In der Chemie oder Biologie muß häufig die Reaktionskinetik zwischen zwei Mole- külsorten untersucht werden, von denen eine an einer Oberfläche gebunden ist und die zweite sich in Lösung befindet. Ebenso besteht häufig der Wunsch, die Kon- zentration von Molekülen an einer Oberfläche zu bestimmen, die für eine Bindung mit anderen Molekülen zur Verfügung stehen, die sich in Lösung befinden. Insbe- sondere bei sogenannten DNA-Arrays oder Proteinarrays ist eine quantitative Aus- wertung der Ergebnisse nur eingeschränkt möglich, da im allgemeinen unbekannt ist, wie viele an der Oberfläche gebundene Moleküle für die Bindung mit in Lösung befindlichen Molekülen zur Verfügung stehen.

Bei bekannten Techniken wird zur Bestimmung der Konzentration von an einer Oberfläche z. B. in einem Array gebundenen Molekülen z. B. Ellipsometrie oder spektroskopische Methoden eingesetzt. Mit Hilfe der Ellipsometrie wird die Schicht- dicke bzw. die Änderung der Schichtdicke gemessen. Kennt man andererseits die Schichtdicke der Moleküllage, so läßt sich aus der gemessenen Dicke der Bedeckungsgrad der Oberfläche bestimmen. Mit Hilfe spektroskopischer Methoden kann man molekülspezifische Resonanzen quantitativ auswerten, um so den Bedeckungsgrad der Oberfläche zu bestimmen. Die bekannten Methoden haben jedoch den Nachteil, daß der Bedeckungsgrad nur eine obere Grenze für die Zahl der tatsächlich auch für eine weitere Bindung zur Verfügung stehenden Moleküle angibt. So können z. B. sterische Gründe dafür verantwortlich sein, daß nur ein Bruchteil der an der Oberfläche befindlichen Moleküle für eine Bindung mit weiteren z. B. in einer Lösung aufgebrachten Molekülen zur Verfügung steht.

Mit anderen Verfahren läßt sich nicht nur die Zahl der an der Oberfläche gebunde- nen Moleküle bestimmen, sondern auch noch deren Aktivität, d. h. wie viele der Moleküle für eine Bindung mit anderen Molekülen, die in einer Lösung auf die Oberfläche aufgebracht werden, zur Verfügung stehen. US 5,064, 619 beschreibt ein Verfahren, das unter Ausnutzung der Oberflächenplasmonresonanz die Ände- rung des Winkels der Totalreflexion mißt, die durch die Bindung von sogenannten Sondenmolekülen an den an der Oberfläche bereits gebundenen Probenmolekülen hervorgerufen wird. In der Regel sind dabei die Probenmoleküle an einer Goldober- fläche gebunden. Bei diesem Verfahren des Standes der Technik wird nicht direkt die Anzahl der Moleküle bestimmt, da die Änderung der Oberflächenplasmonreso- nanz und damit die Änderung des Winkels der Totalreflexion von der Änderung der elektronischen Umgebung der Goldoberfläche abhängt. Diese wird jedoch nicht nur durch die Zahl der gebundenen Moleküle, sondern auch durch ihre elektronischen Eigenschaften bestimmt.

Andere Verfahren bedienen sich der Tatsache, daß sich durch eine Änderung des Bedeckungsgrades der Oberfläche mit Probenmolekülen die mechanischen Eigen- schaften des Substrates ändern. US 5,130, 257 beschreibt den Einsatz piezoelektri- scher Substrate, die mit Oberflächenwellen angeregt werden, während sie sich in einer Lösung befinden. US 5,719, 324 beschreibt die Verwendung von sogenannten Micro-Cantilevern, während US 5,552, 274 dünn geschliffene Schwingquarze als Detektor einsetzt. Dabei wird die Änderung der Resonanzfrequenz der Oberflä- chenschallwelle, des Micro-Cantilevers bzw. des Schwingquarzes durch den zu- sätzlichen Massebelag der gebundenen Probenmoleküle gemessen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, auf einfache Weise und mit geringem Materialaufwand die Menge und/oder Art von an einer funktionalisierten Oberfläche für eine Bindung zur Verfü- gung stehenden Molekülen bestimmen zu können bzw. die Reaktionskinetik solcher Moleküle mit in einer Lösung befindlichen Molekülen anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit einem Charakterisierungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausgestaltungen gerichtet.

Erfindungsgemäß wird ein Tropfen einer Sondenflüssigkeit mit dem funktionalisier- ten Bereich einer Festkörperoberfläche in Kontakt gebracht. Die Tropfengröße der Sondenflüssigkeit wird dabei vorzugsweise derart gewählt, daß der Tropfen auf dem funktionalisierten Bereich der Oberfläche derart durch seine Oberflächenspan- nung zusammengehalten wird, daß seine Berührungsfläche etwa der Fläche des funktionalisierten Bereiches entspricht oder kleiner ist. Die Sondenflüssigkeit ist derart präpariert, daß eine Bindung der Sondenflüssigkeit oder darin enthaltenen Materiales mit dem funktionalisierten Oberflächenbereich stattfinden kann. Wäh- rend der Berührung oder nach der Berührung wird zumindest ein Parameter über- wacht, der sich mit der Bindung der Sondenflüssigkeit bzw. des darin enthaltenen Materiales mit dem funktionalisierten Teilbereich der Oberfläche ändert.

