DE10153899B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Biosensorik - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Detektion von biologischen Substanzen, die als mindestens eine gesuchte Targetsubstanz (1) in einer Probe enthalten sind, wobei die Probe in eine Sensorkammer (20) eingeführt wird, die eine Sensorsuspension und Partikel (21) mit substanzspezifischen Bindungsstellen (23, 24) für die Targetsubstanz (1) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (21) in der Sensorsuspension frei suspendiert enthalten sind und eine umlaufende Ringströmung der Sensorsuspension erzeugt wird, die durch mindestens einen Detektorbereich der Sensorkammer (20) hindurchtritt, wobei zur Erfassung der Targetsubstanz in der Sensorsuspension ermittelt wird, ob sich durch Verknüpfen der Partikel (21) mit der gesuchten Targetsubstanz (1) über die Bindungsstellen (23, 24) Partikelaggregate (26) bilden, wobei in dem mindestens einen Detektorbereich (50) Kräfte erzeugt werden, unter deren Wirkung die Partikelaggregate (26) im Detektorbereich (50) gesammelt werden, wobei eine Signalgebung erfolgt, wenn die Bildung der Partikelaggregate (26) in dem mindestens einen Detektorbereich (50) erfasst wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft Verfahren zur Detektion von biologischen Substanzen, insbesondere von Mikroorganismen oder deren Bestandteilen, und Biosensoren zur Umsetzung der Verfahren.
  • Sensoren sind Einrichtungen zum Fühlen oder Detektieren von physikalischen oder chemischen Größen oder von Substanzen. Zu den Sensoren zur Detektion von Substanzen gehören insbesondere Biosensoren, mit denen biologische Substanzen erfassbar sind. Unter biologischen Substanzen (oder: Biokomponenten) werden hier allgemein Stoffe, Verbindungen, Makromoleküle oder Aggregate biologischen Ursprungs oder entsprechende komplexere Materialien, wie z. B. lebende oder tote biologische Zellen, Zellgruppen oder Zellbestandteile verstanden. Biosensoren funktionieren auf der Grundlage von Affinitätsbeziehungen, wie sie beispielsweise zwischen Antigenen und Antikörpern oder einem Enzym oder einem Substrat bestehen. Zwischen einer biologischen Substanz, die in einer Probe erfasst werden soll, und einer Substanz (signalgebendes Material) im Biosensor läuft eine biochemische Reaktion ab, deren Produkt beispielsweise mit physikalischen Methoden erfasst wird.
  • Besondere Anforderungen bestehen an Biosensoren, die zur Detektion von Mikroorganismen, insbesondere von biologischen Krankheitserregern, eingerichtet sind. Zu diesen Anforderungen zählen insbesondere eine hohe Selektivität und Funktionssicherheit unter praktischen Einsatzbedingungen außerhalb des Labors, z. B. im mobilen Einsatz wie insbesondere im öffentlichen Raum (Flughäfen, Bahnhöfe usw.).
  • Das Funktionsprinzip eines herkömmlichen Biosensors für Mikroorganismen ist in 10 illustriert. Der herkömmliche Biosensor 10' (siehe 10a) umfasst eine Suspensionskammer 20' mit einer Einführeinrichtung 30', einer Detektoreinrichtung 40' und einem Detektorbereich 50'. Der Detektorbereich 50' wird durch ein Substrat gebildet, auf dem als signalgebende Materialien 21' B-Lymphozyten 22' immobilisiert angeordnet sind. In der Suspensionskammer 20' ist eine Nährlösung zur Versorgung der lebenden B-Lymphozyten 22' angeordnet. Über die Einführeinrichtung 30' wird eine Probe mit den zu detektierenden Mikroorganismen 1' in die Suspensionskammer 20' eingeführt. Die B-Lymphozyten 22' tragen spezifische Antikörper 23', die für eine Bindung mit dem zu detektierenden Mikroorganismus eingerichtet sind. Die B-Lymphozyten 22' sind ferner durch genetische Manipulation so gebildet, dass bei Ankopplung von einem oder mehreren Mikroorganismen 1' an den Antikörpern 23' grün fluoreszierende Proteine 25' (sogenannte GFP's) erzeugt werden. In der Detektoreinrichtung sind eine Anregungs-Lichtquelle und ein optischer Detektor vorgesehen, die auf die Anregung und Detektion der GFP-Fluoreszenz abgestimmt sind.
  • Bei Einführung von Mikroorganismen 1' in die Suspensionskammer 20' kommt es zur Anbindung an den Antikörpern 23' der B-Lymphozyten 22' (siehe 10b). Es kommt zur GFP-Produktion und zur Anregung der GFP-spezifischen Fluoreszenz (Pfeil F), die ein Signal für das Auftreten der Mikroorganismen ist. Der herkömmliche Biosensor mit immobilisierten Lymphozyten besitzt zwar den Vorteil einer hochempfindlichen Zellreaktion, die technisch relativ einfach in ein optisches und elektrisches Signal umsetzbar ist. Es treten jedoch die folgenden Nachteile auf, die die Anwendbarkeit dieser Biosensoren erheblich einschränken.
  • Nachteilig ist in erster Linie die Handhabung und Stabilität der zellbasierten Biosensoren. B-Lymphozyten oder auch andere Zellen höherer Organismen (Säuger) müssen unter sterilen Bedingungen gehalten werden. Die Zellen sind empfindlich gegenüber Erschütterungen und Temperaturschwankungen. Es sind technische Maßnah men zur Erhaltung der Vitalität der Zellen zu treffen. Außerdem muss die Zellvitalität laufend geprüft werden. Dadurch wird der Aufbau des Biosensors kompliziert. Die geforderte Sterilität steht in inhärentem Widerspruch zur Detektion von Mikroorganismen aus einem Umgebungsmilieu. Mit der Probe, z. B. aus der Luft werden laufend die verschiedensten Arten biologischer Erreger in den Biosensor aufgenommen, die die Zellen 22' angreifen können oder wie im Fall von Bakterien um die gemeinsame Nahrungsquelle im Sensor konkurrieren.
  • Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen Biosensoren besteht in der geringen Reaktionszeit. Der Prozess zur Genexpression und Signalkettenverknüpfung, in dessen Ergebnis die grüne GFP-Fluoreszenz messbar ist, dauert mindestens 10 Minuten bis zu einer Stunde. Derart lange Ansprechzeiten sind jedoch insbesondere bei der Detektion gefährlicher Mikroorganismen unannehmbar.
