PDF Download - Laborwelt

B L I T Z L I C H T
der Durchmesser der präparierten Probe
(Kontaktfläche) direkt miteinander verknüpft:
desto größer der Tropfen, desto größer
die benetzte Oberfläche. Auf 2D/3D-
Biochips ist diese Abhängigkeit als Folge
des neuen Oberflächendesigns über einen
weiten Bereich aufgehoben. Verglichen zu
konventionellen Reaktionsgefäßen stellen
2D/3D-BioChips dynamische Reaktionsräume
bereit, deren Volumen sich den Erfordernissen
anpaßt. Wird ihr Inhalt entfernt oder
das enthaltene Lösungsmittel abgedampft,
verbleibt eine planare Chipoberfläche für
die Detektion. Übertragen auf den Alltag
könnten diese Art von „Gefäßen“ viele Entsorgungsprobleme
lösen helfen: Sie entstehen
bei Bedarf, wachsen mit dem Inhalt und
verschwinden sobald der Inhalt verbraucht
ist. In der Natur lassen sich Reaktionsräume,
wie sie auf 2D/3D-BioChips zum Einsatz
kommen, vielerorts beobachten – insbesondere
während oder nach einem Regenschauer,
zum Beispiel auf einem gewachsten Pflanzenblatt
(Abb. 2d).
Die Durchführung von biochemischen oder
molekularbiologischen Experimenten in
immer kleineren Dimensionen – zum Beispiel
in auf Glas oder Siliziumplättchen eingelassenen,
nur wenige Nanoliter umfassenden
Kavitäten – wird in vielen Fällen
durch unerwünschte Wechselwirkungen mit
den Gefäßwänden eingeschränkt. Typische
Beispiele sind etwa die unspezifische Adsorption
von Probenmolekülen oder des für
ihre Umsetzung notwendigen Enzyms. Einfach
ausgedrückt besteht das Problem darin,
daß das Volumen bei Verkleinerung der Abmessungen
der Reaktionsgefäße mit der dritten
Potenz, die Oberfläche dagegen nur mit
der zweiten Potenz schrumpft. Daraus folgt,
daß mit der Miniaturisierung konventioneller
Reaktionsgefäße die genannten negativen
Einflüsse der Gefäßwände auf das Reaktionsgeschehen
drastisch zunehmen. Dieses
Problem wird durch die 2D/3D-BioChiptechnologie
überwunden.
Abb. 3: 2D/3D-BioChips sind fehlertolerant. Obwohl im gezeigten Fall das Zentrum der Probentransfernadel
(Transfer Pin) das Zentrum der gewünschten Position auf dem Chip um mehr als
100 µm verfehlt, wird die Probenlösung auf die exakte Position gelenkt. Die Aufnahme rechts außen
zeigt, daß das Transfervolumen ebenfalls durch den Chip (die Abmessungen des hydrophilen
Ankers) und nicht durch das verwendete Druckwerkzeug bestimmt wird.
Wird der trockene Chip (2D-Format) in eine
zu analysierende Lösung eingetaucht oder
wird ein Aliquot davon (z.B.: 50 µl) darüber
geführt, bindet jeder der hydrophilen Anker
ein durch seine Abmessungen exakt definiertes
kleines Volumen der Probenlösung
(z. B.: 5 nl), das anschließend für den Nachweis
möglicher Inhaltsstoffe (z. B. Antikörper
in Serum) oder die Bestimmung enzymatischer
Aktivitäten genutzt werden kann
(Abb. 2c). In einer speziellen, an die Abmessungen
des Chips angepaßten Feuchtigkeits-
/Hybridisierungskammer können die Volumina
dieser Tröpfchen (Reaktionsräume)
leicht über mehrere Stunden hinweg konstant
gehalten werden. Bei Bedarf kann durch
Flüssigkeitszugabe (z.B. durch einen modifizierten
Tintenstrahldrucker) oder Verdampfung
das Reaktionsvolumen den Erfordernissen
dynamisch angepaßt werden.
Weitere, etwa für den Nachweis erforderliche
Reagenzien werden ebenfalls bevorzugt
berührungslos zugeführt, zum Beispiel
durch den Einsatz einer Piezo- oder Solenoiddispensierstation.
Auf konventionellen Chipoberflächen (z. B.
Glas) sind das aufgebrachte Volumen und
Abb. 4: Proben können auf 2D/3D-Biochips
effektiv aufkonzentriert werden. Im gezeigten
Beispiel wurden 150 bzw. 200 Attomol einer
Peptidmischung gelöst in 1,5 (Mitte) bzw. 2,0
µl eines Isopropanol/Wassergemisches auf
den Chip transferiert (a) und auf wenige Nanoliter
aufkonzentriert (b,c). Die exakte Position,
Geometrie und Größe der aufkonzentrierten
Probe wird in diesem Experiment durch das
Design der Chipoberfläche vorab festgelegt
(c). Oberflächendesign: Teflonbeschichtung
ausgestattet mit einem 2,5 x 2,5 mm-Raster
von kreisrunden hydrophilen Ankern (Durchmesser:
100 µm). Diese bestehen aus jeweils
wenigen Lagen von Goldatomen.
Betrachtet man die 2D/3D-Chiprohlinge
analog zur Halbleitertechnologie als Hardware,
beispielsweise als Prozessor, kann man
sie mit verschiedenen DNA-Sequenzen, Proteinen
oder Proteinfragmenten für bestimmte
Fragestellungen ausstatten (programmieren)
und nach Durchführung eines Experimentes
– beispielsweise der Hybridisierung mit
mRNA oder cDNA – das Ergebnis als Punktmuster
darstellen. In dem Vergleich Computerchip
versus Biochip entsprechen in diesem
Fall kleine, als flexible Reaktionsräume
fungierende Tröpfchen den winzigen Transistoren,
von denen in modernen Mikroprozessoren
viele Millionen integriert sind und
logische Schaltungen ermöglichen.
Probenmoleküle können auf 2D/3D-Biochips
in situ, zum Beispiel vor ihrer Immobilisierung,
effektiv und verlustfrei aufkonzentriert
werden. In diesem Fall kann der
Durchmesser der aufgebrachten Probentropfen
die Abmessungen der hydrophilen Anker
um ein Vielfaches überschreiten (Abb.
4a). Nach dem Überführen der Probe wird
diese dann einfach durch Abdampfen von
Lösungsmittel aufkonzentriert, wobei die in
allen drei Raumrichtungen schrumpfenden
Tröpfchen sich auf die hydrophilen Anker
zurückziehen (Abb. 4b). Erst wenn der
Durchmesser der Tröpfchen auf die Abmessungen
der hydrophilen Anker geschrumpft
ist, reduziert sich der weitere Schrumpfvorgang
auf die dritte Dimension und der Aufstellwinkel
der Tröpfchen ändert sich dramatisch
(zuvor > 90 °, danach