Je nach Anwendung kann die Sondenflüssigkeit reine Flüssigkeit, eine Mischung, eine Dispersion oder eine Suspension, sowie eine Flüssigkeit umfassen, in der sich feste Teilchen befinden. Insbesondere kann die Sondenflüssigkeit auch biologi- sches Material, wie z. B. Zellen, Makromoleküle, Proteine, Antikörper, Antigene oder DNA enthalten. Die durch die Präparation der Sondenflüssigkeit mögliche Bin- dung der Sondenflüssigkeit oder des darin enthaltenen Materiales mit dem funktio- nalisierten Oberflächenbereich kann eine spezifische Bindung und/oder eine Adhä- sion umfassen. Der zu überwachende Parameter kann insbesondere ein physikali- scher, ein chemischer oder ein biologischer Parameter sein. Für die Zwecke der vorliegenden Schrift bezeichnet der Begriff"Festkörper"sowohl Festkörper aus kri- stallinem Material, z. B. Lithiumniobat oder Quarz, als auch Strukturen aus anderen Materialien, z. B. Kunststoff.

Durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung mit einem Tropfen ist weder ein Flüssigkeitsfilm auf der Oberfläche noch ein Eintauchen der Oberfläche in eine Flüssigkeit notwenig. Vorteilhafterweise wird die Tropfengröße so gewählt, daß die Berührungsfläche des Tropfens mit der Oberfläche etwa der Oberfläche eines funk- tionalisierten Teilbereiches entspricht. Auf diese Weise kann sehr präzise und exakt genau eine Funktionalisierung charakterisiert werden. Bei entsprechender Verfah- rensführung können mit einem Tropfen aber auch mehrere funktionalisierte Ober- flächenteilbereiche parallel untersucht werden. Gegebenenfalls kann durch Bewe- gung des Tropfens von einem funktionalisierten Teilbereich zum nächsten funktio- nalisierten Teilbereich auch eine serielle Untersuchung unterschiedlicher funktiona- lisierter Teilbereiche vorgenommen werden.

Ist der Tropfen der Sondenflüssigkeit ausreichend klein oder gering konzentriert, so kann aus der Änderung des Parameters auf die Menge der für eine Reaktion mit der Sondenflüssigkeit bzw. des darin enthaltenen Materiales zur Verfügung stehen- den an der Oberfläche des funktionalisierten Teilbereiches befindlichen Moleküle geschlossen werden. Durch die Verwendung von einem Tropfen, der auf der freien Oberfläche ohne seitliche Wandberührung auf den funktionalisierten Teilbereich aufgebracht wird, läßt sich sehr lokal die entsprechende funktionalisierte Oberfläche untersuchen. Es ist nur wenig Material notwendig und die Sondenlö- sung kann hoch konzentriert sein, auch wenn nur wenig Material zur Verfügung steht. Die Volumina der Sondenlösung sind z. B. im Bereich von einem Pikoliter bis zu mehreren Mikrolitern. Eine typische Größe des funktionalisierten Teilbereiches ist z. B. 100 um x 100 um.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind aufgrund des kleinen Volumens der Tropfen die Reaktionszeiten sehr kurz, da die Diffusionslängen klein sind. Das Verfahren eignet sich aufgrund des geringen Stoffmengenverbrauches z. B. für die Qualitätssicherung für DNA-und Proteinchips oder für sogenannte ELISAs (enzyme-linked immunosorbent assays).

Um zu untersuchen, wie die Reaktion zwischen der Sondenflüssigkeit bzw. des darin enthaltenen Materiales mit den Probenmolekülen an dem funktionalisierten Teilbereich abläuft, wird das erfindungsgemäße Verfahren ein-oder mehrfach wiederholt und währenddessen bzw. zwischen den einzelnen Verfahrensschritten der beobachtete Parameter ausgelesen. Um Auskunft über die an dem funktionali- sierten Teilbereich für eine Bindung zur Verfügung stehende Molekülanzahl, über die Gleichgewichtskonstante oder über die Anzahl der auf dem funktionalisierten Teilbereich befindlichen reaktiven Moleküle zu erhalten, wird eine kleine Menge Sondenflüssigkeit auf den funktionalisierten Teilbereich aufgebracht, der Parameter gemessen, dann eine weitere Menge der Sondenflüssigkeit aufgebracht. Diese Schritte werden ggf. mehrere Male wiederholt, um festzustellen, bei welcher Menge an Sondenflüssigkeit eine Reaktion stattfindet bzw. in welchem Maße.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren auf einem Festkörperchip durchgeführt, wie er z. B. aus der Halbleitertechnik bekannt ist. Solche Chips lassen sich mit bekannten Techniken sehr einfach prozessieren und erlauben die Aufbringung von z. B. Elektroden oder funktionalisierten Schichten mit bekannten lithographischen Techniken. Solche Chipeinheiten können im Rahmen der lab-on- the-chip-Technologie (vgl. O. Müller, Laborwelt 1/2000, Seiten 36-38) bei der Miniaturisierung chemischer und biologischer Prozesse eingesetzt werden. Auf ei- nem solchen Chip können mehrere Analysestationen angeordnet sein, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, bzw. andere Analy- seschritte vorgenommen werden können. Außerdem ist eine Integration mit anderen Einheiten eines lab-on-the-chip leicht realisierbar.