  • Weitere Nachteile der herkömmlichen Biosensoren bestehen in der geringen Funktionsfähigkeit, in der eingeschränkten Lagerfähigkeit und Einsatzdauer, in der beschränkten Simultandetektion verschiedener Erreger und in der Gefahr eines Fehlalarms.
  • In US 5 104 791 A wird ein Verfahren zur Detektion von Viren beschrieben, wobei eine Konglomeratbildung mit Hilfe biologischer Substanzen mit substanzspezifischen Bindungsstellen stattfindet. In US 6 187 546 B1 wird ein Verfahren zur Isolation von Säugetierzellen beschrieben, bei dem die Zellen mit Hilfe von „Beads", an denen Antikörper angeheftet wurden, gefangen werden. Unter Verwendung eines magnetischen Feldes können die „Beads" mitsamt den an ihnen haftenden Zellen aus einer Suspension isoliert werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Detektion biologischer Substanzen bereitzustellen, mit dem die Nachteile herkömmlicher Detektionsverfahren überwunden werden. Das neue Detektionsverfahren soll sich insbesondere durch eine hohe Zuverlässigkeit, kurze Ansprechzeit und dauerhafte und erweiterte Einsetzbarkeit auszeichnen. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, einen verbesserten Biosensor zur Umsetzung des Verfahrens bereitzustellen. Der erfindungsgemäße Biosensor soll sich insbesondere durch einen vereinfachten Aufbau, eine erhöhte Funktionssicherheit und eine Regenerationsfähigkeit auszeichnen.
  • Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und einen Biosensor mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 und 7 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Die Grundidee der Erfindung ist es, bei der Detektion biologischer Substanzen als signalgebende Materialien Partikel mit substanzspezifischen Bindungsstellen zu verwenden, die in einer Suspension frei beweglich sind und bei Anwesenheit mindestens einer gesuchten Targetsubstanz zu Partikelaggregaten verknüpft werden können, die mit physikalischen Methoden detektierbar sind. Die Verwendung der frei suspendierten Partikel einerseits und die Detektion von Partikelaggregaten andererseits liefern eine Reihe von Vorteilen, die das erfindungsgemäße Verfahren den herkömmlichen Techniken weit überlegen machen. Die Partikelaggregation besitzt den Vorteil einer geringen Ansprechzeit und effektiven Detektierbarkeit. Es werden vorzugsweise Partikel aus nicht-lebenden, insbesondere synthetischen Materialien verwendet. In diesem Fall stellen die Vitalitätserhaltung und die Sterilität des Sensors keine Probleme dar. Die Partikel mit substanzspezifischen Bindungsstellen repräsentieren zwar tote Materie, die dennoch durch die Targetsubstanz-induzierte Partikelaggregation auf die Anwesenheit biologisch wirksamer Targetsubstanzen anspricht.
  • Gemäß einer wichtigen Ausführungsform der Erfindung wird die Partikelaggregation als Änderung der Transparenz, Fluoreszenz oder Streuung der Suspension, die die Probe, die spezifisch bindenden Partikel und gegebenenfalls Partikelaggregate enthält, optisch detektiert oder visuell beobachtet. Vorteilhafterweise werden durch die Aggregation in der Suspension größere Teilchen gebildet, die sich auf die optischen Eigenschaften der Suspension auswirken.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Partikelaggregate in einem Detektorbereich gesammelt und detektiert. Im Detektorbereich der Sensorkammer werden Kräfte er zeugt, unter deren Wirkung Partikelaggregate im Detektorbereich gesammelt werden, einzelne Partikel jedoch den Detektorbereich verlassen können. Der Detektorbereich zeichnet sich durch die lokale Ausbildung von Kräften aus, die selektiv ausschließlich auf die Aggregate wirken. Die Sammlung oder Anreicherung der Partikelaggregate besitzt den Vorteil einer erhöhten Sensitivität der Detektion. Wenn die Partikelaggregate im suspendierten Zustand angereichert werden, ergibt sich als zusätzlicher Vorteil einer schnellen Anreicherung im Volumen und damit einer Verkürzung der Ansprechzeit. Wenn die Partikelaggregate im Festphasen-adsorbierten Zustand angereichert werden, so kann vorteilhafterweise auf Maßnahmen zur Aggregatsammlung beispielsweise unter Verwendung äußerer Felder verzichtet werden.
  • Die erfindungsgemäße Detektion der Partikelaggregate erfolgt beispielsweise mit optischen oder elektrischen Messungen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Messsignal zur Erfassung der Partikelaggregate als Differenzsignal zwischen einem Detektorsignal und einem Referenzsignal ermittelt. Das Detektorsignal repräsentiert das Vorhandensein und/oder die Menge der Partikelaggregate im Detektorbereich. Das Referenzsignal repräsentiert ein Untergrundsignal, das außerhalb des Detektorbereiches ermittelt wird.
  • Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Erzeugung einer Strömung der Suspension mit der Probe, den Partikeln mit substanzspezifischen Bindungsstellen und den gegebenenfalls gebildeten Partikelaggregaten. Die Suspensionsströmung (vorzugsweise Ringströmung) durchströmt wiederholt den Detektorbereich, in dem die Partikelaggregate aus der Suspension festgehalten werden. Durch diese Maßnahme wird die Sensitivität der Detektion erhöht und die Ansprechzeit der Detektion verkürzt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Detektion in einer Suspension, die verschiedene Partikelarten mit verschiedenen substanzspezifischen Bindungsstellen enthält. Für zwei oder mehr gesuchte Targetsubstanzen sind entsprechend zwei oder mehr Partikelarten mit zugehörigen Bindungsstellen oder Partikel mit zwei oder mehr substanzspezifischen Bindungsstellen vorgesehen. Die Partikel werden vorzugsweise je nach den gesuchten Targetsubstanzen in getrennten Detektorbereichen angereichert und detektiert. Vorteilhafterweise können gleichzeitig verschiedene Mikroorganismen mit hoher Spezifität und Zuverlässigkeit erfasst werden.
