DE19980632B4 - Process for carrying out reactions between at least two reactants in aqueous reaction mixtures - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Durchführung von Reaktionen zwischen mindestens zwei Reaktionspartnern in wäßrigen Reaktionsgemischen, bei dem mindestens ein Reaktionspartner räumlich voneinander getrennte Kompartimente mit unterschiedlichen Reaktionsbedingungen durchläuft und mindestens ein Reaktionspartner an einer Fläche eines Kompartiments immobilisiert ist, wobei die Reaktionsgemische magnetohydrodynamisch und kreisförmig bewegt werden.method to carry out of reactions between at least two reactants in aqueous reaction mixtures, in which at least one reaction partner spatially separated Passing through compartments with different reaction conditions and immobilized at least one reactant on a surface of a compartment is, wherein the reaction mixture moves magnetohydrodynamically and circularly become.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung von Reaktionen zwischen mindestens zwei Reaktionspartnern, insbesondere Biomolekülen, wobei mindestens ein Reaktionspartner Reaktionsbereiche mit unterschiedlichen Reaktionsbedingungen durchläuft und mindestens ein Reaktionspartner, beispielsweise ein Feature eines Bio-Chips, immobilisiert ist, und wobei die Reaktionsgemische magnetohydrodynamisch und kreisförmig bewegt werden.The The present invention relates to a method and an apparatus to carry out of reactions between at least two reactants, in particular biomolecules wherein at least one reactant reaction areas with different Undergoes reaction conditions and at least one reactant, for example a feature a biochip, is immobilized, and wherein the reaction mixtures magnetohydrodynamic and circular to be moved.

Bio-Chips sind typischerweise zweidimensionale Anordnungen (Arrays) von Gruppen (Features) von immobilisierten, einzelsträngigen Biomolekülen, im folgenden immobilisierte Sonden genannt, zum Beispiel Desoxyribonukleinsäure (DNA)-Moleküle mit bestimmten Basenabfolgen (Sequenzen), oder Polypeptide, wie Antikörper oder sonstige Proteine. Die Basenabfolge (Sequenzen) der DNA-Moleküle in den einzelnen Features bzw. die Abfolge der Aminosäurereste in den Polypeptiden wie Proteinen oder Antikörpern und/oder andere diese charakterisierende Eigenschaften sind bekannt, so daß z.B. einem Feature mit DNA einer bestimmten Sequenz oder mit einem Polypeptid mit einer bestimmten Aminosäuresequenz bestimmte räumliche Positionskoordinaten zugeordnet werden können.Biochips are typically two-dimensional arrays of arrays (Features) of immobilized, single - stranded biomolecules, im named immobilized probes, for example deoxyribonucleic acid (DNA) molecules with certain Base sequences (sequences), or polypeptides, such as antibodies or other proteins. The sequence of bases (sequences) of the DNA molecules in the individual Features or the sequence of amino acid residues in the polypeptides like proteins or antibodies and / or other characteristics characterizing these are known so that e.g. a feature with DNA of a particular sequence or with a polypeptide with a specific amino acid sequence certain spatial Position coordinates can be assigned.

Im folgenden Beispiel enthält ein DNA-Chip 10.000 Features. Jedes Feature hat einen mittleren Durchmesser von 50 μm. Bei einer Rasteranordnung beträgt der mittlere Abstand zwischen den Feature-Mittelpunkten 100 Mikrometer. Jedes Feature enthält im Mittel eine große Zahl einzelsträngiger DNA-Moleküle (z.B. in der Größenordnung 100.000, 1 Million oder 10 Millionen) als immobilisierte Sonden von jeweils derselben oder überwiegend derselben Sequenz von z.B. 20 oder 30 Basenpaaren Länge. Allgemein kann die Geometrie, die Zahl, Anordnung und Geometrie der Features, die Zahl und Basenabfolge der immobilisierten Sonden in den einzelnen Features in weiten Grenzen variiert werden.in the contains the following example a DNA chip 10,000 features. Each feature has a mean diameter of 50 μm. In a grid arrangement is the mean distance between the feature centers is 100 microns. Each feature contains on average, a large one Number of single-stranded DNA molecules (e.g. in the order of magnitude 100,000, 1 million or 10 million) as immobilized probes of each the same or predominantly the same sequence of e.g. 20 or 30 base pairs in length. Generally can determine the geometry, the number, arrangement and geometry of the features, the number and base sequence of immobilized probes in each feature be varied within wide limits.

Eine wesentliche Anwendung derartiger DNA-Chips besteht darin, mit ihrer Hilfe Aussagen über die Sequenz-Zusammensetzung eines unbekannten Gemisches von Nukleinsäuremolekülen, insbesondere von DNA-Molekülen, zu erhalten. In vielen Fällen enthält das zu analysierende Gemisch eine große Vielfalt von unterschiedlichen Sequenzen, stellt also ein komplexes Gemisch dar. Beispielsweise enthält das Gemisch menschliche genomische DNA aus einem Gewebe oder Tumor, die gegebenenfalls durch Polymerase-Kettenreaktionen oder ähnliche Methoden vor dem Einsatz amplifiziert wurde. Bei einer angenommenen Sequenzlänge von jeweils 20 – 30 Basenpaaren kann in diesem Falle das komplexe Gemisch mehrere Millionen Arten von DNA-Molekülen mit jeweils unterschiedlichen Sequenzen enthalten. Jede oder bestimmte Sequenzen können demnach in dem komplexen Gemisch in nur sehr geringen relativen Konzentrationen vertreten sein. In einem anderen Beispiel enthält das komplexe Gemisch mehrere tausend unterschiedliche Sequenzen von komplementärer DNA, auch als cDNA bezeichnet, die Information über das genetische Expressionsmuster eines Gewebes enthalten.A essential application of such DNA chips is with their Help statements about the sequence composition of an unknown mixture of nucleic acid molecules, in particular of DNA molecules, to obtain. In many cases contains the mixture to be analyzed a wide variety of different Sequences, so represents a complex mixture. For example contains the mixture of human genomic DNA from a tissue or tumor, optionally by polymerase chain reactions or the like Methods before use was amplified. For an assumed sequence length from 20 to 30 each Base pairs can in this case be the complex mixture several millions Types of DNA molecules each containing different sequences. Any or particular Sequences can thus in the complex mixture in only very small relative Concentrations be represented. In another example, the complex mixture contains several thousand different sequences of complementary DNA, also referred to as cDNA, the information about the genetic expression pattern a tissue included.

Um eine Aussage über die Sequenz-Zusammensetzung des komplexen Gemisches zu erhalten, können Verfahren der Hybridisierung von Nukleinsäuremolekülen herangezogen werden. Hierzu werden in einem vielfach angewandten Verfahren zunächst mobile Sonden hergestellt, indem die zu analysierenden DNA-Moleküle zunächst geeignet markiert werden, beispielsweise durch Fluoreszenzmarkierung eines oder mehrerer Basen der Sequenz mit Fluorochromen derselben oder verschiedener spektraler Signatur. Derzeit vielfach verwendete Fluorochrome sind z.B. Fluoresceinisothiocyanat (FITC) oder Rhodamin-Denvate. Die spektrale Signatur ist gegeben durch die optischen Eigenschaften der Substanz, wie Absorptions- und Emissionsspektrum, die Fluoreszenzlebensdauer, oder das Polarisationsverhalten. In einem typischen Hybridisierungsverfahren wird ein Hybridisierungsgemisch verwendet, bestehend aus einem komplexen Gemisch von einzelsträngigen, fluoreszenzmarkierten DNA-Molekülen in einer Pufferlösung und gegebenenfalls weiteren chemischen Substanzen. Um die fluoreszenzmarkierten DNA-Moleküle in eine einzelsträngige Konformation zu überführen (Denaturierung) und damit erfindungsgemäße mobile Sonden zu erhalten, wird meist eine thermische Behandlung vorgenommen: Die für eine Denaturierung der DNA-Moleküle erforderliche Temperatur (Denaturierungstemperatur TD) hängt dabei stark von der chemischen Zusammensetzung des Hybridisierungsgemisches ab. Nach erfolgter Denaturierung wird das Hybridisierungsgemisch bei einer bestimmten Temperatur (Hybridisierungstemperatur TH) und für eine bestimmte Zeit (Hybridisierungszeit tH) auf den DNA-Chip aufgebracht. Um die Voraussetzung einzelsträngiger immobilisierter Sonden zu erfüllen, müssen die bereits vor Beginn der Hybridisierungsreaktion auf den DNA-Chips vorhandenen DNA-Moleküle entweder durch das bei der Herstellung der DNA-Chips angewandte Verfahren bereits einzelsträngig sein, oder gegebenenfalls vor Beginn der eigentlichen Hybridisierungsreaktion einer denaturierenden Behandlung unterzogen werden. Beide Denaturierungs-Bedingungen können beispielsweise auch durch geeignete simultane thermische Behandlung des aus Hybridisierungsgemisch und DNA-Chip bestehenden Objektes realisiert werden.In order to obtain information about the sequence composition of the complex mixture, methods of hybridization of nucleic acid molecules can be used. For this purpose, mobile probes are first prepared in a widely used method by first appropriately labeling the DNA molecules to be analyzed, for example by fluorescence labeling of one or more bases of the sequence with fluorochromes thereof or different spectral signature. Currently widely used fluorochromes are, for example, fluorescein isothiocyanate (FITC) or rhodamine Denvate. The spectral signature is given by the optical properties of the substance, such as absorption and emission spectrum, the fluorescence lifetime, or the polarization behavior. In a typical hybridization process, a hybridization mixture is used, consisting of a complex mixture of single-stranded, fluorescently labeled DNA molecules in a buffer solution and optionally other chemical substances. In order to convert the fluorescently labeled DNA molecules into a single-stranded conformation (denaturation) and thus to obtain mobile probes according to the invention, a thermal treatment is usually carried out. The temperature required for denaturing the DNA molecules (denaturation temperature T D ) depends strongly on the chemical composition of the hybridization mixture. After denaturation, the hybridization mixture at a certain temperature (hybridization temperature T H ) and for a certain time (hybridization time t H ) is applied to the DNA chip. In order to fulfill the requirement of single-stranded immobilized probes, the DNA molecules present on the DNA chips already before the start of the hybridization reaction must already be single-stranded either by the method used in the preparation of the DNA chips or, if appropriate, before the actual hybridization reaction of a denaturing Be subjected to treatment. Both denaturing conditions can also be realized, for example, by suitable simultaneous thermal treatment of the object consisting of hybridization mixture and DNA chip.

Statt einer geeigneten Markierung der mobilen DNA-Moleküle im Hybridisierungsgemisch kann statt dessen oder zusätzlich auch eine Markierung der auf den DNA-Chips immobilisierten DNA-Moleküle erfolgen. Insoweit das Verfahren lediglich für präparative Zwecke verwendet wird, z.B. der Depletion des Hybridisierungsgemisches von DNA-Molekülen einer bestimmten Sequenz, kann eine Markierung der Sonden gegebenenfalls auch unterbleiben. Ein weiteres Verfahren bezieht sich auf den Nachweis der Hybridisierungsreaktion durch nicht-optische Verfahren, wie z.B. elektrische Leitfähigkeitsänderungen.Instead of a suitable mark the mobi len DNA molecules in the hybridization mixture, instead of or in addition, a labeling of the DNA molecules immobilized on the DNA chips done. Insofar as the method is used only for preparative purposes, for example the depletion of the hybridization mixture of DNA molecules of a specific sequence, labeling of the probes may optionally also be omitted. Another method relates to the detection of the hybridization reaction by non-optical methods, such as electrical conductivity changes.

Bei geeigneten physikalisch-chemischen Voraussetzungen (z.B. Temperatur, Hybridisierungszeit, Ionenzusammensetzung und pH-Wert des Puffers, Konzentration an chaotropen Substanzen wie Formamid, Dextransulfat, LiCl in hoher Konzentration etc.), kann eine stringente Bindung von mobilen Sonden an ebenfalls einzelsträngige immobilisierte Sonden in den Features erreicht werden.at appropriate physicochemical conditions (e.g., temperature, Hybridization Time, Ion Composition and pH of the Buffer, Concentration on chaotropic substances such as formamide, dextran sulfate, LiCl in high Concentration, etc.), can be a stringent binding of mobile probes also single-stranded immobilized probes can be achieved in the features.

Stringente Bindung bedeutet, daß eine Zusammenlagerung zwischen Nukleinsäuresequenzen mit komplementärer Basenabfolge zustande kommt. Nicht gebundene mobile Sonden werden gegebenenfalls durch Waschschritte entfernt. Der Grad der Stringenz der Hybridisierung von mobilen Sonden einer bestimmten Sequenz mit immobilisierten Sonden der komplementären Sequenz kann zum Beispiel durch das Verhältnis der Zahl komplementärer Basenpaarungen in einem aus einer (vor der Bindung) mobilen Sonde und einer immobilisierten Sonde gebildeten Hybridmolekül zu der Gesamtzahl der Basen der Sequenz der zu hybridisierenden mobilen Sonde angegeben werden. Eine Stringenz von 1,0 bedeutet, daß in einem Hybridmolekül alle Basen einer (vor der Bindung) mobilen Sonde komplementäre Paarungen mit Basen einer immobilisierte Sonde eingegangen sind.stringent Bond means that one Collation Between Nucleic Acid Sequences with Complementary Base Sequence comes about. Unbound mobile probes may be used removed by washing steps. The degree of stringency of hybridization immobilized by mobile probes of a specific sequence Probes of complementary Sequence can be determined, for example, by the ratio of the number of complementary base pairs in one of a (before binding) mobile probe and an immobilized one Probe formed hybrid molecule to the total number of bases of the sequence to be hybridized mobile probe can be specified. A stringency of 1.0 means that in one hybrid molecule all bases of a (before binding) mobile probe complementary pairings with Bases of an immobilized probe have been received.

Nach vollständiger Durchführung des Hybridisierungsverfahrens enthalten die Features mit immobilisierten Sonden, die eine komplementäre Basenabfolge zu im Hybridisierungsgemisch enthaltenen mobilen Sonden besitzen, eine erhöhte Anzahl an spezifischen Markierungssignalen, z.B. von fluoreszenzmarkierten doppelsträngigen Hybridmolekülen. Je mehr zum Beispiel fluoreszenzmarkierte mobile Sonden in einem bestimmten Feature hybridisiert haben, desto höher ist die Anzahl an Fluoreszenz-Markierungssignalen in dem betreffenden Feature. Mit geeigneten Detektions-Verfahren wird dann festgestellt, welche Features eine erhöhte Anzahl von Markierungssignalen enthalten. Bei Anwendung von Fluoreszenzmarkierungstechniken geeignete Detektionsverfahren sind z.B. Methoden der digitalen Epifluoreszenzmikroskopie mit thermischen Lichtquellen, der Laserscanning-Mikroskopie, der konfokalen Laserscanning-Mikroskopie oder der Multiphotonen-Fluoreszenzmikroskopie. Bei anderweitig markierten Sonden können zur Detektion von Hybridmolekülen andere Verfahren in Einsatz kommen.To complete execution of the hybridization process contain the features with immobilized Probes that are complementary Base sequence to mobile probes contained in the hybridization mixture own, an increased Number of specific marker signals, e.g. of fluorescently labeled ds Hybrid molecules. The more, for example, fluorescently labeled mobile probes in one hybridized to certain feature, the higher the number of fluorescence label signals in the feature in question. With suitable detection methods it is then determined which features an increased Number of marker signals included. When using fluorescent labeling techniques suitable detection methods are e.g. Methods of digital epifluorescence microscopy with thermal light sources, laser scanning microscopy, the confocal laser scanning microscopy or multiphoton fluorescence microscopy. Other probes may be used to detect hybrid molecules Procedures come into use.

Sofern die Basenabfolge (Sequenz) der immobilisierten Sonden in einem Feature bekannt ist, ist damit aufgrund des Verfahrens auch die (komplementäre) Sequenz der dort gebundenen mobilen Sonden im Rahmen der realisierten Stringenzanforderungen bekannt. Je höher die realisierte Stringenz, desto genauer kann die Sequenz der dort gebundenen mobilen Sonden angeben werden. Sofern aufgrund des zur Herstellung des DNA-Chips angewandten Verfahrens die Zuordnung von Feature-Position und Sequenz der immobilisierten Sonden in dem Feature bekannt ist, erlaubt das DNA-Chip-Hybridisierungsverfahren es daher grundsätzlich, in relativ kurzer Zeit Aussagen über die Sequenz-Zusammensetzung komplexer Gemische von mobilen Sonden zu treffen; bei quantitativer Analyse der Markierungssignale und geeigneter Kalibrierung sind zudem auch Angaben über die Häufigkeiten möglich, mit der mobile Sonden im Gemisch vorhanden sind. Ferner ist es bei präparativer Anwendung möglich, DNA-Moleküle mit solchen Sequenzen für einen nachfolgenden Gebrauch zu isolieren. Je höher die Anzahl der Features mit immobilisierten Sonden jeweils verschiedener Sequenz ist, desto genauer kann ein komplexes Gemisch von mobilen Sonden analysiert werden. Derzeit sind DNA-Chips mit einer Feature-Anzahl von mehreren 100.000 bis 1.000.000 realisiert bzw. in Produktion.Provided the base sequence (sequence) of the immobilized probes in a feature is known, is thus due to the method, the (complementary) sequence The mobile probes bound there within the framework of the realized stringency requirements known. The higher the realized stringency, the more accurate the sequence of the there be specified bound mobile probes. If due to the production of the DNA chip method used the assignment of feature position and sequence the immobilized probes are known in the feature allows that Therefore, DNA chip hybridization methods in a relatively short time statements about the sequence composition of complex mixtures of mobile probes hold true; in quantitative analysis of the marker signals and appropriate calibration are also information about the frequencies possible, with the mobile probes are present in the mixture. It is also more preparative Application possible, DNA molecules with such Sequences for to isolate a subsequent use. The higher the number of features with immobilized probes of different sequence, the more more precisely, a complex mixture of mobile probes can be analyzed become. Currently, there are DNA chips with a feature count of several 100,000 to 1,000,000 realized or in production.

Die am Beispiel von DNA-Chips ausgeführte Darstellung des Standes der Technik läßt sich in einer dem Fachmann bekannten Weise auch auf andere Bio-Chips übertragen. Beispielsweise werden Bio-Chips beschrieben, bei denen die Features statt einzelsträngiger DNA-Moleküle als immobilisierte Sonden Polypeptide, z.B. Proteine, verwendet werden. Während bei DNA-Molekülen die Stringenz im wesentlichen von der Gesamtzahl der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen komplementären Basen in einem Hybridmolekül abhängig ist, kann die Spezifität der Protein-Proteinbindung beispielsweise durch die Anzahl der Wasserstoffbrückenbindungen sowie Van-der-Waals-Bindungen zwischen den Proteinen charakterisiert werden, die in diesem Falle stark von den räumlichen Konformationen der bindenden Biomoleküle abhängig ist.The on the example of DNA chips running representation The prior art can be in a manner known to those skilled in the art also transferred to other bio-chips. For example, bio-chips are described in which the features instead of single-stranded DNA molecules immobilized probes polypeptides, e.g. Proteins used become. While in DNA molecules the stringency is essentially the total number of hydrogen bonds between complementary ones Bases in a hybrid molecule dependent is, can the specificity protein-protein binding for example, by the number of hydrogen bonds and Van der Waals bonds between the proteins which in this case are strongly dependent on the spatial conformations of the binding biomolecules dependent is.

