0 mm verwendet wird. Homogene Chemilumineszenz-Immunoassays können in ähnlicher Weise wie beispielsweise in US-A-5,017,473 beschrieben durchgeführt werden, wobei ein Licht absorbierendes Material und ein lumineszent markierter Tracer mit dem Analyt/Antianalyt-Komplex inkubiert werden, so dass das gesamte emittierte Licht außer demjenigen, das zu dem gebundenen Tracer gehört, durch das Licht absorbierende Material absorbiert wird.US-A-5,624,850 describes a method for performing immunoassays in capillaries, wherein Fluorescence for detecting an analyte of interest in translucent Capillaries with an inner diameter of ~ 0.1 microns to 1.0 mm is used. Homogeneous chemiluminescent immunoassays can be performed in a similar manner as, for example in US-A-5,017,473, wherein a light absorbent material and a luminescently labeled tracer the analyte / anti-analyte complex are incubated so that the entire emitted light except that which belongs to the bound tracer, by the light absorbing Material is absorbed.
In US-A-5,585,069 ist ein Verfahren offenbart, bei dem zwei oder mehr Proben parallel in einem System verarbeitet werden, das mehrere Mulden aufweist, die durch einen oder mehrere Kanäle verbunden sind, um eine Probe mit mechanischem oder elektrokinetischem Pumpen von einer Mulde zur anderen zu bewegen. In dieser Vorrichtung werden die Kanäle einfach als Verbindungen zwischen zwei Mulden verwendet und werden nicht als Reaktions- oder Detektionskammern verwendet.In US-A-5,585,069 discloses a method in which two or more Samples are processed in parallel in one system, the more one Has troughs connected by one or more channels are to make a sample with mechanical or electrokinetic pumps to move from one hollow to another. In this device, the channels simply used as connections between two hollows not used as reaction or detection chambers.
Eine der Hauptschwierigkeiten, die mit der Verwendung von μ-TAS-Geräten verbunden ist, ist wegen der niedrigen Reynolds-Zahlen der Ströme das richtige Mischen der Reagenzien. Ein weiteres Problem liegt in der genauen Zeitgebung des Fluideintritts, was für kinetische Untersuchungen wesentlich ist. Die Anmelder haben, als sie sich dieser Probleme angenommen haben, gefunden, dass der Fluideintritt in eine Reaktionskammer (beispielsweise einen Mikrokanal) mittels einer hydrophoben Schranke genau kontrolliert werden kann.A the main difficulties associated with the use of μ-TAS devices is the right one, because of the low Reynolds numbers of the currents Mixing the reagents. Another problem lies in the exact Timing of fluid entry, indicating kinetic studies is essential. The applicants have, as they are aware of these problems have found that the fluid enters a reaction chamber (For example, a microchannel) by means of a hydrophobic barrier can be controlled exactly.
Die vorliegende Anmeldung liefert daher in einem Aspekt eine Vorrichtung, umfassend: mindestens eine Reaktionskammer, mindestens einen Fluidzuflusskanal in Verbindung mit der oder jeder Reaktionskammer, und Schrankenmittel, die zur Verhinderung des Durchflusses von wässrigem Fluid durch den Fluidzuflusskanal/die Fluidzuflusskanäle in die Reaktionskammer(n) angepasst sind, bis eine Fluideintrittskraft auf das Fluid einwirkt, wobei das Schrankenmittel mindestens einen Teil des oder jedes Fluidzuflusskanals mit einer hydrophoben Innenfläche umfasst.The present application therefore provides in one aspect a device comprising: at least one reaction chamber, at least one fluid inlet channel in conjunction with the or each reaction chamber, and barrier means, for preventing the passage of aqueous fluid through the fluid inlet channel (s) Fluid inflow channels in the reaction chamber (s) are adapted to a fluid inlet force acting on the fluid, wherein the barrier means at least one Part of the or each fluid inlet channel having a hydrophobic inner surface comprises.
