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Dokumentenidentifikation DE102007027414B3 22.01.2009
Titel Mikro- und Nanofluidsystem zur dynamischen Strukturanalyse von linearen Makromolekülen und Anwendungen davon
Anmelder Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung mbH, 12489 Berlin, DE
Erfinder Kouba, Josef, 10249 Berlin, DE;
Mertsch, Olaf, 13086 Berlin, DE;
Schleunitz, Arne, 10625 Berlin, DE;
Walter, Antje, 13086 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 11.06.2007
DE-Aktenzeichen 102007027414
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.01.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.01.2009
IPC-Hauptklasse C12Q 1/00  (2006.01)  A,  F,  I,  20070611,  B,  H,  DE
Zusammenfassung Fluidische Systeme im Mikro- und Nanobereich werden als Chiplabore in der modernen Biologie und Biochemie, insbesondere bei der Analytik von häufig vielfach komplex gefalteten linearen Makromolekülen (LM) wie beispielsweise DNA eingesetzt. Zur Analyse müssen diese mittels eines Transportfluids (FL) an entropischen Barrieren (EB) entfaltet, elektromagnetisch bestrahlt und die Transmissionsantwort ausgewertet werden. Entfaltung und Bestrahlung werden bisher in getrennten Prozessschritten und Strukturen vorgenommen. Das neue Mikro- und Nanofluidsystem (NS) ist gekennzeichnet durch eine räumliche und zeitliche Vereinigung der Entfaltung in einem Fluidkanal (FK) und eines Bestrahlungskanals (BK) in einem photonischen Kristall (PK), d.h. einer räumlich periodischen Gitterstruktur (PG) mit Gitteröffnungen (GO), deren Ausdehnung an die Entfaltung der durchströmenden linearen Makromoleküle (LM) und den verwendeten Spektralbereich angepasst sind. Die Gitterstruktur kann z.B. als Nanosäulenfeld (NF) ausgeführt sein. Als integriertes System auf einem gemeinsamen Substrat können solche Mikro- und Nanofluidsysteme (NS) komplexe Funktionen erfüllen, z.B. als Mikrobioreaktor (MB) zur zellfreien Proteinbiosynthese mit einem Reaktionsraum (RR) zwischen zwei photonischen Kristallen (PK1, PK2) und gegebenenfalls mit weiteren Einrichtungen für zusätzliche Prozessschritte.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikro- und Nanofluidsystem zur dynamischen Strukturanalyse von linearen Makromolekülen mit energetisch bevorzugter Faltstruktur in einem mit einem elektrischen Feld und/oder einem Förderdruck beaufschlagten Fluidkanal mit zumindest einer entropischen Barriere zur Entfaltung der durchströmenden Makromoleküle und einem Bestrahlungskanal für elektromagnetische Strahlung.

Mikro- und nanofluidische Systeme sind, in Analogie zu mikroelektronischen Systemen, auf Glas- oder Kunststoffträgern oder hochintegriert auch auf mit den Techniken der Mikroelektronik hergestellten Silizium-Chips angeordnete Systeme aus feinsten Kanälen, Kavernen, Zu- und Abflüssen und gegebenenfalls mit Mikroaktoren wie Pumpen, Ventilen und so weiter ausgestattet. In der Literatur werden Systeme mit Strukturen von wenigen Mikrometern bis tief in den Nanometerbereich hinab beschrieben. Solche Systeme, auch mit integrierter Sensorik, wie z. B. miniaturisierte Analysensysteme, spektroskopische Durchflussmesszellen oder miniaturisierte Bioreaktoren, werden für viele neuartige Anwendungen und Messungen in der modernen Biologie, der Biotechnologie, der Chemie und Biochemie, der pharmazeutischen Industrie, der analytischen und klinischen Chemie, der Umweltanalytik, der Prozesskontrolle, der Lebensmittelchemie und überwachung eingesetzt. Ihre Bedeutung wird mit ihrer Verfügbarkeit erheblich zunehmen, da sie bei extrem verringertem Probeneinsatz und Prozessenergie eine um mehrere Größenordnungen niedrigere Prozesszeit benötigen um zu einem verwertbaren Ergebnis zu gelangen. Dadurch und durch die erheblich niedrigeren Geräteaufwendungen werden nicht nur die Kosten solcher Analysevorgänge, sondern auch Entwicklungs- und Reihenuntersuchungszeiten für große Probenzahlen entscheidend gesenkt. Im Zusammenhang mit mikro- und nanofluidischen Systemen wird der Begriff Laborchip, oder englisch Lab-on-a-Chip, genannt, der den Grad der Integration auf einem gemeinsamen Träger verdeutlichen soll.

Insbesondere in der Analytik von linearen Makromolekülen wie beispielsweise DNA, RNA, Proteine, Nukleinsäuren, Peptide, Aminosäureketten, synthetische Moleküle, Hormone, Vitamine, Kohlenhydrate, Fette, Fettsäuren usw. oder bei der dynamischen in vitro Protein-Synthese, der Gewinnung hochreiner Proben der genannten Stoffe, der Gen- oder Proteinsequenzierung usw. werden nanoskalige fluidische Systeme eine stark zunehmende Rolle spielen. Dabei kommt es darauf an, die vielfach gefalteten linearen Makromoleküle zu einer geradlinigen Monomerkette zu entfalten und diese dann abschnittsweise zu detektieren. Unter dem Begriff der Faltung sollen in dem hier dargestellten Zusammenhang auch alle Formen von Verknäuelungen und helixartige Verwindungen verstanden werden. Zur Siebung und Entfaltung werden unterschiedliche Konstruktionen verwendet, die als entropische Barrieren bekannt sind. Im Normalfall werden natürliche Anordnungen, die Makromoleküle bei der Synthese an der Faltung hindern, als entropische Barrieren oder sterische Hinderungen bezeichnet. Im Umkehrfall kann das gefaltete Makromolekül durch Aufwand an Beförderungsenergie an der entropischen Barriere zur Entfaltung veranlasst werden. Entfaltete Makromoleküle können anschließend in nanoskaligen Strukturen separiert und detektiert werden. Zur Analyse werden häufig Durchstrahlungen mit Licht definierter Wellenlänge und optische Detektoren zur Aufnahme des Lichts der Transmissionsantwort oder nach Markierung entsprechender Bereiche auf dem Makromolekül auch Fluoreszenzdetektionsmethoden eingesetzt. Unter Licht zur Detektion ist dabei nicht zwangsläufig sichtbares oder diesem eng benachbartes Licht zu verstehen, sondern prinzipiell jede elektromagnetische Strahlung , die sich durch spezifische, in der Fachliteratur immer Optik genannte Einrichtungen fokussieren und richten lässt.

