DE102016211356B4

DE102016211356B4 - Analysesystem und Verfahren zum Durchführen einer Analyse

Info

Publication number: DE102016211356B4
Application number: DE102016211356.9A
Authority: DE
Inventors: Anna Ohlander; Indranil Ronnie Bose; Aman Russom
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-06-24
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2024-12-19
Anticipated expiration: 2036-06-25
Also published as: DE102016211356A1

Abstract

Ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') zum Analysieren eines Analyten (13), das folgende Merkmale aufweist:
zumindest eine Kammer (14) zum Verarbeiten des Analyten (13), wobei die Kammer (14) durch eine oder mehrere Polymerfolien gebildet ist und ein Polymer mit geringer Wärmeleitfähigkeit aufweist;
ein temperatursteuerbares Element (15, 15''a, 15''c, 15''e), das als Wachspfropfenventil oder wärmeempfindliches Polymerventil implementiert ist; und
eine Steuerschicht (12l), die eine Heizvorrichtung (12, 12a) zum Erwärmen der zumindest einen Kammer (14), um das Verarbeiten des Analyten (13) durchzuführen, und eine weitere Heizvorrichtung (12c), die mit dem temperatursteuerbaren Element (15, 15``a, 15``c, 15``e) gekoppelt und dazu konfiguriert ist, das temperatursteuerbare Element (15, 15``a, 15``c, 15``e) zu steuern, aufweist;
wobei die Heizvorrichtung (12, 12a) und die weitere Heizvorrichtung (12c) durch eine gemeinsame Heizschicht gebildet sind.

Description

Ein Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Analysesystem, das eine Steuerschicht mit einer Heizvorrichtung aufweist, und auf ein entsprechendes Verfahren zum Steuern des Analysesystems. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Analysekartusche oder tragbare Diagnostiksysteme, die ein Analysesystem aufweisen.
Chiplabors (Lab-on-a-Chip, LoC), Folienlabor (Lab-on-a-Foil), Mikrototalanalysensysteme (micro-total-analysis-systems, µTAS) oder bio-mikroelektromechanische Systeme (Bio-MEMS) sind übliche Namen für solche Systeme, die sich mit der Miniaturisierung chemischer und biologischer Laborprozesse und Versuche im Mikroskalenformat beschäftigen, mit dem Ziel, die Leistungsfähigkeit des Versuchs zu verbessern und seinen Kosten- und Zeitaufwand zu verringern. Diesen Systemen ist gemein, dass sie mit Flüssigkeiten umgehen, da sie allgemein aus einem Satz mikrofluidischer Kanäle und/oder Hohlräume bestehen, die auf einem Substrat integriert sind. Je nach Anwendung erfordern diese Systeme mannigfaltige sonstige Funktionalitäten wie beispielsweise Mischen, Erwärmen und Filtern von Proben und Reagenzien und Detektion spezifischer Analyten oder Endprodukte, um in der Lage zu sein, einen entsprechenden Laborumfang analog nachzubilden. Die verschiedenen Funktionalitäten können dem mikrofluidischen System entweder durch Miniaturisierung und Integration als chipinterne Komponenten bereitgestellt werden oder können als chipexterne Makroskalen-Komponenten getrennt gehalten werden, wobei eine Makro-zu-Mikro-Schnittstelle, die die Funktionalität in das mikrofluidische Bauelement integriert, Vorteile wie beispielsweise eine verbesserte Leistungsfähigkeit und Empfindlichkeit (direkter Kontakt mit der Probe) und eine Verringerung von voluminösen chipexternen Komponenten (wichtig für tragbare Anwendungen, PoC) mit sich bringt, jedoch mit erhöhten Kosten einhergeht, da eine chipinterne Integration zusätzliche Verarbeitungsschritte beinhaltet.
Um Verunreinigungsrisiken zu vermeiden, sind mikrofluidische Systeme oft wegwerfbare Einwegsysteme mit dem Erfordernis geringer Material- und Herstellungskosten, und somit werden Kunststoffe und Polymere gegenüber dem klassischen MEMS-Material Silikon bevorzugt. Mikrospritzguss ist die aktuelle hochmoderne Herstellungstechnologie für eine Massenproduktion dieser Systeme. Trotz der Möglichkeit, Millionen von mikrofluidischen Kunststoffsubstraten mit hohem Durchsatz herzustellen, weist das Verfahren Schwierigkeiten beim Integrieren von Funktionalitäten auf. Das spritzgegossene mikrofluidische Systems allgemein durch ein Lösungsmittel- oder thermisches Bonden hergestellt, was oft mit Elektroden und Biomolekülen, die integriert werden sollen, nicht vereinbar ist. Eine Verwendung von Kunststofffolien und eine Rolle-zu-Rolle-Herstellung ist ein attraktives alternatives Massenproduktionsverfahren, da eine Integration derartiger Elemente durch die Verwendung von laminierungsbasierten Prozessen und druckempfindlichen Klebebändern ohne Weiteres und mit hohem Durchsatz erfolgt. Dies ermöglicht, dass verschiedene Materialien in einem Mischen-und-Abgleichen-Lösungsansatz (Mischbetriebs-Lösungsansatz, mix-and-match approach) miteinander gebondet werden können und jede Komponente des Systems unter für sie optimalen Bedingungen hergestellt werden kann.
Eine exakte Temperatursteuerung bei mikrofluidischen Systemen ist oft eine essenziell wichtige Funktionalität, da viele biochemische Reaktionen von spezifischen Temperaturen abhängen. Beispielsweise erfordern ein Zellwachstum und eine Zellvermehrung bei einem Zellkultivierungsversuch konstant 37° C. Bei einem Experiment einer DNA-Hybridisierung hybridisieren Target- und Analytstrang nur unter einer Inkubation bei 37° C. Ferner verwenden viele DNA-Amplifikationsprotokolle spezifische Temperaturen, um die verschiedenen Schritte in der Amplifikationskette zu steuern. Die schleifenvermittelte isotherme Amplifikation (LAMP, loop mediated isothermal amplification) wird bei konstant 60-65° C durchgeführt. Die Rolling-Circle-Amplifikation (RCA) erfordert einen bei 95° C erfolgenden Denaturierungsschritt, bevor eine Verlängerung bei 30° C durchgeführt wird, und schließlich verwendet die Polymerase-Kettenreaktion (PCR - polymerase chain reaction) ein Durchlaufen zyklischer Vorgänge zwischen ~63° C, ~72° C und ~95 C für eine exponentielle Amplifikation der Vorlage-DNA. Um eine präzise Temperatursteuerung und hohe Erwärmungs- und Abkühlraten zu erhalten, weist eine Integration von Mikroskalen-Heizvorrichtungen im Vergleich zu externen Makroskalen-Heizvorrichtungen aufgrund des direkten thermischen Kontakts mit der Mikrofluidik eine bessere Leistungsfähigkeit auf.
Wir haben bereits die Detektion von SNPs (Einzelnukleotid-Polymorphismen, single nucleotide polymorphisms) anhand einer Schmelzkurvenanalyse an DNA-Mikroarrays demonstriert, die unter Verwendung von semitransparenten Kupfergitter-Heizvorrichtungen, die auf Kunststofffolie strukturiert sind, integriert sind [1], [2], [3], [4]. Es hat sich herausgestellt, dass die Mikroheizvorrichtung an der Stelle der Analyse eine robuste und homogene Temperatur bereitstellt, mittels Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt werden kann (geringe Kosten) und eine Energiezufuhr von 2 V erfordert (weshalb sie tragbar ist).
Ein herkömmliches Chiplabor ist in 9a gezeigt. 9a zeigt ein Analysesystem 10* (auch als Chiplabor bezeichnet), das eine Heizvorrichtung 12*, z. B. eine Kupferheizvorrichtung auf einer Folie und eine Kammer 14* zum Verarbeiten von Analyten aufweist. Die Kammer kann beispielsweise ein DNA-Mikroarray sein, wie durch die Vergrößerung der Kammer 14* gezeigt ist. Zum Transportieren der Analyte, hier der DNA aufweisenden Analyte, in die Kammer 14* muss die Schicht der Kammer 14* eventuell einen oder mehrere mikrofluidische Kanäle 14mf* aufweisen. Die Kammer 14* ist in einer Schicht gebildet, die neben der die Heizvorrichtung 12* aufweisenden Schicht liegt. Beispielsweise können Schicht der Kammer 14* und die Schicht der Heizvorrichtung 12* anhand einer strukturierten doppelseitigen Klebefolie 14a* aneinander befestigt sein. Zusätzlich kann die Schicht der Kammer 14* durch eine Folienabdeckung (aus PET/Acryl/PEN) 14c* bedeckt sein, die auf einer Seite der Kammer angeordnet ist, die der die Heizvorrichtung 12* aufweisenden Schicht gegenüberliegt.