Die Vorrichtung hat vorzugsweise mehrere Reaktionskammern, die die Form von Mikrokanälen annehmen, wobei jeder einen dazugehörigen Fluidzuflusskanal aufweist. Alternativ können mehrere Mikrokanäle durch einen einzigen Zuflusskanal bedient werden, der in eine gemeinsame Rohrleitung einspeist, die mit den Mikrokanälen in Verbindung steht. In einigen bevorzugten Ausführungsformen wird die Fluideintrittskraft durch Aspirationsmittel geliefert, die mit einer gemeinsamen Rohrleitung verbunden sind, die an ihrem von dem Zuflusskanal entfernten Ende mit jedem Mikrokanal in Verbindung steht. In anderen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung ein drehbares Trägerelement, die Fluideintrittskraft wird durch Zentrifugaldruck bereitgestellt, wenn das Substrat zum Rotieren gebracht wird. Das Trägerelement kann zweckmäßig das Substrat der Mikrokanalvorrichtung bilden, wobei die Mikrokanäle allgemein radial angeordnet sind. Das drehbare Trägerelement kann alternativ als Träger für eine oder mehrere Vorrichtungen mit parallelen Mikrokanälen dienen.The Device preferably has a plurality of reaction chambers, which are the shape assume of microchannels, each one having an associated one Fluid inlet channel has. Alternatively, multiple microchannels can pass through a single inflow channel operated in a common Feed pipeline that communicates with the microchannels. In some preferred embodiments the fluid entry force is delivered by aspiration means, which are connected to a common pipeline connected to their away from the inflow channel to each microchannel stands. In other embodiments the device comprises a rotatable support element, the fluid entry force is provided by centrifugal pressure when the substrate for Rotating is brought. The carrier element can appropriate that Form substrate of the microchannel device, wherein the microchannels in general are arranged radially. The rotatable support member may alternatively as a carrier for one or multiple devices with parallel microchannels are used.
Der Vorteil einer gemeinsamen Quelle der Fluideintrittskraft für alle Mikrokanäle liegt darin, dass simultanes Füllen gewährleistet werden kann, wobei die Fluidproben durch die hydrophoben Schrankenmittel am Eintreten in die Mikrokanäle gehindert werden, bis die Fluideintrittskraft ausgeübt wird. Der Grad der Fluideintrittskraft kann zudem auch leicht kontrolliert werden, um rasches Füllen der Mikrokanäle und adäquates Mischen zu gewährleisten. Die Mikrokanäle können auch durch Ausübung einer verstärkten Kraft auf das Fluid in den Kanälen, beispielsweise durch Erhöhen des Aspirationsgrads oder durch Erhöhen der Rotationsgeschwindigkeit des Rotationsträgerelements, in effizienter und rascher Weise geleert werden. Daher lässt sich ein genauer Endpunkt eines Assays erreichen. Es ist in vielen Fällen vorteilhaft, die Probe vor dem Überwachen auf gebundene Zielspezies auszuwerfen.Of the Advantage of a common source of fluid inlet force for all micro-channels is in that simultaneous filling guaranteed can be, with the fluid samples through the hydrophobic barrier means on entering the microchannels be prevented until the fluid inlet force is applied. The degree of fluid entry force can also be easily controlled be to fast filling the microchannels and adequate To ensure mixing. The microchannels can also by exercise a reinforced Force on the fluid in the channels, for example, by increasing the degree of aspiration or by increasing the rotational speed the rotation support element, be emptied in an efficient and rapid way. Therefore, it is possible reach an exact endpoint of an assay. It is beneficial in many cases the sample before monitoring to eject bound target species.