Der beobachtete Parameter kann z. B. die Leitfähigkeit, der pH-Wert, die Dämpfung einer Oberflächenschallwelle, die Ladung oder elektrische oder magnetische Ei- genschaften sein. Besonders vorteilhaft läßt sich das Verfahren anwenden, wenn die Untersuchung des Parameters das Auslesen eines Markers umfaßt, der sich an Molekülen in der Sondenlösung befindet, und mit dem funktionalisierten Teilbereich der Oberfläche des Festkörpers eine Bindung eingehen kann, insbesondere eines Fluoreszenzmarkers oder radioaktiven Markers. Sondenflüssigkeit wird als Tropfen auf den funktionalisierten Teilbereich aufgebracht und z. B. bei Verwendung eines Fluorzeszenzmarkers die Fluoreszenz ausgewertet, die sich nach Entfernung der Sondenflüssigkeit zeigt. Auf diese Weise läßt sich Information über das an den Probenmolekülen gebundene Material der Sondenflüssigkeit erhalten.

Alternativ kann z. B. ein Farbumschlag ausgewertet werden, der bei einer Reaktion der Sondenflüssigkeit bzw. darin enthaltenen Materiales mit der funktionalisierten Oberfläche eintritt. Derartige optische Messungen können z. B. in Transmission oder Reflexion durchgeführt werden.

Soll eine spezifische Reaktion zwischen Material in der Sondenflüssigkeit mit dem funktionalisierten Teilbereich der Oberfläche untersucht werden, so kann nach der Berührung des Tropfens der Sondenflüssigkeit mit dem funktionalisierten Oberflä- chenbereich ein Waschschritt durchgeführt werden, um unspezifisch gebundenes oder durch Adhäsion haftendes Material der Sondenflüssigkeit zu entfernen, bevor die Auswertung des Parameters begonnen wird.

Bei einer anderen Verfahrensführung wird das Verfahren mehrfach wiederholt, bis man keine Zunahme des Signales an dem funktionalisierten Teilbereich mehr erhält, nachdem der Sondenflüssigkeitstropfen wieder entfernt worden ist. Bei be- kannter Konzentration und Volumen der Tropfen mit der Sondenflüssigkeit kann aus einem Vergleich z. B. des Fluoreszenzsignales am funktionalisierten Teilbe- reich mit und ohne Tropfen auf die Zahl der gebundenen Moleküle geschlossen werden.

Wiederholt man das Verfahren sukzessiv für mehrere Tropfen mit verschiedenen Reaktionsparametern, so lassen sich aus den Ergebnissen u. a. z. B. die Gleiche- wichtskonstante, die Reaktionsordnung, die Reaktionskinetik und die Konzentration der an der Oberfläche des funktionalisierten Teilbereiches befindlichen reaktiven Moleküle bestimmen. Als Reaktionsparameter kommen beispielsweise die Dauer je Reaktionsschritt, die Konzentration der Probe und die Reaktionstemperatur in Be- tracht.

Über die Reaktionskinetik der Sondenflüssigkeit bzw. des darin befindlichen Mate- riales mit der funktionalisierten Oberfläche läßt sich unter anderem durch die Mes- sung der Reaktionswärme Information gewinnen.

Um die Reaktion zwischen Sondenflüssigkeit bzw. des darin enthaltenen Materiales mit der funktionalisierten Oberfläche zu befördern bzw. die auf dem funktionalisier- ten Teilbereich aufgebrachte Flüssigkeit zu durchmischen, wird während der Reaktion vorteilhafterweise eine Oberflächenschallwelle in Richtung des funktiona- lisierten Teilbereiches geschickt. Der Impulsübertrag einer Oberflächenschallwelle versetzt die Flüssigkeit auf der Oberfläche in Bewegung und führt zu deren Durch- mischung. Der Impuls der Oberflächenschallwelle wird dabei durch die mechani- sche Deformation der Oberfläche oder durch die Wechselwirkung von durch die mechanische Deformation der Oberfläche hervorgerufenen Änderungen des elektrischen Feldes mit ggf. in der Flüssigkeit vorhandenen geladenen oder polari- sierbaren Teilchen bewirkt.