Empirische Beobachtungen zeigen, daß bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren der sichere Nachweis einer bestimmten Nukleotidsequenz in einem komplexen Gemisch von DNA-Molekülen als mobile Sonden durch Nachweis mit Hilfe der DNA-Chip-Hybridisierung an die in einem Feature vorhandenen immobilisierten Sonden von DNA-Molekülen komplementärer Sequenz oftmals nicht oder nur schwer möglich ist. Bei vielen Anwendungen ist dies als ein gravierender Nachteil anzusehen. Beispielsweise erfordert der sichere Nachweis einer Tumor-relevanten kleinen Deletion in amplifizierter Patienten-DNA, daß in Kontroll-DNA mit Anwesenheit von mobilen Sonden der Deletions-Sequenz im Hybridisierungsgemisch deren sicherer Nachweis mit Hilfe des DNA-Chip-Hybridisierungsverfahrens möglich ist, während in der Tumor-DNA auch mobile Sonden mit sehr ähnlichen Sequenzen, wie diejenigen der Deletion klar diskriminiert werden können. Die dazu oftmals erforderlichen hohen Stringenzanforderungen können zu einer die Analyse erheblich beeinträchtigenden Verminderung der Signalstärke führen. Ähnliche Probleme ergeben sich beispielsweise auch, wenn eine große Zahl von mobilen Sonden mit geringfügig abweichender Basenabfolge durch DNA-Chip-Hybridisierung analysiert werden soll. Hier kann auch die Wahrscheinlichkeit für unerwünschte Assoziationsprozesse der mobilen Sonden erhöht sein.Empirical observations indicate that, in the methods known in the art, the secure detection of a particular nucleotide sequence in a complex mixture of DNA molecules as mobile probes by detection by DNA-chip hybridization to the immobilized probes of DNA present in a feature -Molecules complementary sequence is often difficult or impossible. For many users This is to be regarded as a serious disadvantage. For example, the safe detection of a tumor-relevant small deletion in amplified patient DNA requires that in control DNA with the presence of mobile probes of the deletion sequence in the hybridization mixture their safe detection using the DNA-chip hybridization method is possible, while in the Tumor DNA also includes mobile probes with very similar sequences, as those of the deletion can be clearly discriminated. The high stringency requirements, which are often required, can lead to a significant reduction in signal strength, which greatly reduces the need for analysis. Similar problems arise, for example, when a large number of mobile probes with a slightly different base sequence should be analyzed by DNA chip hybridization. Here, the probability of unwanted association processes of the mobile probes can be increased.

Als ein konkretes Beispiel wird von einem DNA-Chip mit 10.000 Features wie oben beschrieben ausgegangen, mit einer DNA-Chip-Größe von 10 × 10 mm2. In dem Hybridisierungsgemisch befinden sich 1.000.000 verschiedene Arten von einzelsträngigen DNA-Molekülen als mobile Sonden mit jeweils einer Länge von 20 – 30 Basen bei einer Konzentration von 100 ng/μl. Derartig komplexe Gemische können beispielsweise bei Verwendung von genomischer DNA ohne weitere Vorreinigung oder Amplifikation auftreten. Auch bei Verwendung von komplementärer DNA (cDNA) von Geweben kann die Komplexität des Gemisches außerordentlich hoch sein. Das gesamte Volumen des Hybridisierungsgemisches wird zu 100 μl angenommen. Die benötigte Menge an mobilen Sonden beträgt in diesem Falle 10 μg. Jede der 1.000.000 angenommenen Arten von mobilen Sonden hat in dem Gemisch somit eine Masse von 10 pg. Jede Art von mobilen Sonden ist in der Lösung damit bei Annahme gleicher Häufigkeiten mit etwa 0,6 Milliarden Exemplaren vertreten. Bei einer Anzahl von 1.000.000 immobilisierten Sonden pro Feature mit jeweils komplementärer Sequenz ist das Verhältnis V(P/T){Anzahl mobiler Sonden/[Anzahl immobilisierter Sonden mit komplementärer Sequenz]} bei vollständiger Denaturierung um Größenordnungen höher als 1, d.h. auf eine immobilisierte Sonde kommen zum Beispiel mehrere hundert mobiler Sonden der komplementären Sequenz. Zudem kann die relative Konzentration einzelner oder mehrerer Arten von mobilen Sonden in dem Hybridisierungsgemisch sehr gering sein.As a concrete example, a DNA chip with 10,000 features as described above is assumed, with a DNA chip size of 10 × 10 mm 2 . In the hybridization mixture are 1,000,000 different types of single-stranded DNA molecules as mobile probes, each having a length of 20 - 30 bases at a concentration of 100 ng / ul. Such complex mixtures can occur, for example, when using genomic DNA without further prepurification or amplification. Even with the use of complementary DNA (cDNA) of tissues, the complexity of the mixture can be extremely high. The total volume of the hybridization mixture is assumed to be 100 μl. The required amount of mobile probes in this case is 10 μg. Each of the 1,000,000 presumed types of mobile probes thus has a mass of 10 pg in the mixture. Each type of mobile probe is represented in the solution so assuming equal frequencies with about 0.6 billion copies. With a number of 1,000,000 immobilized probes per feature, each with complementary sequence, the ratio V (P / T) {mobile probe number / [number of complementary sequence immobilized probe]} at full denaturation is orders of magnitude higher than 1, ie one immobilized probe come, for example, several hundred mobile probes of the complementary sequence. In addition, the relative concentration of single or multiple types of mobile probes in the hybridization mixture may be very small.

Experimentelle Erfahrungen der DNA-Chip-Hybridisierung mit im Stand der Technik beschriebenden Verfahren, zum Beispiel im Fall von Oligonukleotiden als mobile Sonden, zeigen erhebliche Nachteile.experimental Experiences of DNA chip hybridization with those described in the prior art Method, for example in the case of oligonucleotides as mobile Probes show significant disadvantages.

Einige Gründe für diese Ergebnisse werden im folgenden beispielhaft aufgeführt:

  • (i) Es kann davon ausgegangen werden, daß die Stringenzanforderungen bei DNA-Chip-Hybridisierung zum Teil erheblich größer sind als bei in situ-Hybridisierungsreaktionen, bei denen ein komplexes Gemisch von markierten DNA-Molekülen als mobilen Sonden zur in situ-Hybridisierung an chromosomale Ziel-DNA als "immobilisierte Sonden" verwendet wird. Beispielsweise kann es für die Identifizierung eines Metaphasechromosoms A mit Hilfe einer Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) eines komplexen Gemisches mit mobilen Sonden aus einer chromosomenspezifischen DNA-Bibliothek des betreffenden Chromosoms A völlig ausreichend sein, wenn nur die Hälfte der hybridisierten mobilen Sonden an komplementäre "immobilisierte Sonden" im Chromosom A gebunden ist. Bei subchromosomalen in situ-Markierungsorten kann der Wert noch wesentlich kleiner sein. Ist hingegen bei DNA-Chip-Hybridisierungen ein besonders hoher Grad an Stringenz erforderlich, so sind entsprechend stringente Reaktionsbedingungen und Waschungen anzuwenden. Diese können zum Teil auch solche mobile Sonden ablösen, die an vollkommen koplementäre chromosomale DNA-Abschnitte als "immobilisierte Sonden" gebunden sind.
  • (ii) Bei in situ-Hybridisierungsreaktionen an chromosomale Ziel-DNA wird aufgrund der Begrenzung der räumlichen Auflösung der Detektionseinheit, z.B. der lichtmikroskopischen, eine scheinbar homogene Bindung der mobilen Sonden an chromosomale Zielorte auch dann beobachtet, wenn in Wirklichkeit nicht alle komplementären DNA-Abschnitte des chromosomalen Zielortes mit (vor der Bindung) mobilen Sonden hybridisiert haben. Beispielsweise läßt sich aus einer Auswertung der Fluoreszenzphotonenstatistik von konfokal registrierten in situ-Hybridisierungssignalen einer insgesamt ca. 100.000 Basen langen chromosomalen Zielsequenz als "immobilisierter Sonde" grob abschätzen, daß insgesamt nur ca. 2.000 effektive Fluoreszenzphotonen registriert wurden. Auf der Objektseite entspricht dies etwa 200.000 – 600.000 insgesamt von der "immobilisierten Sonde" emittierten Photonen bzw. etwa einigen hundert an die "immobilisierte Sonde" gebundenen Fluorochrom-Molekülen; dies würde einer Hybridisierung von nur wenigen der hier z.B. jeweils einige hundert Basen langen mobile Sonden entsprechen. Geht man davon aus, daß in ähnlicher Weise bei vergleichbaren DNA-Chip-Hybridisierungen in einem bestimmten Feature nur wenige der dort befindlichen immobilisierten Sonden mit komplementären (vor der Bindung) mobilen Sonden hybridisiert sind, so wird in vielen Fällen das erhaltene Markierungssignal, z.B. ein Fluoreszenzsignal, erheblich geringer sein als das maximal mögliche, und gegebenenfalls keine Unterscheidung des Signals vom Hintergrundsrauschen gestatten. Ein weiterer Nachteil betrifft eine gegebenenfalls gewünschte Quantifizierung des Signals, z.B. zur Ermittlung der im Hybridisierungsgemisch vertretenen relativen Konzentrationen von DNA-Molekülen bestimmter Sequenz.
  • (iii) Verschiedene wichtige Anwendungen der DNA-Chip-Hybridisierung erfordern es, bei hohen Stringenzanforderungen eine Hybridisierung mobiler Sonden aus einem sehr komplexen Hybridisierungsgemisch zu realisieren, das z.B. aus 1.000.000 verschiedener Arten von Oligonukleotiden besteht. Dies kann lange Hybridisierungszeiten zur Folge haben, in denen unter den gewählten Hybridisierungsbedingungen die Wahrscheinlichkeit einer Renaturierung/Assoziation von Oligonukleotiden komplementärer oder teilweise komplementärer Sequenz in Lösung erheblich größer ist als die Wahrscheinlichkeit der Bildung eines Hybridmoleküls aus mobiler Sonde und immobilisierter Sonde mit komplementärer Sequenz.
Some reasons for these results are given below by way of example:
  • (i) It may be assumed that the stringency requirements in DNA-chip hybridization are sometimes considerably greater than in in situ hybridization reactions in which a complex mixture of labeled DNA molecules as mobile probes for in situ hybridization to chromosomal Target DNA is used as "immobilized probes". For example, for identification of a metaphase chromosome A by fluorescence in situ hybridization (FISH) of a complex mixture with mobile probes from a chromosome-specific DNA library of the chromosome A in question, it may be sufficient if only half of the hybridized mobile probes is bound to complementary "immobilized probes" in chromosome A. For subchromosomal in situ tags, the value can be much smaller. If, on the other hand, a particularly high degree of stringency is required for DNA-chip hybridizations, suitably stringent reaction conditions and washes must be used. These can also partially replace those mobile probes which are bound to completely coplanar chromosomal DNA sections as "immobilized probes".
  • (ii) In situ hybridization reactions to target chromosomal DNA, due to the limitation of the spatial resolution of the detection unit, eg light microscopy, a seemingly homogenous binding of the mobile probes to chromosomal target sites is observed, even if not all complementary DNA segments of the chromosomal target site have hybridized with (before binding) mobile probes. For example, from an evaluation of the fluorescence photon statistics of confocal registered in situ hybridization signals of a total of about 100,000 bases long chromosomal target sequence as "immobilized probe" roughly estimate that only about 2,000 effective fluorescence photons were registered. On the object side, this corresponds to about 200,000-600,000 total photons emitted by the "immobilized probe" or about a few hundred fluorochrome molecules bound to the "immobilized probe"; this would correspond to a hybridization of only a few of the here, for example, each several hundred bases long mobile probes. Assuming that in comparable DNA-chip hybridizations in a certain feature, only a few of the immobilized probes located there are hybridized with complementary (before binding) mobile probes, in many cases the resulting marker signal, eg Fluorescence signal, significantly lower than the maximum possible, and possibly no sub allow the signal to be separated from the background noise. A further disadvantage relates to an optionally desired quantification of the signal, for example for determining the relative concentrations of DNA molecules of specific sequence represented in the hybridization mixture.
  • (iii) Several important applications of DNA-chip hybridization require hybridization of mobile probes from a very complex hybridization mixture consisting of, for example, 1,000,000 different types of oligonucleotides, at high stringency requirements. This can result in long hybridization times in which, under the chosen hybridization conditions, the probability of renaturation / association of oligonucleotides of complementary or partially complementary sequence in solution is significantly greater than the probability of formation of a hybrid molecule of mobile probe and immobilized probe with complementary sequence.

Als Konsequenz ergibt sich, daß das Markierungssignal, z.B. ein Fluoreszenzsignal, im Rauschen des Detektorsystems untergeht.When As a consequence, the Mark signal, e.g. a fluorescence signal, in the noise of the detector system goes down.

Ähnliche Probleme ergeben sich auch bei anderen Bio-Chips überall dort, wo zum Beispiel verschiedene wünschenswerte Reaktionsbedingungen nicht gleichzeitig optimiert werden können. Ferner kann es wünschenswert sein, das im Kontakt mit dem Bio-Chip befindliche Gemisch bzw. eine andere im Kontakt mit dem Bio-Chip befindliche Flüssigkeit, z.B. eine Waschlösung, einer kontrollierten, insbesondere periodischen, Konvektionsbewegung zu unterziehen. Bei den üblichen geringen Volumina des Gemisches bzw. der für die Aufnahme des/der Bio-Chips) bestimmten Kammer können solche nach dem Stand der Technik vorgenommene Konvektionsbewegungen, beispielsweise durch Pipettieren, zu nicht optimalen Resultaten führen, z.B. unerwünschten Materialverlusten.Similar Problems arise with other organic chips everywhere, where, for example, various desirable ones Reaction conditions can not be optimized simultaneously. Furthermore, can it desirable be in contact with the bio-chip mixture or a other liquid in contact with the biochip, e.g. a washing solution, a controlled, in particular periodic, convection movement to undergo. In the usual small volumes of the mixture or for the inclusion of the / the bio-chip) certain chamber can such convection movements made according to the state of the art, for example, by pipetting, not optimal results to lead, e.g. undesirable Material losses.

DE 39 25 093 C2 betrifft eine Vorrichtung zur quantitativen Fraktionierung von an magnetische Partikel (Beads) gebundenem biologischem Material, mittels der sogenannten Lorentzkraft, wobei als Trennparameter die elektrische Leitfähigkeit im Magnetfeld dient. US 5 685 966 A beschreibt ein System zur magnetohydrodynamischen Bewegung von Flüssigkeiten. US 5 632 876 A beschreibt die Kombination von elektro-osmotischen und elektrohydrodynamischen Pumpen in einem Mikrokanal, wobei sowohl polare als auch nicht polare Flüssigkeiten entlang diesen Kanals bewegt werden können. WO 96/04547 beschreibt ein Mikrochiplaborsystem und Verfahren zum elektrokinetischen Transport von Reaktionsgemischen unter Verwendung von Kapillarelektrophorese und Elektrochromatographie. DE 39 25 093 C2 relates to a device for the quantitative fractionation of biological particles bound to magnetic particles (beads), by means of the so-called Lorentz force, the electrical conductivity in the magnetic field being used as separation parameter. US 5 685 966 A describes a system for the magnetohydrodynamic movement of liquids. US 5,632,876 A describes the combination of electro-osmotic and electrohydrodynamic pumps in a microchannel, where both polar and non-polar liquids can be moved along this channel. WO 96/04547 describes a microchip laboratory system and method for electrokinetic transport of reaction mixtures using capillary electrophoresis and electrochromatography.

Um die oben genannten Nachteile der im Stand der Technik bekannten Verfahren zu überwinden, ist es im Falle von Hybridisierungsreaktionen erforderlich, bei den Messungen der Hybridisierungssignale der einzelnen Features das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) nachhaltig zu steigern, ohne die Stringenzanforderungen vermindern zu müssen. Ähnliche Anforderungen entstehen, wenn z.B. die Assoziationsreaktionen von Proteinen oder anderen Verbindungen als mobile Sonden zu Polyaminosäuren oder Antikörpern verbessert werden sollen.Around the above-mentioned disadvantages of the known in the art Overcome procedures it is required in case of hybridization reactions the measurements of the hybridization signals of the individual features the signal-to-noise ratio (SNR) sustainably without diminishing the stringency requirements have to. Similar Requirements arise when e.g. the association reactions of Proteins or other compounds as mobile probes to polyamino acids or antibodies to be improved.

Allgemein, das heißt mit Hilfe von im Stand der Technik bekannten Verfahren, kann dies so geschehen, daß das Rauschen gesenkt und/oder die Signalstärke erhöht wird. Zum Beispiel kann bei Verwendung von fluoreszenzmarkierten mobilen Sonden und gegebenem DNA-Chip nach Hybridisierung das SNR-Verhältnis verbessert werden durch: Optimierte Fluoreszenzanregung durch Anregungslichtquellen erhöhter Intensität im Absorptionsmaximum der zur Markierung verwandten Fluorochrome; Verminderung der Ausbleichung der Fluorochrome durch Verwendung von Zwei- oder Multiphotonenanregung; Sammlung des vom Feature abgestrahlten Fluoreszenzlichtes durch Optiken hoher Numerischer Apertur; Verminderung optischer Elemente im Detektionsstrahlengang, welche die Fluoreszenzausbeute vermindern; Verwendung von Fluoreszenzdetektoren erhöhter Quantenausbeute; gekühlte Fluoreszenzdetektoren; verbesserte Abstimmung der Vergrößerungsfaktoren des optischen Detektionssystems zwischen der Feature-Größe in der Objektebene und der Pixelgröße in der Ebene des Detektionssystems; verbesserte Auswertungsalgorithmen der erhaltenen digitalen Fluoreszenzbilder des DNA-Chips.Generally, this means This can be done using techniques known in the art to happen that way Noise is reduced and / or the signal strength is increased. For example, can using fluorescently labeled mobile probes and given DNA chip after hybridization the SNR ratio can be improved by: Optimized fluorescence excitation by excitation light sources of increased intensity in the absorption maximum of fluorochrome related labels; Reduction of bleaching the fluorochromes by using two or multiphoton excitation; collection of the fluorescence light emitted by the feature through optics higher Numerical aperture; Reduction of optical elements in the detection beam path, which reduce the fluorescence yield; Use of fluorescence detectors increased Quantum yield; chilled Fluorescence detectors; improved tuning of magnification factors of the optical detection system between the feature size in the Object level and the pixel size in the Level of the detection system; improved evaluation algorithms the obtained digital fluorescence images of the DNA chip.

Andere Möglichkeiten, um die oben gennanten Nachteile zu überwinden, betreffen den DNA-Chip selbst und die Hybridisierung der mobilen Sonden an die immobilisierten Sonden in den Features. Beispielsweise können zur Markierung Fluorochrome mit erhöhter Photostabilität eingesetzt werden; der Markierungsgrad der mobilen Sonden kann erhöht werden; die Gesamtzahl bzw. Konzentration der immobilisierte Sonden in einem Feature kann erhöht werden, usw.Other Options, In order to overcome the above mentioned disadvantages, the DNA chip is concerned itself and the hybridization of the mobile probes to the immobilized ones Probes in the features. For example, fluorochromes can be used for labeling with elevated photostability be used; the degree of labeling of the mobile probes can be increased; the total number or concentration of immobilized probes in one Feature can be increased be, etc.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, neue Systeme bereitzustellen, die allgemein verwendbar sind, um Reaktionen zwischen zwei Reaktionspartnern, wie z.B. Biomolekülen in Features von Bio-Chips, durchzuführen, bei denen, wie vorstehend beschrieben mehrere Schritte wie beispielsweise im Falle von DNA-Molekülen Denaturierung/Hybridisierung sequentiell und/oder periodisch durchlaufen werden, wobei die oben genannten Nachteile bisher bekannter Verfahren überwunden werden.Thus, it is an object of the present invention to provide novel systems that are generally useful for carrying out reactions between two reactants, such as biomolecules in features of bio-chips, in which, as described above, several steps, such as in the case of DNA Molecules denaturation / hybridization sequentially and / or peri be traversed odisch, wherein the above-mentioned disadvantages of previously known methods are overcome.

