[go: up one dir, main page]

DE102016211356B4 - Analysis system and method for performing an analysis - Google Patents

Analysis system and method for performing an analysis Download PDF

Info

Publication number
DE102016211356B4
DE102016211356B4 DE102016211356.9A DE102016211356A DE102016211356B4 DE 102016211356 B4 DE102016211356 B4 DE 102016211356B4 DE 102016211356 A DE102016211356 A DE 102016211356A DE 102016211356 B4 DE102016211356 B4 DE 102016211356B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
chamber
heating device
analysis system
temperature
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102016211356.9A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102016211356A1 (en
Inventor
Anna Ohlander
Indranil Ronnie Bose
Aman Russom
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority to DE102016211356.9A priority Critical patent/DE102016211356B4/en
Publication of DE102016211356A1 publication Critical patent/DE102016211356A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102016211356B4 publication Critical patent/DE102016211356B4/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502738Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by integrated valves
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L7/00Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices
    • B01L7/52Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/02Form or structure of the vessel
    • C12M23/16Microfluidic devices; Capillary tubes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/46Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of cellular or enzymatic activity or functionality, e.g. cell viability
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03Cuvette constructions
    • G01N21/0332Cuvette constructions with temperature control
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00Additional constructional details
    • B01L2300/06Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0636Integrated biosensor, microarrays
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00Additional constructional details
    • B01L2300/06Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0654Lenses; Optical fibres
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00Additional constructional details
    • B01L2300/08Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0809Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B01L2300/0816Cards, e.g. flat sample carriers usually with flow in two horizontal directions
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00Additional constructional details
    • B01L2300/08Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B01L2300/087Multiple sequential chambers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00Additional constructional details
    • B01L2300/18Means for temperature control
    • B01L2300/1805Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks
    • B01L2300/1827Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks using resistive heater
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00Moving or stopping fluids
    • B01L2400/06Valves, specific forms thereof
    • B01L2400/0677Valves, specific forms thereof phase change valves; Meltable, freezing, dissolvable plugs; Destructible barriers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/6452Individual samples arranged in a regular 2D-array, e.g. multiwell plates
    • G01N21/6454Individual samples arranged in a regular 2D-array, e.g. multiwell plates using an integrated detector array
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06Illumination; Optics
    • G01N2201/062LED's

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)

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.

Figure DE102016211356B4_0000
An analysis system (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') for analyzing an analyte (13), having the following features:
at least one chamber (14) for processing the analyte (13), wherein the chamber (14) is formed by one or more polymer films and comprises a polymer with low thermal conductivity;
a temperature-controllable element (15, 15''a, 15''c, 15''e) implemented as a wax plug valve or heat-sensitive polymer valve; and
a control layer (12l) comprising a heating device (12, 12a) for heating the at least one chamber (14) to perform the processing of the analyte (13) and a further heating device (12c) coupled to the temperature-controllable element (15, 15``a, 15``c, 15``e) and configured to control the temperature-controllable element (15, 15``a, 15``c, 15``e);
wherein the heating device (12, 12a) and the further heating device (12c) are formed by a common heating layer.
Figure DE102016211356B4_0000

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.One aspect of the invention relates to an analysis system comprising a control layer with a heating device and to a corresponding method for controlling the analysis system. Preferred embodiments relate to an analysis cartridge or portable diagnostic systems comprising an analysis system.

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.Lab-on-a-chip (LoC), lab-on-a-foil, micro-total-analysis-systems (µTAS) or bio-microelectromechanical systems (bio-MEMS) are common names for such systems that deal with the miniaturization of chemical and biological laboratory processes and experiments in microscale format with the aim of improving the performance of the experiment and reducing its cost and time expenditure. What these systems have in common is that they deal with liquids, as they generally consist of a set of microfluidic channels and/or cavities integrated on a substrate. Depending on the application, these systems require a variety of other functionalities such as mixing, heating and filtering of samples and reagents and detection of specific analytes or end products in order to be able to analogously replicate a corresponding laboratory scale. The different functionalities can be provided to the microfluidic system either through miniaturization and integration as on-chip components or can be kept separate as off-chip macroscale components, whereby a macro-to-micro interface integrating the functionality into the microfluidic device brings advantages such as improved performance and sensitivity (direct contact with the sample) and a reduction of bulky off-chip components (important for wearable applications, PoC), but comes at the expense of increased costs as on-chip integration involves additional processing steps.