STAND DER TECHNIK

In der US 6,635,163 B1 wird eine nanofluidische Anordnung zum Filtern (Sieben, Sortieren) von Makromolekülen unterschiedlicher Größe vorgestellt und als entropische Falle bezeichnet. Im Verlauf eines ausgedehnten Nanokanals werden Erweiterungs- und Verengungsbereiche vorgesehen. In den Erweiterungsbereichen können die Makromoleküle entspannen und ihre energetisch favorisierte Zustandsform annehmen. Dabei beschreibt der Gyrationsradius die Ausdehnung der annähernd spherischen Faltungform eines Makromoleküls im energetischen Gleichgewicht und ist damit auch ein indirektes Maß für seine Länge im entfalteten Zustand. Zum Durchtritt durch die Verengungsbereiche muss eine der Größe des Gyrationsradius angepasste Energie zur Entfaltung oder zumindest zur deutlichen Abflachung des Makromoleküls in Form eines Förderdrucks im fluidischen System und/oder eines elektrischen Feldes aufgebracht werden. Wird nun der Förderdruck zunächst so hoch gewählt, dass alle bis auf die größten Makromoleküle den ersten Erweiterungsbereich verlassen können und anschließend im zeitlichen Ablauf der Wanderungsgeschwindigkeit der Makromoleküle angepasst ständig verringert, werden sich die Makromoleküle entsprechend ihrer Gyrationsradien in den verschiedenen Erweiterungsbereichen getrennt sammeln und auf diese Weise sortiert.

In der US 6,753,200 B2 werden monolithisch integrierte nanofluidische Siebstrukturen zur DNA-Manipulation vorgestellt. Darin wird insbesondere in den 7 und 12C eine Anordnung von Nanosäulen als entropische Barriere gezeigt und deren Verwendung zur Entfaltung von Makromolekülen (7). Auch hier muss ein entsprechender Förderdruck aufgebracht werden, allerdings kommt eine einfache Abflachung der Makromoleküle aufgrund der durch die Säulen bedingten Durchtrittsquerschnitte nicht in Frage, sondern es muss eine weitgehende bis vollständige Entfaltung stattfinden.

In der US 2004/0197843 A1 wird ein Array aus Nanokanälen beschrieben, das in einem integrierten System (vergleiche 5) entfaltete Makromoleküle zur Strukturanalyse aufnehmen kann. Die Kanäle können einen Querschnitt zwischen einem und hundert Quadratnanometern und Längen bis zu 10 cm aufweisen. In Kanälen dieser Länge soll ein komplettes gestrecktes Chromosom des menschlichen Genoms mit ca. 250 Millionen Basenpaaren aufgenommen werden können. Die zu entfaltenden Makromoleküle werden in einem vor den Nanokanälen angeordneten Reservoir vorgehalten und z. B. mittels elektrischer Felder in die Nanokanäle transportiert. Eine die Entfaltung begünstigende und der Verstopfung der Nanokanäle vorbeugende entropische Barriere ist nach der Beschreibung nicht vorgesehen.

Der nächstliegende Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wird in der US 2004/0033515 A1 beschrieben. Darin wird ein integriertes System von mikro- und nanofluidischen Komponenten zur direkten Strukturanalyse und Manipulation von Makromolekülen mit hohem Durchsatz beschrieben. Eine graduell enger werdende, als Schnittstelle (Interface) bezeichnete Zone verbindet einen mikrofluidischen Bereich aus einer entropischen Barriere mit einem nanofluidischen Bereich aus Nanokanälen. Diese Schnittstelle kann als Rampe oder Abhang von der größeren zur kleineren Struktur ausgebildet sein, oder eine ebene Anordnung konstanten Gesamtquerschnitts von immer weiter verzweigenden Mikro- bis Nanokanälen oder von immer enger stehenden Säulen unter Bildung von Mikro- bis Nanodurchlässen aufweisen. Die zu analysierenden Makromoleküle werden in einem nicht näher beschriebenen Transportfluid mit Hilfe nicht beschriebener Kräfte durch das System befördert. Die Strukturanalyse kann mit Hilfe von Licht, durch eine Strom- oder Widerstandsmessung oder durch Messung der Änderung von Ladungszuständen erfolgen. Im Weiteren wird die Detektion mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls beschrieben. Nach der Beschreibung in der Druckschrift wird das zu analysierende Makromolekül durch die entropische Barriere geführt, in der es sich zunehmend entfaltet, bis es schließlich vollständig gestreckt in den seinem Durchmesser angepassten Nanokanal eintritt und dort in voller Länge Platz findet. Anschließend wird es mit dem Laserstrahl beleuchtet und das von ihm aufgrund seiner Struktur veränderte Licht in einem Detektor, hier eine mit einem CCD-Chip ausgestattete Kamera, verarbeitet. Entfaltung und Detektion finden also an zwei benachbarten Orten, der entropischen Barriere und den Nanokanälen statt. Darüber ist es fraglich, dass das beschriebene Detektionssystem mit fokussiertem Laserstrahl und CCD-Kamera oder alternativ anderen Aufnahmeeinrichtung die in der Druckschrift erwähnte potentielle Möglichkeit der aufgrund der vollständigen Streckung des Makromoleküls erreichbar erscheinende Auflösung einzelner Basenpaare leisten kann.

Aus der DE 101 16 500 A1 sind photonische Kristalle bekannt, die als dreidimensionale dielektrische Strukturen beschrieben werden, die für elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich unabhängig von der Einfallsrichtung undurchlässig sind. Der entsprechende Wellenlängenbereich wird dabei wesentlich durch die Anordnung, Form und Größenverhältnisse der Struktur bestimmt. Eine wichtige Form photonischer Kristalle wird durch eine regelmäßige matrixartige Anordnung von Mikrosäulen oder -zylindern gebildet. Durch die hier beschriebenen Eigenschaften eignen sich photonische Kristalle zur Herstellung optischer Bauelemente wie schmalbandigen Filtern, modulierbaren Filtern, Add-Drop-Filtern oder integriert optischen Strukturen mit 90°-Umlenkung, z. B. für die optische Datenübertragung in Lichtwellenleitern mit verschiedenen Lichtwellenlängen in DWMD-Technik (Dense Wavelength Division Multiplexing). In dieser Druckschrift wird eine Anwendung photonischer Kristalle als Hauptbestandteil optischer Detektoren unter Ausnutzung der Änderung ihrer Transmissionseigenschaften beim Durchtritt eines Analyten nicht beschrieben.