Die Sondenflüssigkeit kann tropfenweise mit Hilfe eines Pipettierroboters oder Piezodispensers mit dem funktionalisierten Teilbereich'in Verbindung gebracht werden. Besonders einfach und vorteilhaft ist es jedoch, wenn Tropfen der Son- denflüssigkeit auf der Festkörperoberfläche selbst in Richtung des funktionalisierten Teilbereiches bewegt werden. Die Bewegung des Sondenflüssigkeitstropfens in Richtung des funktionalisierten Teilbereiches kann ebenfalls mit Hilfe einer Oberflä- chenschallwelle ausgelöst werden. Die Bewegung auf der Oberfläche durch den Impulsübertrag einer Oberflächenschallwelle ermöglicht eine besonders gerichtete und definierte Bewegung. Die geeignete Frequenz der Oberflächenschallwelle hängt vom Durchmesser des zu bewegenden Tropfens ab und kann z. B. in Vor- versuchen bestimmt werden.

Die zur Durchmischung der Flüssigkeit auf dem funktionalisierten Teilbereich und/oder zur Bewegung des Sondenflüssigkeitstropfens vorteilhafterweise einge- setzten Oberflächenschallwellen können mit Hilfe eines oder mehrerer Interdigi- taltransducer auf einer piezoelektrischen Festkörperoberfläche erzeugt werden, deren Abstrahlrichtung der Richtung des gewünschten Impulsübertrages entspricht.

Eine solche piezoelektrische Oberfläche kann z. B. aus einen Lithiumniobat-oder Quarzkristall gebildet sein. Ebenso kann auch eine piezoelektrische Beschichtung, z. B. Zinkoxid, auf einem anderen Material vorgesehen sein. Die Oberfläche kann auch mit einer ausreichend dünnen, vorzugsweise biokompatiblen Schutzschicht versehen sein. Allgemein ist die Verwendung von Interdigitaltransducern zur Er- zeugung von Oberflächenschallwellen zur Bewegung von kleinen Flüssigkeitsmen- gen in DE-A-100 55 318 beschrieben.

In einfacher Ausgestaltung dieser bevorzugten Verfahrensführung wird ein Reser- voirtropfen der Sondenflüssigkeit auf die Festkörperoberfläche aufgebracht, der aufgrund seiner Oberflächenspannung zusammengehalten wird. Aus diesem Reservoirtropfen wird ein kleinerer Sondenflüssigkeitstropfen abgezogen und dem funktionalisierten Teilbereich zugeführt, wobei sich die kleine Sondenflüssigkeits- menge auf der Oberfläche bewegt.

Der als Reservoir dienende größere Sondenflüssigkeitstropfen, aus dem der kleine Sondenflüssigkeitstropfen abgezogen wird, der dem funktionalisierten Teilbereich zugeführt wird, kann sich auf einem Ankerpunkt auf der Oberfläche des Festkörpers befinden, der von der Sondenflüssigkeit besser benetzt wird als seine umgebende Festkörperoberfläche. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß der größere Reservoirtropfen an einer bestimmten Stelle der Oberfläche verbleibt und diese ohne äußere Krafteinwirkung nicht verläßt.

Der Sondenflüssigkeitstropfen, der dem funktionalisierten Teilbereich zugeführt wird, kann vorteilhafterweise auf der Festkörperoberfläche entlang eines Pfades bewegt werden, wobei zumindest ein Teil seiner Oberfläche von der Sondenflüs- sigkeit besser benetzt wird als seine umgebende Oberfläche. Die Sondenflüssigkeit bewegt sich vorzugsweise auf diesem Pfad, so daß eine kontrollierte Bewegung sichergestellt ist. Ein solcher Pfad kann z. B. durch eine Modulation der Benetzungseigenschaften erreicht werden, wie sie zur Bewegung von Flüssig- keitsmengen auf Oberflächen in DE-A-100 55 318 beschrieben ist.

Zur Abteilung einer kleinen Menge der Sondenflüssigkeit von dem Reservoirtropfen auf dem Ankerpunkt kann der Reservoirtropfen auf dem Ankerpunkt über einen Pfad geführt werden, der mit dem Ankerpunkt verbunden ist, wobei die Verbindung einen Bereich umfaßt, der so schmal ist, daß der Reservoirtropfen auf dem Anker- punkt aufgrund seiner Oberflächenspannung den Ankerpunkt ohne äußere Kraft- einwirkung nicht verläßt. Wird durch äußere Krafteinwirkung der Reservoirtropfen auf diesem Pfad an diese Engstelle getrieben, so reißt er definiert ab.