Gewünschtenfalls kann ein flüssiges Reagenz oder ein Waschfluid in einem versiegelten Hohlraum bereitgestellt werden, der ein Reservoir bildet, wobei es vorzugsweise ein derartiges Reservoir pro Mikrokanal gibt. Die Reservoire können so angeordnet sein, dass sie über normalerweise geschlossene Ventile mit ihren jeweiligen Mikrokanälen in Verbindung stehen, und können zum Auswerfen ihres Inhalts durch solche Ventile gebracht werden, wenn jeweilige Kolben auf sie einwirken. Alternativ kann es ein einzelnes Reservoir geben, das über ein normalerweise geschlossenes Ventil mit einer gemeinsamen Rohrleitung in Verbindung steht, die in alle Mikrokanäle einspeist.If desired, can be a liquid Reagent or a washing fluid provided in a sealed cavity which forms a reservoir, preferably one such Reservoir per micro channel gives. The reservoirs can be arranged so that she over normally closed valves communicate with their respective microchannels stand, and can be ejected through such valves to eject their contents, when respective pistons act on them. Alternatively it can be give single reservoir that over a normally closed valve with a common pipe which feeds into all microchannels.
Detektion von Zielspezies mit den Mikrokanälen kann mit konventionellen Mitteln erreicht werden. Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung sind beispielsweise so aufgebaut, dass mindestens ein Teil der Oberfläche des Mikrokanals aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist, um elektrochemische Detektion zu ermöglichen. Dies kann beispielsweise ein leitendes Polymermaterial oder eine Elektrode sein. In einigen Ausführungsformen kann mindestens ein Teil der Mikrokanalwände aus einem Halbleitermaterial gebildet werden, wie Indiumoxid. Das Halbleitermaterial ist vorzugsweise transparent. Die Detektion kann alternativ durch Lumineszenz- oder Fluoreszenzmittel erreicht werden, wobei in diesem Fall ein elektromagnetischer Strahlungsdetektor wie eine Photodiode oder ein Sekundärelektronenvervielfältiger bereitgestellt wird.Detection of target species with the microchannels can be achieved by conventional means. For example, preferred embodiments of the device are configured such that at least a portion of the surface of the microchannel is formed of an electrically conductive material to facilitate electrochemical detection. This may be, for example, a conductive polymer material or an electrode. In some embodiments, at least a portion of the microchannel walls may be formed from a semiconductor material, such as indium oxide. The semiconductor material is preferably transparent. The detection can alternatively be performed by luminescence or fluorescent means, in which case an electromagnetic radiation detector such as a photodiode or a secondary electron multiplier is provided.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass chemische Reagenzien auf den Innenseiten der Mikrokanäle immobilisiert werden können, wodurch die Möglichkeit von Assays vom ELISA-Typ in einem System vom μ-TAS-Typ geboten wird. An den Mikrokanalwänden können eine Anzahl verschiedener Reagenztypen befestigt werden, beispielsweise Oligonukleotide, Polypeptide, Proteine (wie Enzyme) oder andere natürliche oder synthetische Moleküle. Diese können zweckmäßig auf der Oberfläche der Mikrokanalwände adsorbiert sein oder kovalent daran gebunden sein (beispielsweise mittels Amidbindungsbildung mit Succinimid) oder elektrostatisch daran gebunden sein (beispielsweise mit einem Vernetzer wie Polylysin). Die Innenseite des Mikrokanals und/der des Fluidzuflusskanals kann auch mit chemisch-funktionalen Gruppen versehen sein, die durch chemische oder physikalische Behandlung gebildet worden sind.One particular advantage of the invention is that chemical reagents on the insides of the microchannels can be immobilized thus the possibility of ELISA-type assays in a μ-TAS type system. On the microchannel walls can a Number of different types of reagents, for example oligonucleotides, Polypeptides, proteins (such as enzymes) or other natural or synthetic molecules. These can appropriate on the surface the microchannel walls be adsorbed or covalently bound thereto (for example by amide bond formation with succinimide) or electrostatically be bound (for example with a crosslinker such as polylysine). The inside of the microchannel and / or the fluid inflow channel can also be provided with chemical-functional groups by chemical or physical treatment have been formed.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung wie oben definiert, das die folgenden Stufen aufweist, die in beliebiger Reihenfolge oder simultan durchgeführt werden können: Bilden mindestens einer Reaktionskammer und Bilden mindestens eines Fluidzuflusskanals in Verbindung mit der Reaktionskammer bzw. den Reaktionskammern, wobei mindestens ein Teil des oder jedes Fluidzuflusskanals eine hydrophobe Innenfläche aufweist, die so angepasst ist, dass sie als Schrankenmittel wirkt, um den Durchgang von Fluid durch den Fluidzuflusskanal in die Reaktionskammer(n) solange zu verhindern, bis eine Fluideintrittskraft auf dieses Fluid wirkt.The The invention also extends to a method of manufacture a device as defined above, comprising the following steps, which can be performed in any order or simultaneously: Form at least one reaction chamber and forming at least one fluid inflow channel in connection with the reaction chamber or the reaction chambers, wherein at least a portion of the or each fluid inflow channel a hydrophobic inner surface which is adapted to act as a barrier means, the passage of fluid through the fluid inlet channel into the reaction chamber (s) as long as to prevent a fluid entry force on this fluid acts.