Die EP 1 729 111 A1 beschreibt ein System zur Analyse, insbesondere Dichtebestimmung, für einen nicht näher beschriebenen Analyten (Ziel-Substanz) mit einer Quelle elektromagnetischer Strahlung, einem photonischen Kristall als Sensorelement und einem Detektor, wobei Quelle und Detektor über Wellenleiterstrukturen mit dem photonischen Kristall verbunden sind. Dieser weist eine zweidimensionale Anordnung von kreisförmigen Öffnungen (Poren) mit einem Durchmesser von 240 nm bei einer Maschenweite von 420 nm und porenfreie Zonen, so genannte Resonatorstrecken, auf. Der Analyt wird durch die kreisförmigen Öffnungen senkrecht zur Ebene des zweidimensionalen photonischen Kristalls geleitet und ändert dabei dessen Transmissionseigenschaften für die elektromagnetische Strahlung. Die Beaufschlagung damit und die Abnahme der transmittierten Strahlung erfolgt in der Ebene des photonischen Kristalls. Eine Entfaltung und Analyse linearer Makromoleküle ist mit dieser Anordnung nicht möglich.

Ein weiterer photonischer Kristall wird in der WO 2004/001465 A1 vorgeschlagen. In Form eines lang gestreckten photonischen Wellenleiterabschnitts mit kreisförmigem Gesamtquerschnitt dient er zur Untersuchung wasserbasierter Analyten. Dabei ist um einen zentralen Kanal eine Anzahl ebenfalls über die gesamte Länge des photonischen Wellenleiterabschnitts ausgedehnter Mikrokanäle angeordnet. Deren Anordnung, Durchmesser und Querschnittsform kann zur Parametrierung der Eigenschaften beliebig gewählt sein. Die Mikrokanäle sind luftgefüllt oder evakuiert, der Analyt fließt durch den zentralen Kanal. Zur Analyse wird der zentrale Kanal eines entsprechend gewählten gestreckten photonischen Wellenleiterabschnitts durchströmt und ebenfalls der Länge nach von einem Ende her mit einer elektromagnetischen Strahlung beaufschlagt. Das Transmissionsergebnis wird am anderen Ende abgegriffen und einem Detektor zugeleitet. Das durch vielfältige Reflexionen in den Mikrokanälen geprägte Transmissionsverhalten des photonischen Wellenleiterabschnitts für die elektromagnetische Strahlung wird durch den Analyten verändert und erlaubt damit Rückschlüsse auf dessen Struktur. Eine Entfaltung und Analyse linearer Makromoleküle ist mit dieser Anordnung ebenfalls nicht möglich.

Weiterhin zeigt die Veröffentlichung von Chang, E. Y: u. a.: „DNA Mapping Using Microfluidic Stretching an Single-Molecule Detection of Fluorescent Site-Specific Tags" (Genome Res. (2004) 14 (6) 1137–1146) in 1A, beschrieben in der Legende zu 1, Seite 1139, das Entfalten von DNA-Molekülen in einem Nanosäulenfeld, des jedoch kein Teil eines photonischen Kristalls ist, im Elongationsfluss (Direct Linear Analysis, DLA). Die gefaltete DNA gelangt erst nach Verlassen des Nanosäulenfeldes in den Bestrahlungsbereich. Der Fluidkanal und die Bestrahlungsrichtung sind quer zueinander angeordnet. Die US 2006/0233481 A1 beschreibt eine Vorrichtung, die eine konstruktive Vereinigung einer fluidischen Struktur mit einem photonischen Kristall darstellt, gezeigt in 1. Fluid wird hierbei durch Kanäle 114, 118 des photonischen Kristalls geleitet, und Strahlung IN wird quer zur Flussrichtung des Fluids eingestrahlt. Die US 2007/0127019 A1 zeigt in 3 Platten 32 eines photonischen Kristalls 30, die mit Fluid durchströmt werden. Die Bestrahlungsebene liegt gleichfalls quer zur Ebene der Kristalle. Schließlich zeigt die Veröffentlichung von Psaltis, D. u. a.: „Developing optofluidic technology through the fusion of microfluids and optics" (Nature („006) 442 (7101) 381-6) in 2, Seite 382 ein biologisches Objekt in gestrecktem Zustand, das in einem optofluidischen Mikroskop (OFM) betrachtet wird. Die Flussrichtung ist auch hier quer zur Bestrahlungsrichtung. Keine der genannten optofluidischen Vorrichtungen legt jedoch eine konstruktive Vereinigung mit einem Nanosäulenfeld zur Entfaltung von DNA nahe.

AUFGABENSTELLUNG

Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist daher darin zu sehen, ausgehend vom gattungsbildenden nächstgelegenen Stand der Technik, ein Mikro- und Nanofluidsystem zu beschreiben, bei dem unter weiterer Integration die Elemente zur Entfaltung der Makromoleküle und der Strukturanalyse in einem gemeinsamen Element zusammengefasst sind und die Auflösung bis zum Einzelbaustein der linearen Makromoleküle, z. B. einem einzelnen Basenpaar, gesteigert werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.

Durch Strukturanordnungen im Mikro- und Nanometerbereich fluidischer Systeme und unter Aufbringung der notwendigen Transportenergie ist es entsprechend dem beschriebenen Stand der Technik möglich, lineare Makromoleküle wie DNA, RNA, Proteine, Nukleinsäuren, Peptide, Aminosäureketten, synthetische Moleküle, Hormone, Vitamine, Kohlenhydrate, Fette, Fettsäuren usw. aus ihrer energetisch favorisierten Zustandsform der charakteristischen Faltung in einen weitgehend geradlinigen entfalteten Zustand zu versetzen. Eine dazu geeignete Anordnung stellt die entropische Barriere in Form einer periodischen Gitterstruktur dar. Während des Durchtritts durch die entropische Barriere werden die linearen Makromoleküle zur Analyse der chemische Zusammensetzung und anderer Eigenschaften mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt. Die Öffnungen in der periodischen Gitterstruktur sind so dimensioniert, dass sowohl deren Funktion als entropische Barriere zur Entfaltung der linearen Makromoleküle als auch die zur Detektion durch Bestrahlung notwendigen optischen Eigenschaften gewährleistet sind. In dem erfinderischen Mikro- und Nanofluidsystem handelt es sich bei der entropischen Barriere mit der periodischen Gitterstruktur um einen photonischen Kristall mit Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung, wobei die geometrischen Parameter der periodischen Gitterstruktur des photonischen Kristalls an die Vereinzelung und Entfaltung der durchströmenden linearen Makromoleküle und den Spektralbereich der elektromagnetischen Strahlung gebunden sind. Der Begriff des photonischen Kristalls beschreibt eine räumlich periodische Anordnung von Mikro- bzw. Nanostrukturen. Durch die Wahl der Anordnung und der Strukturgeometrie werden bestimmbare Transmissionseigenschaften für elektromagnetische Strahlung realisiert. In der Natur werden photonische Kristalle z. B. in Form von regelmäßigen Anordnungen von Mikro- bzw. Nanoöffnungen in den Schalen von Kieselalgen zur optimalen Ausnutzung des Lichts für die im Inneren befindlichen Chloroplasten eingesetzt.