Die obige Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Gegenstände der vorliegenden Erfindung gelöst.The The above object is achieved by the objects characterized in the claims solved present invention.

Die Figuren zeigen:The Figures show:

1A ist die schematische Darstellung eines horizontalen Querschnitts einer erfindungsgemäßen mikrohydrodynamischen Reaktionskammer zur Durchführung von Reaktionen mit Features auf Bio-Chips. Zu sehen sind die ringförmige Innenelektrode (E1, hier positiv (+) geladen) mit dem Außendurchmesser 2r0, die ringförmige Außenelektrode (E2, hier negativ (-) geladen) mit dem Innendurchmesser 2R sowie die Kompartimente I (I) und II (II). Die Pfeile bezeichnen die Richtung des mikrohydrodynamischen Transports der mobilen Sonden. 1A is the schematic representation of a horizontal cross section of a microhydrodynamic reaction chamber according to the invention for carrying out reactions with features on bio-chips. The ring-shaped inner electrode (E1, here positive (+) charged) with the outer diameter 2r 0 , the annular outer electrode (E2, here negative (-) charged) with the inner diameter 2R and the compartments I (I) and II (II ). The arrows indicate the direction of microhydrodynamic transport of the mobile probes.

1B ist die schematische Darstellung eines vertikalen Querschnitts durch dieselbe Reaktionskammer mit den Kompartimenten I und II wie 1A. Zusätzlich zu den Elektroden sind hier die Grundfläche FG und die obere Abschlußfläche FO, die sich in der Höhe HZ über der Grundfläche befindet, zu sehen. Ein Teil der Abschlußfläche des Kompartiments I ist als transparentes Fenster Fe ausgebildet. Über dem Fenster ist eine Detektionseinrichtung O angedeutet, die beispielsweise aus einer Anregungs- und Detektionsoptik oder anderen Biosensoren bestehen kann. Auf der Grundfläche sind die Bio-Chips (BC) angeordnet, unter diesen befinden sich die Mikrosensoren (1,2), z.B. aktive Elemente beispielsweise zur Kühlung und/oder Heizung oder Bestimmung der Ionenkonzentration. Das Niveau des Reaktionsgemisches befindet sich in der Höhe hF über der Grundfläche. Die Richtung des magnetischen Feldes B und des elektrischen Feldes E sind angegeben. 1B is the schematic representation of a vertical cross section through the same reaction chamber with the compartments I and II as 1A , In addition to the electrodes, the base area F G and the upper closing surface F O , which is located at the height H Z above the base area, can be seen here. A part of the end face of the compartment I is formed as a transparent window Fe. Above the window, a detection device O is indicated, which may for example consist of an excitation and detection optics or other biosensors. The Bio-Chips (BC) are arranged on the base, below these are the microsensors ( 1 . 2 ), eg active elements for example for cooling and / or heating or determination of the ion concentration. The level of the reaction mixture is in the height h F above the base. The direction of the magnetic field B and the electric field E are indicated.

Insbesondere wird ein Verfahren zur Durchführung von Reaktionen zwischen mindestens zwei Reaktionspartnern in wäßrigen Reaktionsgemischen bereitgestellt, bei dem mindestens ein Reaktionspartner Reaktionsbereiche mit unterschiedlichen Reaktionsbedingungen durchläuft und mindestens ein Reaktionspartner immobilisiert ist, wobei die Reaktionsgemische magnetohydrodynamisch und kreisförmig bewegt werden.Especially becomes a procedure to carry out provided by reactions between at least two reactants in aqueous reaction mixtures, in which at least one reaction partner reaction areas with different Undergoes reaction conditions and at least one reactant is immobilized, wherein the Reaction mixtures magnetohydrodynamically and circularly moved become.

Der Begriff "Reaktionsbedingungen" umfaßt sämtliche physikalische Bedingungen wie beispielsweise Temperatur, Druck usw. als auch die chemischen Bedingungen wie beispielsweise Ionenkonzentration, -stärke und -zusammensetzung, pH-Wert usw. der jeweiligen Reaktionsgemische.Of the Term "reaction conditions" includes all physical conditions such as temperature, pressure, etc. as well as the chemical conditions such as ion concentration, -Strength and composition, pH, etc. of the respective reaction mixtures.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Reaktionsbereiche Kompartimente, die räumlich so voneinander getrennt sind, daß sich die in ihnen herrschenden Reaktionsbedingungen gegenseitig nicht beeinflussen.According to one preferred embodiment the reaction areas compartments, which are spatially separated from each other are that yourself the reaction conditions prevailing in them are not mutually exclusive influence.

Der Begriff "Kompartiment" bezeichnet allgemein einen Reaktionsbereich, der räumlich von der Umgebung abgeschlossen ist, jedoch über eine Öffnung oder einen Durchlaß o.ä. verfügt, so daß er bei Bedarf, wie beispielsweise zur Überführung von Reaktionsgemischen, mit der Umgebung oder mit anderen Reaktionsbereichen bzw. Kompartimenten Stoffe austauschen kann. Insbesondere bedeutet der Begriff "Kompartiment" einen räumlich abgegrenzten Reaktionsbereich, der jedoch über einen Austauschbereich verfügt, mit der eine Überführung von Reaktionsgemischen zwischen verschiedenen Kompartimenten möglich ist.Of the Term "compartment" generally refers to a reaction area that spatially completed by the environment, but via an opening or a passage o.ä. so that he can, if necessary, such as for the transfer of Reaction mixtures, with the environment or with other reaction areas or compartments can exchange substances. In particular, means the term "compartment" means a spatially delimited reaction area, but over has an exchange area, with an overpass of Reaction mixtures between different compartments is possible.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist mindestens ein Reaktionspartner an einer Fläche eines Reaktionsbereichs oder eines Kompartiments immobilisiert, und die Reaktion zwischen den Reaktionspartnern ist eine Bindungsreaktion.According to one another preferred embodiment the method according to the invention is at least one reaction partner on one face of a reaction zone or a compartment immobilized, and the reaction between the reactants is a binding reaction.

Der Begriff "Bindungsreaktion" umfaßt jede Art von chemischer und physikalischer Assoziationsreaktion zwischen zwei Molekülen, wie beispielsweise kovalenter Bindung, Wasserstoffbrückenbindungen, hydrohobe Wechselwirkungen, Van-der-Waals-Wechselwirkungen usw.Of the The term "binding reaction" includes any type of chemical and physical association reaction between two molecules, such as covalent bonding, hydrogen bonds, hydrohobic interactions, van der Waals interactions, etc.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte

  • (a) Halten mindestens eines Reaktionspartners in einem Reaktionsgemisch unter ersten Reaktionsbedingungen in einem Kompartiment I,
  • (b) Halten der mobilen und immobilisierten Reaktionspartner in einem Reaktionsgemisch unter zweiten Reaktionsbedingungen im Kompartiment I, wobei eine Bindungsreaktion zwischen den Reaktionspartnern stattfindet,
  • (c) Überführen des Reaktionsgemisches mit den nicht gebundenen Molekülen des mobilen Reaktionspartners in ein Kompartiment II, (d) Halten des mobilen Reaktionspartners von Schritt (c) unter dritten Reaktionsbedingungen, die gleich denen von Schritt (a) sein können, im Kompartiment II,
  • (e) Überführen des mobilen Reaktionspartners von Schritt (d) in das Kompartiment I und gegebenenfalls
  • (f) Wiederholen der Schritte (b) bis (e) bis eine vorgegebene Abbruchsbedingung erfüllt ist.
In a further preferred embodiment, the method according to the invention comprises the steps
  • (a) keeping at least one reactant in a reaction mixture under first reaction conditions in a compartment I,
  • (b) maintaining the mobile and immobilized reactants in a reaction mixture under second reaction conditions in compartment I, whereby a binding reaction takes place between the reactants,
  • (c) transferring the reaction mixture with the unbound molecules of the mobile reactant to a compartment II, (d) maintaining the mobile reactant of step (c) under third reaction conditions which may be the same as those of step (a) in compartment II,
  • (e) transferring the mobile reactant from step (d) to compartment I and optionally
  • (f) repeating steps (b) through (e) until a predetermined cancellation condition is met.

Der Begriff "Abbruchsbedingung" kann jede mit der Bindungsreaktion in Zusammenhang stehende Bedingung wie beispielsweise die Erreichung einer bestimmten, im Zusammenhang mit der Bindungsreaktion zu erreichende Größe oder Wert oder Änderung eines Parameters sein. Solche Parameter können beispielsweise die Anzahl an gebundenen Molekülen der mobilen und die immobilisierten Reaktionspartner, Änderung des oder Erreichen eines bestimmten physikalisch-chemischen Parameters wie beispielsweise pH-Wert, Ionenzusammensetzung und/oder Ionenstärke, Temperatur, Druck usw. sein.The term "termination condition" can be any condition associated with the binding reaction, such as the achievement of a particular, related to the bin reaction magnitude to be achieved or value or change of a parameter. Such parameters may include, for example, the number of bound molecules of the mobile and the immobilized reactants, changing or reaching a particular physicochemical parameter such as pH, ionic composition and / or ionic strength, temperature, pressure, etc.

In bevorzugten Ausführungsformen des vorstehenden Verfahrens können zwischen den Schritten (c) und (d) zusätzlich Schritte der Detektion und Auswertung der Reaktion und/oder zwischen den Schritten (b) und (c) zusätzlich ein oder mehrere Waschschritte durchgeführt werden.In preferred embodiments of the above method additional steps of detection between steps (c) and (d) and evaluation of the reaction and / or between the steps (b) and (c) additionally one or more washes are performed.

Desweiteren können beim vorstehend beschriebenen Verfahren weitere Kompartimente mit denselben oder anderen Reaktionsbedingungen als in den Kompartimenten I und II von den mobilen und/oder immobilisierten Reaktionspartnern durchlaufen werden.Furthermore can in the method described above, further compartments with the same or other reaction conditions than in the compartments I and II by the mobile and / or immobilized reactants become.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Kompartimente so angeordnet, daß die Überführung des Reaktionsgemisches in den Schritten (c) und (e) auf derselben Bewegungsbahn verläuft, jedoch die Bewegungsrichtung entgegengesetzt ist. In einer weiteren Ausführungsform können die Kompartimente so angeordnet sein, daß die Überführung des Reaktionsgemisches in den Schritten (c) und (e) auf einer kreisförmigen Bewegungsbahn in jeweils der gleichen Bewegungsrichtung verläuft.In a further preferred embodiment the method according to the invention the compartments are arranged so that the transfer of the reaction mixture in steps (c) and (e) is on the same trajectory, however the direction of movement is opposite. In a further embodiment can the compartments should be arranged so that the transfer of the reaction mixture in steps (c) and (e) on a circular trajectory in each case the same direction of movement runs.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft Reaktionen, die unter Mikrobedingungen ablaufen, wobei das Reaktionsvolumen in den Kompartimenten nicht größer als etwa 150 μl, mehr bevorzugt nicht kleiner als 20 μl und nicht größer als 100 μl, ist. Solche Mikrobedingungen sind beispielsweise bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform des Verfahrens anzutreffen, bei der die Reaktionspartner Biomoleküle sind.A preferred embodiment the method according to the invention refers to reactions that take place under micro conditions, where the reaction volume in the compartments is not greater than about 150 μl, more preferably not smaller than 20 μl and not larger than 100 μl, is. Such micro-conditions are for example in another inventive embodiment the method in which the reactants are biomolecules.

Bevorzugterweise sind die Biomoleküle aus der Gruppe der Nukleinsäuren und/oder Polypeptide ausgewählt. Der Begriff "Nukleinsäure" bedeutet native, halbsynthetische oder modifizierte Nukleinsäuremoleküle aus Desoxyribonukleotiden und/oder Ribonukleotiden und/oder modifizierten Nukleotiden wie Aminonukleotiden oder [-S]-Triphosphatnukleotiden. Im Falle von Nukleinsäuren ist die Bindungsreaktion eine Hybridisierung. In Fall der Hybridisierung von Nukleinsäuren werden die entsprechenden Reaktionsgemische "Hybridisierungsgemische" genannt.preferably, are the biomolecules from the group of nucleic acids and / or polypeptides selected. The term "nucleic acid" means native, semisynthetic or modified nucleic acid molecules from deoxyribonucleotides and / or ribonucleotides and / or modified nucleotides such as Aminonucleotides or [-S] -triphosphate nucleotides. In the case of nucleic acids the binding reaction is a hybridization. In case of hybridization of nucleic acids the corresponding reaction mixtures are called "hybridization mixtures".

Der Begriff "Hybridisierung" bedeutet die Anlagerung zweier Nukleinsäuren aufgrund von spezifischen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basenpaaren sowie unspezifischen hydrophoben Wechselwirkungen durch die sog. Basenstapelung innerhalb des Hybridmoleküls. Die Anlagerung erfolgt meist dadurch, daß die entsprechenden Nukleinsäuremoleküle zuvor reversibel denaturiert, beispielsweise durch die Erhöhung der Temperatur auf einen bestimmten Wert wie beispielsweise über den sog. Schmelzpunkt der jeweiligen Nukleinsäurespezies oder durch Änderung des pH-Werts usw., und danach renaturiert werden, z.B. durch Absenken der Temperatur um einen bestimmten Wert unterhalb des Schmelzpunktes.Of the Term "hybridization" means the attachment two nucleic acids due to specific hydrogen bonds between the complementary base pairs and unspecific hydrophobic interactions by the so-called. Base stacking within the hybrid molecule. The attachment takes place usually by the fact that the corresponding nucleic acid molecules previously reversibly denatured, for example by increasing the Temperature to a certain value such as over the so-called melting point of the respective nucleic acid species or by change pH, etc., and then renatured, e.g. by lowering the temperature by a certain value below the melting point.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Polypeptide aus der Gruppe der Proteine, wie beispielsweise moklonale oder polyklonale Antikörper ausgewählt.According to one another preferred embodiment the method according to the invention are the polypeptides from the group of proteins, such as Moclonal or polyclonal antibodies selected.

Bevorzugterweise ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens ein Reaktionspartner, wie z.B. eine Nukleinsäure oder ein Antikörper, mit einer Markierung versehen.preferably, is in the inventive method at least one reactant, e.g. a nucleic acid or an antibody, provided with a mark.

Der Begriff "Markierung" bedeutet geeignete, direkt oder indirekt nachweisbare Atome oder Moleküle, die in die Moleküle der Reaktionspartner eingebaut oder damit verbunden sind. Geeignete Markierungen sind beispielsweise solche, die an Nukleotide gekoppelte Fluoreszenzfarbstoffe und/oder beispielsweise Biotin und/oder Digoxigenin und/oder mit radioaktiven Isotopen markierte Nukleotide umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Markierungsverbindung ein Fluoreszenzfarbstoff mit einer zur Selektion kleiner Substanzmengen ausreichendem Unterschied im Fluoreszenzverhalten der Emissionsspektren, wie z.B. Cumarine und Rodamine und/oder der Fluoreszenzlebensdauer wie z.B. Fluoreszenzisothiocyanate (FITC) und Europium-Chelat-markierte und/oder Porphirin-markierte Avidine.Of the Term "marking" means suitable, direct or indirectly detectable atoms or molecules that are in the molecules of the reactants installed or connected to it. Suitable markers are for example, those coupled to nucleotides fluorescent dyes and / or for example biotin and / or digoxigenin and / or with radioactive Isotope labeled nucleotides include. In a preferred embodiment the label compound is a fluorescent dye with a for the selection of small amounts of substance sufficient difference in Fluorescence behavior of the emission spectra, e.g. Coumarins and Rodamine and / or the fluorescence lifetime, e.g. Fluoreszenzisothiocyanate (FITC) and europium chelate-labeled and / or porphirin-labeled avidins.

Bevorzugte immobilisierte Biomoleküle sind solche die in wie oben beschriebenen sog. Features von Bio-Chips, wie beispielsweise DNA-Chips vorliegen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegen die Biomoleküle in Form ganzer Zellen oder Teilen davon, wie beispielsweise chromosomale DNA, insbesondere Metaphasechromosomen, vor. Im Falle von ganzen Zellen handelt es sich bei der Hybridisierung zwischen den Nukleinsäuren in den Zellen um eine "in situ-Hybridisierung".preferred immobilized biomolecules are those in the so-called. Features described above of bio-chips, such as DNA chips are present. In a further preferred Embodiment lie the biomolecules in the form of whole cells or parts thereof, such as chromosomal DNA, especially metaphase chromosomes, before. In the case of whole cells is the hybridization between the nucleic acids in the cells around a "in situ hybridization. "

Die Optimierung der Reaktionsdurchführung zwischen den Reaktionspartnern betrifft im Falle von Bio-Chips die Assoziationsreaktionen auf dem Bio-Chip selbst, insbesondere von Hybridisierungsreaktionen auf DNA-Chips selbst. Sie geht von Bedingungen, insbesondere von Hybridisierungsbedingungen aus, bei denen die gewünschte Verbindung einer mobilen Sonde bestimmter Sequenz bzw. Zusammen setzung mit einer immobilisierten Sonde bestimmter komplementärer Sequenz bzw. Aminosäuresequenz im wesentlichen nur zwischen einer einzelsträngigen mobilen Sonde und einer einzelsträngigen immobilisierten Sonde erfolgt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden demnach mehrere Ziele erreicht:

  • (1) Die Konzentration von mobilen Sonden und immobilisierten Sonden vor der Hybridisierungs-Bindung wird soweit als möglich aufrecht erhalten, d.h. die Verminderung der Konzentration von mobilen Sonden sowie gegebenenfalls von immobilisierten Sonden, zum Beispiel durch Renaturierung von DNA-Molekülen komplementärer Sequenz im Hybridisierungsgemisch, wird verhindert bzw. vermindert, ohne die erwünschten (stringenten) Assoziationsreaktionen zwischen mobilen Sonden und immobilisierten Sonden zu beeinträchtigen.
  • (2) Eine erfolgte Zusammenlagerung von (vor der Bindung) mobilen Sonden mit immobilisierten Sonden, zum Beispiel von einzelsträngigen DNA-Molekülen als mobilen Sonden mit DNA-Molekülen komplementärer Sequenz als immobilisierte Sonden zu doppelsträngigen Hybridmolekülen wird aufrecht erhalten.
The optimization of the reaction procedure between the reaction partners in the case of bio-chips concerns the association reactions on the bio-chip itself, in particular of hybridization reactions to DNA chips themselves. It starts from Be conditions, in particular of hybridization conditions in which the desired compound of a mobile probe of certain sequence or composition with an immobilized probe of certain complementary sequence or amino acid sequence essentially takes place only between a single-stranded mobile probe and a single-stranded immobilized probe. Accordingly, the method according to the invention achieves several objectives:
  • (1) The concentration of mobile probes and immobilized probes prior to hybridization binding is maintained as much as possible, ie the reduction of the concentration of mobile probes and possibly immobilized probes, for example by renaturation of DNA molecules of complementary sequence in the hybridization mixture, is prevented or reduced without affecting the desired (stringent) association reactions between mobile probes and immobilized probes.
  • (2) Accumulation of (before binding) mobile probes with immobilized probes, for example, single-stranded DNA molecules as mobile probes with complementary sequence DNA molecules as immobilized probes to double-stranded hybrid molecules is maintained.