Die Vorrichtung wird zur leichteren Fertigung vorzugsweise in zwei Hauptteilen gebildet: einem Substrat, in dem die Mikrokanäle (und möglicherweise auch die Zuflusskanäle) als Vertiefungen gebildet sind (beispielsweise durch Spritzgießen, Heißprägen, Photoablation, Gießen oder Polymerisation auf einer Form) und einer Deckschicht, die über dem Substrat und über den Vertiefungen aufgebracht wird, um die Mikrokanäle (und gegebenenfalls auch die Zuflusskanäle) zu bilden. In Ausführungsformen, in denen die Zuflusskanäle nicht in dem Substrat hergestellt worden sind, können sie beispielsweise hergestellt werden, indem eine laminierte Deckschicht mit einem Laser durchbohrt wird, oder indem oberhalb des Einlasses der Reaktionskammer eine Verbindungsstelle aufgebracht wird, die aus einem hydrophoben Material wie Polydimethylsiloxan (PDMS) hergestellt ist.The Device is for ease of manufacture, preferably in two main parts formed: a substrate in which the microchannels (and possibly also the inflow channels) as Wells are formed (for example by injection molding, hot stamping, photoablation, to water or polymerization on a mold) and a topcoat overlying the substrate and over the wells is applied to the microchannels (and optionally also the inflow channels). In embodiments, in which the inflow channels not prepared in the substrate, they can be produced, for example be pierced by a laminated cover layer with a laser is or above the inlet of the reaction chamber a Joint is applied, which consists of a hydrophobic material as polydimethylsiloxane (PDMS) is made.
Die Vorrichtung kann aus jedem beliebigen geeigneten Material gebildet werden, beispielsweise Keramiken, Glas, Halbleitern, Polymeren oder Kombinationen davon. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden sowohl das Substrat als auch die Laminierungsschicht aus Polymermaterial gebildet, das nicht nur leichte Bildung der Mikrokanäle (beispielsweise durch Photoablation) zulässt, sondern auch das Verschmelzen der beiden Komponenten mittels einer thermischen Laminierungstechnik ermöglicht. Es ist zu diesem Zweck bevorzugt, dass mindestens eines der Polymere aus einem Material ist, das einen relativ niedrigen Schmelzpunkt hat, beispielsweise Polyethylen mit einem Schmelzpunkt unter 200°C. Die Laminierungsschicht kann vorteilhaft aus einem elastomeren Material sein, wie Polydimethylsiloxan (PDMS). Es ist in Vorrichtungen, die zusammen mit optischen Detektionsmitteln verwendet werden sollen, bevorzugt, dass die Laminierungsschicht aus einem im Wesentlichen transparenten Material gebildet wird und das Substrat aus einem im Wesentlichen opaken Material (wie einem Keramikmaterial oder kohlenstoffgefülltem Polymer) gebildet wird.The Device may be formed of any suitable material For example, ceramics, glass, semiconductors, polymers or Combinations of it. In a particularly preferred embodiment Both the substrate and the lamination layer are made Polymer material formed, not only easy formation of the microchannels (for example by photoablation), but also the merging of the two components by means of a thermal lamination technology allows. It is for this purpose preferred that at least one of the polymers is of a material, which has a relatively low melting point, for example polyethylene with a melting point below 200 ° C. The lamination layer may advantageously be made of an elastomeric material such as polydimethylsiloxane (PDMS). It is in devices that to be used together with optical detection means, preferred that the lamination layer of a substantially transparent material is formed and the substrate is made of a essentially opaque material (such as a ceramic material or carbon-filled Polymer) is formed.