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Mikro- und Nanofluidsystem mit einer konstruktiven Vereinigung der entropischen Barriere und des Bestrahlungskanals in einem photonischen Kristall mit räumlich periodischer Gitterstruktur und ohne oder mit gezielt angeordneten Gitterdefekten und einer Queranordnung des Fluidkanals zum Bestrahlungskanal, wobei die periodische Gitterstruktur des photonischen Kristalls Gitteröffnungen aufweist, deren Ausdehnung an die Vereinzelung und Entfaltung der durchströmenden linearen Makromoleküle und den Spektralbereich der elektromagnetischen Strahlung gebunden ist. In der Richtung des Fluidkanals wirkt die periodische Gitterstruktur des photonischen Kristalls wie eine entropische Barriere, die bei Aufbringung der Entfaltungenergie durch das angelegte elektrische Feld und/oder den Förderdruck für die Entfaltung der linearen Makromoleküle sorgt. Quer zu dem Fluidkanal bildet der photonische Kristall den Bestrahlungskanal zur Bestrahlung der entfalteten linearen Makromoleküle. Durch das Hindurchtreten des linearen Moleküls werden Änderungen im Transmissionsverhalten des photonischen Kristalls bewirkt, die mit Hilfe der spektralen Analyse der transmittierten elektromagnetischen Strahlung erfasst werden und somit Rückschlüsse auf die Struktureigenschaften des zu analysierenden Moleküls ermöglichen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Ausdehnung der Gitteröffnungen der periodischen Gitterstruktur des photonischen Kristalls zwischen 5 nm und 1000 nm. Die Durchmesser entfalteter linearer Makromoleküle können je nach Art variieren. Die Bausteine können jeweils aus einzelnen bis mehreren Molekülen unterschiedlicher Zusammensetzung bestehen und der größte Durchmesser kann dabei gegebenenfalls nur wenige Nanometer betragen. Die Eigenschaften des photonischen Kristalls hinsichtlich Transmission und Konzentrierung der elektromagnetischen Strahlung auf Objekte mit Größenordnungen unterhalb der eingesetzten Wellenlänge werden unter Anderem durch die Abmessungen der periodischen Gitterstruktur bestimmt. Diese und damit auch die Ausdehnung der Gitteröffnungen kann bei der Herstellung an die vorgesehene Aufgabe angepasst werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Ausbildung der periodischen Gitterstruktur des photonischen Kristalls als Nanosäulenfeld. Im Stand der Technik wird ein Mikrosäulenfeld beschrieben, das Nanokanälen vorgelagert ist, die wiederum zur Aufnahme der entfalteten linearen Makromoleküle dienen. Auf diese zweiteilige Anordnung kann verzichtet werden, da das lineare Makromolekül nicht erst in seiner Gesamtheit entfaltet vorliegen muss, um es zu analysieren. Es kann ebenso in einem von vornherein als Nanosäulenfeld ausgelegten photonischen Kristall als entropische Barriere zumindest abschnittsweise entfaltet und gleichzeitig analysiert werden.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Ausbildung des photonischen Kristalls mit einer sich ändernden periodischen Gitterstruktur entlang der Richtung des Fluikanals oder des Bestrahlungskanals oder einer Kombination davon. Durch eine derartige Anordnung wird z. B. eine schrittweise Entfaltung des linearen Makromoleküls erreicht, die einer Verstopfung des Eintrittsbereichs vorbeugt, oder es kann nach der Entfaltung durch eine Vergrößerung der Abstände der Nanosäulen ein zur Analyse günstigerer Spektralbereich angesprochen werden.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Blende vor dem Eingang des photonischen Kristalls. Durch eine solche Maßnahme kann verhindert werden, dass mehrere lineare Makromoleküle gleichzeitig oder zumindest überlappend nebeneinander in den photonischen Kristall eintreten. Eine Detektion des molekularen Aufbaus durch die Bestrahlung und Auswertung des Transmissionsergebnisses kann durch die gleichzeitige Anwesenheit mehrerer linearer Makromoleküle zumindest erschwert werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch Wellenleiter zur Zuleitung der elektromagnetischen Strahlung an den Bestrahlungskanal des photonischen Kristalls und zur Ableitung der transmittierten elektromagnetischen Strahlung von dem Bestrahlungskanal des photonischen Kristalls. Die Einkopplung der elektromagnetischen Strahlung und die Auskopplung der transmittierten Strahlung durch Wellenleiter bietet den Vorteil der räumlichen Unabhängigkeit der Anordnung von Komponenten zur Strahlungserzeugung und Detektion.

Darüber hinaus ist eine Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung gekennzeichnet durch eine Auflösung des Querschnitts der in den Bestrahlungskanal des photonischen Kristalls einfallenden elektromagnetischen Strahlung im Bereich einzelner oder weniger Einzelkomponenten des linearen Makromoleküls. Die physikalischen Eigenschaften eines photonischen Kristalls erlauben es, elektromagnetische Strahlung auf Dimensionen unterhalb von deren Wellenlänge zu führen, zu leiten oder zu konzentrieren. Erreicht wird dies durch die Einbindung von Defekten in die periodische Struktur der photonischen Kristalle. Als Defekt wird eine beliebige Störung der sonst regelmäßigen Kristallstruktur bezeichnet. Defekte sind einzelne oder Kombinationen von zusamenhängenden oder nicht zusamenhängenden, hintereinander angeordneten Ketten von Strukturen oder einzelne Strukturen, die sich von den restlichen, in der Gitterstruktur befindlichenden Strukturen durch ihre Geometrie unterscheiden. Dies schließt auch einzelne oder Kombinationen von zusamenhängenden oder nicht zusamenhängenden hintereinander angeordnete fehlende Strukturen im photonischen Kristall mit ein. Durch den Einbau solcher Defekte in den photonischen Kristall kann die elektromagnetische Strahlung gezielt geführt werden. Dadurch wird es ermöglicht, Abschnitte der linearen Makromoleküle bis hinab zu einzelnen Bausteinen zu detektieren.