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.To avoid contamination risks, microfluidic systems are often disposable single-use systems with the requirement of low material and manufacturing costs, and thus plastics and polymers are preferred over the classic MEMS material silicone. Microinjection molding is the current state-of-the-art manufacturing technology for mass production of these systems. Despite the ability to produce millions of microfluidic plastic substrates with high throughput, the process presents difficulties in integrating functionalities. The injection molded microfluidic system is generally manufactured by solvent or thermal bonding, which is often incompatible with electrodes and biomolecules to be integrated. Using plastic films and roll-to-roll manufacturing is an attractive alternative mass production method, since integration of such elements is readily achieved with high throughput through the use of lamination-based processes and pressure-sensitive adhesive tapes. This allows different materials to be bonded together in a mix-and-match approach and each component of the system can be manufactured under its optimal conditions.

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.Precise temperature control in microfluidic systems is often an essential functionality, as many biochemical reactions depend on specific temperatures. For example, cell growth and proliferation in a cell cultivation experiment require a constant 37° C. In a DNA hybridization experiment, the target and analyte strands only hybridize when incubated at 37° C. Furthermore, many DNA amplification protocols use specific temperatures to control the various steps in the amplification chain. Loop mediated isothermal amplification (LAMP) is carried out at a constant 60-65° C. Rolling circle amplification (RCA) requires a denaturation step at 95°C before extension at 30°C, and finally, polymerase chain reaction (PCR) uses cycling between ~63°C, ~72°C, and ~95°C for exponential amplification of the template DNA. To obtain precise temperature control and high heating and cooling rates, integration of microscale heaters has better performance compared to external macroscale heaters due to direct thermal contact with the microfluidics.

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).We have previously demonstrated the detection of SNPs (single nucleotide polymorphisms) by melting curve analysis on DNA microarrays integrated using semitransparent copper grid heaters patterned on plastic film [1], [2], [3], [4]. The microheater was found to provide a robust and homogeneous temperature at the site of analysis, can be fabricated using a roll-to-roll process (low cost), and requires a power supply of 2 V (therefore it is portable).

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.A conventional chip laboratory is in 9a shown. 9a shows an analysis system 10* (also referred to as a chip lab) comprising a heater 12*, e.g. a copper heater on a foil, and a chamber 14* for processing analytes. The chamber may be, for example, a DNA microarray, as shown by the enlargement of the chamber 14*. To transport the analytes, here the analytes comprising DNA, into the chamber 14*, the layer of the chamber 14* may need to comprise one or more microfluidic channels 14mf*. The chamber 14* is formed in a layer that is adjacent to the layer comprising the heater 12*. For example, the layer of the chamber 14* and the layer of the heater 12* may be attached to one another by means of a structured double-sided adhesive foil 14a*. In addition, the layer of the chamber 14* may be covered by a film cover (made of PET/acrylic/PEN) 14c*, which is arranged on a side of the chamber opposite the layer comprising the heating device 12*.

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.The purpose of the analysis system 10* is to perform detection of SNPs using melting curve analysis. Melting curve analysis is an assessment of a dissociation characteristic of a double-stranded DNA during heating. As the temperature increases, the double strand begins to split, resulting in an increase in absorbance intensity, hyperchromia. The temperature at which 50% of a DNA is denatured is known as the melting point. The information obtained can be used to interpret the presence and identity of the SNP.

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.In 9b several melting curves are shown. Usually, the melting curves are plotted as diagrams showing the dependence between a fluorescence and a temperature at which the fluorescence takes place. The melting curves shown belong to two groups, namely a first group marked 20m* showing matches, and a second group marked 20mm* showing mismatches. To detect such melting curves 20m* and 20mm*, the temperature of the analyte is raised quite precisely, the analyte being monitored for its fluorescence, for example using an optical detector, or for another optical effect such as colorimetry or chemiluminescence.