In einem Aspekt erstreckt sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung wie definiert, umfassend die Stufen: Aufbringen von mindestens einer Probe einer zu testenden wässrigen Lösung am Ende mindestens eines Fluidzuflusskanals entfernt von mindestens einer Reaktionskammer, Herbeiführen des Eintretens der Probe in die Reaktionskammer(n) über den Fluidzuflusskanal bzw. die Fluidzuflusskanäle durch Ausüben einer Fluideintrittskraft und Überwachen der Probe in der Reaktionskammer bzw. den Reaktionskammern auf Anwesenheit oder Konzentration einer Zielsubstanz.In In one aspect, the invention extends to a method for Operating a device as defined, comprising the steps: Applying at least one sample of an aqueous to be tested solution at the end of at least one fluid inlet channel away from at least a reaction chamber, induce the entry of the sample into the reaction chamber (s) via the Fluid inflow channel or the fluid flow channels by exerting a Fluid entry force and monitoring the sample in the reaction chamber or the reaction chambers for presence or concentration of a target substance.
In Ausführungsformen der Vorrichtung mit Aspirationsmitteln wird die Fluideintrittskraft vorzugsweise durch Aktivieren des Aspirationsmittels ausgeübt, um für einen Zeitraum im Bereich von 0,1 bis 100 s verminderten Druck auf die Mikrokanäle auszuüben. Die Aspirationsmittel können danach aktiviert werden, um die Mikrokanäle zu evakuieren, um den Mikrokanälen noch niedrigeren Druck zur Verfügung zu stellen, gegebenenfalls in Kombination mit der Zufuhr von Waschfluid aus einem Reservoir.In embodiments the device with Aspirationsmitteln is the fluid inlet force Preferably, by activating the Aspirationsmittels exercised for a Period in the range of 0.1 to 100 s reduced pressure on the microchannels exercise. The aspirants can then be activated to evacuate the microchannels to the microchannels yet lower pressure available too optionally in combination with the supply of washing fluid from a reservoir.
In Ausführungsformen der Vorrichtung, die mit drehbaren Substraten oder Trägern aufgebaut sind, wird die Fluideintrittskraft vorzugsweise durch Drehen des Substrats oder des Trägers mit einer Winkelgeschwindigkeit im Bereich von 1 bis 1000 Umdrehungen pro Minute für einen Zeitraum im Bereich von 1 bis 100 s bereitgestellt. Die Mikrokanäle können dann durch Drehen des Substrats oder Trägers mit einer erhöhten Winkelgeschwindigkeit im Bereich von 10 bis 100.000 Umdrehungen pro Minute für einen Zeitraum im Bereich von 1 bis 100 Sekunden evakuiert werden.In embodiments the device constructed with rotatable substrates or supports, For example, the fluid entry force is preferably achieved by rotating the substrate or the carrier at an angular velocity in the range of 1 to 1000 revolutions per minute for provided a period in the range of 1 to 100 s. The microchannels can then by rotating the substrate or carrier at an increased angular velocity in the range of 10 to 100,000 revolutions per minute for one Period can be evacuated in the range of 1 to 100 seconds.