Schließlich ist eine Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung für das elektrische Feld zur Ausrichtung in horizontaler und vertikaler Richtung und zur Intensitätsänderung. Bei einem räumlich so ausgedehnten photonischen Kristall, dass mehrere lineare Makromoleküle sich unabhängig voneinander darin bewegen können, kann ein in allen Richtungen und bezüglich seiner Intensität steuerbares elektrisches Feld dafür sorgen, dass sich nicht mehrere lineare Makromoleküle auf der Projektionsfläche für die elektromagnetische Strahlung überdecken.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Mikrobioreaktoreinheit zumindest aus je einem photonischen Kristall vor und hinter einem Reaktionsraum, in dem Komponenten zur Nutzung der analysierten linearen Makromoleküle am Ausgang des vorgelagerten photonischen Kristalls vorgesehen sind. Eine solche Mikrobioreaktoreinheit kann in das Mikro- und Nanofluidsystem eingespeiste lineare Makromoleküle dynamisch, d. h. unmittelbar im Durchfluss im ersten photonischen Kristall entfalten und bausteingenau analysieren, im Reaktionsraum durch dort anwesende Reaktionsstoffe bearbeiten und die Bearbeitungserzeugnisse in dem zweiten photonischen Kristall ebenfalls bausteingenau detektieren. Damit wird eine besonders schnelle Beprobung und Bearbeitung bei extrem geringen Probenmengen möglich.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen modularen Aufbau der Mikrobioreaktoreinheit. Durch die getrennte Betrachtung einzelner Bauelemente des Mikro- und Nanofluidsystem wie photonischer Kristall mit entropischer Barriere und Reaktionsraum, ist ein modularer Aufbau mit paralleler und/oder serieller Anordnung solcher Bauelemente möglich.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Integration der Mikrobioreaktoreinheit in einem Schichtaufbau auf einem gemeinsamen Substrat. Dadurch wird eine rationelle Fertigung wie bei den bekannten Herstellungsverfahren der Mikroelektronik ermöglicht.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Anordnung von Mikro- bzw. Nanobehältern hinter dem ersten und/oder dem zweiten photonischen Kristall zum Auffangen der analysierten linearen Makromoleküle. Nach der Analyse und gegebenenfalls erfolgten Expression oder anderen Bearbeitungsschritten können die separierten und entfalteten Makromoleküle in solchen Mikro- bzw.

Nanobehälter zur weiteren Verwendung zwischengelagert und gegebenenfalls bei entsprechenden Abmessungen der Mikro- bzw. Nanobehälter an der Wiederfaltung gehindert werden.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung sind gekennzeichnet durch Vereinzelungs- und/oder Schneid- und/oder Sieb- bzw. Filter- und/oder weitere Bearbeitungsmittel vor und/oder in und/oder hinter dem ersten und/oder zweiten photonischen Kristall bzw. durch eine Reihenanordnung von mehreren Mikrobioreaktoren. Durch entsprechende Gestaltung der entropischen Barrieren können Selektionen linearer Makromoleküle voneinander oder von Fremdstoffen durch Sieb- oder Filterfunktionen, aber auch Separationen von Teilen linearer Makromoleküle durch zielgenaues Schneiden, z. B. mittels kurzzeitig erhöhter Energie der zur Detektion verwendeten elektromagnetischen Strahlung durchgeführt werden. Durch modulare Anordnung solcher Funktionsbaugruppen zu Gesamtsystemen und Integration auf einem gemeinsamen Substrat können ganze Prozessabläufe zu einem Laborchip („Lab-on-a-chip") komprimiert werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Nährstofflösung zur Strukturanalyse als Transportfluid für die zu analysierenden linearen Makromoleküle durch das Mikro- und Nanofluidsystem. Als neutrales Transportfluid für lineare Makromoleküle kommt normalerweise eine einfache physiologische Kochsalzlösung in Betracht. Bei Verwendung von Bausteinen zur Biosynthese müssen darüber hinaus Nährstoffe zur Verfügung gestellt werden, die dem Stoffaufbau dienen können. Diese Nährstoffe können bereits in ausreichender Menge dem Transportfluid beigegeben werden.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine gesonderte Zufuhr der Nährstofflösung in den Reaktionsraum des Mikrobiorektors unabhängig von dem Transportfluid. In diesem Fall können Nährstoffe gezielt auf den im Mikrobioreaktor ablaufenden Stoffaufbauprozess abgestimmt und in einem gesteuerten zeitlichen Ablauf zugefügt werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine gesonderte Abfuhr von mit den weiteren Bearbeitungsmitteln separierten unerwünschten Bestandteile aus der Nährstofflösung und/oder dem Transportfluid. Nach einer Separation durch Sortierungs- oder Filtervorgänge können die entropische Barriere oder andere Funktionsbausteine zusätzliche Ausgänge aufweisen, die der Abfuhr unerwünschter Stoffe dienen können.

Die zuvor beschriebenen einzelnen Weiterbildungen des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung sind als Beispiele zu verstehen. Andere Weiterbildungen und beliebige Kombinationen aus allen sind nach Maßgabe der jeweiligen Aufgabe ebenfalls bereitstellbar.

Eine Anwendung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch die Expression von auf den linearen Makromolekülen oder Abschnitten davon vorhandenen genetischen Information als dynamische in vitro Expression. Bei Einspeisung von linearen Makromolekülen als DNA oder RNA oder einzelnen Genen oder Gensequenzen kann in dem Reaktionsraum bei Anwesenheit von aktiven Ribosomen und einer entsprechenden Nährstoffzufuhr in Form eines Gemisches der notwendigen Reaktionsbestandteile wie z. B. t-RNA mit Aminosäuren eine dynamische Expression von Peptiden bzw. Proteinen erfolgen. Mit entsprechend vorgeschalteten Sortierungs- und Filterschritten kann eine gesteuerte Proteinsynthese im Durchflussverfahren stattfinden. Da diese Abläufe bei geringsten Probenmengen sehr schnell sind, besteht damit die Möglichkeit, eine Vielzahl solcher Ergebnisse in kürzester Zeit zu erhalten.