Das Analysesystem 10* hat den Zweck, eine Detektion von SNPs anhand einer Schmelzkurvenanalyse durchzuführen. Eine Schmelzkurvenanalyse ist eine Beurteilung einer Dissoziationscharakteristik einer doppelstrangigen DNA während des Erwärmens. Mit steigender Temperatur beginnt sich der Doppelstrang aufzuspalten, was zu einem Anstieg der Absorbanzintensität, Hyperchromie, führt. Die Temperatur, bei der 50 % einer DNA denaturiert wird, ist als Schmelzpunkt bekannt. Die gewonnenen Informationen können zum Interpretieren des Vorliegens und der Identität des SNP verwendet werden.
In 9b sind mehrere Schmelzkurven gezeigt. Üblicherweise sind die Schmelzkurven als Diagramme aufgetragen, die die Abhängigkeit zwischen einer Fluoreszenz und einer Temperatur, bei der die Fluoreszenz stattfindet, zeigen. Die gezeigten Schmelzkurven gehören zu zwei Gruppen, nämlich zu einer ersten Gruppe, die mit 20m* markiert ist und Übereinstimmungen zeigt, und zu einer zweiten Gruppe, die mit 20mm* markiert ist und Nichtübereinstimmungen zeigt. Um derartige Schmelzkurven 20m* und 20mm* zu detektieren, wird die Temperatur des Analyten ziemlich präzise erhöht, wobei der Analyt z. B. unter Verwendung eines optischen Detektors bezüglich seiner Fluoreszenz oder bezüglich eines anderen optischen Effekts wie beispielsweise Kolorimetrie oder Chemolumineszenz überwacht wird.
Wie bezüglich des Diagramms der 9b zu sehen ist, das die Schmelzkurvenanalyse veranschaulicht, besteht das Erfordernis einer ziemlich genauen Temperaturanpassung.
Die US 7 195 036 B2 zeigt eine sogenannte Mikroscalevorrichtung und beschreibt Reaktionen in selbiger. Darüber hinaus formt auch die US 2006 / 0 036 348 A1 und US 2002 / 0 079 219 A1 weiteren Stand der Technik.
Lösungsansätze gemäß dem Stand der Technik, z. B. der oben erörterte Lösungsansatz des Analysesystems 10*, sind oft nachteilig bezüglich der Konstanten der Temperatur in der Kammer oder bezüglich der Gradienten über die lateralen Abmessungen der Kammer hinweg. Ein weiterer häufiger Nachteil liegt bezüglich des optischen Detektors und seiner Fähigkeit, den optischen Effekt genau zu überwachen, vor. Ferner verursacht das Analysesystem oft hohe Herstellungskosten. Deshalb besteht ein Erfordernis eines verbesserten Lösungsansatzes.
Hauptaspekt
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Komplexität und die daraus resultierenden Herstellungskosten zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel gemäß dem Hauptaspekt stellt ein Analysesystem zum Analysieren eines Analyten bereits. Das Analysesystem weist zumindest eine Kammer zum Verarbeiten des Analyten und ein temperatursteuerbares Element wie beispielsweise ein temperatursteuerbares Ventil sowie eine Steuerschicht auf. In der Steuerschicht ist eine Heizvorrichtung zum Erwärmen der zumindest einen Kammer sowie eine weitere, mit dem temperatursteuerbaren Element gekoppelte Heizvorrichtung implementiert. Die Heizvorrichtung zum Erwärmen der zumindest einen Kammer weist den Zweck auf, die Verarbeitung in der Kammer zu unterstützen oder die Verarbeitung zu ermöglichen, wohingegen die weitere Heizvorrichtung, die mit dem temperatursteuerbaren Element gekoppelt ist, dazu konfiguriert ist, das temperatursteuerbare Element durch Erwärmen desselben zu steuern. Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen werden die Heizvorrichtung und die Heizvorrichtung durch eine gemeinsame Heizschicht gebildet.
Ausführungsbeispiele dieses Aspekts beruhen auf der Erkenntnis, dass nahezu alle oder alle Elemente als temperatursteuerbare Elemente implementiert werden können, so dass keine weiteren Elemente zum Steuern des Chiplabors implementiert werden müssen. Dies ist bezüglich der Komplexität des Analysesystems vorteilhaft.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann zumindest eine Kammer für eine Zellauflösung, DNA-Amplifikation, schnelle DNA-Hybridisierung und Target-Detektion bis hin zu einer Signalbasisschicht und/oder Polymerase-Kettenreaktion konfiguriert sein. Das temperatursteuerbare Element kann beispielsweise ein temperatursteuerbares Ventil sein, z. B. ein Ventil, das einen Wachspfropfen aufweist, der dazu konfiguriert ist, entweder offen oder geschlossen zu sein, indem er die Umgebungstemperatur steuert.
Da die temperatursteuerbaren Elemente und die verschiedenen Kammern für die verschiedenen Funktionen üblicherweise unterschiedliche Betriebstemperaturen aufweisen, kann die Größe der Heizvorrichtungen in der gemeinsamen Schicht je nach weiteren Ausführungsbeispielen variieren.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel stellt eine Analysekartusche bereit, die Stifte aufweist, die mit einer Lesevorrichtung, die die Analyse steuert und/oder auswertet, und einem Analysesystem zu verbinden sind. Hier sind die Stifte mit der Heizvorrichtung und der weiteren Heizvorrichtung der Steuerschicht derart verbunden, dass die Analysekartusche extern gesteuert werden kann.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel liefert ein Verfahren zum Steuern eines Analysesystems unter Verwendung der gemeinsamen Heizschicht.
Nebenaspekt
Ausführungsbeispiele, die zu einem Nebenaspekt gehören, liefern ein Analysesystem zum Analysieren eines Analyten. Das Analysesystem weist eine Kammer und eine Heizvorrichtung, z. B. eine (Kupfer-)Gitter-Heizvorrichtung, auf, die in eine Schicht integriert ist und eine zweidimensionale Geometrie, z. B. ein Quadrat, aufweist. Die Schicht ist neben der Kammer angeordnet. Die Heizvorrichtung ist dazu konfiguriert, gemäß einer zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik, die eine Form, z. B. eine ovale Form, aufweist, Wärme an die Kammer abzugeben. Eine laterale Form und/oder laterale Größe der Kammer sind an die Form und Größe der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik angepasst. Folglich kann die Kammer eine Größe aufweisen, die mit der Größe der Temperaturverteilungscharakteristik vergleichbar ist, und kann dieselbe Form, z. B. eine ovale Form, aufweisen.