Im folgenden soll die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe an einer bevorzugten Anwendung dargestellt werden, der Verbesserung von Hybridisierungsreaktionen auf DNA-Chips.in the Following is the solution the task of the invention in a preferred application, the improvement of hybridization reactions to DNA chips.

Die derzeit verwendeten Hybridisierungsverfahren beruhen darauf, daß das Hybridisierungsgemisch mit den als mobile Sonden dienenden denaturierten DNA-Molekülen auf den DNA-Chip mit den dort befindlichen denaturierten oder bereits einzelsträngigen immobilisierten DNA-Molekülen als immobilisierten Sonden aufgebracht wird. In einer Variante dieses Verfahrens wird das Hybridisierungsgemisch bereits vor der Denaturierung mit den auf dem DNA-Chip fixierten immobilisierten Sonden zusammengebracht. Anschließend wird das aus Hybridisierungsgemisch und DNA-Chip bestehende System einer denaturierenden thermischen Behandlung unterzogen, und dann auf eine die Hybridisierung erlaubende Temperatur abgekühlt. Dieses Verfahren erfüllt die vorstehend genannte Bedingung (ii). Aufgrund der Re naturierung/Assoziation von DNA-Molekülen komplementärer oder teilweise komplementärer Sequenz im Hybridisierungsgemisch selbst nimmt jedoch die Anzahl der für eine Hybridisierung zur Verfügung stehenden mobilen Sonden ständig ab. Wie die oben angegebene Beispielrechnung zeigt, kann das Verhältnis von mobilen Sonden im Hybridisierungsgemisch zu immobilisierten Sonden komplementärer Sequenz in den Features hohe Werte annehmen, d.h. die Wahrscheinlichkeit einer Renaturierung bereits im Hybridisierungsgemisch zwischen mobilen Sonden mit komplementärer Sequenz kann sehr viel größer sein als die Wahrscheinlichkeit einer Hybridisierung zwischen mobilen Sonden und immobilisierten Sonden. Im Hybridisierungsgemisch renaturierte DNA-Moleküle stehen jedoch nicht mehr als mobile Sonden für den Prozeß der Hybridisierung an immobilisierte Sonden zur Verfügung, mit der möglichen (hier nicht relevanten) Ausnahme der Bildung von Dreifach-DNA-Strängen.The Currently used hybridization methods based on the fact that the hybridization mixture with the denatured DNA molecules serving as mobile probes the DNA chip with the there denatured or already single immobilized DNA molecules is applied as immobilized probes. In a variant of this Procedure, the hybridization mixture already before denaturation brought together with the immobilized probes fixed on the DNA chip. Subsequently becomes the hybridization mixture and DNA chip system subjected to a denaturing thermal treatment, and then cooled to a temperature allowing hybridization. This Procedure fulfilled the above condition (ii). Due to the renaturation / association of DNA molecules complementary or partially complementary Sequence in the hybridization mixture itself, however, decreases the number the for a hybridization available standing mobile probes constantly from. As the example calculation above shows, the ratio of mobile probes in the hybridization mixture to immobilized probes complementary Sequence in the features take high values, i. the probability a renaturation already in the hybridization mixture between mobile Probes with complementary Sequence can be much larger as the probability of hybridization between mobile Probes and immobilized probes. Renatured in the hybridization mixture DNA molecules however, are no longer considered mobile probes for the process of hybridization to immobilized Probes available, with the possible (not relevant here) exception of the formation of triple DNA strands.

Als Konsequenz dieser physikalisch-chemisch bedingten Reaktionen können die beiden vorstehend genannten Aufgaben (1) und (2) bei den Hybridisierungsverfahren nach dem Stand der Technik nicht gleichzeitig optimiert werden: So erfordert eine Aufrechterhaltung der Konzentration an mobilen Sonden, d.h. an (typischerweise markierten) einzelsträngigen DNA-Molekülen im Hybridisierungsgemisch bzw. der Konzentration an immobilisierten Sonden, d.h. (wo relevant) der immobilisierten einzelsträngigen DNA-Moleküle auf den Features, eine erhöhte Temperatur bzw. eine entsprechende chemische Zusammensetzung des Hybridisierungsgemisches. Die Aufrechterhaltung der doppelsträngigen Hybridmoleküle hingegen erfordert geringere Temperaturen bzw. eine andere chemische Zusammensetzung des Hybridisierungsgemisches.When The consequence of these physicochemical reactions is the both tasks mentioned above (1) and (2) in the hybridization method not optimized at the same time according to the state of the art: Thus, maintaining the concentration of mobile probes requires i.e. on (typically labeled) single-stranded DNA molecules in the hybridization mixture or the concentration of immobilized probes, i. (where relevant) the immobilized single-stranded DNA molecules on the features, an increased Temperature or a corresponding chemical composition of Hybridization mixture. The maintenance of the double-stranded hybrid molecules, however requires lower temperatures or a different chemical composition of the hybridization mixture.

Die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems besteht darin, unter den für DNA-Chip-Hybridisierungen typischen Mikrobedingungen (Reaktionsvolumina in der Größenordung von z. B. 50 bis 100 μl), das erfindungsgemäße Verfahren in Form der folgenden Schritte durchzuführen:

  • (A) Das Hybridisierungsgemisch und gegebenenfalls die in einem Kompartiment I befindlichen DNA-Chip-Features zunächst einer stark erhöhten Denaturierungstemperatur TD auszusetzen [gemäß obigem Schritt (a)], so daß eine Denaturierung der im Hybridisierungsgemisch befindlichen DNA-Moleküle und damit die Bildung der mobilen Sonden bewirkt wird; dasselbe Verfahren führt, soweit noch erforderlich, zur Denaturierung der auf den Features befindlichen DNA-Moleküle, d.h. zu der Bildung der immobilisierten Sonden.
  • (B) Nach Abschluß der ersten Denaturierungsphase das Hybridisierungsgemisch und die DNA-Chip Features in dem Kompartiment I bei einer niedrigeren Hybridisierungstemperatur TH gemäß obigem Schritt (b) miteinander reagieren zu lassen, so daß Hybridmoleküle von immobilisierten Sonden mit (vor der Bindung) mobilen Sonden komplementärer Sequenz mit der gewünschten Stringenz gebildet werden.
  • (C) Das Hybridisierungsgemisch mit den nicht gebundenen DNA-Molekülen vom Hybridisierungsort gemäß obigem Schritt (c) zu entfernen und in einem räumlich getrennten Kompartiment II wiederum einer denaturierenden thermischen Einwirkung auszusetzen [gemäß obigem Schritt (d)], z.B. bei der oben genannten Temperatur TD. Statt thermischen Veränderungen oder zusätzlich zu diesen können auch lokale chemische oder physikalische Einwirkungen, z.B. durch lokale Änderungen von pH, Ionen-Milieu, Ladungsverhältnissen etc., erfolgen.
  • (D) Das neu denaturierte Hybridisierungsgemisch von Schritt (C) aus dem Kompartiment II wiederum an den Ort der DNA-Chip Features in Kompartiment I gemäß obigem Schritt (e) zu verbringen und dort unter Hybridisierungsbedingungen wiederum reagieren zu lassen, z.B. unter den Bedingungen von Schritt (B) bei der Hybridisierungstemperatur TH. Zulässig sind alle Bedingungen, die eine Hybridisierungsreaktion mit der gewünschten Stringenz ermöglichen. Die beiden Kompartimente können sich demnach anstatt oder zusätzlich zu thermischen Unterschieden auch in anderen lokalen physikalisch-chemischen Parametern unterscheiden.
  • (E) Das Verfahren gemäß obigem Schritt (f) solange zu wiederholen, bis eine optimale oder vorgesehene Abbruchsbedingung erfüllt ist. Eine solche Abbruchbedingung kann z.B. durch eine bestimmte Signalstärke von einzelnen oder mehreren Features, z.B. mit einer oder mehreren Kontrollsequenz(en), realisiert werden, durch eine bestimmte Zeitvorgabe für den Gesamtprozeß, durch bestimmte Mikrosensorwerte, etc.
The solution according to the invention of this problem is to carry out the method according to the invention in the form of the following steps under the microcircuits typical of DNA chip hybridizations (reaction volumes of the order of, for example, 50 to 100 μl):
  • (A) The hybridization mixture and optionally the present in a compartment I DNA chip features initially exposed to a greatly increased denaturation temperature T D [according to step (a)] above, so that a denaturation of the DNA molecules present in the hybridization mixture and thus the formation the mobile probe is effected; The same procedure leads, if still necessary, to the denaturation of the DNA molecules located on the features, ie to the formation of the immobilized probes.
  • (B) After completion of the first denaturation phase, allowing the hybridization mixture and the DNA chip features in the compartment I to react with one another at a lower hybridization temperature T H according to step (b) above, such that hybrid molecules of immobilized probes with (before binding) mobile Probes complementary sequence can be formed with the desired stringency.
  • (C) to remove the hybridization mixture with the unbound DNA molecules from the hybridization site according to step (c) above and in a spatially separated compartment II such as in order to suspend a denaturing thermal action [according to step (d) above], eg at the above-mentioned temperature T D. Instead of thermal changes or in addition to these also local chemical or physical effects, eg by local changes of pH, ion environment, charge ratios, etc., take place.
  • (D) to spend the newly denatured hybridization mixture of step (C) from the compartment II again to the location of the DNA chip features in compartment I according to step (e) above and react there again under hybridization conditions, for example under the conditions of Step (B) at the hybridization temperature T H. All conditions that allow a hybridization reaction with the desired stringency are permissible. Accordingly, the two compartments may differ in other local physico-chemical parameters instead of or in addition to thermal differences.
  • (E) Repeating the procedure of the above step (f) until an optimal or intended termination condition is satisfied. Such a termination condition can be realized, for example, by a specific signal strength of individual or multiple features, eg with one or more control sequences, by a specific time specification for the overall process, by specific microsensor values, etc.

Nach Beendigung des periodischen Verfahrens und gegebenenfalls einem oder mehreren Waschschritten zur Entfernung nichtgebundener mobiler Sonden und/oder zur Erhöhung der Stringenz werden die erhaltenen Hybridisierungssignale detektiert, wobei das Verfahren mit beliebigen Detektionsverfahren kombiniert werden kann.To Termination of the periodic procedure and, if necessary, one or several washes to remove unbound mobile Probes and / or to increase the stringency, the resulting hybridization signals are detected, the method combines with any detection methods can be.

Wie die vorstehend im Stand der Technik bekannten Beispiele zeigen, ist es insbesondere aus ökonomischen Gründen (Menge der benötigten markierten DNA) sowie diagnostischen Gründen (wie zum Beispiel die begrenzte Verfügbarkeit von DNA/RNA bei geringen Zellmengen) wichtig, mit geringen Substanzmengen bzw. Volumina des Hybridisierungsgemisches auszukommen. Die im Stand der Technik erwähnten Beispiele zeigen, daß bei der erfindungsgemäßen Lösung des Problems besondere Mikrobedingungen zu erfüllen sind, wie zum Beispiel ein Gesamtreaktionsvolumen von nur 100 μl. Die Distanz zwischen den Kompartimenten I und II D(I-II) wird so gewählt, daß eine für die Zwecke des Hybridisierungsverfahrens ausreichende thermische oder sonstige physikalisch-chemische Isolierung der Kompartimente I und II erreicht werden kann, d.h. daß die in Kompartiment II herrschende Denaturierungstemperatur TD nicht zu einer unerwünschten Erhöhung der Temperatur TH in Kompartiment I führt. Entsprechendes gilt für die ausreichende Isolierung der Kompartimente bei Verwendung anderer physikalisch-chemischer Parameter. Um dies und die gewünschten Temperaturen in Kompartiment I und Kompartiment II zu erreichen, werden in den Kompartimenten bzw. in geeigneter räumlicher Beziehung zu ihnen aktiv kühlende (z.B. Peltier-Elemente) bzw. heizende Elemente (z.B. Ohmsche Leiter) angebracht. Die Heizung kann gegebenenfalls auch durch einen fokussierten Laserstrahl erfolgen. Die Temperatur und andere für die Hybridisie rungsreaktion wichtige Parameter, wie z.B. Ionenkonzentration, pH, elektrische Ladung der Features, können durch Mikrosensorsysteme gemessen und zur Kontrolle verwendet werden. Eine bevorzugte Vorrichtung sieht vor, die Mikrosensorsysteme entweder dicht oberhalb oder dicht unterhalb der DNA-Chip Ebene anzubringen, um die jeweils andere Seite für die Detektion der Hybridisierungsorte auf den Features zu verwenden. Entsprechende lokale Festsetzungen sind auch für andere physikalisch-chemische Parameter möglich, z.B. durch Ionen freisetzende oder entziehende lokal gebundene Speichermoleküle in den Kompartimenten.As the examples known in the prior art show, it is particularly important for economic reasons (amount of labeled DNA required) and diagnostic reasons (such as the limited availability of DNA / RNA at low cell levels), with small amounts of substance or volumes get along the hybridization mixture. The examples mentioned in the prior art show that in the solution of the problem according to the invention special micro-conditions are to be fulfilled, such as a total reaction volume of only 100 μl. The distance between the compartments I and II D (I-II) is chosen so that sufficient for the purposes of the hybridization process thermal or other physical-chemical isolation of the compartments I and II can be achieved, ie that prevailing in compartment II denaturation T D does not lead to an undesirable increase in temperature T H in compartment I. The same applies to the sufficient isolation of the compartments when using other physical-chemical parameters. In order to achieve this and the desired temperatures in compartment I and compartment II, actively cooling (eg Peltier elements) or heating elements (eg ohmic conductors) are placed in the compartments or in a suitable spatial relationship with them. If necessary, the heating can also be effected by a focused laser beam. The temperature and other parameters important for the hybridization reaction, such as ion concentration, pH, electrical charge of the features, can be measured by microsensor systems and used as controls. A preferred device is to mount the microsensor systems either just above or just below the DNA chip level to use the other side for the detection of hybridization sites on the features. Corresponding local definitions are also possible for other physical-chemical parameters, for example by ion-releasing or withdrawing locally bound storage molecules in the compartments.

Eine wiederholte (periodische) Durchführung der Verfahrensschritte (a) bis (f) [bzw. (C) bis (E)] mit Hilfe mikrohydrodynamischer Transporttechniken ist grundsätzlich auf zwei Weisen möglich:

  • 1. Wird die Bewegungsrichtung des Hybridisierungsgemisches von Kompartiment I nach Kompartiment II mit "I nach II" bezeichnet, so erfolgt die Bewegung des Hybridisierungsgemisches von "II nach I" grundsätzlich auf derselben Bahn, die Bewegungsrichtung ist jedoch entgegengesetzt.
  • 2. Eine weitere erfindungsgemäße Anordnung sieht vor, daß der Materialtransport zwischen den Kompartimenten I und II auch nur in einer Richtung stattfinden kann. Dies wird z.B. durch eine Anordnung der Kompartimente erreicht, die eine kreisförmige Bewegung des Hybridisierungsgemisches erlaubt. Zum Beispiel besteht die Hybridisierungsvorrichtung aus einem Zylinder mit einem Durchmesser 2R und einer Höhe h; ein Innenbereich mit dem Durchmesser 2r ist für das Hybridisierungsgemisch nicht zugänglich. Das Kompartiment I mit dem DNA-Chip sowie den zugehörigen Kühl-/Heizelementen/Mikrosensoren befindet sich mit dem Schwerpunkt z.B. in Uhrzeigerposition "12". Das Kompartiment II mit den zugehörigen Kühl/Heizelementen befindet sich z.B. in Uhrzeigerposition "6". Die Bewegung des Hybridisierungsgemisches erfolgt z.B. im Uhrzeigersinn, also von Kompartiment I nach Kompartiment II und in gleicher Richtung von Kompartiment II nach Kompartiment I.
A repeated (periodic) execution of the method steps (a) to (f) [or (C) to (E)] using microhydrodynamic transport techniques is basically possible in two ways:
  • 1. If the direction of movement of the hybridization mixture from compartment I to compartment II is referred to as "I to II", then the movement of the hybridization mixture from "II to I" always takes place on the same path, but the direction of movement is opposite.
  • 2. A further arrangement according to the invention provides that the material transport between the compartments I and II can take place only in one direction. This is achieved, for example, by an arrangement of the compartments which allows a circular movement of the hybridization mixture. For example, the hybridization device consists of a cylinder with a diameter 2R and a height h; an interior area with the diameter 2r is not accessible to the hybridization mixture. The compartment I with the DNA chip and the associated cooling / heating elements / microsensors is located with the center of gravity eg in the clockwise position "12". The compartment II with the associated cooling / heating elements is eg in clockwise position "6". The movement of the hybridization mixture takes place, for example, in a clockwise direction, ie from compartment I to compartment II and in the same direction from compartment II to compartment I.

Allgemein ist jede Anordnung zulässig, die eine periodische mikrohydrodynamische Bewegung des Hybridisierungsgemisches von Kompartiment I in Kompartiment II und wieder zurück von Kompartiment II nach Kompartiment I zuläßt, sei sie nun wie in Punkt 1. sowohl in der einen wie in der anderen Richtung möglich, oder einsinnig gerichtet (Bewegung z.B. nur in Richtung des Uhrzeigersinnes wie in Punkt 2.).In general, any arrangement permitting periodic microhydrodynamic movement of the hybridization mixture of compartment I in FIG Compartment II and back again from compartment II to compartment I allows it, as in point 1, both in one direction and in the other direction possible, or unidirectionally directed (movement only in the clockwise direction as in point 2).