Wie bezüglich des Diagramms der 9b zu sehen ist, das die Schmelzkurvenanalyse veranschaulicht, besteht das Erfordernis einer ziemlich genauen Temperaturanpassung.As with the diagram of the 9b As can be seen in Figure 1, which illustrates the melting curve analysis, there is a need for fairly precise temperature adjustment.

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.The US 7 195 036 B2 shows a so-called microscale device and describes reactions in it. In addition, the US 2006 / 0 036 348 A1 and US 2002 / 0 079 219 A1 further state of the art.

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.Prior art approaches, such as the analysis system 10* approach discussed above, often suffer from disadvantages related to constant temperature within the chamber or gradients across the lateral dimensions of the chamber. Another common disadvantage is related to the optical detector and its ability to accurately monitor the optical effect. Furthermore, the analysis system often incurs high manufacturing costs. Therefore, there is a need for an improved approach.

Hauptaspektmain aspect

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Komplexität und die daraus resultierenden Herstellungskosten zu verringern.An object of the present invention is to reduce the complexity and the resulting manufacturing costs.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.This problem is solved by the subject matter of the independent patent claims.

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.An embodiment according to the main aspect already provides an analysis system for analyzing an analyte. The analysis system has at least one chamber for processing the analyte and a temperature-controllable element such as a temperature-controllable valve and a control layer. A heating device for heating the at least one chamber and a further heating device coupled to the temperature-controllable element are implemented in the control layer. The heating device for heating the at least one chamber has the purpose of supporting the processing in the chamber or enabling the processing, whereas the further heating device coupled to the temperature-controllable element is configured to control the temperature-controllable element by heating it. According to preferred embodiments, the heating device and the heating device are formed by a common heating layer.

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.Embodiments of this aspect are based on the realization that almost all or all elements can be implemented as temperature-controllable elements, so that no further elements need to be implemented to control the chip lab. This is advantageous with regard to the complexity of the analysis system.

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.According to embodiments, at least one chamber can be used for cell dissolution, DNA amplification, rapid DNA hybridization and target detection up to a signal base layer and/or the polymerase chain reaction. The temperature-controllable element may, for example, be a temperature-controllable valve, e.g., a valve having a wax plug configured to be either open or closed by controlling the ambient temperature.

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.Since the temperature-controllable elements and the various chambers for the various functions typically have different operating temperatures, the size of the heaters in the common layer may vary depending on other embodiments.

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.A further embodiment provides an analysis cartridge having pins to be connected to a reading device that controls and/or evaluates the analysis and to an analysis system. Here, the pins are connected to the heating device and the further heating device of the control layer such that the analysis cartridge can be controlled externally.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel liefert ein Verfahren zum Steuern eines Analysesystems unter Verwendung der gemeinsamen Heizschicht.Another embodiment provides a method for controlling an analysis system using the common heating layer.

Nebenaspektside aspect

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.Embodiments belonging to a side aspect provide an analysis system for analyzing an analyte. The analysis system comprises a chamber and a heater, e.g. a (copper) grid heater, integrated into a layer and having a two-dimensional geometry, e.g. a square. The layer is arranged adjacent to the chamber. The heater is configured to deliver heat to the chamber according to a two-dimensional temperature distribution characteristic having a shape, e.g. an oval shape. A lateral shape and/or lateral size of the chamber are adapted to the shape and size of the two-dimensional temperature distribution characteristic. Consequently, the chamber may have a size comparable to the size of the temperature distribution characteristic and may have the same shape, e.g. an oval shape.

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.Embodiments according to this aspect are based on the finding that a heating device having a first geometry radiates heat in the direction of the chamber in a different geometry due to the thermal conductivity on the flanks of the heating device. Based on this finding, the shape of the chamber is adapted to the shape of the temperature distribution characteristic and not to the shape of the heating device. Such a concept has advantageous effects on the temperature behavior and above all on the constants and the gradients in the chamber.