Ausführungsbeispiele gemäß diesem Aspekt beruhen auf der Erkenntnis, dass eine Heizvorrichtung, die eine erste Geometrie aufweist, aufgrund der Wärmeleitfähigkeit an den Flanken der Heizvorrichtung Wärme in die Richtung der Kammer in einer anderen Geometrie abstrahlt. Ausgehend von dieser Erkenntnis ist die Form der Kammer an die Form der Temperaturverteilungscharakteristik und nicht an die Form der Heizvorrichtung angepasst. Ein derartiges Konzept hat vorteilhafte Auswirkungen auf das Temperaturverhalten und vor allem auf die Konstanten und die Gradienten in der Kammer.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist das Seitenverhältnis der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik vergleichbar oder im Wesentlichen identisch mit einem Seitenverhältnis der Kammer. Zusätzlich oder alternativ dazu ist die laterale Form dieser Kammer vergleichbar oder im Wesentlichen identisch mit der Form der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik. In diesem Kontext bedeutet „im Wesentlichen“, dass eine Nichtübereinstimmung von ±20% akzeptabel ist, beispielsweise falls das Seitenverhältnis der Temperaturverteilungscharakteristik 20 % kleiner oder größer als die Kammer ist.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können die Größe der Kammer und der Temperaturverteilungscharakteristik vergleichbar oder im Wesentlichen identisch sein. Hier kann eine Unterscheidung für unterschiedliche Fälle erfolgen. Gemäß einem ersten Fall ist die Kammer 10 % bis 30 % kleiner als die Temperaturverteilungscharakteristik. Dieser Fall ermöglicht einen sehr kleinen Gradienten von der Mitte bis zum Rand, wodurch sich eine fast homogene Verteilung über die gesamte Kammer hinweg ergibt. Bei einem zweiten Fall ist die Temperaturverteilungscharakteristik innerhalb einer Toleranz von ±20 % identisch mit der Kammer. Ein dritter Fall, gemäß dem die Kammer 10 % bis 30 % größer ist als die Temperaturverteilungscharakteristik, ermöglicht einen hohen Gradienten von der Mitte bis zum Rand. Der Gradient des zweiten Falles liegt in der Mitte zwischen dem ersten und dem zweiten Fall.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist die Kammer für eine Polymerase-Kettenreaktion konfiguriert, wobei die Kammer größer ist als die zweidimensionale Temperaturverteilungscharakteristik, so dass ein Temperaturgradient von der Mitte bis zur Randregion der Kammer eine Zirkulation eines Fluids in der Kammer bewirkt. Ausgehend hiervon kann nicht nur die Zirkulation des Fluids erzielt werden, sondern es kann auch ein Entgasen eines Klebstoffmaterials in der Schicht der Kammer vermieden oder verringert werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel liefert ein Analysesystem zum Analysieren eines Analyten. Das System weist eine Polymerase-Kettenreaktion-Kammer und eine Heizvorrichtung auf, die in eine neben der Kammer befindliche Schicht integriert ist und eine zweidimensionale Geometrie aufweist, wobei die Heizvorrichtung dazu konfiguriert ist, gemäß einer zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik, die eine Form aufweist, Wärme an die Kammer abzugeben, wobei eine laterale Form oder laterale Größe der Kammer derart ausgewählt ist, dass ein Temperaturgradient von der Mitte bis zur Randregion der Kammer eine Zirkulation eines Fluids in der Kammer bewirkt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Kammer durch eine oder mehrere Polymerfolien gebildet und/oder weist ein Polymer mit geringer Wärmeleitfähigkeit auf. Dies hat den Vorteil, dass ein rascher zyklischer Temperaturwechsel erzielt wird, ohne die Komplexität des gesamten Systems zu erhöhen. In diesem Fall ist zu beachten, dass gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen die Heizvorrichtung als Dünnfilmheizvorrichtung implementiert und als Schicht auf der Hauptoberfläche der Kammer angeordnet ist.
Nebenaspekt
Ein Ausführungsbeispiel dieses Aspekts der Erfindung stellt ein Analysesystem zum Analysieren eines Analyten bereit. Das Analysesystem weist zumindest eine Kammer, eine semitransparente Heizvorrichtung und einen optischen Detektor auf, der in eine neben der Kammer befindliche Schicht integriert ist, um von der Kammer kommendes Licht zu erfassen. Der optische Detektor ist dazu konfiguriert, ein Signal auszugeben, das ein Transmissionsverhalten (Durchlässigkeitsverhalten) durch die Kammer hindurch angibt oder das eine optische Aktivität des Analyten angibt.
Ausführungsbeispiele gemäß einem weiteren Aspekt beruhen auf der Erkenntnis, dass die Integration einer Kammer und einer semitransparenten Heizvorrichtung auf zwei unterschiedlichen Seiten der Kammer ein Analysesystem ermöglichen, das eine hohe Funktionalität, eine hohe Detektionsgenauigkeit und geringe Herstellungskosten aufweist. Dieses Konzept weist zusätzlich Vorteile bezüglich der Nutzbarkeit auf, da die Analysekartusche nicht bezüglich eines externen optischen Detektors positioniert oder ausgerichtet werden muss.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine Lichtquelle auf einer Seite der Heizvorrichtung, d. h. gegenüber dem optischen Detektor, angeordnet sein. Aufgrund der Herstellung des Detektors und der Lichtquelle direkt auf dem mikrofluidischen System wird ermöglicht, die Sensibilität zu erhöhen, indem ein Lichtverlust durch kürzere Lichtwege und eine verringerte Anzahl von Lichtstreuungsgrenzflächen verringert wird. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Lichtquelle in Kombination mit einem optischen Filter verwendet werden, das dazu konfiguriert ist, eine Lichtquelle in einen Hintergrund mit homogen verteilter Ausleuchtung umzuwandeln. Hier kann auch eine Frequenzänderung derart durchgeführt werden, dass eine Lichtfrequenz mit einem Absorptionsspektrum des optischen Detektors übereinstimmt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Analysesystem mit einem Prozessor gekoppelt sein, oder einen Prozessor aufweisen, der es ermöglicht, das Lichtdurchlässigkeitsverhalten und/oder die optische Aktivität des Analyten zu analysieren. Eine Lichtdurchlässigkeit durch die Kammer hindurch, die eine niedrige Absorption aufweist, gibt den Fall an, gemäß dem keine Reaktion erfolgt ist, eine Lichtdurchlässigkeit durch die Kammer hindurch, die eine hohe Absorption aufweist, gibt den Fall an, gemäß dem eine Reaktion erfolgt ist. Eine Fluoreszenz, Chemolumineszenz oder Kolorimetrie des Analyten gibt den Fall einer im Gang befindlichen biochemischen Reaktion an.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel liefert ein Verfahren zum Analysieren eines Analyten unter Verwendung des oben charakterisierten Chiplabors, wobei das Signal, das das Lichtdurchlässigkeitsverhalten und/oder die optische Aktivität des Analyten angibt, gemäß der obigen Erörterung verarbeitet wird.
Alle obigen Ausführungsbeispiele gemäß den obigen Aspekten beziehen sich auf ein Analysesystem, das Heizvorrichtungen verwendet. Ausgehend hiervon ist es klar, dass die oben beschriebenen Technologien gemäß Aspekten nicht miteinander vereinbar sind, sondern auch auf vorbestimmte Weise kombiniert werden müssen. Deshalb liefern weitere Ausführungsbeispiele ein Ausführungsbeispiel, das Merkmale zumindest zweier Aspekte aufweist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel liefert eine Analysekartusche, die ein Analysesystem und Stifte aufweist, die mit einer Lesevorrichtung, die die Analyse steuert und auswertet, zu verbinden sind. Hier sind die Stifte mit dem optischen Detektor derart verbunden, dass ein externer Zugriff auf den Detektor ermöglicht wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel stellt ein graphisch darstellbares Diagnostiksystem bereit, das ein Analysesystem gemäß einem der obigen Ausführungsbeispiele und als Leistungsversorgung eine Batterie aufweist. Hier genügt eine kleine Batterie, da die Heizvorrichtungen zum Erwärmen der Kammern und zum Steuern der Elemente direkt neben der Kammer oder den temperatursteuerbaren Elementen angeordnet sind, so dass der Leistungsverbrauch derselben ziemlich niedrig ist.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anschließend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, bei denen:

1 ein Blockdiagramm einer Grundimplementierung eines Analysesystems eines Nebenaspekts zeigt;
2a-2f Diagramme zum Beschreiben des Hintergrundes der Ausführungsbeispiele gemäß dem Aspekt der 1 zeigen;
3 ein Blockdiagramm einer Grundimplementierung eines Analysesystems gemäß dem Hauptaspekt zeigt;
4 ein Blockdiagramm einer verbesserten Implementierung des Analysesystems gemäß dem Aspekt der 3 zeigt;
5 ein Blockdiagramm einer Grundimplementierung eines Analysesystems gemäß einem weiteren Nebenaspekt zeigt;
6 ein Blockdiagramm einer verbesserten Implementierung des Analysesystems gemäß dem Aspekt der 5 zeigt;
7a-7c drei verschiedene Blockdiagramme zum Veranschaulichen des optischen Transmissionsverhaltens in der Kammer für drei unterschiedliche Fälle gemäß einem Aspekt der 5 zeigen;
8a-8g eine weitere verbesserte Implementierung eines Analysesystems gemäß einem Aspekt der 5 veranschaulichen; und
9a, 9b auf eine herkömmliche Implementierung eines Analysesystems Bezug nehmen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anschließend unter Bezugnahme auf die Figuren ausführlich erläutert, wobei Elemente oder Strukturen, die eine ähnliche oder identische Funktion aufweisen, mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Somit sind deren Beschreibungen austauschbar und sollten jeweils aufeiander anwendbar sein.