  • Ein Gegenstand der Erfindung ist auch ein Biosensor zur Umsetzung des genannten Verfahrens. Der erfindungsgemäße Biosensor umfasst insbesondere eine Suspensionskammer zur Aufnahme einer Suspension mit Partikeln mit substanzspezifischen Bindungsstellen, eine Einführeinrichtung zur Einführung einer Probe in die Suspension und eine Detektoreinrichtung zur Erfassung von Partikelaggregaten. Der erfindungsgemäße Biosensor besitzt den Vorteil eines erheblich vereinfachten Aufbaus. Der Biosensor kann als sogenannter Sensorchip miniaturisiert und mobil verwendet werden. Die Funktionsfähigkeit des Biosensors ist von den Umgebungsbedingungen, wie z. B. Erschütterungen, Temperatur und dgl. relativ unabhängig. Er ermöglicht eine Lagerung über beliebige Zeiträume, eine einfache Reinigung und Regeneration.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Suspensionskammer mindestens einen Detektorbereich auf, der zur Aggregatanreicherung ausgebildet und auf den die Detektoreinrichtung gerichtet ist. Der Detektorbereich wird beispielsweise durch eine Festphase an einer Wand der Suspensionskammer oder durch einen Teilbereich der Suspensionskammer mit einer Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung von Rückhaltefeldern für die Partikelaggregate gebildet. Die Felderzeugungseinrichtung um fasst vorzugsweise Elektroden, die zur dielektrophoretischen Sammlung von Partikelaggregaten ausgebildet sind.
  • Weitere besonders bevorzugte Merkmale des erfindungsgemäßen Biosensors sind die Bereitstellung eines Strömungsgenerators zur Erzeugung einer Strömung in der Suspensionskammer, die Ausbildung der Einführeinrichtung als permeable Membran, durch die die Probe aus der Umgebungsluft direkt in die Suspensionskammer überführt werden kann und die Bereitstellung eines schnell ansprechenden Alarmsystems, das die Erzeugung der Partikelaggregate aus den Partikeln mit substanzspezifischen Bindungsstellen und den zu detektierenden Substanzen signalisiert, z. B. anzeigt, hörbar macht oder anderweitig dem Nutzer des Biosensors mitteilt.
  • Die Erfindung besitzt die folgenden weiteren Vorteile. Der Biosensor besitzt eine kleine und lageunabhängige Bauform. Er ist über längere Zeiträume, z. B. über einen oder mehrere Tage, einsatzfähig. Vorteilhafterweise ist eine schnelle Aktivierbarkeit gegeben. Er kann ohne weiteres auf verschiedene Typen von Mikroorganismen angepasst werden. Ein Fehlalarm ist praktisch ausgeschlossen. Das Verfahren ist unter den verschiedensten Bedingungen, insbesondere mobil oder stationär, an technischen Einrichtungen oder am Menschen einsetzbar.
  • Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Biosensors besteht in der Möglichkeit einer vollständigen Reinigung und Regenerierbarkeit durch Waschen und Neubefüllung. Der Biosensor ist wartungsfrei. Dies ist besonders bei einem massenhaften, routinemäßigen Einsatz von Bedeutung. Lebende Zellen sind als Sensormaterial nicht zwingend erforderlich, so dass Sterilitätsanforderungen nicht eingehalten werden müssen und der Sensor durch Staub und unkritische Substanzen (ungefährliche Mikroorganismen) kontaminiert werden kann, ohne dass ein Alarm ausgelöst wird. Je nach Suspensionsbefüllung und Partikelausstattung lassen sich in einem System parallel oder in Serie nacheinander mehrere Biokomponenten selektiv überwachen und detektieren.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
  • 1 ein Schema eines erfindungsgemäßen Biosensors,
  • 2 einen erfindungsgemäß verwendeten Partikel mit substanzspezifischen Bindungsstellen,
  • 3 eine Illustration einer erfindungsgemäßen Partikelaggregation,
  • 4, 5 schematische Teilansichten von Biosensoren gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung,
  • 6 weitere Einzelheiten eines erfindungsgemäßen Biosensors,
  • 7 eine schematische Teilansicht eines Biosensors gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
  • 8, 9 Illustrationen einer Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten Einführeinrichtung, und
  • 10: Illustrationen eines herkömmlichen Biosensors (Stand der Technik).
  • 1 zeigt in schematischer Übersichtsdarstellung Komponenten eines erfindungsgemäßen Biosensors 10. Je nach Anwendungsfall sind alle Komponenten in Kombination oder nur Teilkomponenten vorgesehen oder bestimmte Merkmale modifiziert ausgebildet. Das Schema dient lediglich Illustrationszwecken, ohne auf bestimmte Größen, Größenverhältnisse, Formen oder Anordnungen der Teile erfindungsgemäßer Biosensoren beschränkt zu sein.
  • Allgemein umfasst ein erfindungsgemäßer Biosensor 10 mindestens eine Suspensionskammer 20, mindestens eine Einführeinrichtung 30 und mindestens eine Detektoreinrichtung 40. Die Suspensionskammer 20 ist zur Aufnahme einer Suspension mit Partikeln 21 (vergrößert eingezeichnet, siehe 2) eingerichtet. Mindestens Teilbereiche der Kammerwand bestehen aus einem transparenten Material, z. B. Kunststoff. Der Biosensor kann in Form eines Sensorchips als mobiles System gebildet sein.
  • Die Einführeinrichtung 30 ist in eine Wand der Suspensionskammer 20 integriert oder als gesonderte Komponente an der Suspensionskammer 20 angebracht. Die Einführeinrichtung 30 stellt die Schnittstelle zwischen dem gasförmigen oder flüssigen Außenmedium und der Suspension im Sensor dar und dient der Einführung einer Probe oder von Teilen einer Probe in die Suspensionskammer 20. Es ist beispielsweise eine Austauschermembran (siehe 6, 8, 9) zur Übernahme von Bestandteilen aus einer gasförmigen Probe (z. B. Umgebungsluft) in die Suspension oder eine Dosiereinrichtung zur Zuführung einer flüssigen Probe (z. B. aus Grundwasser) in die Suspension vorgesehen. Die Dosiereinrichtung umfasst beispielsweise eine Leitung mit einem Ventil, ggf. mit einer Saugpumpe.