Die Erfindung wird anschließend detaillierter in Bezug auf die angefügten Zeichnungen als Beispiele beschrieben, worin:The Invention will follow in more detail with reference to the attached drawings as examples in which:
Die
Mikrokanalvorrichtungen der
Die
genaue Anordnung der Mikrokanäle
ist für
den Betrieb der Erfindung nicht entscheidend, obwohl zwei allgemeine
Geometrien von den Anmeldern entwickelt und getestet worden sind
und sich als vorteilhaft erwiesen haben. In der ersten sind mehrere
Mikrokanäle
parallel zueinander angeordnet, zweckmäßig auf einem allgemein rechteckigen
Substrat. Die Zuflusskanal-"Schranken" der verschiedenen
Mikrokanäle
sind miteinander ausgerichtet, um rasches und effizientes Beladen
mit Testlösungen aus
einer linearen Mehrfachpipettiervorrichtung (siehe
Es
können
viele verschiedene Mittel zur Bereitstellung der Fluideintrittskraft
verwendet werden, wobei die bevorzugten Mittel Aspiration und Zentrifugalkraft
sind. In der Vorrichtung von
In
einer aspirationsgetriebenen Vorrichtung (wie in den
Es wurden beispielhaft verschiedene Tests durchgeführt, um die Nützlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Durchführung eines Immunoassays auf D-Dimer festzustellen. D-Dimer wird als diagnostischer Indikator bei thromboembolischen Ereignissen verwendet: Thrombosen der tiefen Venen und Lungenembolie können durch Überwachen der D-Dimerkonzentration im Blut diagnostiziert werden. In der Vergangenheit wurde der zuverlässigste Assay auf D-Dimer durch ELISA-Techniken durchgeführt, beispielsweise der "Asserachrom D-Di" von Diagnostica Stago. Die Standard-ELISA-Techniken sind für Notfallsituationen jedoch ungeeignet, und es sind alternative Techniken auf Membranbasis entwickelt worden, die Detektionssysteme auf Farbbasis verwenden48. Diese leiden jedoch unter dem Nachteil, dass der Detektionsmechanismus zu subjektiv ist.Various tests have been carried out, by way of example, to determine the usefulness of the device according to the invention when carrying out an immunoassay for D-dimer. D-dimer is used as a diagnostic indicator in thromboembolic events: deep vein thrombosis and pulmonary embolism can be diagnosed by monitoring blood D-dimer levels. In the past, the most reliable assay on D-dimer was performed by ELISA techniques, for example the "Asserachrom D-Di" from Diagnostica Stago. However, the standard ELISA techniques are unsuitable for emergency situations, and alternative membrane-based techniques have been developed using color-based detection systems 48 . However, these suffer from the disadvantage that the detection mechanism is too subjective.
In den vorliegenden Tests wurde die Detektion des Enzyms durch eine Chemifluoreszenzsubstratlösung (VCR, Amersham) bewirkt. Dieses System basiert auf der Fluoreszenzdetektion des AttoPhos-Substrats, das von ALP hydrolysiert wird. Die Mikrokanäle wurden danach einem Fluoreszenzbildgebungsschirm (MP840, Molecular Dynamics) ausgesetzt, und jeder Kanal wurde 1 Minute abgelesen. Das Bild wurde danach mit Image Quant-Software (Molecular Dynamics) quantifiziert. Die Kalibrierung des Enzyms in dem Mikrokanal wurde erreicht, indem die Substratlösung mit unterschiedlichen Enzymkonzentrationen gemischt und 5 Minuten inkubiert wurde. Die Mikrokanäle wurden danach mit den Mischungen gefüllt und mit dem Fluoreszenzbildgebungsgerät analysiert. In den eigentlichen Tests wurde das Enzym auf der Oberfläche der Mikrokanäle immobilisiert, und die VCR-Lösung wurde zu den Kanälen gegeben, wobei die Fluoreszenz 5 Minuten später gemessen wurde.In the present tests, the detection of the enzyme was effected by a chemiluminescent substrate solution (VCR, Amersham). This system is based on fluorescence detection of the AttoPhos substrate, which is hydrolyzed by ALP. The microchannels were then exposed to a fluorescent imaging screen (MP840, Molecular Dynamics) and each channel was read 1 minute. The image was then quantified using Image Quant software (Molecular Dynamics). Calibration of the enzyme in the microchannel was achieved by mixing the substrate solution at different enzyme concentrations and incubating for 5 minutes. The microchannels were then filled with the mixtures and analyzed with the fluorescence imaging device. In the actual tests, the enzyme was immobilized on the surface of the microchannels and the VCR solution was added to the channels, measuring the fluorescence 5 minutes later.