1 Ansicht A zeigt eine Querschnittsansicht eines Analysesystems 10 zum Analysieren eines Analyten 13 gemäß einem Nebenaspekt und zeigt in einer Ansicht B eine Draufsicht auf das Analysesystem 10. Das Analysesystem 10 weist eine Kammer 14 auf, die in eine Schicht, die z. B. Polymerfolien aufweist, eingebettet sein kann. Diese optionale Schicht ist mit dem Bezugszeichen 14l bezeichnet. Außerdem weist das Analysesystem 10 eine Heizvorrichtung 12 auf, die in eine Schicht 12l integriert ist, die sich neben der Kammer 14 oder neben der Schicht 14l der Kammer 14 befindet.
Die Funktionalität des gezeigten Analysesystems 10 erfüllt die Funktionalität, die oben unter Bezugnahme auf das herkömmliche Analysesystem der 9 beschrieben wurde.
Wie in Bezug auf 1b zu erkennen ist, weist die Heizvorrichtung 12, z. B. eine Kupfergitter-Heizvorrichtung, eine zweidimensionale Geometrie, z. B. ein Quadrat, auf. Das Quadrat der Gitter-Heizvorrichtung 12 ist parallel zu der Schicht 12l, d. h. parallel zu der Schicht 14l, angeordnet. Das ebene Element ist mit flachen, breiten Wärmesenke-Kontaktanschlussflächen derart entworfen, dass es Wärme senkrecht zu der Ebene und nicht zu den Seiten hin ausstrahlt, die Heizvorrichtung 12 strahlt oder gibt Wärme an die Kammer 14 und ihre Schicht 14l ab. Deshalb erstreckt sich eine Temperaturverteilungscharakteristik der Vorrichtung 12 in die Richtung hin zu der Kammer 14.
Infolge dieser zweidimensionalen Geometrie der Heizvorrichtung 12 ist auch die Form der mit dem Bezugszeichen 12tc bezeichneten Temperaturverteilungscharakteristik zweidimensional. Jedoch unterscheidet sich die Form der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik 12tc von der zweidimensionalen Geometrie der Heizvorrichtung 12. Hier weist die zweidimensionale Temperaturverteilungscharakteristik 12tc eine ovale Form auf. Der Hintergrund für diese runde Form 12tc besteht darin, dass sich die Wärmeabgabe in der Mitte konzentriert und zu den Grenzbereichen hin verringert ist. In diesem Kontext ist zu beachten, dass die Grenze oder die Form der Temperaturverteilungscharakteristik 12tc keinen scharfen Übergang aufweist; sie ist eher als sanfter Übergang definiert. Jedoch nimmt die Übergangsbandbreite innerhalb dieser Übergangsregion überdurchschnittlich ab, so dass die Form der Temperaturverteilungscharakteristik 12tc klar definiert werden kann.
Auf der Basis dieser Kenntnis können die Form und Größe der Kammer 14 an die zweidimensionale Temperaturverteilungscharakteristik 12tc angepasst werden, um die gewünschten Konstanten der Temperatur in der Kammer 14 zu erzielen oder um den gewünschten Temperaturgradienten von der Mitte bis zur Seite der Kammer 14 zu erzielen. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Kammer 14 eine ovale Form auf, d. h. eine Form, die mit der Form der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik 12tc vergleichbar ist. Alternativ dazu kann die Form der Kammer 14 hexagonal sein oder kann im Vergleich zu der Form der Temperaturverteilungscharakteristik 12tc eine beliebige sonstige Form aufweisen. Man beachte, dass die obige Beschreibung bezüglich der Form der Kammer 14 auf die zweidimensionale Form in der Region der Schicht 14l Bezug nimmt, d. h. parallel zu der Temperaturverteilungscharakteristik 12tc.
Bezüglich der Größe der Kammer 14 sollte man beachten, dass die Größe in dem zweidimensionalen Bereich im Wesentlichen mit der Größe der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik 12tc übereinstimmt. Hier bedeutet im Wesentlichen, dass die Kammer kleiner, z. B. 30 % kleiner, genauso groß wie oder größer, z. B. 30 % größer, als die Temperaturverteilungscharakteristik 12tc sein kann. Die genaue Abhängigkeit zwischen den zwei Größen hängt von dem gewünschten Temperaturgradienten ab.
Es gibt verschiedene Verfahren zum Vergleichen der zwei Größen, beispielsweise kann das Quadrat der Temperaturverteilungscharakteristik 12tc mit dem Vorsprung der Kammer 14 zu der Ebene 14l verglichen werden. Alternativ dazu kann die Nichtübereinstimmung zwischen den Grenzen verglichen werden. Um die Ähnlichkeit (mathematische Ähnlichkeit) der zweidimensionalen Temperaturcharakteristik 12tc und der Form der Kammer 14 in der zweidimensionalen Ebene zu vergleichen, kann das Seitenverhältnis der zwei vergleichbaren Elemente genommen werden. Beispielsweise ähneln sich die zwei Elemente 14 und 12tc, wobei das Seitenverhältnis maximal um den Faktor 1,5 differiert. Ein weiteres Verfahren besteht darin, die Ausrichtung (x, y) der Grenzen der zwei Elemente 14 und 12tc zu vergleichen.
Gemäß Ausführungsbeispielen wird die Kammer 14 durch Polymerfilme gebildet, um eine präzise thermische Steuerung und einen raschen zyklischen Temperaturwechsel zu ermöglichen. Beispielsweise kann ein Polymer mit geringer Wärmeleitfähigkeit (im Vergleich zu Silikon, 40 Zyklen in sechs Minuten) verwendet werden.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist das Analysesystem 10 ein folienbasiertes mikrofluidisches PCR-Modul, an das eine Dünnfilm(Kupfergitter)-Vorrichtung für MikroPCR 12 angelegt wurde. Und PCR wurde wie in 2a gezeigt durchgeführt. Die hohe PCR-Effizienz ist in 2b veranschaulicht.
2b zeigt ein Diagramm von Ergebnissen einer Nach-qPCR-Analyse für vier Chips, die anhand eines folienbasierten µPCR-Systems amplifiziert sind.
Da die drei verschiedenen Schritte bei dem PCR-Zyklus (Aufschmelzen, Verlängerung und Denaturierung) jeweils durch eine spezifische Temperatur initiiert werden, ist es wesentlich, die Probe während des gesamten Versuchs einer möglichst homogenen und genauen Temperatur auszusetzen. Bei dem PCR-System wird der Heißpunkt einer (Gitterkupfer-) Heizvorrichtung dazu verwendet, die Form der PCR-Kammer zu definieren. Indem die Größe der MikroPCR-Kammer variiert wird, können Kammern mit entweder konstanter Temperatur oder unterschiedlichen konstanten Gradienten erzielt werden.
2c zeigt einen Heißpunkt 12tc' in einer Gitter-Heizvorrichtung 12' von 4 × 6 mm. Der erzeugte Heißpunkt 12tc' in einer Gitter-Heizvorrichtung von 4 × 6 mm mit einer Leitung von 30 µm und einem Raum von 300 µm, wie dies mit thermochromen Flüssigkristallen (TLC - thermochromic liquid crystals) überwacht wird, weist eine Bandbreite im Bereich von 60° bis 65° C auf. Hier ist der Heißpunkt 12tc' oval.
Ausgehend von dieser Heizvorrichtung 12' ermöglichen drei verschiedene Größen der PCR-Kammer 14'a, 14'b und 14'c von der Mitte bis zum Rand unterschiedliche Temperaturgradienten, wie durch 2d veranschaulicht ist.
2d veranschaulicht drei Entwürfe (Entwurf A, Entwurf B und Entwurf C), die den Kammern 14'a, 14'b und 14'c entsprechen. Die drei Entwürfe A, B und C unterscheiden sich bezüglich ihrer Größe voneinander. Alle Kammern 14'a, 14'b und 14'c sind oval, wobei jede Kammer einen Einlass und einen Auslass aufweist. Die Kammer gemäß dem Entwurf A weist eine Breite von 3,2 mm auf, d. h. 0,8 mm weniger als die Breite der Heizvorrichtung 12'. Der Entwurf B weist eine Breite der Kammer 14'b von 4 mm auf, d. h. gleich der Breite der Heizvorrichtung 12'. Der Entwurf C stellt eine Kammer 14'c bereit, die eine Breite von 4,8 mm aufweist, d. h. größer als die Heizvorrichtung 12'.