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.According to embodiments, the aspect ratio of the two-dimensional temperature distribution characteristic is comparable or substantially identical to an aspect ratio of the chamber. Additionally or alternatively, the lateral shape of this chamber is comparable or substantially identical to the shape of the two-dimensional temperature distribution characteristic. In this context, "substantially" means that a mismatch of ±20% is acceptable, for example if the aspect ratio of the temperature distribution characteristic is 20% smaller or larger than the chamber.

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.According to further embodiments, the size of the chamber and the temperature distribution characteristic can be comparable or essentially identical. A distinction can be made here for different cases. According to a first case, the chamber is 10% to 30% smaller than the temperature distribution characteristic. This case enables a very small gradient from the center to the edge, resulting in an almost homogeneous distribution across the entire chamber. In a second case, the temperature distribution characteristic is identical to the chamber within a tolerance of ±20%. A third case, according to which the chamber is 10% to 30% larger than the temperature distribution characteristic, enables a high gradient from the center to the edge. The gradient of the second case is in the middle between the first and the second case.

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.According to further embodiments, the chamber is configured for a polymerase chain reaction, wherein the chamber is larger than the two-dimensional temperature distribution characteristic, such that a temperature gradient from the center to the edge region of the chamber causes circulation of a fluid in the chamber. Based on this, not only the circulation of the fluid can be achieved, but also degassing of an adhesive material in the layer of the chamber can be avoided or reduced.

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.Another embodiment provides an analysis system for analyzing an analyte. The system comprises a polymerase chain reaction chamber and a heater integrated into a layer adjacent to the chamber and having a two-dimensional geometry, the heater configured to deliver heat to the chamber according to a two-dimensional temperature distribution characteristic having a shape, wherein a lateral shape or lateral size of the chamber is configured such that is chosen so that a temperature gradient from the center to the edge region of the chamber causes a circulation of a fluid in the chamber.

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.According to a further embodiment, the chamber is formed by one or more polymer films and/or comprises a polymer with low thermal conductivity. This has the advantage that a rapid cyclic temperature change is achieved without increasing the complexity of the entire system. In this case, it should be noted that according to preferred embodiments, the heating device is implemented as a thin film heating device and is arranged as a layer on the main surface of the chamber.

Nebenaspektside aspect

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.An embodiment of this aspect of the invention provides an analysis system for analyzing an analyte. The analysis system comprises at least one chamber, a semi-transparent heater, and an optical detector integrated into a layer adjacent to the chamber for detecting light coming from the chamber. The optical detector is configured to output a signal indicative of a transmission behavior through the chamber or indicative of an optical activity of the analyte.

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.Embodiments according to a further aspect are based on the finding that the integration of a chamber and a semi-transparent heating device on two different sides of the chamber enables an analysis system that has high functionality, high detection accuracy and low manufacturing costs. This concept has additional advantages in terms of usability, since the analysis cartridge does not have to be positioned or aligned with respect to an external optical detector.

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.According to a further embodiment, a light source can be arranged on one side of the heating device, i.e. opposite the optical detector. Due to the manufacture of the detector and the light source directly on the microfluidic system, it is possible to increase the sensitivity by reducing light loss through shorter light paths and a reduced number of light scattering interfaces. According to a further embodiment, the light source can be used in combination with an optical filter that is configured to convert a light source into a background with homogeneously distributed illumination. Here, a frequency change can also be carried out such that a light frequency matches an absorption spectrum of the optical detector.

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.According to a further embodiment, the analysis system can be coupled to a processor or have a processor that enables the light transmission behavior and/or the optical activity of the analyte to be analyzed. A light transmission through the chamber that has a low absorption indicates the case in which no reaction has taken place, a light transmission through the chamber that has a high absorption indicates the case in which a reaction has taken place. Fluorescence, chemiluminescence or colorimetry of the analyte indicates the case in which a biochemical reaction is in progress.

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.Another embodiment provides a method for analyzing an analyte using the chip lab characterized above, wherein the signal indicative of the light transmission behavior and/or optical activity of the analyte is processed according to the discussion above.