Eine weitere Anwendung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch die Gewinnung hochreiner Proben von linearen Makromolekülen oder deren Expressionsergebnissen oder jeweiligen Abschnitten davon. Bei Untersuchungen der linearen Makromoleküle in den photonischen Kristallen und anschließenden Filterschritten können die bestimmten linearen Makromoleküle oder deren Expressionsergebnisse oder jeweils Teile davon nach Trennschritten direkt an entsprechenden Ausgängen abgezogen oder in anderen Bauelementen des Mikro- und Nanofluidsystem in Mikro- bzw. Nanobehältern gespeichert werden.

Eine andere Anwendung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch Sequenzierung von Nukleinsäuren. Bei Einspeisung von linearen Makromolekülen als DNA oder RNA kann deren genetische Struktur im vorgelagerten photonischen Kristall sequenziert und aufgeklärt werden. Die Konzentrierung der zur Bestrahlung eingesetzten elektromagnetischen Strahlung auf Spots unterhalb der verwendeten Wellenlänge und die entsprechend sensible Auswertung der nach dem Eintritt des linearen Makromoleküls veränderten Transmissionseigenschaften des photonischen Kristalls macht eine Sequenzierung der Makromoleküle beliebiger Länge in einem dynamischen Durchflussverfahren bei hoher Sequenziergeschwindigkeit möglich. Damit werden bekannte Verfahren wie das Standardverfahren auf Basis der Polymerasekettenreaktion (PCR) und andere Ansätze in der Prozessgeschwindigkeit und dem apparativen und Kostenaufwand deutlich unterschritten.

Schließlich ist eine Anwendung des Mikro- und Nanofluidsystems nach der Erfindung gekennzeichnet durch Manipulation von linearen Makromolekülen (LM) wie zu Markierungsreaktionen von deren Bestandteilen, zum enzymatischen bzw. chemischen Schneiden und zur Durchführung von Designschritten. Mit der Möglichkeit der sehr schnellen dynamischen Sequenzierung bis hinab zu den chemischen Grundstoffen der linearen Makromoleküle wie DNA, RNA, Proteine, Nukleinsäuren, Peptide, Aminosäureketten, synthetische Moleküle, Hormone, Vitamine, Kohlenhydrate, Fette, Fettsäuren usw. und den integrierten Filter-, Schneide-, Expressions-, Lagerungs- und sonstigen Bearbeitungsschritten wird ein schnelles und damit wirtschaftliches Design von linearen Makromolekülen möglich, weil in kurzer Zeit eine Vielzahl von Versuchen mit schrittweise veränderten Ausgangsstoffen und/oder schrittweise veränderten Expressionsergebnissen gemacht werden können. So können z. B. Zusammenhänge zwischen Gensequenzen und kleinen bis kleinsten Veränderungen daran und ihren daraus exprimierten Proteinen aufgeklärt werden. Damit werden neue Anwendungsfelder zur schnellen Analytik und Manipulation linearer Makromoleküle eröffnet.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Ausbildungsformen des Mikro- und Nanofluidsystems zur dynamischen Strukturanalyse von linearen Makromolekülen nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren zum weiteren Verständnis der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 ein Mikro- und Nanofluidsystem mit einer Vereinigung einer entropischen Barriere und einem Bestrahlungskanal in einem photonischen Kristall,

1A eine perspektivische Ansicht des photonischen Kristalls gemäß 1,

2 ein Mikro- und Nanofluidsystem mit einem Nanosäulenfeld als photonischen Kristall,

2A eine perspektivische Ansicht des photonischen Kristalls gemäß 2,

3 ein Mikro- und Nanofluidsystem mit einer Blende vor der räumlich periodischen Gitterstruktur,

4 ein Mikro- und Nanofluidsystem mit einer sich verengenden räumlich periodischen Gitterstruktur,

5 ein Mikro- und Nanofluidsystem mit Wellenleiteranschlüssen,

6 ein Mikro- und Nanofluidsystem als Mikrobioreaktor,

7 ein Mikro- und Nanofluidsystem als Mikrobioreaktor mit Mikro- bzw. Nanobehälter,

8 ein Mikro- und Nanofluidsystem als Reihenschaltung mehrerer Mikrobioreaktoren und

9 ein Mikro- und Nanofluidsystem mit gesonderter Zufuhr von Nährlösung und gesonderter Abfuhr von Reaktionsprodukten und nicht benötigten Bestandteilen.

Die 1 zeigt ein Mikro- und Nanofluidsystem NS zur dynamischen Strukturanalyse von linearen Makromolekülen LM, deren energetisch favorisierte Zustände durch komplexe Faltstrukturen KF, unter die auch Knäuel- oder Helixstrukturen subsummieren, beschrieben werden, in einem mit einem elektrischen Feld EF und/oder einem Förderdruck FD beaufschlagten Fluidkanal FK mit einer konstruktiven Vereinigung einer entropischen Barriere EB und einem Bestrahlungskanal BK in einem photonischen Kristall PK, der eine räumlich periodische Gitterstruktur PG, hier z. B. mit gezielt angeordneten Gitterdefekten GD, mit Gitteröffnungen GO zur vollständigen Entfaltung der gefalteten linearen Makromoleküle LM mit einer detektierbaren Beeinflussung der optischen Transmissionseigenschaften des photonischen Kristalls PK aufweist, wobei die Bestrahlung der durchströmenden linearen Makromoleküle LM in dem Bestrahlungskanal BK des photonischen Kristalls PK in einer Queranordnung QA zur Durchströmungsrichtung DR im Fluidkanal FK erfolgt. Das charakteristisch gefaltete lineare Makromolekül LM tritt an einem Eingang EG in die entropische Barriere EB ein, indem es durch das elektrische Feld EF und/oder den Förderdruck FD zur Entfaltung an den Gitteröffnungen GO der periodischen Gitterstruktur PG gezwungen wird. Es tritt an einem Ausgang AG wieder aus der entropischen Barriere EB aus und stellt unmittelbar anschließend die durch den günstigsten Energiezustand beschriebene charakteristische Faltung wieder her. Die zur Detektion erforderliche elektromagnetische Strahlung ES wird in den Bestrahlungskanal BK des photonischen Kristalls PK geleitet. Durch die Anwesenheit des linearen Makromoleküls LM wird die transmittierte elektromagnetische Strahlung TS veränderte. Die in den folgenden Figuren fehlenden Bezugszeichen sind der 1 zu entnehmen. 1A zeigt als einen Ausschnitt aus 1 in perspektivischer Darstellung einen photonischen Kristall PK als Vereinigung der entropischen Barriere EB im Fluidkanal FK mit dem Bestrahlungskanal BK. Der Fluidkanal FK und der Bestrahlungskanal BK liegen dabei in einer Queranordnung QA vor.