Alternativ kann ein Reservoirtropfen, z. B. ebenfalls durch den Impulsübertrag von Oberflächenschallwellen, auf der Oberfläche über einen oder mehrere kleine Ober- flächenteilbereiche bewegt werden, die von der Sondenflüssigkeit stärker benetzt werden als ihre Umgebung. Die Fläche eines solchen Oberflächenteilbereiches ist dabei so-klein gewählt, daß sie kleiner als die Berührungsfläche des Tropfens mit der Oberfläche ist. Wird der Reservoirtropfen ein-oder mehrmals über einen sol- chen Oberflächenteilbereich geführt, verbleibt eine kleine Menge der Sondenflüs- sigkeit auf diesem Haltepunkt zurück und kann zu dem zu charakterisierenden funktionalisierten Teilbereich bewegt werden. So kann auf sehr einfache und repro- duzierbare Weise eine kleine Sondenflüssigkeitsmenge abgeteilt werden.

Um zu verhindern, daß die kleine Sondenflüssigkeitsmenge zu schnell verdampft, wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Kontrolle der thermodynamischen Be- dingungen vorteilhafterweise in einer Klimakammer durchgeführt.

Der Sondenflüssigkeitstropfen kann von dem funktionalisierten Teilbereich z. B. einfach durch Wegblasen mit Druckluft wieder entfernt werden. Besonders vorteil- haft läßt sich der Sondenflüssigkeitstropfen jedoch durch Applikation einer Oberflä- chenschallwelle entfernen, die derart gerichtet ist, daß ihr Impulsübertrag auf die auf dem funktionalisierten Teilbereich befindliche Sondenflüssigkeitsmenge zu de- ren Wegbewegung führt. Ebenso läßt sich ein ggf. durchzuführender Waschschritt zur Entfernung unspezifisch gebundenen Materiales durch Applikation einer Ober- flächenschallwelle geeigneter Intensität erreichen.

Die Erfindung wird anhand besonderer Ausgestaltungen, die in den beiliegenden Figuren schematisch und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt sind, näher erläutert. Dabei zeigt : Figur 1 die Durchführung eines erfindungsgemäßen Charakterisierungsverfah- rens, Figur 2 eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Charakterisierungs- verfahrens, und Figur 3 einen Verfahrensschritt bei eine bevorzugten Ausgestaltung des erfin- dungsgemäßen Charakterisierungsverfahrens.

Figur 1 zeigt einen Festkörperchip, z. B. einen piezoelektrischen Lithiumniobatchip 5, auf dessen Oberfläche das erfindungsgemäße Charakterisierungsverfahren durchgeführt wird. Ein Tropfen 1 einer Sondenflüssigkeit in der Größenordnung von 0,5 nl bis 10 nl befindet sich auf einem funktionalisierten Teilbereich 15 der Ober- fläche 7. Die angegebene Flüssigkeitsmenge eignet sich z. B. für einen funktionali- sierten Teilbereich mit einer Fläche von z. B. 100 um x 100 um. Die Sondenflüssig- keit umfaßt z. B. Moleküle mit einem Marker (z. B. Fluoreszenz-oder Radioaktivi- tätsmarker) und ihre Konzentration in dem Tropfen wird im Vorhinein bestimmt.

Die Volumina für den Sondenlösungstropfen liegen je nach Größe des funktionali- sierten Bereiches im Bereich von einem Pikoliter bis zu mehreren Mikrolitern.

Der funktionalisierte Bereich 15 umfaßt z. B. eine Oberfläche, an der die Sonden- flüssigkeit adsorbiert werden kann. Eine andere Anwendung umfaßt Makromoleküle als Probenmoleküle, die an dem funktionalisierten Teilbereich gebunden sind und für eine spezifische Bindung z. B. mit anderen Makromolekülen zur Verfügung <BR> <BR> stehen (z. B. für die DNA-Hybridisierung, Antigen-Antikörper-Reaktion u. a. ). Die zu untersuchenden Probenmoleküle können z. B. durch einen Pipettierroboter oder einen Piezodispenser aufgebracht worden sein.

Auf einem Ankerpunkt 16 befindet sich ein Reservoirtropfen 3 der Sondenflüssig- keit. Der Ankerpunkt 16 ist derart ausgestaltet, daß er mit der Sondenflüssigkeit stärker benetzt als die umgebende Festkörperoberfläche. Umfaßt die Sondenflüs- sigkeit z. B. eine wäßrige Lösung, so ist der Ankerpunkt 16 hydrophil im Vergleich zur umgebenden Festkörperoberfläche. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß die umgebende Oberfläche durch Silanisierung hydrophob gemacht wird.

Auch der funktionalisierte Bereich 15 kann mit einer entsprechenden Oberfläche ausgestattet sein, die den Sondenflüssigkeitstropfen 1 lokalisiert.

Funktionalisierter Bereich 15 und Ankerpunkt 16 sind über einen Pfad 18 miteinan- der verbunden, der ebenfalls solche Benetzungseigenschaften aufweist, daß er mit der Sondenflüssigkeitslösung besser benetzt als die umgebende Festkörperober- fläche. Der Pfad 18 ist an den Engstelle 14,12 derart eingeschränkt, daß die auf dem Ankerpunkt 16 bzw. dem funktionalisierten Bereich 15 befindlichen Tropfen aufgrund ihrer Oberflächenspannung den Ankerpunkt 16 bzw. den funktionalisierten Bereich 15 ohne äußere Krafteinwirkung nicht verlassen.