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.All of the above embodiments according to the above aspects relate to an analysis system using heating devices. Based on this, it is clear that the technologies described above according to aspects are not compatible with each other, but also have to be combined in a predetermined manner. Therefore, further embodiments provide an embodiment having features of at least two aspects.

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.Another embodiment provides an analysis cartridge comprising an analysis system and pins to be connected to a reading device that controls and evaluates the analysis. Here, the pins are connected to the optical detector in such a way that external access to the detector is possible.

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.A further embodiment provides a graphically displayable diagnostic system comprising an analysis system according to one of the above embodiments and a battery as a power supply. Here, a small battery is sufficient, since the heating devices for heating the chambers and for controlling the elements are arranged directly next to the chamber or the temperature-controllable elements, so that the power consumption thereof is quite low.

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.
Embodiments of the present invention will now be explained with reference to the accompanying drawings, in which:
  • 1 shows a block diagram of a basic implementation of a side aspect analysis system;
  • 2a-2f Diagrams for describing the background of the embodiments according to the aspect of 1 show;
  • 3 shows a block diagram of a basic implementation of an analysis system according to the main aspect;
  • 4 a block diagram of an improved implementation of the analysis system according to the aspect of 3 shows;
  • 5 shows a block diagram of a basic implementation of an analysis system according to a further side aspect;
  • 6 a block diagram of an improved implementation of the analysis system according to the aspect of 5 shows;
  • 7a-7c three different block diagrams to illustrate the optical transmission behavior in the chamber for three different cases according to an aspect of the 5 show;
  • 8a-8g a further improved implementation of an analysis system according to an aspect of 5 illustrate; and
  • 9a , 9b refer to a conventional implementation of an analysis system.

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.Embodiments of the present invention will now be explained in detail with reference to the figures, wherein elements or structures having a similar or identical function are provided with identical reference numerals. Thus, their descriptions are interchangeable and should be applicable to each other.

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. 1 View A shows a cross-sectional view of an analysis system 10 for analyzing an analyte 13 according to a side aspect and a view B shows a top view of the analysis system 10. The analysis system 10 has a chamber 14, which can be embedded in a layer, which comprises, for example, polymer films. This optional layer is designated by the reference numeral 14l. In addition, the analysis system 10 has a heating device 12, which is integrated in a layer 12l, which is located next to the chamber 14 or next to the layer 14l of the chamber 14.

Die Funktionalität des gezeigten Analysesystems 10 erfüllt die Funktionalität, die oben unter Bezugnahme auf das herkömmliche Analysesystem der 9 beschrieben wurde.The functionality of the analysis system 10 shown fulfills the functionality described above with reference to the conventional analysis system of 9 was described.

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.As with regard to 1b As can be seen, the heater 12, e.g. a copper grid heater, has a two-dimensional geometry, e.g. a square. The square of the grid heater 12 is arranged parallel to the layer 12l, i.e. parallel to the layer 14l. The planar element is designed with flat, wide heat sink contact pads such that it radiates heat perpendicular to the plane and not to the sides, the heater 12 radiates or releases heat to the chamber 14 and its layer 14l. Therefore, a temperature distribution characteristic of the device 12 extends in the direction towards the chamber 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.As a result of this two-dimensional geometry of the heating device 12, the shape of the temperature distribution characteristic designated by the reference symbol 12tc is also two-dimensional. However, the shape of the two-dimensional temperature distribution characteristic 12tc differs from the two-dimensional geometry of the heating device 12. Here, the two-dimensional temperature distribution characteristic 12tc has an oval shape. The reason for this round shape 12tc is that the heat dissipation is concentrated in the middle and is reduced towards the boundary regions. In this context, it should be noted that the boundary or shape of the temperature distribution characteristic 12tc does not have a sharp transition; it is rather defined as a smooth transition. However, the transition bandwidth within this transition region decreases above average, so that the shape of the temperature distribution characteristic 12tc can be clearly defined.