Für jeden Entwurf A, B und C wird der resultierende Temperaturgradient von der Mitte bis zu den Rändern durch 2e gezeigt, wobei jede Kammer mit TLC gefüllt ist, die einen Temperaturbereich von 60° bis 65° C aufweisen.
Eine Analyse der Temperaturverteilung für die drei verschiedenen Entwürfe A, B und C zeigt, dass der Gradient für den Entwurf A ziemlich klein ist, hier 1° bis 1,5° C von der Mitte bis zum Rand, wohingegen der Gradient des Entwurfs C ziemlich groß ist, d. h. 3° bis 4° C von der Mitte bis zum Rand. Der Entwurf B weist einen Gradienten 2° bis 3° C von der Mitte bis zum Rand auf.
Ein Inkontaktbringen mit einem homogenen oder leichten Gradienten kann je nach der Art des PCR-Versuchs eine vorteilhafte Auswirkung aufweisen. Eine homogene Temperatur kann eine unspezifische Primerbindung bei manchen PCR-Versuchen verhindern, wohingegen ein Gradient mehrerer Grade einen Fluss in der Probenflüssigkeit zwischen kalten und warmen Regionen bewirken kann und einen Rühreffekt aufweisen kann, der einen Austausch zwischen den chemischen Komponenten in dem Fluid befördert.
Herausforderungen bei MikroPCR bestehen in einem Erzielen einer präzisen thermischen Steuerung und einem raschen zyklischen Temperaturwechsel bei einem Polymer mit geringer Wärmeleitfähigkeit. Ähnliche Ergebnisse werden in letzter Zeit mit polymerbasierten Systemen erzielt, die jedoch ziemlich komplexe Aufbauten erfordern, einschließlich Reservoiren mit flüssigem Stickstoff und Luftschläuchen, was zu einem umfangreichen Instrumentarium und erhöhten Kosten führt. Eine Verwendung von Kunststofffolien als Substrat für eine microPCR-Kammer verringert die thermisch wirksame Masse des Materials mit geringer Wärmeleitfähigkeit und ermöglicht eine schnelle Anpassung an Außenkräfte wie beispielsweise aufgebrachte Wärme oder eine niedrige Umgebungstemperatur. Auf diese Weise ermöglicht die folienbasierte PCR-Kammer eine hohe Rampenbildungs- und Abkühlrate ohne das Erfordernis zusätzlicher Außenkräfte. Beispielsweise wurde anhand einer einfachen Konvektionseinrichtung eine Abkühlrate von ~4° C / Sek. (d. h. 95 bis 63° C in ~8 Sekunden) erzielt (2f).
Ferner erfordert die verwendete Heizvorrichtung lediglich eine Versorgung mit 2 V mit einem maximalen Stromstärkevorgabepegel von 150 mA, was bedeutet, dass sie durch eine kleine Batterie mit Leistung versorgt werden könnte. Durch diesen µPCR-Chipentwurf ermöglichen wir einen einfachen Aufbau, der für eine Integration in tragbare Molekulardiagnostiksysteme geeignet ist.
Unter Bezugnahme auf 3 wird der Hauptaspekt ausführlich erläutert. 3 zeigt ein Analysesystem 10', das die Kammer 14 und ein weiteres Element 15, z. B. ein Ventil, das neben der Kammer angeordnet ist, aufweist. Das Element 15 ist ein temperatursteuerbares Element. Beide Elemente 14 und 15 sind in der Schicht 14l angeordnet. In einer zweiten Schicht 12l, die auf der Schicht 14l angeordnet ist, ist eine Mehrzahl von Heizvorrichtungen, nämlich die Heizvorrichtung 12 und die Heizvorrichtung 12c, angeordnet. Die Heizvorrichtung 12 gehört zu der Kammer 14, wobei der Entwurf der Heizvorrichtung, oder genauer gesagt, der Entwurf der Kammer 14, so implementiert werden kann, wie oben unter Bezugnahme auf 1 erörtert wurde. Die Heizvorrichtung 12c gehört zu dem temperatursteuerbaren Element 15, d. h. die Heizvorrichtung 12c ist derart in der Schicht 12l angeordnet, dass die Heizvorrichtung 12c und das temperatursteuerbare Element 15 zueinander ausgerichtet sind.
Das temperatursteuerbare Element 15, z. B. ein Ventil mit einem Wachspfropfen, kann durch die unter Verwendung der Heizvorrichtung 12c erzeugte Wärme gesteuert werden. Da die Heizvorrichtung 12c in derselben Schicht 12l angeordnet ist, anhand derer die Verarbeitung in der Kammer 14 unterstützt oder gesteuert wird, kann die Schicht 12a als Steuerschicht bezeichnet werden. Aus einem anderen Blickwinkel betrachtet bedeutet dies, dass nahezu jedes Element des Analysesystems 10' unter Verwendung von Heizvorrichtungen gesteuert wird. Somit ist es vorteilhaft, dass die Heizvorrichtungen durch dieselbe Metallschicht gebildet sind, so dass die Komplexität, vor allem die Komplexität bezüglich des Herstellungsaufwands, verringert wird.
Da die Kammer 14 üblicherweise eine andere Temperatur erfordert als das temperatursteuerbare Element 15, können die Heizvorrichtungen 12 und 12c bezüglich ihrer Größe, oder allgemein bezüglich ihrer Heizleistung, unterschiedlich sein.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das Analysesystem 10' eine Mehrzahl von Kammern aufweisen, z. B. wären für verschiedene Zwecke auch verschiedene Heizvorrichtungen in der Schicht 12l angeordnet. Dieses Ausführungsbeispiel, das ein vollständig integriertes mikrofluidisches Probe-zu-Ansprechverhalten-System für Nukleinsäuretests ermöglicht, erfordert eine Manipulation von Mikrovolumina an Fluiden in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten. Beispielsweise beinhaltet eine Detektion eines spezifischen Pathogens durch seine DNA in der Blutprobe eines Patienten ein Aussortieren des Pathogens aus den vielfältigen Komponenten des Vollbluts (Filtration/Zellsortierungsmechanismus), ein Aufbrechen der Zellmembran, um DNA zu extrahieren (Zellauflösung), eine Amplifikation der DNA und eine Detektion. Dies erfordert mannigfaltige Funktionalitäten wie beispielsweise Auflösen und Mischen von Reagenzien, Filtern von Lösungen und Inkubation von Proben. Das Handhaben der Prozesse in sequenzieller Reihenfolge erfordert allgemein ferner Ventilmechanismen und Abfallentsorgung. Vielfältige Lösungsansätze zum Ermöglichen jedes Versuchsschritts sind möglich. Beispielsweise kann eine Zellmembran (Lyse) aufgebrochen werden, indem sie hohen Temperaturen, starken Tensiden oder Ultraschallwellen ausgesetzt wird, die alle in ein mikrofluidisches Format integriert werden können. Wie zuvor beschrieben wurde, hat eine Integration von Funktionalitäten jedoch den Preis erhöhter Herstellungskosten.
Ein schematisches Prinzip einer derartigen Analyse, die mehrere sequenzielle Schritte aufweist, ist durch 4a veranschaulicht. Die Implementierung in einem Labor 10'', das einen mikrofluidischen Schnitt verwendet, ist durch 4b und 4c veranschaulicht. 4b zeigt eine Seitenansicht, wobei 4c eine Draufsicht auf das Analysesystem 10'' zeigt. Das Analysesystem 10'' weist eine Mehrzahl von Reaktionskammern 14, 14''b, 14''d und 14''f auf, die durch Kanäle oder, genauer gesagt, durch steuerbare Kanäle verbunden sind, die unter Verwendung von temperatursteuerbaren Elementen, die nachstehend erörtert werden, steuerbar sind. Zum Steuern der temperatursteuerbaren Elemente und zum Erwärmen der Kammern 14 bis 14''f ist eine Steuerschicht 12''l, die eine Mehrzahl von Heizvorrichtungen 12''a bis 12''f aufweist, in das Analysesystem 10'' integriert.