  • Die Detektoreinrichtung 40 ist je nach Art des physikalischen Messverfahrens zur Detektion von Partikelaggregaten in der Suspensionskammer 20 ausgebildet. Sie ist in eine Kammerwand integriert oder außerhalb der Suspensionskammer 20 angeordnet. Es ist beispielsweise eine Kombination aus Anregungs-Lichtquelle und optischem Sensor (z. B. CCD-Sensor) oder eine anderweitige Messeinrichtung zur Erfassung physikalischer Eigenschaften der Suspension, insbesondere im Detektorbereich 50 vorgesehen. Als Detektoreinrichtung kann beispielsweise auch eine Massendichte messeinrichtung zur lokal sensitiven Ermittlung der Massendichte in der Suspension unter Verwendung von Ultraschall vorgesehen sein. Die Detektoreinrichtung 40 ist mit einer Mess- und Steuereinrichtung 45 verbunden, die mit einer Signaleinrichtung 60 gekoppelt ist. Die Signaleinrichtung 60 umfasst beispielsweise optische (61), akustische (62) und/oder mechanische (63) Signalisierungsmittel. Als optische Signalisierungsmittel werden beispielweise LED's verwendet. Eine grüne LED zeigt die Betriebsbereitschaft des Sensors an. Eine rote LED signalisiert ein Ansprechen des Sensors. Anstelle der Signaleinrichtung 60 kann auch ein (nicht dargestellter) Sender vorgesehen sein, der Systemzustände und insbesondere die Detektion der zu untersuchenden Substanz drahtlos an eine Zentraleinheit (nicht dargestellt) übermittelt. Die genannten Komponenten sind in einem Gehäuse 70 angeordnet.
  • Der Detektorbereich 50, in dem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Anreicherung von Partikelaggregaten vorgesehen ist, umfasst eine Felderzeugungseinrichtung zur Sammlung oder Zurückhaltung der Aggregate in einem suspendierten Zustand im Detektorbereich 50 oder eine Adsorptionsschicht zur Immobilisierung von Aggregaten. Die Felderzeugungseinrichtung kann je nach Anwendungsfall mit der Mess- und Steuereinrichtung 45 verbunden sein (siehe gestrichelter Pfeil), um die Parameter der Aggregatanreicherung in Abhängigkeit von Detektorsignalen zu steuern.
  • Das Bezugszeichen 80 illustriert schematisch ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung, wonach im Biosensor 10 mit einem Strömungsgenerator eine Ringströmung erzeugt wird. Die Suspension in der Suspensionskammer 20 wird über einen Strömungskreislauf 81, der auch durch eine entsprechend geformte Suspensionskammer 20 gebildet sein kann, mehrfach am Detektorbereich 50 vorbeigeführt (siehe 7). Im Detektorbereich werden lokal Kräfte ausgeübt, die selektiv ausschließlich auf die Aggregate wirken. Aggregate, die bei einem ersten Durchtritt durch den Detektorbereich noch zu klein für ein Festhalten sind, wachsen im Umlauf und werden beim nächsten oder einem folgenden Durchtritt gesammelt.
  • Das Volumen der Suspensionskammer 20 ggf. mit dem Umlauf wird anwendungsabhängig gewählt und beträgt bei mobilen Geräten z. B. 10 μl bis 10 ml. Es können aber auch größere Volumina bis in den 100 ml-Bereich vorgesehen sein.
  • Das Wirkprinzip der erfindungsgemäßen Stoffdetektion basiert auf der Verwendung von Partikeln, die substanzspezifische Bindungsstellen tragen und in einer Trägerflüssigkeit (im folgenden: Sensorsuspension) frei suspendiert sind, als signalgebendes Material oder Sensorelement. Ein Partikel 21 ist schematisch vergrößert in 2 illustriert. Er besteht aus einem Partikelkörper 22, der auf seiner Oberfläche eine Vielzahl von Bindungsstellen 23, 24 trägt. Des weiteren können, wenn eine Fluoreszenzdetektion (siehe unten) vorgesehen ist und der Partikel oder die nachzuweisende Substanz keine genügende Eigenfluoreszenz besitzen, auf der Oberfläche oder im Inneren fluoreszierende Moleküle 25 zur Fluoreszenzmarkierung angeordnet sein. Die Fluoreszenzmarkierung 25 umfasst vorzugsweise Fluoreszenzfarbstoffe oder fluoreszierende Proteine mit einer möglichst hohen Fluoreszenzquantenausbeute, wie z. B. Fluoreszindiazetat. Es kann auch eine Beladung der Partikel 21 mit einer ferromagnetischen Substanz vorgesehen sein, wenn die Partikel 21 in einem Detektorbereich mit einem magnetischen Sammelfeld konzentriert werden sollen.
  • Der Partikelkörper 22 ist ein synthetisches inertes Teilchen aus einem Kunststoff- und insbesondere Polymermaterial. Als Partikelkörper werden beispielsweise kommerziell verfügbare "Beads", Liposomen, Latexkörper oder Gelpartikel verwendet. Der Durchmesser der Partikelkörper 22 beträgt einige Mikrometer (z. B. 3 bis 5 μm) oder weniger bis in den Sub-Mikrometer-Bereich (z. B. bis hinab zu 10 nm).
  • Die Bindungsstellen 23, 24 sind allgemein chemische Substanzen, die spezifisch mit vorbestimmten Targetsubstanzen, die detektiert werden sollen, Bindungen eingehen, gegenüber anderen, in der Probe enthaltenen Stoffen jedoch inert sind. Für die Detektion von Biokomponenten werden als Bindungsstellen vorzugsweise spezifische Antikörper verwendet. Die Antikörper werden nach an sich bekannten Verfahren der Antikörperproduktion gewonnen und nach ebenfalls bekannten molekularbiologischen Techniken an die Partikelkörper angekoppelt. Die Antikörper werden beispielsweise aus B-Lymphozyten (z. B. der Maus) gewonnen.
  • Auf der Oberfläche der Partikelkörper 22 befinden sich mehrere Bindungsstellen. Zur Partikelaggregation müssen pro Partikel mindestens zwei Bindungsstellen, vorzugsweise jedoch drei oder mehr Bindungsstellen vorgesehen sein. Je nach Anwendungsfall können die Partikel 21 ausschließlich Bindungsstellen (z. B. 23) tragen, die für genau eine zu detektierende Targetsubstanz spezifisch bindend sind, oder zwei oder mehr verschiedene Antikörper (z. B. 23, 24) tragen, an denen verschiedene Targetsubstanzen ankoppeln. Im letzteren Fall ist die Selektivität des Detektionsverfahrens entsprechend auf eine Gruppe von Targetsubstanzen beschränkt. In der Sensorsuspension können auch Gruppen mit verschiedenen Partikelarten enthalten sein, die jeweils spezifische Bindungsstellen tragen. In diesem Fall ist die Spezifität des Biosensors ebenfalls eingeschränkt, falls nicht zusätzliche Maßnahmen zur selektiven Detektion der verschiedenen Partikelgruppen in verschiedenen Detektorbereichen, z. B. durch verschiedene dielektrophoretische Rückhaltebedingungen, bereitgestellt werden.