2 zeigt ein Mikro- und Nanofluidsystem NS wie in 1, jedoch mit einem Nanosäulenfeld NF als Vereinigung der entropischen Barriere EB mit dem Bestrahlungskanal BK in dem photonischen Kristall PK, hier ebenfalls mit beispielhaft angeordneten Gitterdefekten GD. Im Gegensatz zu einer entropischen Barriere EB mit beliebig geformten Hindernissen zur Entfaltung des linaren Makromoleküls LM hat das Nanosäulenfeld NF den Vorteil, dass die abgerundeten Strukturen einer Verstopfung durch Verhaken der Molekülbausteine vorbeugt ohne die Entfaltungswirkung zu verschlechtern und besonders einfach herstellbar ist. 2A zeigt als einen Ausschnitt aus 2 in perspektivischer Darstellung einen photonischen Kristall PK als Vereinigung der entropischen Barriere EB im Fluidkanal FK mit dem Bestrahlungskanal BK in Form eines Nanosäulenfeldes NF. Der Fluidkanal FK und der Bestrahlungskanal BK liegen dabei in einer Queranordnung QA vor.

3 zeigt ein Mikro- und Nanofluidsystem NS wie in 2, jedoch mit einer Blende KB vor dem Eingang EG der räumlich periodischen Gitterstruktur PG, hier als Nanosäulenfeld NF dargestellt.

4 zeigt ein Mikro- und Nanofluidsystem NS wie in 2, jedoch mit einer sich kontinuierlich verengenden räumlich periodischen Gitterstruktur PG, hier als Nanosäulenfeld VN dargestellt, als Vereinigung der entropischen Barriere EB mit dem Bestrahlungskanal BK in dem photonischen Kristall PK. Auch diese Maßnahme beugt weiter der Verstopfung am Eingang EG vor.

5 zeigt ein Mikro- und Nanofluidsystem NS wie in 4, jedoch mit Wellenleitern WL zur Leitung der elektromagnetischen Strahlung ES in den photonischen Kristall PK einerseits und zur Leitung der transmittierten elektromagnetischen Strahlung TS aus dem photonischen Kristall PK andererseits. Mit den Wellenleitern WL können Einrichtungen zur Erzeugung und Auswertung der elektromagnetischen Strahlung ES von dem Mikro- und Nanofluidsystem NS räumlich entkoppelt werden.

6 zeigt ein Mikro- und Nanofluidsystem NS als Mikrobioreaktor MB mit zwei photonischen Kristallen PK1, PK2 und einem Reaktionsraum RR dazwischen. Im ersten photonischen Kristall PK1 werden die linearen Makromoleküle LM, hier z. B. Ribonukleinsäure RNA, nach der Entfaltung in der sich kontinuierlich verengenden räumlich periodischen Gitterstruktur PG, hier als Nanosäulenfeld VN dargestellt, detektiert und nach dem Eintritt in den Reaktionsraum RR von dort vorhandenen Biomolekülen, hier z. B. Ribosomen RS übernommen und unmittelbar in vitro exprimiert. Das die linearen Makromoleküle LM transportierende Transportfluid FL, z. B. eine physiologische Kochsalzlösung, kann dabei die zur zellfreien Proteinsynthese benötigten Nährstoffe NE bereits enthalten, da sie von so geringer Größe sind, dass sie den Fluidkanal FK ungehindert passieren können. Die von den Ribosomen RS erzeugten Peptide PD bzw. Proteine, ebenfalls lineare Makromoleküle LM, werden durch den Förderdruck FD und das elektrische Feld EF ohne sich spontan charakteristisch falten zu können, unmittelbar in den zweiten photonischen Kristall PK2 getrieben und dort detektiert. Mit dieser Anordnung kann den im ersten photonischen Kristall PK1 detektierten DNA oder RNA durch Detektion im zweiten photonischen Kristall PK2 eine bestimmtes Aminosäurekette, z. B. ein Peptid PD oder ein Protein, zugeordnet werden.

7 zeigt ebenfalls ein Mikro- und Nanofluidsystem NS als Mikrobioreaktor MB, hier jedoch mit Mikro- bzw. Nanobehälter NR am Ausgang des zweiten photonischen Kristalls PK2. Durch die Anordnung von Mikro- bzw. Nanobehälter NR verschiedener Durchmesser können die durch die Proteinsynthese in den Ribosomen RS im Reaktionsraum RR des Mikrobioreaktors MB erzeugten Aminosäureketten, z. B. Peptide PD oder Proteine, nach ihrer Größe sortiert gesammelt und für weitere Analyseschritte gelagert werden.

8 zeigt ein Mikro- und Nanofluidsystem NS als Reihenschaltung mehrerer Mikrobioreaktoren MB. Wenn in dem Transportfluid FL ein Gemisch unterschiedlicher linearer Makromoleküle LM vorhanden ist, kann durch eine Reihenschaltung mehrerer Mikrobioreaktoren, hier MB1, MB2, MB3, eine individualisierte Bearbeitung, z. B. die Prozessierung von DNA über RNA in Aminosäureketten, z. B. Peptide PD oder Proteine, oder die Proteinsynthese mit spezialisierten Ribosomen RS, durchgeführt werden.

9 zeigt ein Mikro- und Nanofluidsystem NS mit gesonderter Zufuhr von Nährstoffen NE in den Reaktionsraum RR des Mikrobiorektors MB unabhängig von dem Transportfluid FL und gesonderter Abfuhr von Reaktionsprodukten und nicht benötigten Bestandteilen UB. Damit können einerseits Nährstoffe NE gezielt auf den im Mikrobioreaktor MB ablaufenden Stoffumsetzungsprozess abgestimmt und in einem gesteuerten zeitlichen Ablauf zugefügt und andererseits Reaktionsprodukte und nicht benötigte Bestandteile UB nach einer Separation durch Sortierungs- oder Filtervorgänge in den entropischen Barrieren EB abgeführt werden. Dazu kann das Mikro- und Nanofluidsystem NS Zugänge ZU, z. B. vor und/oder in und/oder nach den photonischen Kristallen PK1, PK2 und/oder im Reaktionsraum RR des Mikrobioreaktors MB, und/oder Abgänge AB, z. B. vor und/oder in und/oder nach den photonischen Kristallen PK1, PK2 und/oder im Reaktionsraum RR des Mikrobioreaktors MB, aufweisen.