Die Elemente 12''a bis 12''f sind Dünnfilm-Kupferheizvorrichtungen, die mit den Heizvorrichtungen, wie sie oben bezüglich des Aspekts der 1 erörtert wurden vergleichbar sind. Das Element 12''b in Kombination mit der Kammer 14''b ermöglicht eine Zellauflösung, das Element 12''d in Kombination mit der Kammer 14''d eine DNA-Amplifikation mittels PCR, das Element 12''f in Kombination mit der Kammer 14''f ermöglicht eine schnelle Target-Detektion unter Verwendung einer DNA-Hybridisierung und/oder Schmelzkurvenanalyse für eine SNP-Detektion. Die Elemente 12''a, 12''c und 12''e stellen Wärme bereit, um den wärmeinduzierten Ventilmechanismen 15''a, 15''c und 15''e zu steuern. Die Elemente 15''a mit 15''c und 15''e, die zwischen den Kammern 14 und 14''b, 14''b und 14''d sowie zwischen 14''d und 14''f angeordnet sind, haben den Zweck, die laterale Strömung zwischen den verschiedenen Reaktionskammern 14, 14''b, 14''d und 14''f zu steuern. Wärmeinduzierte Ventil 15''a bis 15''e könnten als Ventile implementiert sein, die einen Wachspfropfen, z. B. einen irreversiblen Wachspfropfen, aufweisen, der unter Verwendung der Heizvorrichtungen 12''b bis 12''e geschmolzen werden kann. Alternativ dazu können die wärmeinduzierten Ventile 15''a bis 15''e Ausdehnungs-/Kompressionselemente aufweisen, die beispielsweise anhand von wärmeempfindlichen Polymeren hergestellt sind.
Der Vorteil des Nur-Wärme-Steuerung-Lösungsansatzes besteht darin, dass die meisten Funktionalitäten in einem einzigen Prozessschritt erzeugt werden können, beispielsweise eine einzige Kupferschicht, die die Komplexität des Herstellungsprozesses immens verringert. Die Lösung könnte ein wahrhaft kostengünstiges Probe-zu-Ansprechverhalten-Diagnostiksystem ermöglichen.
Unter Bezugnahme auf 5 wird ein weiterer Aspekt der Erfindung erörtert. 5 zeigt ein Analysesystem 10''', das die Kammer 14, z. B. in der Schicht 14l, aufweist, wobei die Schicht 12l die eine oder die mehreren Heizvorrichtungen für die eine oder die mehreren Kammern 14 aufweist. Zusätzlich weist das Analysesystem 10''' eine Optischer-Detektor-Schicht 20l auf, die einen optischen Detektor 20 aufweist, der dazu angeordnet und konfiguriert ist, von der Kammer 14 kommendes Licht zu detektieren. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die optische Detektionsschicht 20l gegenüber der Heizschicht 12l angeordnet, d. h. derart, dass die Schicht 14l, die die eine oder die mehreren Kammern 14 aufweist, zwischen den zwei Schichten 20l und 12l angeordnet ist. Die Kammer 14 sowie die Heizschicht 12l können gemäß der Erörterung bezüglich des Nebenaspekts und des Hauptaspekts implementiert sein.
Der optische Detektor 20 kann gemäß der Erörterung bezüglich des Nebenaspekts und des Hauptaspekts implementiert sein.
Der optische Detektor 20 kann ein einfacher optischer Detektor sein, der lichtabhängige Widerstände oder ein CCD-Element aufweist. Der Detektor 20 hat den Zweck zu erfassen, ob eine chemische Reaktion stattgefunden hat, gerade im Gang ist oder noch nicht stattgefunden hat.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das Analysesystem 10''' ein lichtemittierendes Bauelement 21 aufweisen, das vorzugsweise auf der Seite der Heizvorrichtung, d. h. gegenüber der optischen Detektionsschicht 20l, angeordnet ist.
Ob das mikrofluidische System die Plattform für einen Zellkultivierungsversuch liefert, ein gewisses Pathogen bei einem diagnostischen Text erfasst oder einen Mikrobioreaktor für die Erzeugung eines Bioprodukts darstellt - das Ergebnis der biochemischen Prozesse muss der Makrowelt qualitativ und/oder quantitativ berichtet werden. Eine Detektion von Analyten und erzeugten Produkten erfolgt allgemein anhand einer massensensitiven, elektrochemischen oder optischen Einrichtung, wodurch optische Detektionsmethoden wie beispielsweise Fluoreszenz, Chemolumineszenz, Kolorimetrie oder Absorbanz bei weitem die üblichsten sind. Eine Integration von chipinternen Lichtquellen und eines Fotodetektors für eine Analytdetektion in mikrofluidischen Systemen bringt abgesehen davon, dass sie das Erfordernis voluminöser optischer Komponenten bei patientennahen Aufbauten verringert, folgende Vorteile mit sich: 1) ein Herstellen des Detektors und der Lichtquelle direkt auf dem mikrofluidischen System könnte eine erhöhte Sensibilität ermöglichen, indem der Lichtverlust durch kürzere Lichtwege und eine verringerte Anzahl von Lichtstreuungsgrenzflächen verringert wird. 2) Die integrierten miniaturisierten Detektoren können zu kondensierten Arrays strukturiert sein, die ein effektives Multiplexieren ermöglichen.
Unter Bezugnahme auf 6 wird ein verbessertes Ausführungsbeispiel erörtert. 6 zeigt ein Analysesystem 10'''', das die Optischer-Detektor-Schicht 20l, die Wärmeerzeugungsschicht 12l und die Schicht 14l, die den mikrofluidischen Hohlraum aufweist, aufweist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Heizschicht 12a als Schichtstapel implementiert, der ein Foliensubstrat 12f, eine Dünnfilmheizvorrichtung 12 und ein Kapselungsmaterial 12e aufweist. Analog dazu ist die optische Schicht 20l als Schichtstapel implementiert, der ein Foliensubstrat 20f, eine elektrooptisch empfindliche Schicht 20, integrierte Elektroden 20i und ein Kapselungsmaterial 20e aufweist. Bezüglich der Schicht 14l ist zu beachten, dass die Kammer 14 in einer Klebefolie 14f gebildet ist. Von einem anderen Standpunkt aus betrachtet bedeutet dies, dass die semitransparente Dünnfilm-Mikroheizvorrichtung auf einem Foliensubstrat 1 hergestellt ist. Die optische Detektionsschicht ist auf einem Foliensubstrat 2 hergestellt. Die zwei Folien sind auf aufeinandergelegte Weise über einem mikrofluidischen Hohlraum durch eine doppelseitige Klebefolie angeordnet, in die die Kontur eines mikrofluidischen Kanals geschnitten wurde. Die semitransparente Heizvorrichtung ermöglicht, dass die Lichtquelle und der Detektor in einem Transmissionsmodus-Aufbau arbeiten, ohne dass optische Filter oder Linsen benötigt würden. Der mikrofluidische Hohlraum zwischen der Heizvorrichtung und dem Detektor beherbergt das biochemische Ereignis. Der biochemische Prozess kann entweder in flüssiger Form oder in immobilisierter Form entweder auf dem Substrat 1 oder 2 stattfinden.
Bezüglich der 7a bis 7c werden die drei möglichen Ereignisse, die unter Verwendung des Detektors erfasst werden können, erörtert. Hier zeigen 7a bis 7c ein Analysesystem 10'''', wobei 7a einen Lichtweg von der Lichtquelle 21 zu einem Detektor 20 ohne jegliche biochemische Aktivität in der Kammer 14 zeigt. 7b zeigt einen Lichtweg einer biochemischen Aktivität mit einem blockierenden Effekt auf Licht, das von der Lichtquelle 21 zu einem Detektor 20 gelangt. 7c zeigt einen Lichtweg nach einer chemischen Aktivität, die eine Veränderung der Wellenlänge des von der Lichtquelle 21 zu einem Detektor 20 gelangenden Lichts erzeugt.
Wenn in der Kammer kein Ereignis stattgefunden hat, fällt eine konstante Lichtmenge von der Lichtquelle auf den Detektor. Falls in dem mikrofluidischen Hohlraum ein biochemisches Ereignis stattgefunden hat, können je nach Versuchsaufbau zwei Detektionsmechanismen genutzt werden. Entweder erzeugt das biochemische Ereignis ein Produkt, das eine sterische Hinderung für das Licht erzeugt, das von der Lichtquelle kommt und an dem Detektor ankommt, wie bei 7b, wobei eine Verringerung des den Detektor erreichenden Lichts bewirkt wird (Absorbanzmessung), oder es wird eine Veränderung der Wellenlänge des an dem Detektor eintreffenden Lichts, wie bei 7c (Fluoreszenz, Chemolumineszenz oder kolorimetrische Messung) bewirkt. Im Fall eines Versuchs wie bei 7c können optional optische Dünnfilmfilter erzeugt werden, indem das Substrat 1 beschichtet wird (6), oder das Polymermaterial des Substrats 1 kann dahin gehend gewählt werden, dass es optische Filtercharakteristika aufweist, um eine Anregung von Licht der richtigen Wellenlänge für den gewählten Marker zu ermöglichen.