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.Based on this knowledge, the shape and size of the chamber 14 can be adapted to the two-dimensional temperature distribution characteristic 12tc to achieve the desired constants of the temperature in the chamber 14 or to achieve the desired temperature gradient from the center to the side of the chamber 14. In this embodiment, the chamber 14 has an oval shape, i.e. a shape comparable to the shape of the two-dimensional temperature distribution characteristic 12tc. Alternatively, the shape of the chamber 14 may be hexagonal or may have any other shape compared to the shape of the temperature distribution characteristic 12tc. Note that the above description regarding the shape of the chamber 14 refers to the two-dimensional shape in the region of the layer 14l, i.e. parallel to the temperature distribution characteristic 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.Regarding the size of the chamber 14, it should be noted that the size in the two-dimensional region is essentially related to the size of the two-dimensional temperature distribution characteristics ristik 12tc. Here, this essentially means that the chamber can be smaller, e.g. 30% smaller, the same size as, or larger, e.g. 30% larger, than the temperature distribution characteristic 12tc. The exact relationship between the two quantities depends on the desired temperature gradient.

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.There are various methods for comparing the two quantities, for example, the square of the temperature distribution characteristic 12tc can be compared with the projection of the chamber 14 to the plane 14l. Alternatively, the mismatch between the boundaries can be compared. To compare the similarity (mathematical similarity) of the two-dimensional temperature characteristic 12tc and the shape of the chamber 14 in the two-dimensional plane, the aspect ratio of the two comparable elements can be taken. For example, the two elements 14 and 12tc are similar, with the aspect ratio differing by a maximum factor of 1.5. Another method is to compare the orientation (x, y) of the boundaries of the two elements 14 and 12tc.

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.According to embodiments, the chamber 14 is formed by polymer films to enable precise thermal control and rapid thermal cycling. For example, a polymer with low thermal conductivity (compared to silicone, 40 cycles in six minutes) may be used.

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.According to further embodiments, the analysis system 10 is a film-based microfluidic PCR module to which a thin film (copper grid) device for microPCR 12 has been applied. And PCR was carried out as in 2a The high PCR efficiency is shown in 2b illustrated.

2b zeigt ein Diagramm von Ergebnissen einer Nach-qPCR-Analyse für vier Chips, die anhand eines folienbasierten µPCR-Systems amplifiziert sind. 2b shows a graph of post-qPCR analysis results for four chips amplified using a slide-based µPCR system.

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.Since the three different steps in the PCR cycle (melting, extension and denaturation) are each initiated by a specific temperature, it is essential to expose the sample to as homogeneous and precise a temperature as possible throughout the experiment. In the PCR system, the hot spot of a (grid copper) heater is used to define the shape of the PCR chamber. By varying the size of the microPCR chamber, chambers with either constant temperature or different constant gradients can be achieved.

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. 2c shows a hot spot 12tc' in a 4 × 6 mm grid heater 12'. The hot spot 12tc' generated in a 4 × 6 mm grid heater with a 30 µm line and a 300 µm space, as monitored with thermochromic liquid crystals (TLC), has a bandwidth in the range of 60° to 65° C. Here the hot spot 12tc' is 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.Starting from this heating device 12', three different sizes of PCR chamber 14'a, 14'b and 14'c allow different temperature gradients from the center to the edge, as indicated by 2d is illustrated.

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'. 2d illustrates three designs (Design A, Design B and Design C) corresponding to chambers 14'a, 14'b and 14'c. The three designs A, B and C differ from each other in terms of their size. All chambers 14'a, 14'b and 14'c are oval, each chamber having an inlet and an outlet. The chamber according to Design A has a width of 3.2 mm, i.e. 0.8 mm less than the width of the heater 12'. Design B has a width of chamber 14'b of 4 mm, i.e. equal to the width of the heater 12'. Design C provides a chamber 14'c having a width of 4.8 mm, i.e. larger than the heater 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.For each design A, B and C, the resulting temperature gradient from the center to the edges is given by 2e where each chamber is filled with TLC having a temperature range of 60° to 65° C.

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.An analysis of the temperature distribution for the three different designs A, B and C shows that the gradient for design A is quite small, here 1° to 1.5° C from the center to the edge, whereas the gradient of design C is quite large, i.e. 3° to 4° C from the center to the edge. Design B has a gradient 2° to 3° C from the center to the edge.

