Es sind verschiedene Verfahren bekannt, eine Flüssigkeit in einem optischen Biosensor an der optischen Meßoberfläche an- zukoppeln. Ein erstes Verfahren betrifft ein Küvettensystem, in dem eine Kammer oder ein Topf verwendet wird, bei dem eine Seitenwand oder der Boden die Sensoroberfläche bildet.

Ein zweites Verfahren betrifft ein Flußsystem, bei dem über Flußkanäle die Flüssigkeit an der Meßoberfläche vorbeige- pumpt wird. Dabei wird häufig ein Flow-Injection-Analysis- Verfahren verwendet und die Flüssigkeit wird in einer Flüssigkeitsschleife über aie Meßoberf'-che scführt. Das hiervon bevorzugte System ist das Küvettensystem, die Erfi-- dung findet aber auch Anwendung bei einem Flußsystem. Ein drittes Verfahren verwendet einen faseroptischen Sensor (wie beispielsweise in der DE-A-40 33 741 geze-gt), bei dem eine Glasfaser oder ein anderes optisches Element in den rlussic- keitsstrom oder in die stehende Flüssigkeit eingetaucht wird.

Optische Biosensoren beruhen in der Regel darauf, daß Part^- kel (Moleküle, Bakterien, Viren, usw.) über eine Ligand-Re- zeptor-Wechselwirkung an die optische Meßoberfläche gebunden werden, wodurch sich unter anderem die optische Schichtdicke eines dünnen Filmes auf der MeSoberfläche veränaert. Diese Veränderung wird über ein optisches Verfahren nachgewiesen.

Das optische Signal ist ein Maß für die Eindungsstärke oder die Konzentration der bindenden Partner. Die Bindung wird in der Nähe der Oberfläche durch die zur Verrügung stehende Konzentration an bindenden Molekülen bestimmt. Haben sich aufgrund vorangegangener Bindungsereignisse Moleküle oder größere Partikel aus der Flüssigkeit bereits an die Oberfl=- che gebunden, tritt lokal in unmittelbarer Nähe der Oberflä- che (bis 1 - 10 m) eine Verarmung (depleticn) oder ein Kon- zentrationsgefälle auf, welches die weitere Messung ver- fälscht. Insbesondere wenn kinetische Phänomene gemessen werden sollen, werden also häufig nicht Reaktionsgeschwin- digkeiten, sondern die Diffusion gemessen. Beim gewöhnlichen Mischen mit z. B. Rühren liegt in der Nähe der Oberfläche in der Regel ein laminarer Flüssigkeitsstrom vor und aufgrund von Newton-Reibung findet an der Sensoroberfläche keine aus- reichende Durchmischung mit übrigem Meßvolumen statt. Bei Meßvorrichtungen mit Flußkammern kann dieses Problem dadurch gelöst werden, daß Flüssigkeitsströme mit urterschiedlicher Geschwindigkeit über die Oberfläche geführt werden und aus den erhaltenen Daten extrapoliert wird, welche Bindungskine- tiken aufträten, falls ein beliebiger Austalsch d.n.optimale Durchmischung mit der Meßflüssigkeit erfolgen würde.

In der Regel betrage die Diffusionsgeschwindigkeit im Volu- men weniger als I Am/sec. Wenn das OberflGchensignal mit einer Taktfreauenz icn etwa 1 bis 10 Hz gemessen wird, ist davon auszugehen, daß e-n Raum von mehreren Sm Höhe über der Meßoberfläche möglichst gut in eine Flüssigkeitsstromverbin- dung mit dem Rest des Volumens gebracht werden muß, um kor- rekte Meßwerte zu erhalten.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ver- besserte Meßvorrichtuncen und Meßverfahren bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.

Bei der Lösung geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, einen Flüssigkeitsaustausch bzw. eine Durchmischung der Flüssigkeit in unmittelbarer Nahe der Oberfläche (d. h. we- nige Am) zu erzeugen.

In einer ersten Ausführungsform wird dazu Schall, insbeson- dere Ultraschall zur Durchmischung in die Flüssigkeit einge- bracht.

Der Schall, insbesondere der Ultraschall, kann dabei auf verschiedene Arten in aie Flüssigkeit eingekoppelt werden.

Als Schallquelle kann ein Schwingquarz oder ein anderes pie- zoelektrisches Element vorgesehen sein. Beispielsweise wer- den die Schall- bzw. Ultraschallwellen vorzugsweise direkt an die Sensoroberfläche übertragen. Dabei wird eine schall- leitende Verbindung zwischen dem Sensor und der Schallquelle bereitgestellt. Vorzugsweise wird über ein optisches Ele- ment, wie etwa ein Prisma, oder ein anderes zur Messung ver- wendetes optisches Element in dem Sensor der Schall einge- koppelt. Diese Schwingungen werden über das optische Element in die Flüssigkeit übe-.ragen und sorgen dort an der Ober- fläche des Sensors für eine lokale Durchmischung. Dabei kann die Schallquelle direkt an dem Prisma bzw. direkt an der Sensoroberfläche angeordnet werden.