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es ferner, wie oben in einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, möglich, eine geeignete Vermehrung der Anzahl der Kompartimente vorzunehmen. Beispielsweise kann ein Kompartiment I.A so ausgestattet sein, daß es DNA-Chips mit Features enthält, deren immobilisierte Sonden in ihrer Sequenz komplementär sind zu Sequenzen solcher mobilen Sonden, die für die betreffende Analyseart nicht erwünscht sind. Beispielsweise enthält ein Kompartiment I.A einen oder mehrere DNA-Chips für repetitive Sequenzen einer zu analysierenden komplexen Probe. Kompartiment I.B enthält einen oder mehrere DNA-Chips mit immobilisierten Sonden, deren Sequenzen komplementär sind zu Sequenzen solcher mobiler Sonden, die für die betreffende Analyse erwünscht sind, z.B. von interessierenden singulären DNA-Sequenzen. Durch wiederholten Durchgang des Hybridisierungsgemisches durch das Kompartiment I.A wird eine Depletion des Hybridisierungsgemisches von mobilen Sonden "unerwünschter" Sequenz (z.B. repetitiven Sequenzen) erreicht; gegenüber einer Depletion des Gemisches von mobilen Sonden vor Beginn der DNA-Chip-Hybridisierung besteht der erfindungsgemäße Vorteil in der Einsparung der hierzu erforderlichen getrennten Arbeitsschritte. Dies ist z.B. von Bedeutung bei vielfach durchgeführten diagnostischen Anwendungen in klinischen Laboratoriumsuntersuchungen, in der klinischen oder biomedizinischen Forschung, oder in der pharmazeutischen Entwicklung. Dieser Ansatz kann bei entsprechender Modifikation in erfindungsgemäßer Weise auch zu einer positiven Selektion bestimmter mobiler Sonden aus dem Hybridisierungsgemisch verwendet werden.At the inventive method it is further as above in a preferred embodiment described, possible, to make a suitable increase in the number of compartments. For example a compartment I.A may be equipped to contain DNA chips contains features whose immobilized probes in their sequence are complementary to Sequences of such mobile probes relevant to the type of analysis not wanted are. For example, contains a compartment I.A one or more DNA chips for repetitive Sequences of a complex sample to be analyzed. compartment I.B contains one or more DNA chips with immobilized probes, their sequences complementary are to sequences of such mobile probes that are desired for the analysis in question, e.g. of unique DNA sequences of interest. By repeated passage of the hybridization mixture through the compartment I.A becomes a depletion of the hybridization mixture mobile probes of "unwanted" sequence (e.g., repetitive Sequences) reached; across from a depletion of the mixture of mobile probes before the beginning of the DNA chip hybridization is the advantage of the invention in the saving of this required separate steps. This is e.g. of importance in many performed diagnostic Applications in clinical laboratory investigations, in clinical or biomedical research, or in pharmaceutical development. This approach, with appropriate modification in accordance with the invention also to a positive selection of certain mobile probes be used the hybridization mixture.

In einem weiteren Beispiel können weitere Kompartimente I.A1, I.A2, I.A3 etc. eingeführt werden, die jeweils "unerwünschte" mobile Sonden binden, gegebenenfalls bei individuell festgelegten Temperaturbedingungen TH1, TH2, TH3, etc. (oder sonsti gen physikalisch-chemischen Parametern) bzw. die solche Moleküle binden, deren Immobilisierung für eine weitere Verarbeitung erwünscht ist. Auch die Anzahl der Kompartimente I.B läßt sich in ähnlicher Weise erweitern. Der erfindungsgemäße Vorteil besteht z.B. in einer verbesserten Anpassung der Temperatur an die jeweiligen Hybridisierungsbedingungen. Beispielsweise werden in einem Kompartiment I.B1 Features von immobilisierten Sonden mit allen denjenigen Sequenzen untergebracht, die optimal bei einer Temperatur TH1 hybridisieren. In einem Kompartiment I.B2 werden Features von immobilisierten Sonden mit allen denjenigen Sequenzen untergebracht, die optimal bei einer Temperatur TH2 hybridisieren, usw. Ein zusätzliches Kompartiment III kann als Speicherkompartiment für mobile Sonden dienen. Eine erfindungsgemäße Realisierung eines solchen Speicherkompartiments kann z.B. aus Elementen einer stark vergrößerten Oberfläche bestehen, die eine reversible Affinität für die mobilen Sonden besitzen, wie z.B. ein positives/negatives elektrisches Oberflächenpotential, oder eine temperaturabhängige chemische Affinität.In a further example, further compartments I.A1, I.A2, I.A3, etc. may be introduced, each binding "unwanted" mobile probes, optionally at individually determined temperature conditions T H1 , T H2 , T H3 , etc. (or Other physical-chemical parameters) or bind those molecules whose immobilization is desired for further processing. The number of compartments IB can also be extended in a similar manner. The advantage according to the invention consists, for example, in an improved adaptation of the temperature to the respective hybridization conditions. For example, in a compartment I.B1, features of immobilized probes are housed with all those sequences that optimally hybridize at a temperature T H1 . In a compartment I.B2, features of immobilized probes are housed with all those sequences optimally hybridizing at a temperature T H2 , etc. An additional compartment III can serve as a storage compartment for mobile probes. An implementation according to the invention of such a storage compartment can consist, for example, of elements of a greatly enlarged surface, which have a reversible affinity for the mobile probes, such as a positive / negative electrical surface potential, or a temperature-dependent chemical affinity.

Die für eine gegebene DNA-Chip-Hybridisierung optimale Anzahl, Größe und Verteilung der Kompartimente hängt in besonderer Weise auch ab von der zur Verfügung stehenden Menge an Hybridisierungsgemisch (Reaktionsgemisch). Beispielsweise hat eine zylinderförmige Hybridisierungsvorrichtung mit einem Außendurchmesser von 2R = 30 mm und einem inneren (dem Hybridisierungsgemisch nicht zugänglichen) Durchmesser von 2r0 = 10 mm eine für Hybridisierungsreaktionen freie Grundfläche von 630 mm2. Bei einer angenommenen Größe eines Einzelkompartiments von 100 mm2 können demnach etwa maximal 6 Kompartimente mit dieser Grundfläche in einer so dimensionierten Hybridisierungsvorrichtung untergebracht werden. Bei einer angenommenen Flüssigkeitshöhe hF = 0,1 mm des Hybridisierungsgemisches in der Hybridisierungsvorrichtung wird bei diesem Beispiel somit ein Volumen des Hybridisierungsgemisches von 63 mm3 = 63 μl benötigt. Zum Beispiel ergibt sich demnach bei einer Konzentration an mobilen Sonden von 20 ng/μl ein Bedarf an mobilen Sonden von 1,3 μg. Bei höheren/niedrigeren Konzentrationen ergeben sich entsprechend höhere/niedrigere Werte. In gleicher Weise können die für andere gewünschte Anzahlen, Geometrien und Größen von Kompartimenten benötigten Volumina der Hybridisierungsgemische abgeschätzt werden. Für rasche diagnostische Entscheidungen unter Verwendung von Patienten-DNA aus geringen Ausgangsmengen ist beispielsweise eine Anordnung wünschenswert, welche die benötigten Mengen an mobilen Sonden minimiert. Dies ist z.B. möglich durch Reduktion der Zahl der Kompartimente, der Feature-Anzahl, der Feature-Größen usw.The optimum number, size and distribution of the compartments for a given DNA chip hybridization also depends in a particular manner on the available amount of hybridization mixture (reaction mixture). For example, a cylindrical hybridization device having an outer diameter of 2R = 30 mm and an inner (inaccessible to the hybridization mixture) diameter of 2r 0 = 10 mm has a base area of 630 mm 2 free for hybridization reactions. With an assumed size of a single compartment of 100 mm 2 , therefore, a maximum of 6 compartments with this base area can be accommodated in a hybridization device dimensioned in this way. With an assumed liquid height h F = 0.1 mm of the hybridization mixture in the hybridization device, a volume of the hybridization mixture of 63 mm 3 = 63 μl is thus needed in this example. For example, with a concentration of mobile probes of 20 ng / μl, there is a need for mobile probes of 1.3 μg. At higher / lower concentrations, correspondingly higher / lower values result. In the same way, the volumes of hybridization mixtures required for other desired numbers, geometries and sizes of compartments can be estimated. For rapid diagnostic decisions using patient DNA from low starting amounts, for example, an arrangement which minimizes the required amounts of mobile probes is desirable. This is possible, for example, by reducing the number of compartments, feature count, feature sizes, and so on.

Für die erfindungsgemäße Bewegung der üblicherweise kleinen Volumina an Hybridisierungsgemisch sind mikrohydrodynamische Verfahren vorgesehen. Erfindungsgemäß sind insbesondere Verfahren geeignet, die auf der gemeinsamen Wirkung einer elektrischen und einer magnetischen Feldkonfiguration beruhen. Im allgemeinen erlauben es derartige magnetomotorische Verfahren, bei inkompressiblen, leitenden Flüssigkeiten im Prinzip jede vom Anwender gewünschte Strömungsstruktur zu realisieren. Das wäßrige Hybridisierungsgemisch ist in sehr guter Näherung als inkompressible Flüssigkeit anzusehen. Die Ionenstärke von Hybridisierungsgemischen (typische Ionen-Konzentrationen im Bereich von 150 bis 800 mmol/I (150 bis 800 mM)) ist ebenfalls für die Bewegung des Hybridisierungsgemisches mittels elektromagnetischer Felder ausreichend. Die Anwendung der allgemeinen Prinzipien des Flüssigkeitstransportes auf die mikrohydrodynamische Bewegung beispielweise eines Hybridisierungsgemisches wie bei der DNA-Chip-Hybridisierung, erfordert jedoch die Lösung spezieller erfindungsgemäßer Aufgaben.For the movement according to the invention of the usually small volumes of hybridization mixture, microhydrodynamic processes are provided. According to the invention, methods are particularly suitable which are based on the combined effect of an electrical and a magnetic field configuration. In general, such magnetomotive methods allow to realize in principle any flow structure desired by the user in the case of incompressible, conductive liquids. The aqueous hybridization mixture is to be regarded as a very good approximation as incompressible liquid. The ionic strength of hybridization mixtures (typical ion concentrations in the range from 150 to 800 mmol / l (150 to 800 mM)) is also sufficient for the movement of the hybridization mixture by means of electromagnetic fields. However, the application of the general principles of liquid transport to the microhydrodynamic movement, for example of a hybridization mixture as in DNA chip hybridization, requires the solution of specific inventive tasks.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft daher eine Reaktionsdurchführungsvorrichtung zur Durchführung von Reaktionen zwischen mindestens zwei Reaktionspartnern in wäßrigen Reaktionsgemischen mit

  • – mindestens zwei Kompartimenten, die zur Aufnahme der wäßrigen Reaktionsgemische ausgelegt sind,
  • – einer eine Flüssigkeitsverbindung zwischen den Kompartimenten bereitstellenden Flüssigkeitsverbindungseinrichtung,
  • – mindestens einer Immobilisierungseinrichtung, die in mindestens einem der Kompartimente angeordnet ist und zum Immobilisieren mindestens eines Teils mindestens eines der Reaktionspartner ausgelegt ist, und
  • – einer Flüssigkeitsbewegungseinrichtung, die zum magnetohydrodynamischen, kreisförmigen Bewegen der wäßrigen Reaktionsgemische zwischen den Kompartimenten über die Flüssigkeitsbewegungseinrichtung ausgelegt ist.
Another object of the present invention therefore relates to a reaction feedthrough apparatus for carrying out reactions between at least two reactants in aqueous reaction mixtures
  • At least two compartments designed to receive the aqueous reaction mixtures,
  • A liquid connection device providing fluid communication between the compartments,
  • At least one immobilization device arranged in at least one of the compartments and designed to immobilize at least one part of at least one of the reactants, and
  • - A liquid movement device, which is designed for magnetohydrodynamic, circular moving the aqueous reaction mixtures between the compartments via the liquid movement device.

Der Begriff "Flüssigkeitsverbindungseinrichtung" gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt jegliche reversibel regelbare Verbindung, wie beispielsweise eine reversibel verschließbare Öffnung oder einen regelbaren Durchlaß oder sonstige Verbindung, zwischen den Kompartimenten.Of the The term "fluid communication device" according to the present invention Invention any reversibly controllable compound, such as a reversibly closable opening or an adjustable passage or other connection, between the compartments.

Der Begriff "Immobilisierungseinrichtung" umfaßt beispielsweise solche, die zur Aufnahme Biomolekülen, insbesondere von Bio-Chips und/oder ganzer Zellen oder teilen davon, geeignet sind.Of the The term "immobilizer" includes, for example those that absorb biomolecules, especially bio-chips and / or whole cells or parts thereof are suitable.

Unter einer "magnetohydrodynamischen und kreisförmigen Bewegung" ist gemäß der vorliegenden Erfindung beispielsweise eine Bewegung der wäßrigen Reaktionsgemische zu verstehen, die von einer Ionenreibung in den Reaktionsgemischen hervorgerufen wird. Eine solche Bewegung kann beispielsweise durch Einwirkung einer Kraft auf die in den wäßrigen Reaktionsgemischen gelöst vorliegenden Ionen mittels einer Kombination elektrischer und magnetischer Felder erreicht werden. Eine derart hervorgerufene Bewegung von Reaktionsgemischen wird im folgenden als "magnetohydrodynamischer Materialtransport" bezeichnet.Under a "magnetohydrodynamic and circular Movement "is in accordance with the present For example, a movement of the aqueous reaction mixtures to understand that of ionic friction in the reaction mixtures is caused. Such a movement can for example by Influence of a force on the dissolved in the aqueous reaction mixtures present Ions by means of a combination of electric and magnetic fields be achieved. Such a caused movement of reaction mixtures becomes hereinafter referred to as "magnetohydrodynamic material transport".

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reaktionsdurchführungsvorrichtung umfaßt die Flüssigkeitsbewegungseinrichtung mindestens eine erste Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes und eine zweite Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, wobei mindestes eine Feldsteuereinrichtung zum Steuern der ersten und der zweiten Felderzeugungsvorrichtung vorgesehen ist, und wobei das elektrische und das magnetische Feld die Kompartimente durchsetzen. Bevorzugterweise verlaufen dabei die Feldlinien des elektrischen Feldes in jedem Raumpunkt der Kompartimente und der Flüssigkeitsverbindungseinrichtung senkrecht zu Feldlinien des magnetischen Feldes.In a preferred embodiment the reaction feedthrough device according to the invention comprises the fluid movement device at least one first field generating device for generating a electric field and a second field generating device for Generation of a magnetic field, wherein at least one field control device for controlling the first and second field generating devices is provided, and wherein the electrical and the magnetic field enforce the compartments. Preferably, run thereby the field lines of the electric field in each space point of the compartments and the liquid connection device vertically to field lines of the magnetic field.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reaktionsdurchführungsvorrichtung umfaßt die erste Felderzeugungseinrichtung einen kreisförmigen Hohlzylinder mit Innendurchmesser 2R und einen konzentrisch darin angeordneten kreisförmigen Innenzylinder mit Außendurchmesser 2r0, der Innenzylinder umfaßt desweiteren eine erste Elektrode E1 und der Außenzylinder eine zweite Elektrode E2, die derart angeordnet sind, daß mindestens in einem Bereich zwischen dem Hohlzylinder und dem Innenzylinder ein radialsymmetrisches elektrisches Feld durch Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen den Elektroden mittels der Feldsteuereinrichtung erzeugbar ist. Weiterhin ist es bevorzugt, daß die Kompartimente zwischen dem Hohlzylinder und dem Innenzylinder angeordnet sind.In a further preferred embodiment of the reaction feedthrough device according to the invention, the first field generating device comprises a circular hollow cylinder with inner diameter 2R and a concentric inner cylindrical cylinder having outer diameter 2r 0 , the inner cylinder further comprises a first electrode E1 and the outer cylinder a second electrode E2 arranged in such a way in that at least in a region between the hollow cylinder and the inner cylinder, a radially symmetrical electric field can be generated by applying an electrical potential difference between the electrodes by means of the field control device. Furthermore, it is preferred that the compartments are arranged between the hollow cylinder and the inner cylinder.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reaktionsdurchführungsvorrichtung ist die zweite Felderzeugungseinrichtung an einer Stirnseite der Zylinder derart angeordnet, daß die magnetischen Feldlinien, welche die Kompartimente durchsetzen, im wesentlichen parallel zu der Zylinderachse verlaufen. Einer solchen Anordnung entspricht beispielsweise ein Permanentmagnet oder Elektromagnet, der in geeigneter Orientierung zu und geeignetem Abstand von den Kompartimenten, z.B. unterhalb einer die Zylinder an deren Unterseite bündig abschließende Bodenplatte, auf der die Kompartimente angeordnet sind, angebracht ist.at a further preferred embodiment the reaction feedthrough device according to the invention is the second field generating device at one end of the Cylinder arranged such that the magnetic field lines, which enforce the compartments, in essentially parallel to the cylinder axis. Such an arrangement corresponds for example to a permanent magnet or electromagnet, in a suitable orientation to and suitable distance from the Compartments, e.g. below a cylinder at the bottom flush final Base plate on which the compartments are arranged attached.

Die Beschreibung der erfindungsrelevanten Änderungen der allgemeinen Verfahren des magnetohydrodynamischen Materialtransports soll im folgenden Beispiel der Klarheit halber anhand einer wie vorstehend definierten zylindergeometrischen Anordnung am Beispiel einer Hybridisierungsvorrichtung dargestellt werden. Modifikationen einer zylindergeometrischen Anordnung werden ebenfalls als erfindungsmäßig angesehen, sofern durch diese Änderungen nicht ein im Prinzip anderes Verfahren beschrieben wird.The Description of the invention relevant changes of the general method of magnetohydrodynamic material transport will be discussed below For the sake of clarity, by way of example, as defined above Cylinder geometric arrangement shown using the example of a hybridization device become. Modifications of a cylinder geometry arrangement also considered inventive, provided by these changes not a basically different method is described.

In einer derartigen zylindergeometrischen Anordnung besteht die Geometrie der Hybridisierungsvorrichtung aus einem Zylinder des Durchmessers 2R und der Höhe HZ hF, wobei hF die Höhe des Hybridisierungsgemisches in der gefüllten Hybridisierungsvorrichtung darstellt. Das Hybridisierungsgemisch, die Kompartimente I, II usw., die Kühl- und Heizelemente sowie die für Mikrosensorikmessungen verwendeten Elemente sind in geeigneter Weise auf der Grundfläche FG ("unten") in einem Außenbereich des Zylinders mit dem Radius r r0 und r R angeordnet. Die Rotationsachse des Zylinders steht senkrecht auf der Grundfläche. DNA-Chips, Kühl- und Heizelemente, sowie Mikrosensorikelemente in den Kompartimenten sind so angeordnet, daß die DNA-Chips von dem Hybridisierungsgemisch voll benetzt werden können. Eine hierzu dienliche Anordnung ist z.B. eine Anordnung der genannten Elemente direkt auf der Grundfläche FG, wobei die elektrischen Zuführungen seitwärts oder nach unten erfolgen. Darüber werden in geringem Abstand die DNA-Chips angebracht. Die Hybridisierungsvorrichtung wird von der Oberfläche FO in einer Höhe HZ ("oben") abgeschlossen. An oder über der Oberfläche FO befinden sich die zur Detektion des Hybridisierungssignals erforderlichen Einrichtungen, z.B. elektrische Biosensoren, oder optische Elemente, wie die Frontlinse eines Epifluoreszenzmikroskopsystems, Laserscanningmikroskopsystems etc. Zu diesem Zwecke ist die Oberfläche FO mit den geeigneten Eigenschaften versehen, für optische Messungen z.B. an passenden Stellen transparent ausgeführt.In such a cylinder geometry Arrangement consists of the geometry of the hybridization device of a cylinder of diameter 2R and the height H Z h F , where h F represents the height of the hybridization mixture in the filled hybridization device. The hybridization mixture, compartments I, II, etc., the cooling and heating elements, and the elements used for microsensor measurements are suitably located on the bottom surface F G ("bottom") in an outer region of the cylinder of radius rr 0 and r R , The axis of rotation of the cylinder is perpendicular to the base. DNA chips, cooling and heating elements, as well as microsensor elements in the compartments are arranged so that the DNA chips can be fully wetted by the hybridization mixture. A serving arrangement for this purpose is, for example, an arrangement of said elements directly on the base F G , wherein the electrical leads are made sideways or downwards. Above that, the DNA chips are placed at a small distance. The hybridization device is terminated from the surface F O at a height H Z ("above"). At or above the surface F O are the devices required for the detection of the hybridization signal, eg electrical biosensors, or optical elements, such as the front lens of an epifluorescence microscope system, laser scanning microscope system etc. For this purpose, the surface F O is provided with the suitable properties for optical Measurements eg transparent at suitable places.