Das biochemische Ereignis könnte sein, dass sich eine Zellkultur in lateraler Richtung vermehrt und von der Lichtquelle kommendes Licht blockiert, könnte ein DNA-Hybridisierungsversuch, ein Immunoassay oder ein Amplifikationsprodukt von jeglichen der zuvor beschriebenen DNA-Amplifikationsprotokolle sein. Der Hybridisierungsversuch oder das Amplifikationsprodukt könnte entweder mit Markern für Fluoreszenz, Chemolumineszenz oder kolorimetrische Messung oder mit Markern für Absorbanzmessung (Polymerkügelchen, Goldnanopartikeln, Silbererweiterungsverfahren (silver enhancement methods) gekennzeichnet werden.
8a zeigt ein weiteres Analysesystem 10''''' oder im Detail einen elektrooptischen Messaufbau für einen DNA-Hybridisierungsdetektor, der eine Markierung mit Kügelchen (bead labeling) verwendet. Hier weist die Detektorschicht 20l' eine OSC-Schicht (OSC = organic semiconductor layer) 20o, Kohlenstofffinger 20c und eine (PET-)Folie 20f auf.
Gegenüber dem Detektor 20l' ist die Lichtquellenschicht 21' angeordnet. Hier ist die Lichtquelle 21 durch eine LED 21l, die z. B. dazu konfiguriert ist, Licht im Bereich von 360 nm auszugeben, und durch einen optischen Abstandshalter 21s, der zwischen der die Kammern 14' aufweisenden Schicht 14l und der LED 21l angeordnet ist, gebildet.
Zwischen der Detektorschicht 20l' und der Lichtquellenschicht 21' ist die Schicht 14l' angeordnet, die die Kammern 14 (fluidische Kammer oder Hohlraum 14) aufweist. Diese Schicht 14l' kann auch als Sensorschicht 14l' bezeichnet werden.
Hier weist die Sensorschicht 14l' auch eine (PEN-)Folie 14f auf, die an dem Abstandshalter angeordnet ist und den Hohlraum 14 umschließt. Der Hohlraum 14 hat den Zweck, den Analyten 13 (hier eine DNA + Kügelchen) derart aufzunehmen, dass derselbe unter Verwendung des Detektors 20l' analysiert werden kann.
Diese Detektion wird unter Bezugnahme auf 8b bis 8g ausführlich erörtert.
8b zeigt schematisch den Detektor der 8a in zwei verschiedenen Fällen, nämlich im Fall einer ermittelten Übereinstimmung und im Fall einer Nichtübereinstimmung während der DNA-Detektion oder der Detektion von Hybridisierungsereignissen. Wenn man mit Biotin markierte DNA-Targets und mit Streptavitin beschichtete Polymerkügelchen einer Größe von 1 µm verwendet, ist es möglich, verschiedene Konzentrationen eines DNA-Targets zu erfassen. In dem Fall der Nichtübereinstimmung in der Kammer 14 wurde keine DNA und kein Target-Objekt mit dem DNA-Strang zur Übereinstimmung gebracht. Infolgedessen wird das aus der Lichtquelle 21' emittierte Licht, das die Folie 14f passiert, nicht in der Kammer 14 absorbiert, so dass das emittierte Licht den Detektor 20 nahezu auf nicht-absorbierte Weise erreicht.
Im Fall der Übereinstimmung reagiert die mit Streptavitin beschichtete Charge 15, die den komplementären DNA-Strang aufweist, mit dem DNA-Strang. Diese Reaktion kann aufgrund der Tatsache erfasst werden, dass das von der Lichtquelle 21' emittierte Licht den Detektor 20 erreicht, wobei eine hohe Absorption des Lichts eingetreten ist.
8c zeigt das Ansprechverhalten bezüglich einer Markierung von Kügelchen aufgrund vier verschiedener Fälle, in denen Proben A1, A2 und A3 mit einem biotinylierten Target von 1 µm hybridisiert wurden, wohingegen B1, B2 und B3 mit 50 nm und C1, C2 und C3 mit 2,5 nm hybridisiert wurden. Die zwei Nichtübereinstimmungsproben Nichtübereinstimmungl & Nichtübereinstimmung2 ohne gebundene Kügelchen werden als Kontrollpunkte verwendet. Wie man sehen kann, bewirken die verschiedenen Konzentrationen unterschiedliche optisch erfassbare Effekte, so dass der Detektor 20 zwischen den Konzentrationen unterscheiden kann.
Ein exemplarisches Signal, das zu drei verschiedenen Konzentrationen und einer Nichtübereinstimmung gehört, ist in 8d gezeigt. 8d zeigt das Stromansprechverhalten in der elektrooptischen Detektionsschicht auf verschiedene DNA-Konzentrationen.
Der obige Aufbau verwendet eine organische Halbleiterschicht (OSC) 20o, z. B. FS102 mit einem Absorptionsmaximum bei 400 nm, und eine LED-Lichtquelle von ~360 nm, 21l. Eine optische Faser ist bei dem Aufbau dazu ausgebildet, die Transmissions- und Autofluoreszenzeigenschaften der Folienschichten 20f und 14f zu nutzen. Die Transmissionsspektren der Schichten 20f und 14f sind in 8e gezeigt. Beispielsweise erreichen für die Autofluoreszenz der Folienschicht (PEN) 14f die Anregungs- und Emissionsspektren von PEN-Filmen ihre Spitze bei 337-356 nm bzw. 425 nm. Indem man eine optische Quelle 21l derart wählt, dass sie zwischen diesen Bereich oder im Allgemeinen zwischen einem Bereich, der von der gewählten Folienschicht abhängig ist, liegt, ist es möglich, ein folienbasiertes optisches Filtersystem zu auszubilden, bei dem die Schicht 14f die Punktquellen-LED-Lichtquelle (~360 nm) in eine homogen verteilte Lichtquelle im Bereich von ~420 nm umwandelt, was mit den Absorptionsspektren der OSC-Schicht 20o (~400 nm) übereinstimmt. Wohingegen die Folienschicht (PET) 20f eine Durchlässigkeit derselben ohne jegliche Veränderung des Lichts ermöglicht.
8f zeigt die Spektren, die die Autofluoreszenzeigenschaft der optischen Schicht 20f und 14f aufgrund der Lichtquelle 21l angeben.
Zusätzlich zeigt 8g die Eigenschaft der optischen Folienschicht 14f, in der Lage zu sein, eine Punktlichtquelle wie z. B. eine LED 21l in einen homogen beleuchteten Hintergrund umzuwandeln, der für den in der Kammer 14 implementierten Lichtblockierungsaufbau auf der Basis von Kügelchen geeigneter ist. Wohingegen die Folienschicht 20f auf der Kammer 14 ermöglicht, dass das Licht ungehindert zu der OSC-Schicht 20o hindurch gelangt.
Alle oben erörterten Systeme, die zu verschiedenen Aspekten gehören, werden vorzugsweise vollständig auf Folie hergestellt, beispielsweise unter Verwendung einer Rolle-zu-Rolle-Technologie. Da die Detektorschicht und die Heizschicht direkt neben der Kammer angeordnet sind, weisen Ausführungsbeispiele gemäß allen Aspekten einen geringen Leistungsverbrauch auf, so dass sie batteriebetrieben sein können. Deshalb stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel ein tragbares Diagnostiksystem bereit, das eines der oben erörterten Analysesysteme und als Leistungsversorgung eine Batterie aufweist. Die Kombination der Elemente zu einem mikrofluidischen System würde ein Analysemodul für biologische oder chemische Ereignisse ermöglichen, das extrem kostengünstig und tragbar ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel liefert eine Analysekartusche, die ein Analysesystem gemäß einem oder mehreren der oben erörterten Aspekte aufweist. Das Analysekartuschensystem weist beispielsweise die Form einer Kreditkarte auf und weist Außenstifte auf, über die das Analysesystem mit einer Lesevorrichtung verbunden werden kann, um die Analyse zu steuern/auszuwerten. Beispielsweise sind die Stifte innen mit der Steuerschicht, d. h. mit den Heizvorrichtungen, oder mit den optischen Detektorelementen verbunden. Die Analysekartusche kann ein Einweg-Element sein, bei dem die Analyseelektronik getrennt sein könnte, d. h. in die Lesevorrichtung integriert. Umgekehrt bedeutet dies, dass alle Aktoren und Sensoren in das Einweg-Element integriert sind, während Elemente, die wiederverwendet werden können, außen angeordnet sind.