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.Exposure to a homogeneous or slight gradient may have a beneficial effect depending on the type of PCR experiment. A homogeneous temperature may prevent nonspecific primer binding in some PCR experiments, whereas a gradient of several degrees may induce flow in the sample fluid between cold and warm regions and may have a stirring effect that promotes exchange between the chemical components in the fluid.

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).Challenges in microPCR include achieving precise thermal control and rapid thermal cycling in a polymer with low thermal conductivity. Similar results have been achieved recently with polymer-based systems, but these require rather complex setups, including liquid nitrogen reservoirs and air tubing, resulting in extensive instrumentation and increased costs. Using plastic films as a substrate for a microPCR chamber reduces the thermal mass of the low thermal conductivity material and allows for rapid adaptation to external forces such as applied heat or low ambient temperature. In this way, the film-based PCR chamber enables a high ramping and cooling rate without the need for additional external forces. For example, a cooling rate of ~4°C/sec (i.e. 95 to 63°C in ~8 seconds) was achieved using a simple convection setup ( 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.Furthermore, the heater used only requires a 2 V supply with a maximum current setting level of 150 mA, which means that it could be powered by a small battery. Through this µPCR chip design, we enable a simple structure suitable for integration into portable molecular diagnostic systems.

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.With reference to 3 the main aspect is explained in detail. 3 shows an analysis system 10' comprising the chamber 14 and a further element 15, e.g. a valve, arranged next to the chamber. The element 15 is a temperature-controllable element. Both elements 14 and 15 are arranged in the layer 14l. In a second layer 12l, which is arranged on the layer 14l, a plurality of heating devices, namely the heating device 12 and the heating device 12c, are arranged. The heating device 12 belongs to the chamber 14, wherein the design of the heating device, or more precisely, the design of the chamber 14, can be implemented as described above with reference to 1 The heating device 12c belongs to the temperature-controllable element 15, ie the heating device 12c is arranged in the layer 12l such that the heating device 12c and the temperature-controllable element 15 are aligned with each other.

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.The temperature controllable element 15, e.g. a valve with a wax plug, can be controlled by the heat generated using the heater 12c. Since the heater 12c is arranged in the same layer 12l by means of which the processing in the chamber 14 is supported or controlled, the layer 12a can be referred to as a control layer. From another point of view, this means that almost every element of the analysis system 10' is controlled using heaters. Thus, it is advantageous that the heaters are formed by the same metal layer, so that the complexity, especially the complexity in terms of manufacturing effort, is reduced.

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.Since the chamber 14 typically requires a different temperature than the temperature-controllable element 15, the heaters 12 and 12c may differ in size, or generally in heating power.

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.According to further embodiments, the analysis system 10' may comprise a plurality of chambers, e.g., different heaters would also be arranged in the layer 12l for different purposes. This embodiment, which enables a fully integrated microfluidic sample-to-response system for nucleic acid testing, requires manipulation of microvolumes of fluids in several sequential steps. For example, detection of a specific pathogen by its DNA in a patient's blood sample involves sorting the pathogen from the multiple components of whole blood (filtration/cell sorting mechanism), breaking the cell membrane to extract DNA (cell lysis), amplifying the DNA, and detecting. This requires multiple functionalities such as dissolving and mixing reagents, filtering solutions, and incubating samples. Handling the processes in sequential order generally also requires valve mechanisms and waste disposal. Multiple approaches to enabling each assay step are possible. For example, a cell membrane (lysis) can be disrupted by exposing it to high temperatures, strong surfactants, or ultrasonic waves, all of which can be integrated into a microfluidic format. However, as previously described, integration of functionalities comes at the cost of increased manufacturing costs.

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.A schematic principle of such an analysis, which has several sequential steps, is given by 4a The implementation in a 10'' laboratory using a microfluidic section is shown by 4b and 4c illustrated. 4b shows a side view, where 4c shows a top view of the analysis system 10''. The analysis system 10'' includes a plurality of reaction chambers 14, 14''b, 14''d and 14''f connected by channels or, more specifically, by controllable channels that are controllable using temperature controllable elements discussed below. To control the temperature-controllable elements and to heat the chambers 14 to 14''f, a control layer 12''l, which has a plurality of heating devices 12''a to 12''f, is integrated into the analysis system 10''.