Zur erfindungsgemäßen mikrohydrodynamischen Bewegung des Gemisches mit den mobilen Sonden, zum Beispiel eines Hybridisierungsgemisches, gehören die folgenden Besonderheiten:

  • (a) Die dem Gemisch mit den mobilen Sonden, z.B. dem Hybridisierungsgemisch, zugewandte Oberfläche (Größe z.B. gleich 2 r0 h, h hF) des dem Gemisch nicht zugänglichen Innenraumes von 2 r0 Durchmesser ist als eine Elektrode E1 ausgebildet, während die dem Gemisch zugewandte Oberfläche des Außenraumes (Größe z.B. gleich 2 R hF) der Reaktionsvorrichtung, zum Beispiel der Hybridisierungsvorrichtung, von 2R Durchmesser als Elektrode E2 mit entgegengesetzter Polung ausgestaltet ist. Bei einer Potentialdifferenz von beispielsweise 2 V zwischen E1 und E2 und einem Elektrodenabstand von 10 mm wird hierdurch in dem Gemisch ein elektrisches Feld E von 200 V/m an gelegt, dessen Richtung jeweils radial und horizontal zu der Oberfläche des Gemisches verläuft.
  • (b) Senkrecht zu dem elektrischen Feld wird ein das Gemisch durchsetzendes Magnetfeld angelegt. Grundsätzlich ist es z.B. denkbar, dies mit Hilfe von Helmholtzspulen zu realisieren, deren Achse mit der Rotationsachse der Außen- und Innenzylinder der Reaktionsvorrichtung zusammenfällt. Derartige Anordnungen haben sich bei der magnetomotorischen Bewegung größerer Flüssigkeitsmengen, z.B. 100 ml und mehr bewährt. Unter den mikrohydrodynamischen Bedingungen der Bio-Chip-Reaktionen, z.B. DNA-Chip Hybridisierung, können jedoch z.B. wegen der hier bedeutsamen Kapillarkräfte für eine erfindungsgemäße mikrohydrodynamische Bewegung des Gemisches, z.B. des Hybridisierungsgemisches, erheblich größere Produkte von Feldstärke E zwischen den Elektroden E1 und E2 und magnetischer Flußdichte B erforderlich sein. Eine wesentliche Erhöhung von E kann jedoch zu einem wesentlichen Anstieg der elektrischen Stromstärke mit einer unerwünschten Ohmschen Wärmeentwicklung führen. Große magnetische Flußdichten mit Hilfe von Helmholtzspulen in nicht-magnetischen Medien zu erreichen, ist zwar möglich, kann jedoch mit erheblichem technischem Aufwand verbunden sein. Daher wird in einer bevorzugten Anordnung eine auch bei geringer elektrischer Potentialdifferenz (z.B. einige Volt) ausreichende magnetische Flußdichte mit Hilfe eines Elektromagneten/Permanentmagneten realisiert, der sich in dem Raum unterhalb der Grundfläche FG befindet und dessen wirksame Polfläche zum Beispiel parallel zur Ebene der Grundfläche FG und damit parallel zur Ebene der gewünschten mikrohydrodynamischen Bewegung des Gemisches und in möglichst geringem Abstand von dieser angeordnet ist. In einer erfindungsgemäßen Ausführung wird durch eine geeignete Geometrie der wirksamen Polfläche erreicht, daß die magnetische Flußdichte B das Gemisch senkrecht oder fast senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes E durchsetzt. Bei einer derartigen erfindungsgemäßen Ausführung kann der Abstand der wirksamen Polfläche zum Beispiel einige 100 μm bis 1 mm betragen. Der Elektromagnet besteht zum Beispiel aus einer Spule mit einem fer romagnetischen Kern. Sofern die Verringerung des Abstandes zum Gemisch es erfordert, kann die wirksame Polfläche mit einer geeigneten Geometrie des ferromagnetischen Materials ausgestattet werden, die z.B. Vertiefungen für die Aufnahme von Heiz- und Kühlelementen sowie Mikrosensoren und deren elektrischen Zu- und Ableitungen enthält. Eine hierbei auftretende Inhomogenität der magnetischen Flußdichte und/oder Richtungsänderung ist ebenfalls erfindungsgemäß möglich, sofern sie so konfiguriert wird, daß die gewünschte mikrohydrodynamische Bewegung des Gemisches zwischen den Kompartimenten ermöglicht wird.
The micro-hydrodynamic movement of the mixture according to the invention with the mobile probes, for example a hybridization mixture, includes the following features:
  • (a) The surface facing the mixture with the mobile probes, eg the hybridization mixture (size eg equal to 2 r 0 h, hh F ) of the interior of 2 r 0 diameter, which is not accessible to the mixture, is designed as an electrode E1, whereas the one Mixture facing surface of the outer space (size, for example equal to 2 R h F ) of the reaction device, for example, the hybridization device, of 2R diameter is designed as an electrode E2 with opposite polarity. In the case of a potential difference of, for example, 2 V between E1 and E2 and an electrode spacing of 10 mm, an electric field E of 200 V / m is applied in the mixture, the direction of which in each case runs radially and horizontally to the surface of the mixture.
  • (b) A magnetic field passing through the mixture is applied perpendicular to the electric field. In principle, it is conceivable, for example, to realize this with the aid of Helmholtz coils whose axis coincides with the axis of rotation of the outer and inner cylinders of the reaction device. Such arrangements have been proven in the magnetomotive movement of larger amounts of liquid, eg 100 ml and more. However, under the micro-hydrodynamic conditions of the biochip reactions, eg DNA chip hybridization, considerably larger products of field strength E between the electrodes E1 and E2 and, for example, due to the capillary forces important here for a microhydrodynamic movement of the mixture according to the invention, for example the hybridization mixture magnetic flux density B may be required. However, a substantial increase in E can result in a significant increase in electrical current with undesirable ohmic heat generation. Although it is possible to achieve large magnetic flux densities with the aid of Helmholtz coils in non-magnetic media, this can be associated with considerable technical effort. Therefore, in a preferred arrangement, even at low electrical potential difference (eg, a few volts), sufficient magnetic flux density is realized by means of an electromagnet / permanent magnet located in the space below the base F G and its effective pole area parallel to the plane of the base, for example F G and thus is arranged parallel to the desired micro-hydrodynamic movement of the mixture and in the smallest possible distance from this. In one embodiment of the invention is achieved by a suitable geometry of the effective pole face that the magnetic flux density B passes through the mixture perpendicular or almost perpendicular to the direction of the electric field E. In such an embodiment according to the invention, the distance of the effective pole face may be for example a few 100 μm to 1 mm. The electromagnet consists for example of a coil with a ferromagnetic core. If the reduction of the distance to the mixture requires it, the effective pole face can be equipped with a suitable geometry of the ferromagnetic material, which contains, for example, recesses for receiving heating and cooling elements as well as microsensors and their electrical inlets and outlets. An inhomogeneity of the magnetic flux density and / or change of direction occurring in this case is likewise possible according to the invention, provided that it is configured in such a way that the desired microhydrodynamic movement of the mixture between the compartments is made possible.

Unter Verwendung von Materialien mit einer hohen magnetischen Permeabilitätszahl lassen sich auf diese Weise mit vertretbarem technischem Aufwand im Hybridisierungsgemisch magnetische Kraftflußdichten von 0,1 bis 1 Tesla realisieren. Da sich die Elemente zur Erzeugung des magnetischen Feldes unterhalb der Grundfläche FG befinden, werden der Reaktionsraum und die Detektion des Markierungssignals, z.B. des Hybridisierungssignals, hierdurch nicht beeinträchtigt.

  • (c) Die Stärke von elektrischem Feld und Magnetfeld können durch geeignete Schaltungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik geregelt werden. Dies ermöglicht es, eine Bewegung des Gemisches, z.B. des Hybridisierungsgemisches, je nach Erfordernis in Gang zu setzen, zu beschleunigen, zu verlangsamen, anzuhalten, sowie in ihrer Richtung zu verändern. Insoweit zuverlässige Messungen in der Reaktionsvorrichtung, z.B. der Hybridisierungsvorrichtung, z.B. mit Hilfe der Mikrosensorelemente, nur bei abgeschalteten elektrischen/magnetischen Feldern möglich sind, können derartige Messungen bei Pausen in der mikrohydrodynamischen Bewegung des Hybridisierungsgemisches durchgeführt werden.
  • (d) Durch geeignete Wahl von Feldstärke E und magnetischer Flußdichte B kann das Gemisch, z.B. das Hybridisierungsgemisch, in dem genannten Beispiel z.B. kreisförmig um die innere Elektrode E1 herum bewegt werden. Eine Ver minderung z.B. der Feldstärke E und/oder der magnetischen Kraftflußdichte B vermindert die Bewegungsgeschwindigkeit, eine Erhöhung erhöht sie. Richtungsänderungen der Bewegung des Gemisches können entweder durch eine Umpolung des elektrischen Feldes oder des magnetischen Feldes bewirkt werden. Damit kann das Gemisch je nach Bedarf von einem Kompartiment ins andere bewegt und seine Verweildauer in den Kompartimenten gesteuert werden.
  • (e) Aufgrund einer geringen Flüssigkeithöhe des Gemisches (typische Volumina liegen im Bereich um 50 bis 100 μl, gegebenenfalls auch weniger) in der Hybridisierungsvorrichtung besteht weitgehend eine laminare Strömung. Dies vereinfacht die Steuerung der mikrohydrodynamischen Bewegung.
Using materials with a high magnetic permeability can be realized in this way with reasonable technical effort in the hybridization mixture magnetic flux density of 0.1 to 1 Tesla. Since the elements for generating the magnetic field are located below the base area F G , the Reaction space and the detection of the marker signal, such as the hybridization signal, thereby not affected.
  • (c) The strength of electric field and magnetic field can be controlled by suitable switching devices of the prior art. This makes it possible to initiate, accelerate, slow down, stop, as well as to change in direction, a movement of the mixture, for example of the hybridization mixture, as required. Insofar as reliable measurements in the reaction device, for example the hybridization device, for example with the aid of the microsensor elements, are possible only when the electrical / magnetic fields are switched off, such measurements can be carried out during pauses in the microhydrodynamic movement of the hybridization mixture.
  • (d) By a suitable choice of field strength E and magnetic flux density B, the mixture, for example the hybridization mixture, in the example mentioned, for example, can be moved in a circle around the inner electrode E1. A reduction of, for example, the field strength E and / or the magnetic flux density B reduces the speed of movement, an increase increases it. Directional changes of the movement of the mixture can be effected either by a reversal of the electric field or the magnetic field. Thus, the mixture can be moved from one compartment to another as required and its residence time in the compartments can be controlled.
  • (e) Due to a low liquid level of the mixture (typical volumes are in the range of 50 to 100 .mu.l, possibly less) in the hybridization device is largely a laminar flow. This simplifies the control of microhydrodynamic motion.

Die oben erwähnten Beispiele dienen der Veranschaulichung des Verfahrens. Als erfindungsgemäße Lösungen des Problems der mikrohydrodynamischen Bewegung werden alle Geometrien kombinierter elektrischer und magnetischer Felder angesehen, die den mikrohydrodynamischen Transport des Gemisches zwischen den mindestens zwei Kompartimenten in einer Reaktionsdurchführungsvorrichtung wie z.B. einer Hybridisierungsvorrichtung bewirken.The mentioned above Examples serve to illustrate the process. As inventive solutions of Problems of microhydrodynamic motion are all geometries combined electric and magnetic fields, the the microhydrodynamic transport of the mixture between the at least two compartments in a reaction feedthrough device such as e.g. effect a hybridization device.

Zur Unterstützung des Transportes ist es zur Verminderung von kapillaren Bremswiderständen ferner erfindungsgemäß, gegebenenfalls die auf der Detektionsseite parallel zu der Ebene des Bio-Chips, z.B. des DNA-Chips, gelegene Oberfläche FO der Reaktionsvorrichtung in gleichem Sinne zu rotieren wie das Gemisch aufgrund der magnetomotorischen Wirkung. Erfolgt die Detektion des Markierungssignals mit einem optischen Detektionssystem, z.B. durch Detektion der Fluoreszenzemission, so wird die Oberfläche FO an mehreren geeigneten Stellen für das Fluoreszenzlicht transparent gestaltet, z.B. durch geeignete Fenster, so daß eine optische Detektion bei verschiedenen Rotationswinkeln möglich ist. Da bei optischer Detektion des Markierungssignals eine Anregung der Fluorochrome bevorzugt im Epifluoreszenzmodus erfolgt, ist zusätzlich eine Transmission des Anregungslichtes zu berücksichtigen. Ist eine anderweitige Detektion des Markierungssignals, z.B. des Hybridisierungs signals, zusätzlich oder an Stelle der optischen Registrierung vorgesehen, so kann die Detektionsseite so konfiguriert werden, daß trotz Rotation zumindest in bestimmten Positionen eine Detektion des Markierungssignals (bei einem Meßkompartiment) bzw. der Markierungssignale (bei mehreren Meßkompartimenten) möglich ist.According to the invention, in order to reduce the transport of the capillary braking resistors, the surface F O of the reaction device located on the detection side parallel to the plane of the biochip, eg of the DNA chip, may be rotated in the same way as the mixture due to magnetomotive effect. If the detection of the marking signal with an optical detection system, for example by detection of the fluorescence emission, the surface F O is made transparent at several suitable locations for the fluorescent light, for example by suitable window, so that an optical detection at different angles of rotation is possible. Since, in the case of optical detection of the marking signal, excitation of the fluorochromes preferably takes place in the epifluorescence mode, a transmission of the excitation light must additionally be taken into account. If another detection of the marker signal, eg the hybridization signal, in addition to or instead of the optical registration provided, the detection side can be configured so that despite rotation at least in certain positions, a detection of the marker signal (in a Meßkompartiment) or the marker signals ( in several Meßkompartimenten) is possible.

Elementare Rechnungen zeigen, daß bei einer Feldstärke von einigen 100 V/m, einer Salzkonzentration von einigen 100 mmol/I (100 mM) (entsprechend derjenigen in einem typischen Hybridisierungsgemisch oder Gemisch von Proteinen), einer Ionenbeweglichkeit von einigen 10-8 m2 V-1 s-1 (entsprechend derjenigen monovalenter Ionen in einer wäßrigen Lösung), einer Viskosität des Gemisches von ca. 0.001 N s m-2 (entsprechend derjenigen einer wäßrigen Lösung), sowie einer magnetischen Kraftflußdichte von 1 Tesla (entsprechend der in der unmittelbaren Nähe des Polschuhs eines Elektromagneten realisierbaren Normalkomponente von B das aufgrund der Ionenreibung bewegte Gemisch mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von ca. 500 μm/s oder mehr bewegt werden kann. Dies ist ausreichend, um in wenigen Minuten einen vollen Umlauf bei einem Durchmesser der Reaktionsvorrichtung, z.B. der Hybridisierungsvorrichtung, von 30 mm zu bewirken. Bei entsprechender und technisch möglicher Verkleinerung der Dimensionierung bzw. bei Erhöhung z.B. von B werden noch erheblich kürzere Zeiten erreicht. Bei geringerem B und/oder geringerem E ist die Bewegung entsprechend langsamer, kann also je nach den Erfordernissen der Assoziationsreaktion, z.B. der Hybridisierungsreaktion, modifiziert werden.Elementary calculations show that at a field strength of a few 100 V / m, a salt concentration of several 100 mmol / l (100 mM) (corresponding to that in a typical hybridization mixture or mixture of proteins), an ion mobility of some 10 -8 m 2 V -1 s -1 (corresponding to those of monovalent ions in an aqueous solution), a viscosity of the mixture of about 0.001N sm -2 (corresponding to that of an aqueous solution), and a magnetic flux density of 1 Tesla (corresponding to that in the immediate vicinity 500 μm / s or more, which is sufficient to allow a full cycle at a diameter of the reaction device within a few minutes, eg of the hybridization device, of 30 mm, with appropriate and technically possible Ver Smaller dimensioning or, for example, increasing B will result in considerably shorter times. At lower B and / or lower E, the movement is correspondingly slower, so it can be modified depending on the requirements of the association reaction, eg the hybridization reaction.

In einem elementaren experimentellen Aufbau (s. 1) wurde die technische Realisierung der oben angegebenen Abschätzungen bestätigt. In eine aus einem nichtleitenden, optisch transparenten Material bestehende Reaktionskammer wurde eine zylinderförmige Innenelektrode E1 (Durchmesser 2 r0 = 2 mm) und eine ringförmige Außenelektrode E2 (Hohlzylinder, freier Innendurchmesser 2R = 25 mm) eingesetzt. Zur Erzeugung des Magnetfeldes (Kraftflußdichte B) diente ein Permanentmagnet aus einem Standard-Radio-Lautsprecher, dessen Stirnseite dicht unterhalb der Grundfläche FG und parallel zu dieser angeordnet wurde. Zur Realisierung eines Reaktionsgemisches mit einer bei DNA-Hybridisierungsreaktionen üblichen Ionenkon zentration wurde eine wäßrige Lösung mit 600 mmol/I (600 mM) NaCl, 60 mmol/I (60 mM) Natriumcitrat, pH 7,0 (eingestellt mit NaOH) verwendet.In an elementary experimental setup (s. 1 ) the technical realization of the above mentioned estimations was confirmed. In a reaction chamber consisting of a nonconductive, optically transparent material, a cylindrical inner electrode E1 (diameter 2r 0 = 2 mm) and an annular outer electrode E2 (hollow cylinder, free inner diameter 2R = 25 mm) were used. To generate the magnetic field (Kraftflußdichte B) was a permanent magnet of a standard radio speaker, whose front side just below the base F G and parallel to this was arranged. For the realization of a reaction mixture with a usual in DNA hybridization Ionenkon centering an aqueous solution with 600 mmol / l (600 mM) NaCl, 60 mmol / l (60 mM) sodium citrate, pH 7.0 (adjusted with NaOH) was used.

Die Flüssigkeitshöhe betrug 0,8 mm. Die durch magnetomotorische Kräfte erzeugte mikrohydrodynamische Bewegung der Flüssigkeit wurde auf zwei verschiedene Weisen nachgewiesen: a) Ein 2 μl-Tropfen von Bromphenolblau wurde in die zunächst farblose Flüssigkeit eingebracht. b) Die Flüssigkeit wurde insgesamt mit Bromphenolblau gefärbt und die Bewegung mithilfe eines zugesetzten Tropfens Fett detektiert.The Liquid level was 0.8 mm. The micro-hydrodynamic generated by magnetomotive forces Movement of the liquid was detected in two different ways: a) A 2 μl drop of bromophenol blue was in the initially colorless liquid brought in. b) The liquid was stained with bromophenol blue in total and using the movement of an added drop of fat detected.

Bei Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz U (Gleichspannung) von 1,5 V (handelsübliche Batterie) zwischen den Elektroden E1 und E2 wurde eine Bewegungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit von ca. 300 μm/s beobachtet.at Applying an electrical potential difference U (DC voltage) of 1.5 V (standard battery) between the electrodes E1 and E2 became a moving speed the liquid of approx. 300 μm / s observed.

Soll die Bewegung des Gemisches nicht einsinnig erfolgen, so läßt sich dies durch Umkehrung der elektrischen Polung zwischen den Elektroden E1 und E2 oder der Richtung der magnetischen Flußdichte erreichen, z.B. durch Umkehrung der Stromrichtung in dem das B-Feld erzeugenden Elektromagneten.Should the movement of the mixture can not be unanimous, it is possible this by reversing the electrical polarity between the electrodes Reach E1 and E2 or the direction of magnetic flux density, e.g. by Reversal of the current direction in the B-field generating electromagnet.