9,11 und 13 bezeichnen Interdigitaltransducer, die geeignet sind, Oberflächen- schallwellen auf der Oberfläche 7 des Lithiumniobatkristalles 5 anzuregen. Die In- terdigitaltransducer bestehen in ihrer einfachsten Form aus zwei Elektroden mit fingerartig ineinander greifenden Fortsätzen. Anlegen eines Wechselfeldes z. B. in der Größenordnung von 100 MHz an die Elektroden des Interdigitaltransducers führt zur Anregung einer Oberflächenschallwelle mit einer Wellenlänge, die dem Fingerabstand der fingerartig ineinander greifenden Elektroden entspricht und de- ren Ausbreitungsrichtung im wesentlichen senkrecht zu den Fingerelektroden ist.

Im Fall der Interdigitaltransducer 9 wird dies beispielsweise durch den Pfeil 10 schematisch angedeutet. Jeder Transducer umfaßt eine große Anzahl von ineinan- der greifenden Fingern, von denen jeweils nur einige schematisch und nicht maß- stabsgetreu dargestellt sind. Es sind auch andere Transducergeometrien einsetz- bar, wie sie aus der Technologie der Oberflächenschallwellenfilter bekannt sind.

Die Interdigitaltransducer 9 sind derart ausgerichtet, daß sich eine durch sie ange- regte Oberflächenschallwelle in Richtung des funktionalisierten Teilbereiches 15 bewegt. Der Interdigitaltransducer 11 bewirkt eine Oberflächenschallwelle in Rich- tung 19. Der Interdigitaltransducer 13 bewirkt schließlich eine Oberflächenschall- welle in Richtung 21. Nicht gezeigt sind der Übersichtlichkeit halber die elektrischen Anschlüsse an die Elektroden der Interdigitaltransducer, die in konventioneller Weise vorgesehen sind.

Mit 20 ist ein isolierter Oberflächenbereich bezeichnet, der ebenfalls mit der Sondenflüssigkeit stärker benetzt als die umgebende Festkörperoberfläche. Durch den Impulsübertrag einer ausreichend starken Oberflächenschallwelle, die z. B. mit dem Interdigitaltransducer 11 erzeugt wird, kann ein Tropfen 1 in Richtung des Be- reiches 20 transportiert werden und wird dort aufgrund der bevorzugten Benetzung lokalisiert. Eine solche Ausführungsform ist im speziellen dann vorteilhaft, wenn kein Pfad 18 zur Verbindung des Ankerpunktes 16 mit dem funktionalisierten Teil- bereich 15 vorgesehen ist und die kleinen Tropfen 17 der Sondenflüssigkeit ohne Pfadführung auf der Oberfläche 7 bewegt werden.

23 zeigt in schematischer Darstellung die Spitze eines an sich bekannten Piezo- dispensers zur Aufbringung des Reservoirtropfens 3 der Sondenflüssigkeit auf den Ankerpunkt 16. Das Abfließen der Flüssigkeit aus der Dispenserspitze 23 ist durch den Pfeil 24 angedeutet.

Auf der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt durchgeführt werden. Zunächst wird der Teilbereich 15 durch Aufbringen von Probenmolekülen z. B. mit Hilfe eines Pipettierroboters oder eines Piezo- dispensers funktionalisiert.

Mit der Dispenserspitze 23 wird ein Tropfen 3 der Sondenflüssigkeit auf den Anker- punkt 16 aufgebracht. Aufgrund der speziell gewählten Benetzungseigenschaften (z. B. hydrophil bei einer wäßrigen Sondenlösung) des Ankerpunktes 16 verglichen mit den Benetzungseigenschaften der umgebenden Festkörperoberfläche 7 verläßt der Tropfen 3, der durch seine Oberflächenspannung zusammengehalten wird, den Ankerpunkt 16 nicht.

An den Interdigitaltransducer 13 wird jetzt eine Wechselfrequenz, z. B. einige 100 MHz angelegt, so daß eine Oberflächenschallwelle in Richtung 21 generiert wird.