Immobilisierung der Proteine wurde durch einstündige Physisorption bei Raumtemperatur erreicht. Der IgG-Antikörper der Maus (Serbio, Frankreich) wurde immobilisiert, indem entweder 10 oder 100 μg/ml in dem Mikrokanal aufgebracht und eine Stunde in einer feuchten Kammer inkubiert wurden. Die Oberfläche wurde dann mit PBS und 20% Tween (Tween/Wasser: 0,2 ml/L, Fischer, Deutschland) gewaschen und eine Stunde mit einer Lösung von 50 μg/ml wärmegeschocktem BSA (Sigma, USA) in der Waschpufferlösung blockiert. Nach einer weiteren Waschstufe wurden die Kanäle individuell mit der Antigenlösung gefüllt. Nach fünf Minuten (außer bei dem kinetischen Experiment, wobei andere Zeiträume unten spezifiziert sind) wurden die Mikrokanäle gespült, und eine Lösung von 10 μg/ml mit alkalischer Phosphatase markiertem Antigen (ALD-DDi) wurde eingebracht und nach fünf Minuten erneut gespült.immobilization the proteins became by one hour Physisorption at room temperature achieved. The IgG antibody of Mouse (Serbio, France) was immobilized by either 10 or 100 μg / ml applied in the microchannel and one hour in a moist Chamber were incubated. The surface was then washed with PBS and 20% Tween (Tween / water: 0.2 ml / L, Fischer, Germany) and an hour with a solution of 50 μg / ml wärmegeschocktem BSA (Sigma, USA) blocked in the wash buffer solution. After a further washing step, the channels were individually filled with the antigen solution. To five minutes (except at the kinetic experiment, with other periods below were specified), the microchannels were rinsed, and a solution of 10 μg / ml Alkaline phosphatase labeled antigen (ALD-DDi) was introduced and after five Rinsed again for a few minutes.
Die
Fluoreszenzabhängigkeit
von der Enzymkonzentration nach 5 Minuten Inkubation ist graphisch
in
Zur
Untersuchung der Aktivität
der adsorbierten Antikörper
in dem Mikrokanal wurden zwei unterschiedliche Inkubationsverfahren
eingesetzt. Erstens wurden einige Kanäle nur mit BSA inkubiert. Zweitens
wurden einige weitere Kanäle
mit Ab und danach mit BSA inkubiert. Danach wurde jeder Kanal mit
dem DDi-ALP gefüllt,
eine Stunde inkubiert und nach dem bereits beschriebenen Verfahren
durch Aspiration gewaschen. Die Fluoreszenzintensität jedes
Kanals wurde dann gemessen, und die Ergebnisse sind in
Diese Experimente zeigen die Umsetzbarkeit von ELISA-Techniken in Mikrokanälen. Die zur Vollendung eines Assays (einschließlich Kalibrierung) erforderliche Zeit kann auf weniger als 10 Minuten reduziert werden, verglichen mit einer typischen Zeit von 3 Stunden für einen ELISA in einer Mikrotiterplatte, weil rasche Gleichgewichtszeiten und rasche Füll- und Spülverfahren genutzt werden können. Es können gewünschtenfalls Hunderte von Mikrokanälen auf einem Substrat bereitgestellt werden, und die Fähigkeit, simultanes Füllen zu gewährleisten, bietet die Möglichkeit für hocheffiziente parallele Assays.These Experiments show the feasibility of ELISA techniques in microchannels. The required to complete an assay (including calibration) Time can be reduced to less than 10 minutes compared with a typical time of 3 hours for an ELISA in a microtiter plate, because rapid equilibrium times and rapid filling and rinsing procedures can be used. It can if desired Hundreds of microchannels be provided on a substrate, and the ability to simultaneous filling to ensure, offers the possibility for highly efficient parallel assays.
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