Es wird ebenfalls als erfindungsgemäß angesehen, wenn bei besonderen Anforderungsprofilen an die Konvektion, wie zum Beispiel einer vielfach sich wiederholenden kreisförmigen Bewegung des Gemisches oder allgemein des die mobilen Sonden enthaltenden Gemisches die mikrohydrodynamische Bewegung ganz oder überwiegend mit Hilfe einer mechanischen Rotationsbewegung der Oberfläche FO erfolgt. Dafür ist es erfindungsgemäß, daß die Oberfläche FO einen benetzenden Kontakt mit dem Gemisch oder einer sonstigen Flüssigkeit hat, die sich in der Hybridisierungsvorrichtung bzw. der den Bio-Chip enthaltenden Kammer befindet.It is also considered to be in accordance with the invention if, in the case of special requirement profiles of convection, such as repetitive circular motion of the mixture or generally of the mixture containing the mobile probes, the microhydrodynamic motion is entirely or predominantly by means of a mechanical rotational movement of the surface F O , For this purpose it is according to the invention that the surface F O has a wetting contact with the mixture or another liquid which is located in the hybridization device or the biochip-containing chamber.

Wird (werden) in der beschriebenen Reaktionsvorrichtung DNA-Chips) durch ein Präparat mit chromosomalen "immobilisierten Sonden" ersetzt, wie z.B. Zellkernen oder Metaphasechromosomen, so kann die ansonsten identische oder fast identische Hybridisierungsvorrichtung auch für eine Verbesserung von in situ- Hybridisierungsreaktionen an chromosomalen "immobilisierten Sonden" eingesetzt werden, bei denen sich die "immobilisierten Sonden" noch in situ in den Zellen befinden. Da das für die DNA-Chip-Hybridisierung beschriebene Verfahrensprinzip bei dieser Anwendung wesentlich identisch ist, werden auch derartige Anwendungen als erfindungsgemäß angesehen.Becomes are (in the described reaction device DNA chips) by a preparation with chromosomal immobilized Probes "replaces how e.g. Cell nuclei or metaphase chromosomes, so can the otherwise identical or almost identical hybridization device as well for one Improvement of in situ hybridization reactions on chromosomal immobilized Probes "are used where the "immobilized Probes "still in situ in the cells. As for the DNA chip hybridization described process principle is substantially identical in this application, Such applications are also considered to be according to the invention.

Die wirtschaftlichen Erfolgsaussichten von Verfahren zur Verbesserung der mikrohydrodynamischen Optimierung von Assoziationsreaktionen auf Bio-Chips sind angesichts der enormen Bedeutung von Bio-Chips außerordentlich gut. Als Beispiel sei hier insbesondere die Anwendung auf Hybridisierungsreaktionen angeführt.The economic prospects of success of improvement procedures the microhydrodynamic optimization of association reactions Organic chips are given the enormous importance of organic chips extraordinarily Good. As an example, in particular the application to hybridization reactions cited.

Die DNA-Chip-Hybridisierung mit Hilfe einer mikrohydrodynamischen Bewegung des Hybridisierungsgemisches zwischen mindestens zwei Kompartimenten mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Bedingungen vermeidet die Nachteile des Standes der Technik durch eine verbesserte Nutzung der in der komplexen Probe enthaltenen DNA-Moleküle für die Hybridisierung an die immobilisierte Sonden in den Features der DNA-Chips. Für die wirtschaftliche Nutzung ist davon auszugehen, daß eine Verbesserung der Hybridisierungsbedingungen überall dort von Bedeutung ist, wo DNA-Chips in klinischer Diagnostik, in biomedizinischer Forschung, sowie bei pharmazeutischen Entwicklungen eingesetzt werden. Über die bereits genannten Vorteile hinaus kann unter ansonsten gleichen Bedingungen der Einsatz an Menge von Analysematerial reduziert werden.The DNA chip hybridization using a microhydrodynamic motion of the hybridization mixture between at least two compartments avoids with different physical-chemical conditions the disadvantages of the prior art through improved use of the in the complex sample contained DNA molecules for hybridization to the immobilized probes in the features of DNA chips. For the economic Usage is expected to improve hybridization conditions everywhere Of importance is where DNA chips in clinical diagnostics, in biomedical Research, as well as used in pharmaceutical developments. About the Already mentioned advantages can be different under otherwise Conditions of use can be reduced to quantity of analysis material.

Dies gilt auch für eine Anwendung des Verfahrens zur Verbesserung der in situ-Hybridisierung insbesondere komplexer mobiler Sonden an chromosomale "immobilisierte Sonden". Derartige Verbesserungen sind überall dort von Interesse, wo in klinischer Diagnostik, in biomedizinischer/pharmazeutischer Forschung und Entwicklung das Vorkommen und der Ort von bestimmten DNA-Sequenzen in situ in einzelnen Zellen/Chromosomen festgestellt werden sollen.This applies to an application of the method for improving in situ hybridization in particular complex mobile probes to chromosomal "immobilized probes". Such improvements are everywhere of interest, where in clinical diagnostics, in biomedical / pharmaceutical Research and development the occurrence and location of certain DNA sequences detected in situ in single cells / chromosomes should be.

Die erfindungsgemäße Hybridisierungsvorrichtung kann beispielsweise als Zusatzgerät zu bestehenden Vorrichtungen der DNA-Chip-Analyse bereitgestellt werden.The Hybridization device according to the invention For example, as an accessory to existing devices provided by the DNA chip analysis.

Die vorliegende Erfindung soll anhand der folgenden nicht-einschränkenden Beispiele erläutert werden:The The present invention is intended to be illustrated by the following non-limiting Examples are explained:

Beispiel 1example 1

Die diesem Beispiel zugrundeliegende Aufgabe besteht in der Verbesserung der Hybridisierung an einen DNA-Chip für die Kartierung der Genexpression. Diese soll mithilfe eines DNA-Chips der Abmessung 5 mm × 5 mm durchgeführt werden, der im Abstand von jeweils 100 μm in einer Matrix-Anordnung insgesamt 2500 Features mit DNA-Sequenzen enthält, die zu den zu analysierenden Sequenzen von cDNA (komplementäre DNA) im Reaktionsgemisch komplementär sind. Eine derartige Zahl von Features ist für eine große Zahl klinisch relevanter diagnostischer Untersuchungen ausreichend. Um die Hybridisierungsreaktion zu optimieren, soll eine wiederholte Denaturierung des Reaktionsgemisches mit den cDNA-Molekülen als mobilen Sonden durchgeführt werden, ohne die bereits immobiliserten Sonden, d.h. die durch Hybridisierung an die komplementären Sequenzen in den Features gebundenen cDNA-Moleküle wieder abzulösen.The object underlying this example is to improve the hybridization to a DNA chip for the mapping of gene expression. This is to be carried out with the aid of a DNA chip measuring 5 mm × 5 mm, which contains at intervals of 100 μm in a matrix arrangement a total of 2500 features with DNA sequences which correspond to the sequences of cDNA (complementary DNA) to be analyzed. in the reaction are complementary. Such a number of features is sufficient for a large number of clinically relevant diagnostic examinations. In order to optimize the hybridization reaction, repeated denaturation of the reaction mixture with the cDNA molecules as mobile probes should be carried out without detaching the already immobilized probes, ie the cDNA molecules bound by hybridization to the complementary sequences in the features.

Die für die Untersuchung benötigte Menge an Reaktionsgemisch beträgt 150 μl, mit einer cDNA-Konzentration von 20 ng/μl, einer Ionenkonzentration von 600 mmol/I (600 mM) NaCl, 60 mmol/I (60 mM) Natriumcitrat, und einem pH von 7,0 (eingestellt mit NaOH). Die mobilen Sonden werden direkt mit einem im Handel erhältlichen DNA-Fluoreszenzfarbstoff gekoppelt, z.B. mit FITC (Fluorescein-Isothiocyanat, optimale Anregung mit Argon-Ionen-Laser bei 488 nm), TexasRed (Markenname; optimale Anregung mit He-Ne-laser bei 594 nm; CY5.5 (Markenname; optimale Anregung mit Diodenlaser bei 675 nm), oder IRD 800 (Markenname; optimale Anregung mit Diodenlaser bei 775 nm).The for the Investigation needed Amount of reaction mixture is 150 μl, with a cDNA concentration of 20 ng / μl, an ion concentration of 600 mmol / l (600 mM) NaCl, 60 mmol / l (60 mM) sodium citrate, and a pH of 7.0 (adjusted with NaOH). The mobile probes will be directly with a commercially available DNA fluorescent dye coupled, e.g. with FITC (fluorescein isothiocyanate, optimal excitation with argon ion laser at 488 nm), TexasRed (trade name; optimal excitation with He-Ne laser at 594 nm; CY5.5 (brand name; optimal excitation with diode laser at 675 nm), or IRD 800 (trade name; optimal excitation with diode laser at 775 nm).

Zur Ausführung der Aufgabe wird eine Mikrohydrodynamische Reaktionskammer (1) mit folgenden speziellen Bedingungen realisiert: In eine Reaktionskammer aus nichtleitendem, bis etwa 100 °C hitzebeständigem Material wird eine zylinderförmige Innenelektrode E1 mit einem Außendurchmesser von 2 r0 = 2 mm eingesetzt. Die Außenelektrode E2 wird als Hohlzylinder mit gleicher Symmetrieachse wie E1 und einem Innendurchmesser 2R = 15 mm ausgebildet. Um Korrosion zu vermeiden, werden die Elektroden vergoldet, platiniert oder mit einer sonstigen korrosionsmindernden Schutzschicht versehen. Dicht unterhalb der Reaktionskammer wird ein Permanentmagnet mit einer magnetischen Kraftflußdichte B angebracht, die z.B. 0,5 Tesla beträgt. Die Stirnseite des Permanentmagneten wird parallel zur Grundfläche FG der Reaktionskammer ausgerichtet, so daß die Richtung von B senkrecht zur Grundfläche und parallel zur Symmetrieachse der Elektroden E1, E2 ist.To carry out the task, a microhydrodynamic reaction chamber ( 1 ) realized with the following special conditions: A cylindrical inner electrode E1 with an outer diameter of 2 r 0 = 2 mm is inserted into a reaction chamber made of non-conductive material which is heat-resistant up to about 100 ° C. The outer electrode E2 is formed as a hollow cylinder with the same axis of symmetry as E1 and an inner diameter 2R = 15 mm. In order to avoid corrosion, the electrodes are gold-plated, platinum-plated or provided with another corrosion-reducing protective layer. Just below the reaction chamber, a permanent magnet with a magnetic flux density B is attached, which is for example 0.5 Tesla. The end face of the permanent magnet is aligned parallel to the base surface F G of the reaction chamber, so that the direction of B is perpendicular to the base surface and parallel to the axis of symmetry of the electrodes E1, E2.

In den Boden der Kammer werden miniaturisierte im Stand der Technik bekannte Heizelemente (Ohmsche Widerstände) und Kühlelemente (Peltier-Elemente) so eingelassen und verteilt, daß das Reaktionsgemisch in seiner Temperatur beeinflußt werden kann. Beispielsweise befinden sich solche Elemente (gemäß den Uhrzeiger-Positionen) in den Stellungen "12, 1,2,3, ...11 ". Zur Reaktionskontrolle werden in den Positionen "12, 7" (oder auch noch anderen) zusätzlich Detektoren für die Temperaturmessung eingebracht. Die Heiz-, Kühl- und Detektorelemente werden mit Hilfe von Leitungen durch den Boden der Reaktionskammer mit der Kontroll- und Detektorelektronik verbunden.In The bottom of the chamber will be miniaturized in the prior art known heating elements (ohmic resistors) and cooling elements (Peltier elements) so embedded and distributed that the reaction mixture be influenced in its temperature can. For example, such elements (according to the clock positions) are in the positions "12, 1,2,3, ... 11". To the reaction control become in the positions "12, 7 "(or even others) in addition Detectors for introduced the temperature measurement. The heating, cooling and detector elements are with the help of pipes through the bottom of the reaction chamber with connected to the control and detector electronics.

Der DNA-Chip (hier mit den Abmessungen 5 mm × 5 mm) wird im Positionsbereich "11 – 1" (Kompartiment I) eingesetzt. Gegebenenfalls werden die Heiz-, Kühl, und Detektorelemente unmittelbar in den Boden des DNA-Chips selbst integriert.Of the DNA chip (here with the dimensions 5 mm × 5 mm) is in the position range "11 - 1" (compartment I) used. Optionally, the heating, cooling and detector elements become instantaneous integrated into the bottom of the DNA chip itself.

Die Höhe HZ der Reaktionskammer wird so gewählt, daß die Oberfläche FO das Reaktionsgemisch benetzen kann. Bei einer Menge von 150 u1 beispielsweise ist HZ = hF = h = 0.9mm.The height H Z of the reaction chamber is chosen so that the surface F O can wet the reaction mixture. For example, for an amount of 150 μ1, H Z = h F = h = 0.9mm.

Nach dem Einfüllen des Reaktionsgemisches in die Reaktionskammer (z.B. bei Umgebungstemperatur wie 20 °C) wird diese geschlossen. Mit Hilfe der benetzenden Oberfläche FO wird eine gleichmäßige Verteilung des Reaktionsgemisches in der Kammer herbeigeführt, z.B. unterstützt durch mechanische Rotationsbewegungen.After filling the reaction mixture in the reaction chamber (eg at ambient temperature such as 20 ° C) it is closed. With the help of the wetting surface F O a uniform distribution of the reaction mixture in the chamber is brought about, for example, supported by mechanical rotational movements.

Zur Einleitung der Hybridisierungsreaktion werden die Nenngrößen der Heiz- und Kühlelemente in der Reaktionskammer so eingestellt, daß die mobilen Sonden (z.B. doppelsträngige cDNA Moleküle), gegebenenfalls auch die immobiliserten Sonden in den Features, denaturiert, d.h. einzelsträngig gemacht, werden. Eine typische Denaturierungstemperatur in Abwesenheit denaturierender chemischer Agenzien beträgt TD = 90 bis 95 °C. Nach z.B. 2 min bei dieser Temperatur wird auf die Hybridisierungstemperatur TH abgekühlt. In Abwesenheit denaturierender chemischer Agenzien beträgt TH typischerweise 70 bis 75 °C. Bei einer zusätzlichen Verwendung denaturierender chemischer Agentien ergeben sich jeweils niedrigere TD- bzw. TH-Werte, die typischerweise um ca. 20 °C bzw. 25 °C niedriger sind.To initiate the hybridization reaction, the nominal sizes of the heating and cooling elements in the reaction chamber are adjusted so that the mobile probes (eg double-stranded cDNA molecules), possibly also the immobilized probes in the features, denatured, ie made single-stranded. A typical denaturation temperature in the absence of denaturing chemical agents is T D = 90 to 95 ° C. After, for example, 2 minutes at this temperature, the hybridization temperature T H is cooled. In the absence of denaturing chemical agents, T H is typically 70 to 75 ° C. Additional use of denaturing chemical agents results in lower T D and T H values, respectively, which are typically lower by about 20 ° C and 25 ° C, respectively.

Nach einer Zeitspanne von z.B. 30 min bei der Temperatur TH wird an die Elektroden eine Potentialdifferenz U = 3 V angelegt. Die hierdurch in Kombination mit dem Permanent-Magnetfeld induzierte magnetomotorische Kraft führt zu einer mikrohydrodynamischen Bewegung des Reaktionsgemisches. Nach 1 bis 2 min ist der vor Beginn der Bewegung über dem DNA-Chip befindliche Teil (Kompartiment I; Position "11 – 1") des Reaktionsgemisches in den Denaturierungsbereich (Kompartiment II; Position "6 – 8") überführt worden. Durch Abschalten der Spannung zwischen den Elektroden E1 und E2 wird die mikrohydrodynamische Bewegung unterbrochen. In dem Denaturierungsbereich (Kompartiment II) wird die Heiz-Leistung so eingestellt, daß dort die Denaturierungstemperatur TD realisiert wird, im hier genannten Fall 90 °C bis 95 °C. Die in den anderen Positionen (Position "2,3,4; 9,10,11") befindlichen Heiz- und Kühlelemente werden so eingestellt, daß eine möglichst gute Aufrechterhaltung der Temperatur TH auf dem DNA-Chip sowie der Temperatur TD in dem Denaturierungsbereich erreicht wird. Nach z.B. 30 min wird wiederum die Potentialdifferenz von 3 V für 1 bis 2 min angelegt. Hierdurch wird der in dem Denaturierungsbereich befindliche Teil des Reaktionsgemisches in den Hybridisierungsbereich über dem DNA-Chip (Kompartiment I) transportiert. Umgekehrt wird der über dem Hybridisierungsbereich befindliche Teil des Reaktionsgemisches zum Denaturierungsbereich weiter transportiert.After a period of, for example, 30 minutes at the temperature T H , a potential difference U = 3 V is applied to the electrodes. The magnetomotive force induced thereby in combination with the permanent magnetic field leads to a microhydrodynamic movement of the reaction mixture. After 1 to 2 minutes, the portion (compartment I, position "11-1") of the reaction mixture prior to the start of the movement has been transferred to the denaturation region (compartment II, position "6 - 8"). By switching off the voltage between the electrodes E1 and E2, the micro-hydrodynamic movement is interrupted. In the denaturation region (compartment II), the heating power is adjusted so that the denaturation temperature T D is realized there, in the case mentioned here 90 ° C to 95 ° C. The heating and cooling elements located in the other positions (positions "2, 3, 4, 9, 10, 11") are set so that the best possible maintenance of the temperature T H on the DNA chip and the temperature T D in the denaturation area is reached. After eg 30 min In turn, the potential difference of 3 V is applied for 1 to 2 minutes. As a result, the part of the reaction mixture in the denaturation region is transported into the hybridization region above the DNA chip (compartment I). Conversely, the portion of the reaction mixture above the hybridization region is transported further to the denaturation region.

Statt einer diskontinuierlichen Bewegung des Reaktionsgemisches kann auch eine kontinuierliche Bewegung von Vorteil sein. Zum Beispiel wird an die Elektroden E1 und E2 eine kontinuierliche Potentialdifferenz von 0,03 V angelegt. Hierdurch wird eine ständige langsam kreisende Bewegung der Flüssigkeit von einigen μm/s erzeugt, durch welche die mobilen Sonden jeweils durch den Hybridisierungsbereich (Kompartiment I) und durch den Denaturierungsbereich (Kompartiment II) hindurchbewegt werden.Instead of a discontinuous movement of the reaction mixture can also a continuous movement will be beneficial. For example, on the electrodes E1 and E2 a continuous potential difference of 0.03 V applied. This will be a constant slow circular motion the liquid of a few μm / s through which the mobile probes pass through the hybridization region, respectively (Compartment I) and through the denaturation area (compartment II) are moved through.