  • Die Sensorsuspension besteht beispielsweise aus einer Elektrolytlösung oder einer physiologischen Kochsalzlösung. Die Zahl der Partikel mit substanzspezifischen Bindungsstellen in der Sensorsuspension ist anwendungsabhängig gewählt. Sie beträgt beispielsweise 100 bis 106 je μl. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Partikel 21 aufgrund ihrer geringen Größe und ihrer Aggregationsfreiheit im unbeladenen Zustand frei in der Sensorsuspension verteilt sind. Die Sensorsuspension liefert somit ein isotropes Grundsignal (z. B. Fluoreszenzsignal), das die Einsatzbereitschaft des Biosensors anzeigt. Wenn die Partikel genügend klein sind, ist die Sensorsuspension transparent und klar, was vorteilhafterweise visuell geprüft werden kann.
  • Wenn sich in der Sensorsuspension die gesuchte Targetsubstanz befindet, kommt es zu der in 3 illustrierten Partikelaggregation. Die Targetsubstanz wird über die Einführeinrichtung (siehe unten) in die Sensorsuspension eingeführt und dort gelöst oder frei suspendiert. Die Targetsubstanz enthält beispielsweise mindestens eine gesuchte Biokomponente (z. B. Mikroorganismen, Viren oder Sporen) oder Teile von diesen oder andere biologische Substanzen. Biokomponenten sind beispielsweise auch Moleküle, Verbindungen, Makromoleküle, wie z. B. Proteine oder Lipide, oder Aggregate, die in biologischen Systemen enthalten sind, oder lebende oder tote biologische Zellen, Zellgruppen oder Zellbestandteile. Mikroorganismen umfassen beispielsweise Bakterien oder andere Krankheitserreger.
  • Die Biokomponenten 1 treffen aufgrund der thermischen Bewegung oder ggf. einer zusätzlichen gerichteten oder ungerichteten Strömungsbewegung in der Sensorsuspension nach kurzer Zeit auf freie Bindungsstellen 23, an die sie spezifisch anbinden. Ferner treffen frei suspendierte Partikel (z. B. 21) auf einen mit mindestens einer Biokomponente 1 beladenen Partikel oder Partikelverbund. Es entsteht ein Partikelaggregat 26, das gemäß der Schemadarstellung in 3 ein irregulär faden- oder netzartig gewachsener Verbund aus Partikeln 21 und Biokomponenten 1 darstellt. Dieser Verbund kann je nach den quantitativen Verhältnissen Dimensionen im Bereich von z. B. 0.2 bis 10 μm erhalten, wobei er weiter in der Suspension frei suspendiert ist.
  • Durch Aggregatbildung werden allgemein die physikalischen Eigenschaften der Sensorsuspension (z. B. optische Eigenschaften, Massendichteverteilung, Viskosität oder dgl.) verändert. Im einfachsten Fall verursacht die Partikelaggregation beispielsweise eine visuell beobachtbare Eintrübung, wenn aus Partikeln 21 mit charakteristischen Größen kleiner als die sichtbaren Lichtwellenlängen zu streuenden Aggregaten wachsen. Für eine sensitive und automatisierbare Detektion wird jedoch anstelle der visuellen Beobachtung die Messung einer veränderten physikalischen Größe der Sensorsuspension bevorzugt. Dies wird im folgenden am Beispiel von Fluoreszenzmessungen beschrieben.
  • Zur Fluoreszenzdetektion werden Partikel mit Eigenfluoreszenz oder einer Fluoreszenzmarkierung 25 verwendet. Durch die Aggregatbildung ändert sich die örtliche Verteilung der fluoreszierenden Emitter in der Sensorsuspension. Vor der Aggregatbildung ist ein isotrop verteiltes Fluoreszenz-Grundsignal detektierbar, das sich in allen Volumenteilen der Sensorsuspension gleichförmig durch die Zahl der im Volumenteil enthaltenen einzelnen Partikel 21 bestimmt. Während und nach der Aggregatbildung kommt es entsprechend in manchen Volumenteilen zu einer Verringerung und in anderen Volumenteilen zu einer Verstärkung der Fluoreszenz. Diese Änderung lässt sich durch eine ortsselektive Fluoreszenzmessung erfassen.
  • Unter ortsselektiven Fluoreszenzmessung wird allgemein die lokal begrenzte Anregung (Beleuchtung) und/oder Detektion der Fluoreszenz in einem genügend kleinen Volumenelement verstanden. Bei Messung mit einem ausreichend schnell ansprechenden Detektor ergeben sich im Zeitverlauf des Fluoreszenzsignals mit zunehmender Aggregatbildung Fluktuationen, die charakteristisch für das zeitweilige Auftreten von Partikelaggregaten im lokal angeregten und/oder detektierten Bereich sind. Das Auftreten der Fluktuationen kann als Maß für die Aggregatbildung und damit für die Detektion der gesuchten Targetsubstanz verwendet und in ein Alarmsignal umgesetzt werden.
  • Vorzugsweise ist die Detektion der Partikelaggregate jedoch lokal auf mindestens einen Detektorbereich 50 (siehe 1, 4, 5) gerichtet, in dem eine Konzentration oder Anreicherung der Partikelaggregate 26 erfolgt. Durch die Anreicherung wird die aggregat-induzierte Änderung der örtlichen Fluoreszenzverteilung vorteilhafterweise noch verstärkt, so dass sich die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Detektion weiter erhöht. In einem Detektorbereich 50 werden die Partikel zusätzlichen Kräften ausgesetzt, die selektiv bevorzugt auf die Partikelaggregate und weniger oder gar nicht auf die einzelnen Partikel wirken. Die Kräfte umfassen beispielsweise Kräfte in elektromagnetischen Feldern (siehe z. B. 4) oder chemische Bindungskräfte (siehe z. B. 5). In elektromagnetischen Feldern werden beispielsweise dielektrophoretische, magnetische oder optische Kräfte ausgeübt, unter deren Wirkung die Partikelaggregate im Detektorbereich gesammelt werden. Die Aggregatanreicherung erfolgt vorzugsweise unter Wirkung elektromagnetischer Felder, da mit diesen Volumenkräfte erzeugt werden. Mit Volumenkräften lassen sich große Aggregate stärker beeinflussen als einzelne Partikel, was sich positiv auf die Ansprechzeit eines erfindungsgemäßen Biosensors auswirkt.