Vorzugsweise sind die Schwingungen in der Flüssigkeit paral- lel und/oder senkrecht zur Flächennormalen der Sensorfläche ausgerichtet.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen Rührfinger in die Flüssigkeit einzubrinaen, der durch einen Schwingquarz oder ein anderes piezoelektrisches Element bewegt wird. Auf beide Arten werden in der Flüssigkeit transversale oder lon- gitudinale Schwingungen induziert (bzw. eine Kombination daraus), die für eine Durchmischung der Flüssigkeit auch un- mittelbar an der Sensoroberfläche sorgen. Vorzugsweise wird das System von kleinen Flüssigkeitswellen durchlaufen, die für die Durchmischung der Flüssigkeit sorgen.

Bei der zweiten beschriebenen Möglichkeit wird bevorzugt die Pipettenspitze, die zum Pipettieren verwendet wird, zum Ubertragen der Schallwellen eingesetzt.

Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß mechanooptische und akustooptische Effekte auftreten können, welche die Durchmi- schung und die Messung beeinflussen. Schall ist beispiels- weise geeignet, Oberflächenplasmonen zu modifizieren. Des- halb wird bevorzugt, das Rühren mit Schall bzw. Ultraschall nur abwechselnd mit der optischen Messung durchzuführen. Da- bei wird beispielsweise alle 0, 1 sec folgende Meßfolge durchgeführt : Ultraschallsignal auf die Meßflüssigkeit ein- wirken lassen, dieses beenden und anschließend nach einer Pause eine optische Messung durchführen. Danach findet eine erneute Beschallung mit Ultraschall statt. Beispielsweise kann der Zeitverlauf der Messungen folgendermaßen sein : ca.

12 msec für die Aufnahme der Messung, ca. 10 bis 20 msec Einbringen von Ultraschall und eine Pause von bis zu 100 msec. Aus der Summe von Mischzeit, Pause und MeSze-t ergibt sich dadurch eine Meßfrequenz von beispielsweise 10 Hz.

WO 00/10011 S Bei der Wahl ce- geeigneten Frequenz und Intensität des an- gewandten Ultraschalls sind verschiedene Faktoren zu berück- sichtigen. Einerseits ist eine hohe Intensität für eine gute Durchmischung erforderlich, andererseits werden bei zu hohen Intensitäten M_<rokavitäten im Wasser gebildet, in denen zum einen Radikale gebildet werden können und die zum anderen auch Polymerketten mechanisch zerrei$en Rönnen. Je höher die Frequenz des Schalls ist, desto kleiner die Mikrokavitäten und desto stärker die Bildung von Radikalen. Sowohl die Ra- dikale als auch die Mikrokavitäten stellen eine Gefahr für die Polymerketten des erfindungsgemäßen Sensors als auch für die biologischen Moleküle dar. Bevorzugt ist deshalb ein Frequenzbereich von l bis 300 kHz, vorzugsweise 30 kHz. Bei dieser Frequenz haben die Mikrokavitäten einen Durchmesser von ca. 170 Sm, was mit einem einfachen optischen Mikroskop gut zu beobachten ist. Sobald Mikrokavitäten sichtbar sind, ist die eingestellte Intensität zu hoch. Die eingekoppelten Leistungen liegen im Bereich von 0, 1 bis 10 W, vorzugsweise 0, 5 bis 5 W, am meisten bevorzugt 1 bis 2 W.

Zusätzlich zu der Durchmischung mittels Ultraschall kann gleichzeitig eine makroskopische Vermischung dafür sorgen, daß Flüssigkeit aus dem Gesamtvolumen in die Verarmungszone an der Sensoroberfläche transportiert wird. Bevorzugt ist dabei eine Kombination zweier Verfahren. Dabei gibt es meh- rere Möglichkeiten. Ein herkömmliches Mikro- oder Makrofluß- system kann mit einer Schall- bzw. Ultraschalldurchmischung kombiniert werden. Ferner ist es möglich, ein klassisches Rühren mit einer schallinduzierten Durchmischung zu kombi- nieren. Ferner kann eine Durchmischung durch Ansaugen und Ausstoßen von Flüssigkeit mittels einer Spitze mit einer Ul- traschalldurchmischung kombiniert werden.

Wie bereits wird in einer Ausführungsform zum Durchmischen ein Rührfinger verwendet. Dieser kann in seiner Spitze durch eine handelsübliche Wegwerfspitze aus Kunst- steif gebildet werden. Diese Spitze kann verwendet werden, um : 1. Flüssigkeit in die Flüssigkeitsmeßzelle zu transportie- ren, 2. die Flüssigkeit durch Aufsaugen und Ausstoßen von Flüs- sigkeit zu vermischen und 3. durch eine mit Piezoelementen verursachte Zitterbewegung eine Durchmischung im Mikrometerbereich zu erzeugen.