Obwohl die obigen Ausführungsbeispiele hauptsächlich im Zusammenhang mit einer Vorrichtung erörtert wurden, ist zu beachten, dass weitere Ausführungsbeispiele entsprechende Verfahren bereitstellen. Deshalb wird gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Verfahren zum Steuern eines Analysesystems bereitgestellt.
Dieses Verfahren beginnt bei den bezüglich des Hauptaspekts erörterten Ausführungsbeispielen und weist die Schritte des Erwärmens zumindest einer Kammer, um das Verarbeiten des Analyten durchzuführen, und des Erwärmens des temperatursteuerbaren Elements zum Steuern desselben auf. Ein weiteres Verfahren bezieht sich auf das Analysieren eines Analyten. Dieses Verfahren beginnt bei den Ausführungsbeispielen gemäß einem Nebenaspekt und weist den Hauptschritt des Analysierens des Signals des optischen Detektors auf, wobei ein Signal, das zu einer erfassten Lichttransmission durch die Kammer, die eine geringe Absorption aufweist, gehört, einen Fall angibt, gemäß dem keine Reaktion erfolgt ist, wobei ein Signal, das zu einer Lichttransmission durch die Kammer, die eine hohe Absorption aufweist, gehört, den Fall angibt, gemäß dem eine Reaktion erfolgt ist. Ein weiteres Signal, das zu einer Fluoreszenz, Chemolumineszenz oder Kolorimetrie oder etwas Anderem gehört, gibt den Fall einer im Gang befindlichen chemischen oder biochemischen Reaktion an.
Es versteht sich, dass die im Zusammenhang mit einer Vorrichtung erörterten Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder ein Bauelement einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung des entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals der entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle Verfahrensschritte können durch eine (oder unter Verwendung einer) Hardware-Vorrichtung wie beispielsweise einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch eine derartige Vorrichtung ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers durchgeführt werden, auf der bzw. auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken (oder zusammenwirken können), dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung weisen einen Datenträger auf, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das aufgezeichnete Medium sind üblicherweise greifbar bzw. nicht-flüchtig.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen (z. B. elektronisch oder optisch). Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder dergleichen sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms an den Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren vorzugsweise seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Referenzen

[1] „Genotyping of single nucleotide polymorphisms by melting curve analysis using thin film semitransparent heaters integrated in a lab-on-foil system"; Anna Ohlander, Caterina Zilio, Tobias Hammerle, Sergey Zelenin, Gerhard Klink, Marcella Chiari, Karlheinz Bock und Aman Russom; Lab Chip, 2013, 13, 2075 2082.
[2] „DNA melting curve analysis on semitransparent thin film microheater on fexible Lab-on-Foil substrate"; Anna Ohlander, Tobias Hammerle, Gerhard Klink, Caterina Zilio, Francesco Damin, Marchella Chiari, Aman Russom und Karlheinz Bock; Proceedings of 16th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry und Life Sciences, 28. Oktober - 1. November 2012, Okinawa, Japan, Seiten 797-799.
[3] „Foil-based DNA melting curve analysis platform for low-cost point-of-care molecular diagnostics"; Anna Ohlander, Stefanie Bauer, Harisha Ramachandraiah, Aman Russom und Karlheinz Bock; Proceedings of 17th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, 27.-31. Oktober 2013, Freiburg, Deutschland, 1770-1772.
[4] Patentliteratur, die das Gitter-Heizvorrichtungskonzept beinhalten:
- - WO 2014 / 064 040 A1
- - DE 10 2014 221 734 A1
- - DE 10 2015 202 353 B3 ;

Claims

Ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') zum Analysieren eines Analyten (13), das folgende Merkmale aufweist: zumindest eine Kammer (14) zum Verarbeiten des Analyten (13), wobei die Kammer (14) durch eine oder mehrere Polymerfolien gebildet ist und ein Polymer mit geringer Wärmeleitfähigkeit aufweist; ein temperatursteuerbares Element (15, 15''a, 15''c, 15''e), das als Wachspfropfenventil oder wärmeempfindliches Polymerventil implementiert ist; und eine Steuerschicht (12l), die eine Heizvorrichtung (12, 12a) zum Erwärmen der zumindest einen Kammer (14), um das Verarbeiten des Analyten (13) durchzuführen, und eine weitere Heizvorrichtung (12c), die mit dem temperatursteuerbaren Element (15, 15``a, 15``c, 15``e) gekoppelt und dazu konfiguriert ist, das temperatursteuerbare Element (15, 15``a, 15``c, 15``e) zu steuern, aufweist; wobei die Heizvorrichtung (12, 12a) und die weitere Heizvorrichtung (12c) durch eine gemeinsame Heizschicht gebildet sind.
Ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß Anspruch 1, bei dem das temperatursteuerbare Element (15, 15''a, 15''c, 15''e) dazu konfiguriert ist, durch die Umgebungstemperatur des temperatursteuerbaren Elements (15, 15''a, 15''c, 15''e) gesteuert zu werden.
Ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Heizvorrichtung (12, 12a) bezüglich ihrer Größe von der weiteren Heizvorrichtung (12c) unterscheidet.
Ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zumindest eine Kammer (14) für eine Zellauflösung, DNA-Amplifikation, schnelle DNA-Hybridisierung und Target-Detektion bis hin zur Signalbasisschicht, Zellisolation, DNA-Extraktion, DNA-Detektion und/oder Polymerase-Kettenreaktion konfiguriert ist.
Ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Heizvorrichtung (12, 12', 12''a, 12''b, 12''c, 12''d, 12''e, 12''f) in eine Schicht integriert ist, die sich neben der zumindest einen Kammer (14) befindet und eine zweidimensionale Geometrie aufweist, wobei die Heizvorrichtung (12, 12', 12''a, 12''b, 12''c, 12''d, 12''e, 12''f) dazu konfiguriert ist, gemäß einer zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik (12tc, 12tc') Wärme an die Kammer (14) abzugeben, wobei die zweidimensionale Temperaturverteilungscharakteristik (12tc, 12tc') eine Form aufweist, wobei eine laterale Form und/oder Größe der Kammer (14) an die Form der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik (12tc, 12tc') angepasst ist.
Ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Analysesystem ferner einen optischen Detektor (20) aufweist, der in eine neben der zumindest einen Kammer (14) befindliche Schicht integriert ist, um von der Kammer (14) kommendes Licht zu erfassen, und dazu konfiguriert ist, ein Signal auszugeben, das ein Transmissionsverhalten durch die Kammer (14) hindurch angibt oder das eine optische Aktivität des Analyten (13) angibt.
Analysekartusche, die ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche sowie Stifte aufweist, die mit einer die Analyse steuernden Lesevorrichtung verbunden werden sollen, wobei die Stifte mit der Heizvorrichtung (12, 12a) und der weiteren Heizvorrichtung (12c) der Steuerschicht verbunden sind.
Ein tragbares Diagnostiksystem, das ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche sowie als Leistungsversorgung eine Batterie aufweist.
Ein Verfahren zum Steuern eines Analysesystems (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') zum Analysieren eines Analyten (13), wobei das Analysesystem Folgendes aufweist: zumindest eine Kammer (14) zum Verarbeiten des Analyten (13), wobei die Kammer (14) durch eine oder mehrere Polymerfolien gebildet ist und ein Polymer mit geringer Wärmeleitfähigkeit aufweist; ein temperatursteuerbares Element (15, 15''a, 15''c, 15''e), das als Wachspfropfenventil oder wärmeempfindliches Polymerventil implementiert ist; und eine Steuerschicht (12l), die eine Heizvorrichtung (12, 12a) zum Erwärmen der zumindest einen Kammer (14) und eine mit dem temperatursteuerbaren Element (15, 15``a, 15``c, 15``e) gekoppelte weitere Heizvorrichtung (12c) aufweist, wobei die Heizvorrichtung (12, 12a) und die weitere Heizvorrichtung (12c) durch eine gemeinsame Heizschicht gebildet sind, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erwärmen der zumindest einen Kammer (14), um die Verarbeitung des Analyten (13) durchzuführen; und Erwärmen des temperatursteuerbaren Elements (15, 15``a, 15``c, 15``e) zum Steuern desselben.