  • In 4 ist die Anreicherung von Partikelaggregaten 26 unter der Wirkung elektromagnetischer Felder illustriert. Es ist ein Teil einer Suspensionskammer 20 mit dem Detektorbereich 50 dargestellt, der von der Sensorsuspension beispielsweise in Pfeilrichtung A durchströmt wird. Im Detektorbereich 50 sind an den oberen und unteren Seitenwänden der Suspensionskammer Elektroden 51 angeordnet, die mit einem Hochfrequenzgenerator 52 verbunden sind. Im Detektorbereich 50 ist ferner die Detektoreinrichtung 40 mit einer Anregungs-Lichtquelle 41 und einem Detektor 42 (jeweils schematisch illustriert) angeordnet, die mit der Mess- und Steuereinrichtung 45 verbunden sind. Die Fluoreszenzmessung erfolgt mit um 90° versetzten Strahlengängen der Beleuchtung und Detektion. Alternativ zur Fluoreszenzmessung kann die Detektoreinrichtung 40 auch zu einer Streulichtmessung eingerichtet sein.
  • Die Elektroden 51 werden mit Hochfrequenzfeldern derart beaufschlagt, dass sich in Strömungsrichtung eine dielektrophoretische Feldbarriere bildet, die sich über die Suspension erstreckt und teilchengrößenselektiv wirkt. Es wird eine dielektrophoretische Kraft erzeugt, die so mit den Strömungskräften zusammenwirkt, dass große Teilchen im Detektorbereich 50 gehalten werden und kleine Teilchen weiter strömen. Die Manipulation dielektrischer Teilchen in hochfrequenten elektrischen Feldern ist an sich bekannt, so dass es dem Fachmann möglich ist, die Elektrodenformen und Feldparameter in Abhängigkeit vom Anwendungsfall geeignet zu wählen. Unter der dielektrophoretischen Kraftwirkung werden die Aggregate 26 im Sensorbereich 50 zurückgehalten, während die einzelnen Partikel (nicht dargestellt) unter der Wirkung der Suspensionsströmung durch den Detektorbereich hindurchtreten. Durch die Konzentration der Aggregate ergibt sich eine Erhöhung der Fluoreszenzintensität im Detektorbereich 50. Die Fluoreszenzmessung beispielsweise einer einzelnen Linie liefert ein Detektorsignal, das bei Anstieg charakteristisch für das Auftreten der Partikelaggregate ist. Wird ein bestimmter Schwellwert überschritten, spricht der Biosensor 10 an. Von der Mess- und Steuereinrichtung 45 wird ein Signal an die Signaleinrichtung 60 (siehe 1) gegeben. Die Empfindlichkeit und Reproduzierbarkeit der Fluoreszenzmessung kann noch erhöht werden, indem die Anregungs-Lichtquelle 41 auch einen Volumenbereich der Suspensionskammer 20 außerhalb des Detektorbereiches 50 be strahlt oder entsprechend eine weitere Anregungs-Lichtquelle vorgesehen ist. Mit dem Detektor 42 oder einem zusätzlichen Detektor kann ein Referenzsignal erhalten werden. Ein Alarmsignal wird beispielsweise erzeugt, wenn ein Differenzsignal zwischen dem Detektorsignal aus dem Detektorbereich 50 und dem Referenzsignal einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
  • Die Anregungs-Lichtquelle 41 ist beispielsweise eine LED. Als Detektor 42 wird beispielsweise ein CCD-Sensor oder ein anderes photosensitives Element verwendet. Zusätzlich können am Detektor 42 Filter zur Abtrennung des Anregungslichts vorgesehen sein.
  • Die Sammlung der Partikelaggregate 26 an einer im Detektorbereich 50 vorgesehenen Festphase 53 ist in 5 illustriert. Die Festphase 53 besteht aus einer Vielzahl von substanzspezifischen Bindungsstellen (z. B. Antikörpern), die auf einem Substrat an einer Wand der Suspensionskammer 20, direkt auf der Wand oder auf dem Detektor angebracht sind. Entsprechend dem oben erläuterten Aggregationsprinzip erfolgt an der Festphase 53 eine Bildung, ein Wachstum und eine Sammlung von Aggregaten 26. Die Konzentration der Aggregate 26 kann analog zu den oben beschriebenen Prinzipien durch eine Fluoreszenzmessung (Absolutmessung oder Referenzmessung) detektiert und alarmiert werden. Die Festphasen-Sammlung gemäß 5 besitzt zwar eine geringere Ansprechzeit als die Sammlung in der freien Suspension gemäß 4, ermöglicht jedoch vorteilhafterweise einen erheblich vereinfachten Aufbau des Biosensors 10. Es ergibt sich ferner als Vorteil gegenüber dem herkömmlichen Prinzip gemäß 10, dass sich das signalgebende Material bei Ansprechen des Biosensors im Detektorbereich 50 durch Aufbau der fluoreszierenden Aggregate vorteilhafterweise schnell sammelt. Bei den in 4 und 5 gezeigten Prinzipien der Aggregatanreicherung sind Ansprechzeiten des Biosensors 10 im Sekundenbereich möglich.
  • Alternative Sammelprinzipien basieren auf optischen Kräften, die beispielsweise wie bei Laserpinzetten mit Lasern ausgeübt werden, oder magnetischen Kräften. Am Detektorbereich können beispielsweise Permanentmagneten angeordnet sein, die auf Aggregate eine stärkere Rückhaltekraft ausüben als auf die einzelnen Partikel.
  • Weitere Einzelheiten eines Biosensors 10, der beispielsweise auf den in den 4 und 5 illustrierten Prinzipien beruht, sind in 6 illustriert. Im Gehäuse 70 sind die Suspensionskammer 20 (teilweise dargestellt) mit der Einführeinrichtung 30, der Detektoreinrichtung 40, der Mess- und Steuereinrichtung (nicht dargestellt) und der Signaleinrichtung 60 untergebracht. Das Gehäuse 70 umfasst Ein- und Austrittsfenster 71, 72 zur Aufnahme und Abgabe eines Mediums (z. B. Umgebungsluft), aus dem eine Probe untersucht werden soll. Im Gehäuse kann auch ein Ventilator (nicht dargestellt) zum Ansaugen von Umgebungsluft in das Gehäuse 70 vorgesehen sein. Des weiteren kann im Gehäuse 70 eine Befeuchtungseinrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, mit der das aufgenommene Medium angefeuchtet wird, um ein Austrocknen des Sensors zu behindern. Alternativ kann auch die Einführeinrichtung 30 an einem Gehäusefenster nach außen hin frei liegen, so dass eine Probe direkt aus der Umgebung in die Suspensionskammer 20 aufgenommen werden kann.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Strömungskammer 20 mit einem Strömungsgeneratur 80 ausgestattet. Mit dem Strömungsgenerator 80 wird in der Sensorsuspension eine Flüssigkeitsbewegung erzeugt, um die Aggregatbildung bei Auftreten der Targetsubstanz zu fördern und die Aggregate am Detektorbereich 50 vorbeizuführen. Die Suspensionskammer 20 ist vorzugsweise als endloser, umlaufender Kanal (z. B. als Ringkammer oder Zylinderkammer) aufgebaut, in dem mit dem Strömungsgenerator 80 eine umlaufende Strömung erzeugt wird, wie dies in 7 illustriert ist.