Ein und dieselbe Spitze dient dabei also als Transportgefäß, als Rührfinger, wie auch zum Ansaugen und Ausstoßen von Flüssigkeit. Die Spitze kann in der x-y-Ebene und/oder in der z-Richtung bewegt werden.

Eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform verwendet aku- stische Oberflächenwellen (SAW) zum Durchmischen. Akustische Oberflächenwellen können bei piezoelektrischen Materialien durch Anlegen von Wechselspannungen über z. B. kammartig aus- geformte, ineinandergreifende Elektroden erzeugt werden. Die akustischen Oberflächenwellen führen zu einer Auslenkung der Oberfläche in der Ebene der Oberfläche, wodurch eine Bewe- gung relativ zu der darüber befindlichen Flüssigkeit erzeugt wird und dadurch eine oberflächennahe Mischung erfolgt.

Die Erfindung wird nachstehend mit bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine erste erfindungsgemafe Ausfuhrungsfoym, bei der die Schallwellen über ein Piezoelement oder einen Aktor auf das Substrat übertragen werden; Fig. 2 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der zum Durchmischen ein Rührfinger verwendet wird; und Fig. 3 eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der akustische Oberflächenwellen zum Durchmischen verwendet werden.

Die Meßvorrichtung nach Fig. 1 weist ein Substrat 1 mit einer Sensoroberfläche 2 auf. Diese Senscroberflache ist be- vorzugt eine Goldoberfläcne. Die Sensoroberfläche 2 ist so angeordnet, daß sie sich zwischen dem Substrat 1 und einer Küvette 3 befindet. Diese Küvette 3 ist mit der zu durchmi- <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> schenden Flüssigkeit geLüllt. Ferner sind in Fig.l zwei Mischeinrichtungen 4 gezeigt, die gem=ß der n Fig. 1 ge- zeigten Ausführungsform für eine horizontale'und vertikale Durchmischung sorgen. Zwischen den entsprechenden Mischein- richtungen und dem Substrat können noch entsprechende mecha- nische Koppelelemente 5 vorgesehen sein. Figur 1 zeigt diese jedoch nur als bevorzugten Bestandteil der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung.

Auch die Meßvorrichtung der zweiten Ausführungsform (siehe Fig. 2) enthält eine auf einem Substrat 11 angeordnete Sen- soroberfläche 12, die wiederum bevorzugt eine Goldoberfläche ist. In die mit Flüssigkeit gefüllte Küvette 13 ist ein Rührfinger eingetaucht. Dieser Rührfinger nach Fig. 2 ist eine Pipettenspitze 18, die mit einer (nicht gezeigten) Pumpe verbunden ist, über die Flüssigkeit in die Flüssig- keitsmeßzelle bzw. die Küvette eingebracht werden kann.

Durch Bezugszeichen 14 ist eine Mischeinrichtung gekenn- zeichnet, die beispielsweise ein Piezoelement oder ein ande- rer Aktor sein kann. Als zweite Mischeinrichtung 16 kann ne- ben einem Piezoelement oder einem Aktor auch ein Lautspre- cher vorgesehen sein. Auch Fig. 2 zeigt wieder mechanische Koppelelemente 15 und 17, die jedoch nur bevorzugt vorhanden sind und eventuell entfallen können.

Fig. 3 zeigt die dritte erfindungsgemä$e Ausführungsform mit einem piezoelektrischen Substrat 21 und der darauf befindli- chen Sensoroberfläche (bevorzugt Goldoberfläche) 22. Gemma$ der Ausführungsform nach Fig. 3 sind kammartige Elektroden 24 vorgesehen, über die durch Anlegen von Wechselspannungen akustische Oberflächenwellen erzeugt werden. Diese akusti- schen Oberflächenwellen rufen eine Bewegung relativ zu der sich in der Küvette befindlichen Flüssigkeit hervor, wodurch eine oberflächennahe Mischung der Flüssigkeit erfolgt.

BEZUGSZEICHENBLXTT Re. Fig. 1 : 1 Substrat 2 Sensoroberfläche (Goldoberfläche) 3 Küvette mit Fliissigkeit gefiillt 4 Piezo oder Aktor 5 mechanisches Koppelelement (kann evtl. entfallen) Re. Fig. 2 : 11 Substrat 12 Sensoroberfläche (Goldoberfläche) 13 Küvette mit Flüssigkeit gefüllt 14 Piezo oder Aktor 15 mechanisches Koppelelement (kann evtl. entfallen) 16 Piezo, Aktor oder Lautsprecher i7 mechanisches Koppelelement (kann evtl. entfallen) 18 Pipettenspitze mit Pumpe versehen (Pumpe nicht eingezeichnet) Re. Fig. 3 : 21 piezoelektrisches Substrat 22 Sensoroberfläche (Goldoberfläche) 23 K2vette mit Slüssigkeit gefüllt 24 Elektroden