Apparatur und Verfahren zur ultraschnellen und quantitativen Analyse von asymmetrischen Molekülen in flüssigen, insbeson- dere wässerigen Lösungen

Die Erfindung betrifft eine Apparatur und Verfahren zur ultraschnellen und quantitativen Analyse von asymmetrischen Molekülen in flüssigen, insbesondere wässerigen Lösungen.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Aufbau einer Anisotropie in in-vitro Proben für streuspektroskopische Verfahren . Bei der Analyse von biologischen Strukturen ist die Röntgen- kristallographie ein verbreitetes Verfahren.

Bei der konventionellen Röntgenkristallographie wird die Beu ^¬ gung von Röntgenstrahlung an Kristallen analysiert. Ein Prob- lern hierbei ist, dass das zu untersuchende material in kri ^¬ stalliner Form vorliegen muss.

Für viele Anwendungen, z.B. in der in-vitro Diagnostik, wird ein Verfahren benötigt, mit dem in sehr kurzer Zeit komplexe, insbesondere asymmetrische Moleküle in wässeriger Flüssigkeit qualitativ oder quantitativ bestimmt werden können, ohne die Probenflüssigkeit besonders aufbereiten zu müssen.

Ein solches Verfahren ist nicht bekannt. Bekannt sind dagegen Röntgenlaser, z.B. aus DE 102010023632.2. Bekannt sind außerdem Röntgenflachbilddetektoren aus der radiologischen Technik, mit der ein 2D Röntgenbild innerhalb sehr kurzer Zeit und bei hohen Wiederholraten und hohem Kontrastumfang gemessen werden können.

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Detek- tion eines Analyten in einer Probe, aufweisen folgende

Schritte : - Bestrahlen der Probe mit monochromatischer, bevorzugt kohärenter Strahlung im Röntgenwellenlängenbereich;

- Erfassen eines von der Probe gestreuten oder reflektierten Streuungsmusters ;

- qualitatives und/oder quantitatives Detektieren des Analy- ten anhand des Streuungsmusters.

Der Analyt kann z.B. ein Molekül, z.B. ein Protein, eine Nukleinsäure, ein, eine biologische Struktur, z.B. ein Mikroor- ganismus, Bakterium, Virus, eine Spore, eine Zelle oder ein Bestandteil oder Fragment einer biologische Struktur sein.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Probe eine Flüssigkeitsprobe .

Gemäß einer Ausführungsform ist der Einstrahlungswinkel ( a ) der Strahlung relativ zur Probenoberfläche so gewählt, dass eine Totalreflektion der Strahlung stattfindet. Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Erfassen des Streuungsmusters mit einem Flachbilddetektor.

In der Röntgenbildgebung sind sogenannte Flachbilddetektoren zur Aufnahme von digitalen Röntgenabbildungen eines Objektes bekannt, bei denen eine Röntgenstrahlung auf direktem oder indirektem Weg in elektrische Ladung umgewandelt wird und an ^¬ schließend mittels sogenannter aktiver Auslesematrizen elektronisch ausgelesen und für die Abbildungserstellung weiterverarbeitet wird. Der Detektor kann z.B. ein Halbleiterbau- element aufweisen, zum Beispiel CCD-Chip, APS-Chip oder CMOS- Chip.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Strahlung mit einem Röntgenlaser erzeugt.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Strahlung in Impulsen erzeugt. Die Impulse haben bevorzugt eine Dauer von einer Na- nosekunde oder weniger, einer Picosekunde oder weniger oder einer Femtosekunde oder weniger.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Probe vor der Analyse in einen Flüssigkristall eingebracht oder mit einem Flüssig ^¬ keitskristall oder einer Substanz, die in der Probenflüssig ^¬ keit Flüssigkeitskristalle bildet, in Kontakt gebracht. Ein Beispiel für derartige Substanzen sind Porphyrinverbindungen . Dazuu kann z.B. der flüssigen Probe eine Substanz, die in der Probenflüssigkeit Flüssigkeitskristalle bildet, zugesetzt werden. Die Substanz kann trocken oder in Lösung zugesetzt werden .

Gemäß einer Ausführungsform wird während der streuspektrosko- pischen Analyse wird die Probe bzw. der Flüssigkristall durch elektrische und/oder magnetische Felder anisotrop variiert.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Probe bzw. der Probenbehälter relativ zur Strahlungsrichtung gedreht, z.B. während oder zwischen den Messungen.

Ferner kann das erhaltene Streuungsmuster durch Fouriertransformierung als holografische Darstellung und/oder als Hologramm dargestellt werden. Durch das Erzeugen eines Hologramms (oder einer 2 dimensionalen Fouriertransformation) wird es möglich, die Darstellung des Streuungsmusters zu vergrößern, zu vermessen und zu vergleichen.

Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Detektion eines Analyten in einer Probe, aufweisend:

- Mittel zum Bestrahlen der Probe (1) mit monochromatischer kohärenter Strahlung (5) im Röntgenwellenlängenbereich;

- Mittel zum Erfassen (9) eines von der Probe gestreuten oder reflektierten Streuungsmusters (11);

- Mittel zum qualitativen und/oder quantitativen Detektieren des Analyten anhand des Streuungsmusters (11) . Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Mittel zum Bestrahlen der Probe (1) einen Röntgenlaser . Bevorzugt kann dieser die Strahlung in Impulsen erzeugen. Die Impulse haben bevorzugt eine Dauer von einer Nanosekunde oder weniger, einer Picose- künde oder weniger oder einer Femtosekunde oder weniger.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Mittel zum Erfassen eines von der Probe gestreuten oder reflektierten Streuungsmusters einen Flachbilddetektor.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Mittel zum qualitati ^¬ ven und/oder quantitativen Detektieren des Analyten anhand des Streuungsmusters eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Aufnahme und/oder Analyse von erfassten Signalen des Streu- ungsmusters.

Diese Signalverarbeitungseinrichtung kann eine Computerimplementierte Signalverarbeitungseinrichtung umfassen. Sie kann ein Programm zur Datenverarbeitung und - analyse umfas- sen.

Gemäß einer Ausführungsform können Mittel zum Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes an die Probe und/oder Mittel zum Drehen der Probe vorgesehen sein.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ge ^¬ mäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele erfolgt; es zeigen:

FIG 1

Fig. 1 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren.

Die Probe (1) ist auf einem Probenhalter (3) angeordnet. Sie kann auch in einem Probengefäß (nicht gezeigt) angeordnet sein . Röntgenstrahlung (5) fällt mit konstanter Wellenlänge und konstantem Winkel ( a ) relativ zu einer Probe (1) bzw. zu ei ^¬ nem zum Detektor (9) ein. Das Röntgenstrahlung (5) wird ge- streut (7) und der bzw. die Streuwinkel ( α ' ) hängt nur vom Molekültyp ab, an welchem die Strahlung gestreut wird. Die gestreute Röntgenstrahlung erzeugt auf dem Detektor (9), z.B. einem Röntgenflachbilddetektor ein Muster (11), z.B. ein Ringmuster wobei die Durchmesser der einzelnen Ringe einem Mole- kültyp entsprechen. Durch Fourrieranalyse wird daraus das quantitative Molekülspektrum erzeugt. Dadurch ist das Muster charakteristisch und quantitativ.

Der Röntgenlaser durchstrahlt dabei bevorzugt streng mono- chromatisch die zu untersuchende Probe (1) . Das Röntgenlicht (5) wird an den asymmetrischen Molekülen gestreut mit einem molekül-charakteristischen Streuwinkel .

Bevorzugt wird die Strahlung in Impulsen erzeugt. Die Impulse haben bevorzugt eine Dauer von einer Nanosekunde oder weniger, einer Picosekunde oder weniger oder einer Femtosekunde oder weniger.

Bevorzugt ist der Einfallwinkel ( a ) so gewählt, dass eine Totalreflektion des einfallenden Röntgenlichts erreicht wird.

Durch Normierung werden einzelnen Abschnitten des Spektrums die korrekten Molekültypen zugeordnet. Durch Intensitätsnormierung erhält man die Konzentrationen.

Da der Laser und der Flachbilddetektor mit sehr hoher Wiederholrate bzw. sogar DC-mäßig betrieben werden können, kann die Analyse sehr schnell und sogar kontinuierlich durchgeführt werden .

Mögliche Ausführungsformen umfassen ferner einen Laboranalyseautomat zur Durchführung von Analysen von Blut, Urin und anderen Körperflüssigkeiten, ein Leitungsabschnitt (z.B. ei- nes Schlauchs) eines geschlossenen Systems mit kontinuierli ^¬ cher Überwachung, z.B. bei der Dialyse oder in einem System zu Wasseraufbereitung oder in einem Schwimmbad. Flüssige, insbesondere wässerige Proben sind isotrop. Daher ist die Streuung von eingestrahlter elektromagnetischer

Strahlung - sofern nicht weitere Maßnahmen ergriffen werden - isotrop . Damit streuspektroskopische Verfahren genutzt werden können sollte bevorzugt eine Anisotropie in der Probe erzeugt wer ^¬ den. Hierfür ist kein Verfahren bekannt.

Die Probe wird vor der Analyse in einen Flüssigkristall ein- gebracht. Die zu untersuchenden Moleküle ordnen sich regelmä ^¬ ßig um die Flüssigkristalle. Der Flüssigkristall kann ein Porphyrin sein. Als Flüssigkristall bezeichnet man eine Sub ^¬ stanz, die einerseits flüssig ist wie eine Flüssigkeit, ande ^¬ rerseits aber auch richtungsabhängige (anisotrope) physikali- sehe Eigenschaften aufweist, wie ein Kristall.

Während der streuspektroskopischen Analyse wird der Probenbehälter gedreht, z.B. während oder zwischen den Messungen. Während der streuspektroskopischen Analyse wird der Flüssig- kristall durch elektrische und/oder magnetische Felder ani ^¬ sotrop variiert, oder anders ausgedrückt kann durch einbrin ^¬ gen der Probe in elektrische und/oder magnetische Felder eine Anisotropie in der Probe erzeugt werden. Die dargestellte Erfindung erlaubt die Entwicklung völlig neuartiker Analyse Verfahren z.B. für die in-vitro

Technologie .