  • 7 zeigt eine Suspensionskammer 20 in Form eines flachen Kreiszylinders, in dem eine Ringströmung der Sensorsuspension gebildet ist. An die Suspensionskammer 20 sind ein Zulauf 82 und ein Ablauf 83 angeschlossen, die einen geschlossenen Strömungskreislauf 81 bilden können oder der Systembefüllung und -entleerung dienen. Die Einführeinrichtung 30 (nicht dargestellt) ist direkt mit der Suspensionskammer 20 oder alternativ mit einem Teil des Strömungskreislaufs 81 verbunden.
  • Des weiteren ist an der Suspensionskammer 20 ein Detektorbereich 50 zur Anreicherung der sich im Biosensor 10 gegebenenfalls bildenden Partikelaggregate vorgesehen. Es ist beispielhaft ein Detektorbereich 50 mit einer Vielzahl von Elektroden 51 zur dielektrophoretischen Sammlung der Partikelaggregate (siehe 4) vorgesehen. Des weiteren ist die Anregungs-Lichtquelle 41 der Detektoreinrichtung an der Suspensionskammer 20 angebracht. Der Darstellung gemäß 7 ist zu entnehmen, dass bei der Realisierung eines Detektorbereiches 50 zur Anreicherung der Aggregate die Anregungs-Lichtquelle 41 nicht notwendigerweise lokal auf den Detektorbereich 50 gerichtet sein muss. Vielmehr ist es möglich, mit einer geeigneten Optik die gesamte Suspensionskammer 20 zu beleuchten und eine lokal selektive Detektion am Detektorbereich 50 und gegebenenfalls eine Referenzmessung außerhalb des Detektorbereichs 50 vorzunehmen.
  • Während des Sensorbetriebs wird mit dem Strömungsgenerator eine Ringströmung erzeugt, die gegebenenfalls auch für den Medienumlauf durch die Zu- und Abläufe 82, 83 sorgt. Der Strömungsgenerator ist beispielsweise durch ein magnetisches (Magnetrührer), dielektrophoretisches, thermisches oder elektrohydrodynamisches Rührwerk gebildet. Die über die Einführeinrichtung 30 in die Sensorsuspension eingebrachten Probenbestandteile gelangen über den Zulauf 82 in die Suspensionskammer 20. Beim Auftreten der Targetsubstanz erfolgt die Aggregatbildung. Die wachsenden Ag gregate werden im Detektorbereich 50 aus der Ringströmung zurückgehalten und konzentriert. Bei Überschreiten eines vorbestimmten Differenzwertes der Fluoreszenz relativ zur Umgebungsfluoreszenz in der Suspensionskammer 20 außerhalb des Detektorbereichs 50 wird ein Alarm signalisiert. Die Ringströmung wird während des Betriebes ununterbrochen aufrechterhalten.
  • Der in den 6 und 7 illustrierte Biosensor ist ferner mit den folgenden Komponenten ausgestattet, die im einzelnen nicht gezeigt sind. Es ist eine Mess- und Steuereinrichtung zum Betrieb der optischen Detektion, zur Signalauswertung und zur Alarmerzeugung vorgesehen. Des weiteren ist eine Felderzeugungseinrichtung (z. B. Hochfrequenzgenerator) für die dielektrophoretische, magnetische und/optische Krafterzeugung vorgesehen. Vorteilhafterweise zeigen die Erfahrungen aus der fluidischen Mikrosystemtechnik, dass diese Schaltungen klein und mit geringem Energieverbrauch bereitgestellt werden können, so dass der Biosensor 10 ohne weiteres als mobiles Gerät realisiert werden kann. Des weiteren kann der Biosensor mit einem Spül- und Suspensionskühlsystem, gegebenenfalls mit einem Hilfstank, verbunden sein.
  • In den 8 und 9 sind Einzelheiten der erfindungsgemäß verwendeten Einführeinrichtung 30 illustriert. Die Einführeinrichtung 30 umfasst beispielsweise eine Austauschmembran oder ein Diffusionsfenster 31, das die Schnittstelle zwischen dem Inneren der Suspensionskammer 20 und der Umgebung darstellt. Das Diffusionsfenster 31 ist beispielsweise eine dünne Membran mit Durchbrüchen oder Poren. Die Membrandicke beträgt beispielsweise 3 μm. Die Poren besitzen charakteristische Durchmesser im Bereich von z. B. 0.5 bis 40 μm. Sie sind derart gewählt, dass die jeweilige Targetsubstanz durch die Poren hindurchtreten kann. Das Diffusionsfenster wird beispielsweise durch eine Oxid- oder Siliziummembran mit entsprechenden Poren 32 gebildet.
  • Die Probeneinführung erfolgt derart, dass das Außenmedium (z. B. Außenluft), das auf Mikroorganismen getestet werden soll, an der Außenseite des Diffusionsfensters 31 (siehe 8a) vorbeigeführt wird. Dies erfolgt aktiv mit einem Ventilator oder passiv durch in der Umgebung vorhandene Medienströmungen. Vorzugsweise ist die Luftfeuchte im Außenraum erhöht. Dies besitzt den Vorteil, dass ein Austrocknen der Sensorsuspension durch die Poren 32 vermindert wird.