Der Impulsübertrag der Oberflächenschallwelle bewegt den Tropfen 3 in Richtung der Engstelle 14, die den Ankerpunkt 16 mit dem Pfad 18 verbindet. Eine kleine Menge des Tropfens 3 bewegt sich über die Engstelle 14 und reißt bei entspre- chender Dimensionierung definiert ab. Die notwendige Verringerung der Breite an der Engstelle 14 kann z. B. durch Vorversuche festgestellt worden sein. Die abge- trennte Sondenflüssigkeitsmenge 17 kann z. B. einige Pikoliter betragen. Der abge- zogene Teil 17 der Sondenflüssigkeit bewegt sich ebenfalls durch Impulsübertrag der Oberflächenschallwelle, die mit Hilfe des Interdigitaltransducers 13 erzeugt wird, von dem Ankerpunkt 16 weg. Mit Hilfe eines zweiten Transducers 11 wird die Bewegung der kleinen Sondenflüssigkeitsmenge in Richtung 19 des funktionali- sierten Oberflächenbereiches 15 fortgesetzt. Die kleine Sondenflüssigkeitsmenge 17 gelangt auf den funktionalisierten Oberflächenbereich 15. Durch die Engstelle 12 in der Bahn 18 vor dem funktionalisierten Oberflächenbereich 15 wird verhindert, daß sich die Sondenflüssigkeit bei Abwesenheit der vom Transducer 11 erzeugten Oberflächenschallwelle vom funktionalisierten Oberflächenbereich 15 zurückbe- wegt. Mit Hilfe einer Oberflächenschallwelle, die von einem der Interdigitaltransdu- cer 9 erzeugt wird, kann die Reaktion zwischen Sondenflüssigkeit und darin befind- lichem Material und den Probenmolekülen auf der funktionalisierten Oberfläche 15 beschleunigt werden. Zur effektiven Durchmischung können auch beide Interdigi- taltransducer 9 gleichzeitig eingesetzt werden, um gegenläufige Oberflächen- schallwellen in Richtung des funktionalisierten Oberflächenbereiches 15 zu generie- ren.

Mit einer Oberflächenschallwelle ausreichender Intensität, die von dem Interdigi- taltransducer 11 ausgesendet wird, kann der Tropfen 1 von dem funktionalisierten Teilbereich 15 wegbewegt werden. Er wird dann z. B. von dem Oberflächenbereich 20 lokalisiert, der ebenfalls solche Benetzungseigenschaften aufweist, die mit der Sondenflüssigkeit stärker benetzen als die umgebende Festkörperoberfläche. Die Interdigitaltransducer 9 können jetzt eingesetzt werden, um festzustellen, ob Son- denflüssigkeit bzw. darin befindliches Material mit den Probenmolekülen auf dem funktionalisierten Oberflächenbereich 15 verblieben bzw. gebunden sind. Einer der Interdigitaltransducer 9 generiert dazu eine Oberflächenschallwelle in Richtung des funktionalisierten Bereiches 15. Mit dem zweiten Interdigitaltransducer kann die Oberflächenschallwelle nach dem Durchlaufen des funktionalisierten Bereiches 15 detektiert werden. Durch die Reaktion der Sondenflüssigkeit bzw. des darin befind- lichen Materiales mit der funktionalisierten Oberfläche kann sich z. B. die Dämpfung oder die Geschwindigkeit der Oberflächenschallwelle verändert haben, so daß Information über die Reaktion bzw. die verbliebene Menge erhalten werden kann.

Außerdem kann durch Vergleich mit entsprechenden Referenzmessungen die ge- naue Menge des verbliebenen Materiales auf dem funktionalisierten Bereich 15 aus der Dämpfung oder der Geschwindigkeitsänderung einer Oberflächenschallwelle festgestellt werden.

Das beschriebene Verfahren kann durch eine entsprechend gepulste Oberflächen- schallwelle, die mit dem Interdigitaltransducer 13 erzeugt wird, in definierter Weise mehrfach durchgeführt werden, indem mehrere kleine Mengen Sondenflüssigkeit 17 in Richtung des funktionalisierten Oberflächenbereiches 15 bewegt werden. Mit einer solchen Verfahrensführung läßt sich die Reaktion in Abhängigkeit der zuge- führten Sondenflüssigkeitsmenge feststellen, wodurch eine genaue quantitative Bestimmung der zur Bindung zur Verfügung stehenden Probenmoleküle auf dem funktionalisierten Bereich 15 ermöglicht wird.

Mehrere entsprechende Vorrichtungen können auf einem Chip parallel vorgesehen sein, so daß eine parallele Durchführung mehrerer Experimente möglich ist.

In Figur 2 ist ein alternatives Verfahren dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber zeigt Figur 2 nicht die zur Durchmischung ggf. vorgesehenen Transducer. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente wie in Figur 1. Bei dem Verfahren, das in Figur 2 dargestellt ist, wird zur Untersuchung einer möglichen Reaktion der Sondenflüssigkeit bzw. des darin enthaltenen Materiales mit der funktionalisierten Oberfläche 15 eine optische Messung durchgeführt. Eine Leuchtdiode 31 oder eine andere geeignete Lichtquelle beleuchtet den Festkörperchip 5 von unten. Zum Bei- spiel mit Hilfe einer Glasfaser 29 wird das optische Signal aufgefangen und an eine nicht gezeigte Auswerteeinrichtung weitergeleitet und in an sich bekannter Weise ausgewertet. Mit dieser Ausführungsform kann z. B. die Fluoreszenz ausgewertet werden, die von fluoreszenzmarkiertem Material in der Sondenflüssigkeit herrührt, das mit dem funktionalisierten Oberflächenbereich 15 reagiert hat und nach dem Entfernen des Sondenflüssigkeitstropfens 1 auf dem funktionalisierten Oberflä- chenbereich 15 verblieben ist. Wird ein nicht transparentes Substrat eingesetzt, so kann der Lichtweg auch parallel zur Oberfläche 7 des Chips 5 gewählt werden.