AB
Abgänge
AG
Ausgang
BK
Bestrahlungskanal
DNA
Desoxyribonukleinsäure
DR
Durchströmungsrichtung
EB
entropische Barriere
EF
elektrisches Feld
EG
Eingang
ES
elektromagnetische Strahlung
FD
Förderdruck
FK
Fluidkanal
FL
Transportfluid
GD
Gitterdefekt
GO
Gitteröffnung
KB
Blende
KF
komplexe Faltstruktur
LM
lineares Makromolekül
MB
Mikrobioreaktor
NE
Nährstoffe
NF
Nanosäulenfeld
NR
Nanobehälter
NS
Mikro- und Nanofluidsystem
PD
Aminosäurekette (Peptid, Protein)
PG
periodische Gitterstruktur
PK
photonischer Kristall
QA
Queranordnung
RR
Reaktionsraum
RS
Ribosomen
TS
transmittierte Strahlung
UB
nicht benötigte Bestandteile, Reaktionsprodukte
VN
sich verengendes Nanosäulenfeld
WL
Wellenleiter
ZU
Zugänge


Anspruch[de]
Mikro- und Nanofluidsystem zur dynamischen Strukturanalyse von linearen Makromolekülen mit energetisch bevorzugter Faltstruktur in einem mit einem elektrischen Feld und/oder einem Förderdruck beaufschlagten Fluidkanal mit zumindest einer entropischen Barriere zur Entfaltung der durchströmenden Makromoleküle und einem Bestrahlungskanal für elektromagnetische Strahlung, gekennzeichnet durch eine konstruktive Vereinigung der entropischen Barriere (EB) und des Bestrahlungskanals (BK) in einem photonischen Kristall (PK) mit räumlich periodischer Gitterstruktur (PG) und ohne oder mit gezielt angeordneten Gitterdefekten (GD) und eine Queranordnung (QA) des Fluidkanals (FK) zum Bestrahlungskanal (BK), wobei die periodische Gitterstruktur (PG) des photonischen Kristalls (PK) Gitteröffnungen (GO) aufweist, deren Ausdehnung an die Vereinzelung und Entfaltung der durchströmenden linearen Makromoleküle (LM) und den Spektralbereich der elektromagnetischen Strahlung (ES) gebunden ist. Mikro- und Nanofluidsystem nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch eine Ausdehnung der Gitteröffnungen (GO) zwischen 5 nm und 1000 nm. Mikro- und Nanofluidsystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der periodischen Gitterstruktur (PG) des photonischen Kristalls (PK) als Nanosäulenfeld (NF). Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des photonischen Kristalls (PK) mit einer sich ändernden periodischen Gitterstruktur entlang der Richtung des Fluikanals oder des Bestrahlungskanals oder einer Kombination davon. Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Blende (KB) vor dem Eingang (EG) des photonischen Kristalls (PK). Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Wellenleiter (WL) zur Zuleitung der elektromagnetischen Strahlung (ES) an den Bestrahlungskanal (BK) und zur Ableitung der transmittierten elektromagnetischen Strahlung (TS) von dem Bestrahlungskanal (BK) des photonischen Kristalls (PK). Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Auflösung des Querschnitts der in den Bestrahlungskanal (BK) einfallenden elektromagnetischen Strahlung (ES) im Bereich einzelner oder weniger Einzelkomponenten des linearen Makromoleküls (LM). Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung für das elektrische Feld (EF) zur räumlichen Ausrichtung und zur Intensitätsänderung. Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Mikrobioreaktoreinheit (MB) zumindest aus je einem photonischen Kristall (PK) vor und hinter einem Reaktionsraum (RR), in dem Komponenten zur Nutzung der analysierten linearen Makromoleküle (LM) am Ausgang (AG) des vorgelagerten photonischen Kristalls (PK) vorgesehen sind. Mikro- und Nanofluidsystem nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen modularen Aufbau der Mikrobioreaktoreinheit (MB). Mikro- und Nanofluidsystem nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Integration der Mikrobioreaktoreinheit (MB) in einem Schichtaufbau auf einem gemeinsamen Substrat. Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Anordnung von Mikro- bzw. Nanobehälter (NR) hinter dem ersten und/oder dem zweiten photonischen Kristall (PK1, PK2) zur Separation der analysierten linearen Makromoleküle (LM). Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch Vereinzelungs- und/oder Schneid- und/oder Sieb- bzw. Filter- und/oder weitere Bearbeitungsmittel vor und/oder in und/oder hinter dem ersten und/oder zweiten photonischen Kristall (PK1, PK2). Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet durch eine Reihenanordnung von mehreren Mikrobioreaktoren (MB). Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch eine Nährstofflösung als Transportfluid (TF) für die zu analysierenden linearen Makromoleküle (LM) durch das Mikro- und Nanofluidsystem (NS). Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch eine gesonderte Zufuhr der Nährstofflösung in den Reaktionsraum (RR) des Mikrobioreaktors (MB) unabhängig von dem Transportfluid (TF). Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 10 bis 16, gekennzeichnet durch eine gesonderte Abfuhr von separierten Reaktionsprodukten und nicht benötigten Bestandteilen (UB) aus der Nährstofflösung und/oder dem Transportfluid (TF). Anwendung des Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, zur Expression von auf den linearen Makromolekülen (LM) oder Abschnitten davon vorhandenen genetischen Information als dynamische in vitro Expression. Anwendung des Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, zur Gewinnung hochreiner Proben von linearen Makromolekülen (LM) oder deren Expressionsergebnissen oder jeweiligen Abschnitten davon. Anwendung des Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, zur Sequenzierung von linearen Makromolekülen (LM). Anwendung des Mikro- und Nanofluidsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, zur Manipulation von linearen Makromolekülen (LM) wie zu Markierungsreaktionen von deren Bestandteilen, zum chemischen Schneiden und anderen Bearbeitungsschritten und zur Durchführung von Designschritten. Anwendung des Mikro- und Nanofluidsystem nach Anspruch 21 zum enzymatischen Schneiden.






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