Bei einer Reaktionskammer in den gewählten kleinen Dimensionen können bereits in Abwesenheit von elektrischen und magnetischen Feldern Diffusionsprozesse und Konvektionsströme zu einem Austausch zwischen Hybridisierungsbereich (Kompartiment I) und Denaturierungsbereich (Kompartiment II) führen. Eine einfache Rechnung zeigt jedoch, daß der Transport der mobilen Sonden zwischen den beiden Kompartimenten durch magnetomotorische Kräfte effektiver durchgeführt und geregelt werden kann. Die hierfür benötigten zusätzlichen apparativen Aufwendungen sind von der ökonomischen Seite her relativ gering.at a reaction chamber in the selected small dimensions can already in the absence of electric and magnetic fields Diffusion processes and convection currents for an exchange between Hybridization region (compartment I) and denaturation region (Compartment II) lead. A simple calculation, however, shows that the transport of mobile Probes between the two compartments by magnetomotive personnel performed more effectively and can be regulated. The additional equipment required for this purpose are of the economic one Side relatively low.

Die Effektivität des Hybridisierungsprozesses wird z.B. durch optische Anregung und Detektion an dem Ort der Hybridisierung kontrolliert. Zu diesem Zweck ist über dem Hybridisierungsbereich (Kompartiment I) ein optisches Fenster vorgesehen, z.B. aus einem Deckglas von 170 μm, über dem sich ein gegebenenfalls mit Immersionsöl mit dem Fenster verbundenes Mikroskopobjektiv eines im Stand der Technik bekannten Epifluoreszenzmikroskops oder eines konfokalen Auflicht-Laser-Rastermikroskops befindet. Eine Abbruchbedingung für den Prozess ist z.B. dann gegeben, wenn die in den einzelnen Features detektierte Fluoreszenzintensität der immobilisierten Sonden sich zeitlich nicht mehr ändert. Anschließend kann auf gleiche optische Weise das Ergebnis (Fluoreszenzverteilung der immobilisierten Sonden im DNA-Chip) analysiert werden, gegebenenfalls nach Entfernung des Hybridisierungsgemisches und geeigneten Waschvorgängen.The effectiveness of the hybridization process is e.g. by optical stimulation and Detection controlled at the site of hybridization. To this end is over the hybridization region (compartment I) an optical window provided, e.g. from a cover glass of 170 microns, above which an optionally with immersion oil connected to the window microscope objective of the prior art known epifluorescence microscope or a confocal Auflicht laser scanning microscope is located. An abort condition for the process is e.g. then given if in the individual features detected fluorescence intensity the immobilized probes does not change in time. Then you can in the same optical way the result (fluorescence distribution of immobilized probes in the DNA chip) are analyzed, if necessary after removal of the hybridization mixture and appropriate washes.

Beispiel 2:Example 2:

Die dem Beispiel 2 zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, als mobile Sonden fluoreszenzmarkierte genomische DNA (z.B. von einem Patienten) auf einen DNA-Chip zu hybridisieren. Hier wird nach Anwesenheit oder Abwesenheit bestimmter DNA-Sequenzen in der zu analysierenden Probe gesucht. Gegebenenfalls wird dabei das dem Fachmann bekannte Verfahren der komparativen Genomhybridisierung (CGH) eingesetzt. Für die hier zu lösende erfindungsgemäße Aufgabe ist wichtig, zusätzlich zu einem Wechsel zwischen einem Hybridisierungsbereich (Kompartiment I) und einem Denaturierungsbereich (Kompartiment II) noch ein drittes Kompartiment einzuführen, in welchem eine Depletion des Hybridisierungsgemisches von die Analyse störenden "unerwünschten" Sequenzen (z.B. repetitiven Sequenzen) erfolgen kann. Zu diesem Zweck wird in dem Kompartiment III ein DNA-Chip mit Features eingebracht, deren Sequenzen bei einer Temperatur TDEPL diese "unerwünschten" Sequenzen binden und damit ihre unerwünschte Immobilisierung in dem Analysebereich in Kompartiment I vermindern.The underlying problem of Example 2 is to hybridize as mobile probes fluorescently labeled genomic DNA (eg from a patient) to a DNA chip. Here we search for the presence or absence of certain DNA sequences in the sample to be analyzed. Optionally, the method of comparative genome hybridization (CGH) known to those skilled in the art is used. For the object to be solved according to the invention, it is important to introduce, in addition to a change between a hybridization region (compartment I) and a denaturation region (compartment II), a third compartment in which a depletion of the hybridization mixture of "unwanted" sequences interfering with the analysis (eg repetitive sequences). For this purpose, a DNA chip with features whose sequences bind at a temperature T DEPL these "unwanted" sequences and thus reduce their unwanted immobilization in the analysis area in compartment I in the compartment III.

In dem hier behandelten Beispiel 2 besteht der DNA-Chip mit den zu testenden Sequenzen in Kompartiment I (Hybridisierungsbereich bei Temperatur TH) wiederum aus 2500 Features, während der "Depletions-Chip" in Kompartiment III ebenfalls z.B. 2500 Features mit für die Depletion geeigneten Sequenzen enthält. Die geometrischen Abmessungen der Chips sind jeweils 5 mm × 5 mm. Der Kammeraufbau ist der gleiche wie in Beispiel 1. Zusätzlich wird jedoch der Depletions-Chip im Bereich Position "3-5" oder in einer anderen Position zwischen Kompartiment I und Kompartiment II untergebracht.In the example 2 treated here, the DNA chip with the sequences to be tested in compartment I (hybridization region at temperature T H ) again consists of 2500 features, while the "depletion chip" in compartment III likewise has, for example, 2500 features suitable for depletion Contains sequences. The geometric dimensions of the chips are each 5 mm × 5 mm. The chamber construction is the same as in Example 1. In addition, however, the depletion chip is placed in the position "3-5" or in another position between compartment I and compartment II.

Die Temperatur im Kompartiment III wird mithilfe der Heiz- und Kühlelemente so eingestellt, daß dort die Temperatur TDEPL herrscht, während in Kompartiment I die Temperatur TH und in Kompartiment II die Temperatur TD herrscht. Die mikrohydrodynamische Bewegung der Flüssigkeit sowie die Kontrolle und Analyse erfolgt ansonsten wie in Beispiel 1.The temperature in compartment III is adjusted by means of the heating and cooling elements so that there prevails the temperature T DEPL , while in compartment I the temperature T H and in compartment II the temperature T D prevails. The microhydrodynamic movement of the liquid and the control and analysis are otherwise carried out as in Example 1.

Claims (25)

Verfahren zur Durchführung von Reaktionen zwischen mindestens zwei Reaktionspartnern in wäßrigen Reaktionsgemischen, bei dem mindestens ein Reaktionspartner räumlich voneinander getrennte Kompartimente mit unterschiedlichen Reaktionsbedingungen durchläuft und mindestens ein Reaktionspartner an einer Fläche eines Kompartiments immobilisiert ist, wobei die Reaktionsgemische magnetohydrodynamisch und kreisförmig bewegt werden.Process for carrying out reactions between at least two reactants in aqueous reaction mixtures, in which at least one reaction partner spatially separated Passing through compartments with different reaction conditions and immobilized at least one reactant on a surface of a compartment is, wherein the reaction mixture moves magnetohydrodynamically and circularly become. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend die Schritte (a) Halten mindestens eines Reaktionspartners in einem Reaktionsgemisch unter ersten Reaktionsbedingungen in einem Kompartiment I, (b) Halten der mobilen und immobilisierten Reaktionspartner in einem Reaktionsgemisch unter zweiten Reaktionsbedingungen im Kompartiment I, wobei eine Bindungsreaktion zwischen den Reaktionspartnern stattfindet, (c) Überführen des Reaktionsgemisches mit den nicht gebundenen Molekülen des mobilen Reaktionspartners in ein Kompartiment II, (d) Halten des mobilen Reaktionspartners von Schritt (c) unter dritten Reaktionsbedingungen, die gleich denen von Schritt (a) sein können, im Kompartiment II, (e) Überführen des mobilen Reaktionspartners von Schritt (d) in das Kompartiment I und (f) Wiederholen der Schritte (b) bis (e) bis eine vorgegebene Abbruchsbedingung erfüllt ist.The process of claim 1 comprising the steps of (a) maintaining at least one reactant in a reaction mixture under first reaction conditions in a compartment I, (b) maintaining the mobile and immobilized reactants in a reaction mixture under second Reaction conditions in compartment I, wherein a binding reaction between the reactants takes place, (c) transferring the reaction mixture with the unbound molecules of the mobile reactant in a compartment II, (d) maintaining the mobile reactant of step (c) under third reaction conditions, the same in compartment II, (e) transferring the mobile reactant from step (d) to compartment I and (f) repeating steps (b) to (e) until a predetermined termination condition is met. Verfahren nach Anspruch 2, wobei zwischen den Schritten (c) und (d) zusätzlich Schritte der Detektion und Auswertung der Reaktion durchge führt werden.The method of claim 2, wherein between the steps (c) and (d) additionally Steps of detection and evaluation of the reaction are carried out. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei zwischen den Schritten (b) und (c) zusätzlich ein oder mehrere Waschschritte durchgeführt werden.Method according to claim 2 or 3, wherein between in addition to steps (b) and (c) one or more washes are performed. Verfahren nach Anspruch 2 bis 4, wobei weitere Kompartimente mit denselben oder anderen Reaktionsbedingungen als in den Kompartimenten I und II von den mobilen und/oder immobilisierten Reaktionspartnern durchlaufen werden.The method of claim 2 to 4, wherein further compartments with the same or different reaction conditions than in the compartments I and II from the mobile and / or immobilized reactants to go through. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Kompartimente so angeordnet sind, daß die Überführung des Reaktionsgemisches in den Schritten (c) und (e) auf derselben Bewegungsbahn verläuft, jedoch die Bewegungsrichtung entgegengesetzt ist.Method according to one of claims 2 to 5, wherein the compartments are arranged so that the transfer of the Reaction mixture in steps (c) and (e) runs on the same trajectory, however the direction of movement is opposite. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Kompartimente so angeordnet sind, daß die Überführung des Reaktionsgemisches in den Schritten (c) und (e) auf einer kreisförmigen Bewegungsbahn in jeweils der gleichen Bewegungsrichtung verläuft.Method according to one of claims 2 to 6, wherein the compartments are arranged so that the transfer of the Reaction mixture in steps (c) and (e) on a circular trajectory in each case in the same direction of movement runs. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Reaktionsvolumen in den Kompartimenten nicht größer als 150 μl ist.Method according to one of claims 1 to 7, wherein the reaction volume not larger than in the compartments 150 μl. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Reaktionsvolumen nicht kleiner als 20 μl und nicht größer als 100 μl ist.The method of claim 8, wherein the reaction volume not less than 20 μl and not bigger than 100 μl. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Reaktion eine Bindungsreaktion ist.Process according to any one of claims 1 to 9, wherein the reaction is a binding reaction. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Reaktionspartner Biomoleküle sind.Method according to one of claims 1 to 10, wherein the reactants biomolecules are. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die immobilisierten Biomoleküle in Form von Features von Bio-Chips oder in Form von Zellen oder Teilen davon vorliegen.The method of claim 11, wherein the immobilized biomolecules in the form of features of bio-chips or in the form of cells or Parts of it are available. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die. Biomoleküle aus der Gruppe der Nukleinsäuren und/oder Polypeptide ausgewählt sind.A method according to claim 11 or 12, wherein the. Biomolecules from the Group of nucleic acids and / or Polypeptides selected are. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Nukleinsäuren Desoxyribonukleotide und/oder Ribonukleotide und/oder modifizierte Nukleotide enthalten.The method of claim 13, wherein the nucleic acids are deoxyribonucleotides and / or ribonucleotides and / or modified nucleotides. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Bindungsreaktion eine Hybridisierung, insbesondere eine in situ-Hybridisierung ist.The method of claim 14, wherein the binding reaction a hybridization, in particular an in situ hybridization. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Polypeptide aus der Gruppe der Proteine ausgewählt sind.The method of claim 13, wherein the polypeptides are selected from the group of proteins. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Proteine monoklonale oder polyklonale Antikörper sind.The method of claim 16, wherein the proteins are monoclonal or polyclonal antibodies are. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei mindestens ein Reaktionspartner markiert ist.Method according to one of claims 1 to 17, wherein at least a reaction partner is marked. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Markierung einen oder mehrere Fluoreszenzfarbstoffe umfaßt.The method of claim 18, wherein the label one or more fluorescent dyes. Reaktionsdurchführungsvorrichtung zur Durchführung von Reaktionen zwischen mindestens zwei Reaktionspartnern in wäßrigen Reaktionsgemischen mit – mindestens zwei Kompartimenten, die zur Aufnahme der wäßrigen Reaktionsgemische ausgelegt sind, – einer eine Flüssigkeitsverbindung zwischen den Kompartimenten bereitstellenden Flüssigkeitsverbindungseinrichtung, – mindestens einer Immobilisierungseinrichtung, die in mindestens einem der Kompartimente angeordnet und zum Immobilisieren mindestens eines Teils mindestens eines der Reaktionspartner ausgelegt ist, und – einer Flüssigkeitsbewegungseinrichtung, die zum magnetohydrodynamischen, kreisförmigen Bewegen der wäßrigen Reaktions gemische zwischen den Kompartimenten über die Flüssigkeitsbewegungseinrichtung ausgelegt ist.Reaction through device to carry out of reactions between at least two reactants in aqueous reaction mixtures With - at least two compartments designed to receive the aqueous reaction mixtures are, - one a fluid connection between the compartments providing fluid connection means, - at least an immobilization device located in at least one of the compartments arranged and for immobilizing at least one part at least one of the reactants is designed, and - one Fluid moving device, for magnetohydrodynamic, circular moving the aqueous reaction mixtures between the compartments over the fluid movement device is designed. Reaktionsdurchführungsvorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Flüssigkeitsbewegungseinrichtung mindestens eine erste Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes und eine zweite Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes umfaßt, und mindestes eine Feldsteuereinrichtung zum Steuern der ersten und der zweiten Felderzeugungsvorrichtung vorgesehen ist, und wobei die Felderzeugungseinrichtungen so angeordnet sind, dass das elektrische und das magnetische Feld die Kompartimente durchsetzen.A reaction feed-through device according to claim 20, wherein said liquid moving means comprises at least first electric field generation field generating means and at least one field controller for controlling said first and second electric field generating means, and said field generating means is arranged that the electri and the magnetic field enforce the compartments. Reaktionsdurchführungsvorrichtung nach Anspruch 21, wobei Feldlinien des elektrischen Feldes in jedem Raumpunkt der Kompartimente und der Flüssigkeitsverbindungseinrichtung senkrecht zu Feldlinien des magnetischen Feldes verlaufen.Reaction through device according to claim 21, wherein field lines of the electric field in each Spatial point of the compartments and the liquid connection device perpendicular to field lines of the magnetic field. Reaktionsdurchführungsvorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, wobei die erste Felderzeugungseinrichtung einen kreisförmigen Hohlzylinder mit Innendurchmesser 2R und einen konzentrisch darin angeordneten kreisförmigen Innenzylinder mit Außendurchmesser 2r0 umfaßt, der Innenzylinder eine erste Elektrode E1 und der Außenzylinder eine zweite Elektrode E2 derart angeordnet umfaßt, daß mindestens in einem Bereich zwischen dem Hohlzylinder und dem Innenzylinder ein radialsymmetrisches elektrisches Feld durch Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen den Elektroden mittels der Feldsteuereinrichtung erzeugbar ist.A reaction feedthrough device according to claim 21 or 22, wherein said first field generating means comprises a circular hollow cylinder having an inner diameter 2R and a circular inner cylinder having an outer diameter 2r 0 concentrically disposed therein, said inner cylinder comprises a first electrode E1 and said outer cylinder comprises a second electrode E2 arranged so that at least a radially symmetrical electric field can be generated by applying an electrical potential difference between the electrodes by means of the field control device in a region between the hollow cylinder and the inner cylinder. Reaktionsdurchführungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei die Kompartimente zwischen dem Hohlzylinder und dem Innenzylinder angeordnet sind.Reaction through device according to one of the claims 20 to 23, wherein the compartments between the hollow cylinder and the inner cylinder are arranged. Reaktionsdurchführungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei die zweite Felderzeugungseinrichtung an einer Stirnseite der Zylinder derart angeordnet ist, daß die magnetischen Feldlinien, welche die Kompartimente durchsetzen, im wesentlichen parallel zu der Zylinderachse verlaufen.Reaction through device according to one of the claims 20 to 24, wherein the second field generating means on an end face the cylinder is arranged such that the magnetic field lines, which enforce the compartments, substantially parallel to the cylinder axis run.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1309865B1 (en) 2000-08-10 2009-06-10 bioMerieux B.V Moving droplet diagnostic assay
DE10122659A1 (en) * 2001-05-10 2002-12-05 Infineon Technologies Ag Biochip arrangement
DE10145700A1 (en) * 2001-09-17 2003-04-10 Infineon Technologies Ag Biochip arrangement, sensor arrangement and method for operating a biochip arrangement
DE10155892A1 (en) * 2001-11-14 2003-05-28 Infineon Technologies Ag To identify macromolecular biopolymers, catch molecules are immobilized on a biosensor surface to form complexes with the macromolecular biopolymer in the sample for identification by signal intensity
US7413859B2 (en) 2001-11-14 2008-08-19 Siemens Aktiengesellschaft Method and biosensors for detecting macromolecular biopolymers
DE10214719A1 (en) * 2002-04-03 2003-11-20 Infineon Technologies Ag Sensor for the qualitative and quantitative determination of (bio) organic oligomers and polymers, analysis methods for this as well as methods for producing the sensor

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3925093C2 (en) * 1989-07-28 1995-03-30 Roland Dipl Phys Hartig Device for separating biological material bound to magnetic particles (beads) in a magnetic field
WO1996004547A1 (en) * 1994-08-01 1996-02-15 Lockheed Martin Energy Systems, Inc. Apparatus and method for performing microfluidic manipulations for chemical analysis and synthesis
US5632876A (en) * 1995-06-06 1997-05-27 David Sarnoff Research Center, Inc. Apparatus and methods for controlling fluid flow in microchannels
US5685966A (en) * 1995-10-20 1997-11-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Bubble capture electrode configuration

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4906877A (en) * 1988-08-30 1990-03-06 Ciaio Frank A MHD generator and fluid pump
GB8917963D0 (en) * 1989-08-05 1989-09-20 Scras Apparatus for repeated automatic execution of a thermal cycle for treatment of biological samples
US5726026A (en) * 1992-05-01 1998-03-10 Trustees Of The University Of Pennsylvania Mesoscale sample preparation device and systems for determination and processing of analytes
US5639423A (en) * 1992-08-31 1997-06-17 The Regents Of The University Of Calfornia Microfabricated reactor
US6132580A (en) * 1995-09-28 2000-10-17 The Regents Of The University Of California Miniature reaction chamber and devices incorporating same
AUPO427996A0 (en) * 1996-12-20 1997-01-23 Co-Operative Research Centre For Diagnostic Technologies Method for detecting a nucleotide at a specific location within a polynucleotide sequence and apparatus therefor
AUPO931797A0 (en) * 1997-09-22 1997-10-09 Diatech Pty Ltd Apparatus for amplification and determination of nucleic acids

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3925093C2 (en) * 1989-07-28 1995-03-30 Roland Dipl Phys Hartig Device for separating biological material bound to magnetic particles (beads) in a magnetic field
WO1996004547A1 (en) * 1994-08-01 1996-02-15 Lockheed Martin Energy Systems, Inc. Apparatus and method for performing microfluidic manipulations for chemical analysis and synthesis
US5632876A (en) * 1995-06-06 1997-05-27 David Sarnoff Research Center, Inc. Apparatus and methods for controlling fluid flow in microchannels
US5685966A (en) * 1995-10-20 1997-11-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Bubble capture electrode configuration

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DE19980632D2 (en) 2001-03-22

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