  • Die in den meisten Fällen hydrophilen Mikroorganismen gelangen auf den Suspensionsmeniskus 33 (siehe 8b), der an den Poren 32 gebildet ist, oder auf die feuchte Oberfläche des Diffusionsfensters 31 und von dort passiv in die Sensorsuspension. Die Bildung des Suspensionsmeniskus 33 kann vorteilhafterweise durch hydrophobe Materialien 34 am Rand der Poren gefördert werden. Mit dem Strömungsgenerator wird auf der Innenseite der Einführeinrichtung laufend die Sensorsuspension vorbeigeführt. Es wird beispielsweise eine laminare Strömung induziert. Die Targetsubstanz kann in der oben beschriebenen Weise mit den Partikeln in der Suspension wechselwirken, so dass Aggregate gebildet werden. Die Strömungsgeschwindigkeit in der Suspensionskammer 20 kann so eingestellt werden, dass die einzelnen Partikel durch die dielektrophoretische Feldwirkung im Detektorbereich 50 nicht zurückgehalten werden, während sich die größeren Aggregate sammeln und über dem Detektor 42 aggregieren. Vorteilhafterweise kommt es bei der Aggregation zu einem Lawineneffekt. Über die Partikel-Partikel-Polarisationswechselwirkungen sammeln sich weitere einzelne Partikel und wachsende Aggregate an den im Detektorbereich 50 festgehaltenen Partikelaggregaten. Durch diesen Lawineneffekt wird die Empfindlichkeit des Biosensors weiter erhöht.
  • 9 zeigt die direkte Ankopplung der Einführeinrichtung 30 an die Suspensionskammer 20. Es ist auch ein besonderer Vorteil der Erfindung erkennbar, der sich auf die Herstellung des Biosensors bezieht. Die Suspensionskammer 20 mit der Einführeinrichtung 30 können einstückig aus einem Material hergestellt sein. Es wird beispielsweise Halbleitermaterial oder Kunststoff mit an sich bekannten dreidimensionalen Strukturierungstechniken geformt und den weiteren Komponenten (z. B. Elektroden) ausgestattet. Der Verdunstungsschutz 73 ist eine Einrichtung zur Anfeuchtung der Luft und besteht z. B. aus wassergetränktem Material.
  • Die Erfindung kann wie folgt modifiziert werden. Anstelle der synthetischen Partikelkörper des signalgebenden Materials können auch Partikelkörper aus biologischen Substanzen (z. B. lebende oder tote Zellen, wie lebende oder tote B-Lymphozyten, oder Zellfragmente, wie Membranvesikeln) verwendet werden. Es kann vorteilhafterweise eine besonders gute Anpassung an die Betriebsbedingungen erzielt werden, was möglicherweise auftretende Einschränkungen bei der Handhabung der Partikel kompensiert. Die Bindungsstellen können anstelle von Biokomponenten auch für andere Targetsubstanzen, wie z. B. synthetische Toxine, spezifisch bindend sein. Es können an einem Biosensor mehrere Suspensionskammern und an jeder Suspensionskammer mehrere Detektorbereiche vorgesehen sein.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Detektion von biologischen Substanzen, die als mindestens eine gesuchte Targetsubstanz (1) in einer Probe enthalten sind, wobei die Probe in eine Sensorkammer (20) eingeführt wird, die eine Sensorsuspension und Partikel (21) mit substanzspezifischen Bindungsstellen (23, 24) für die Targetsubstanz (1) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (21) in der Sensorsuspension frei suspendiert enthalten sind und eine umlaufende Ringströmung der Sensorsuspension erzeugt wird, die durch mindestens einen Detektorbereich der Sensorkammer (20) hindurchtritt, wobei zur Erfassung der Targetsubstanz in der Sensorsuspension ermittelt wird, ob sich durch Verknüpfen der Partikel (21) mit der gesuchten Targetsubstanz (1) über die Bindungsstellen (23, 24) Partikelaggregate (26) bilden, wobei in dem mindestens einen Detektorbereich (50) Kräfte erzeugt werden, unter deren Wirkung die Partikelaggregate (26) im Detektorbereich (50) gesammelt werden, wobei eine Signalgebung erfolgt, wenn die Bildung der Partikelaggregate (26) in dem mindestens einen Detektorbereich (50) erfasst wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Kräfte elektromagnetische Kräfte, unter deren Wirkung die Partikelaggregate (26) in einem suspendierten Zustand gesammelt werden, oder chemische Bindungskräfte umfassen, unter deren Wirkung die Partikelaggregate (26) in einem Festphasen-adsorbierten Zustand gesammelt werden.
  3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Erfassung der Partikelaggregate (26) eine optische, elektrische oder hydrodynamische Messung umfasst.
  4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in der Sensorsuspension Partikel mit Bindungsstellen enthalten sind, die mit verschiedenen Targetsubstanzen spezifische Bindungen eingehen, und eine Detektion der verschiedenen Substanzen erfolgt.
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Partikel (21) mit substanzspezifischen Bindungsstellen (23, 24) Partikelkörper (22) aus einem synthetischen Material besitzen.
  6. Verfahren gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die biologischen Substanzen Mikroorganismen, Viren oder Teile von diesen umfassen.
  7. Biosensor zur Detektion von biologischen Substanzen in einer Probe, der umfasst: – eine Suspensionskammer (20), die eine Sensorsuspension und Partikel (21) mit substanzspezifischen Bindungsstellen (23, 24) enthält, und – eine Einführeinrichtung (30) zur Einführung der Probe in die Suspensionskammer (20), dadurch gekennzeichnet, dass – die Partikel (21) in der Sensorsuspension frei suspendiert enthalten sind, – eine Detektoreinrichtung (40) zur Erfassung von Partikelaggregaten (26) aus den Partikeln und den gesuchten biologischen Substanzen vorgesehen ist, – die Suspensionskammer (20) mindestens einen Detektorbereich (50) enthält, der zur Anreicherung von Partikelaggregaten (26) ausgebildet und mit der Detektoreinrichtung (40) verbunden ist, und – ein Strömungsgenerator (80) zur Erzeugung einer Ringströmung in der Suspensionskammer (20) enthalten ist.
  8. Biosensor gemäß Anspruch 7, bei dem der Detektorbereich (50) eine Felderzeugungseinrichtung (51) zur Erzeugung elektromagnetischer Feldwirkungen oder eine Festphase (53) zur Erzeugung chemischer Bindungskräfte enthält.
  9. Biosensor gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einführeinrichtung (30) ein Diffusionsfenster (31) mit Poren (32) aufweist, das die Sensorsuspension in der Suspensionskammer (20) von einem Außenraum trennt.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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US6187546B1 (en) * 1995-09-06 2001-02-13 O'neill Ian Kenneth Method of isolating cells

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5104791A (en) * 1988-02-09 1992-04-14 E. I. Du Pont De Nemours And Company Particle counting nucleic acid hybridization assays
US6187546B1 (en) * 1995-09-06 2001-02-13 O'neill Ian Kenneth Method of isolating cells

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