Die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen des Verfahrens nut- zen die Engstelle 14, um eine definierte Menge 17 der Sondenflüssigkeit von dem Reservoirtropfen 3 abzuziehen. In Figur 3 ist eine alternative Möglichkeit zur Ab- trennung einer kleinen Flüssigkeitsmenge dargestellt. Gleiche Bezugszeichen be- zeichnen gleiche Elemente wie in den Figuren 1 und 2. Ein Reservoirtropfen 3 be- findet sich auf einem der Ankerpunkte 16. Durch Impulsübertrag eine Oberflächen- schallwelle, die mit dem Interdigitaltransducer 13, der dem entsprechenden Anker- punkt 16 am nächsten ist, erzeugt wird, wird der Reservoirtropfen 3 in Richtung des zweiten Ankerpunktes 16 getrieben. Der Impulsübertrag einer anderen Oberflä- chenschallwelle, die mit dem Interdigitaltransducer 13 erzeugt wird, der dem zwei- ten Ankerpunkt am nächsten ist, wird der Reservoirtropfen wieder zurückgetrieben.

Dabei bewegt er sich entlang der angedeuteten Strecke 43 hin und her. Er über- quert dabei ein-oder mehrfach einen Oberflächenbereich 41, dessen Fläche kleiner ist als die Berührungsfläche des Reservoirtropfens 3 mit der Festkörperoberfläche 7. Dieser Oberflächenbereich 41 hat derartige Benetzungseigenschaften, daß die Flüssigkeit des Reservoirtropfens 3 ihn stärker benetzt als seine umgebende Fest- körperoberfläche. Nach ein-oder mehrfacher Überquerung des Oberflächenberei- ches 41 hat sich aus dem Reservoirtropfen 3 eine kleine Sondenflüssigkeitsmenge 17 abgelöst. Für wäßrige Sondenflüssigkeit wird der Oberflächenbereich 41 z. B. mit hydrophilen Eigenschaften gewählt.

Nachdem die kleine Sondenflüssigkeitsmenge 17 auf diese Weise von dem Reser- voirtropfen 3 abgetrennt worden ist, kann mit Hilfe des Impulsübertrages einer O- berflächenschallwelle, die z. B. in Richtung 45 mit dem Interdigitaltransducer 11 erzeugt werden kann, die Sondenflüssigkeitsmenge 17 von dem Oberflächenbe- reich 41 fortbewegt werden, z. B. in Richtung eines in der Figur 3 nicht gezeigten funktionalisierten Oberflächenbereiches 15, um die Verfahrensschritte zur Charak- terisierung durchzuführen, die mit Bezug zu Figuren 1 und 2 beschrieben sind.

Der Reservoirtropfen 3 und der Sondenflüssigkeitstropfen 17 können dabei entlang von bevorzugt benetzten Pfaden bewegt werden, wie sie bereits mit Bezug zu den Figuren 1 und 2 beschrieben sind und dort mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet sind. Solche Pfade haben vorteilhafterweise eine laterale Ausdehnung, die kleiner ist als der Durchmesser des Oberflächenbereiches 41. Das erfindungsgemäße Verfahren und das beschriebene Abtrennen der kleinen Sondenflüssigkeitsmenge 17 lassen sich jedoch auch ohne derartige Pfade durchführen, so daß diese in Figur 3 nicht dargestellt sind.

Mit dem in Figur 3 dargestellten Verfahren lassen sich z. B. 20 Pikoliter kleine Son- denflüssigkeitstropfen 17 von einem Reservoirtropfen 3 mit 50 Nanolitern abtren- nen. Es können auf dem Weg des Reservoirtropfens 3 mehrere Oberflächenberei- che 41 vorgesehen sein, wenn mehrere Sondenflüssigkeitsmengen 17 in einem Arbeitsschritt abgetrennt werden sollen. Je nach Eigenschaft der zu manipulieren- den Flüssigkeit in dem Reservoirtropfen 3 können durch entsprechende Vorversu- che geeignete Geometrien für den Oberflächenbereich 41 festgelegt werden, z. B. kreis-oder ringförmig.

Das in Figur 3 beschriebene Verfahren zur Abtrennung einer kleinen Sondenflüs- sigkeitsmenge 17 von einem Reservoirtropfen 3 kann selbstverständlich mit allen oben bereits beschriebenen Verfahrensausgestaltungen zur Charakterisierung eines funktionalisierten Oberflächenbereiches 15 kombiniert werden.