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.The elements 12''a to 12''f are thin film copper heaters which are compatible with the heaters described above with respect to the aspect of 1 discussed above. Element 12''b in combination with chamber 14''b enables cell dissolution, element 12''d in combination with chamber 14''d enables DNA amplification using PCR, element 12''f in combination with chamber 14''f enables rapid target detection using DNA hybridization and/or melting curve analysis for SNP detection. Elements 12''a, 12''c and 12''e provide heat to control the heat-induced valve mechanisms 15''a, 15''c and 15''e. The elements 15''a to 15''c and 15''e arranged between the chambers 14 and 14''b, 14''b and 14''d and between 14''d and 14''f have the purpose of controlling the lateral flow between the various reaction chambers 14, 14''b, 14''d and 14''f. Heat-induced valves 15''a to 15''e could be implemented as valves comprising a wax plug, e.g. an irreversible wax plug, which can be melted using the heaters 12''b to 12''e. Alternatively, the heat-induced valves 15''a to 15''e can comprise expansion/compression elements made, for example, from heat-sensitive polymers.

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.The advantage of the thermal control-only approach is that most of the functionality can be created in a single process step, such as a single layer of copper, which greatly reduces the complexity of the manufacturing process. The solution could enable a truly low-cost probe-to-response diagnostic system.

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.With reference to 5 another aspect of the invention is discussed. 5 shows an analysis system 10''' comprising the chamber 14, e.g. in the layer 14l, wherein the layer 12l comprises the one or more heating devices for the one or more chambers 14. In addition, the analysis system 10''' comprises an optical detector layer 20l comprising an optical detector 20 arranged and configured to detect light coming from the chamber 14. According to a preferred embodiment, the optical detection layer 20l is arranged opposite the heating layer 12l, ie such that the layer 14l comprising the one or more chambers 14 is arranged between the two layers 20l and 12l. The chamber 14 as well as the heating layer 12l can be implemented according to the discussion regarding the minor aspect and the main aspect.

Der optische Detektor 20 kann gemäß der Erörterung bezüglich des Nebenaspekts und des Hauptaspekts implementiert sein.The optical detector 20 may be implemented as discussed with respect to the minor aspect and the major aspect.

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.The optical detector 20 may be a simple optical detector comprising light-dependent resistors or a CCD element. The purpose of the detector 20 is to detect whether a chemical reaction has occurred, is currently in progress or has not yet occurred.

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.According to further embodiments, the analysis system 10''' can have a light-emitting component 21, which is preferably arranged on the side of the heating device, i.e. opposite the optical detection layer 20l.

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.Whether the microfluidic system provides the platform for a cell cultivation experiment, detects a certain pathogen in a diagnostic test, or represents a microbioreactor for the production of a bioproduct, the result of the biochemical processes must be reported to the macro world qualitatively and/or quantitatively. Detection of analytes and produced products is generally performed using a mass-sensitive, electrochemical or optical device, making optical detection methods such as fluorescence, chemiluminescence, colorimetry or absorbance by far the most common. In addition to reducing the need for bulky optical components in point-of-care setups, integration of on-chip light sources and a photodetector for analyte detection in microfluidic systems offers the following advantages: 1) fabricating the detector and light source directly on the microfluidic system could enable increased sensitivity by reducing light loss through shorter light paths and a reduced number of light scattering interfaces. 2) The integrated miniaturized detectors can be structured into condensed arrays that enable effective multiplexing.

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.With reference to 6 An improved embodiment is discussed. 6 shows an analysis system 10'''' comprising the optical detector layer 20l, the heat generation layer 12l and the layer 14l comprising the microfluidic cavity.

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.In this embodiment, the heating layer 12a is implemented as a layer stack comprising a film substrate 12f, a thin film heater 12 and an encapsulation material 12e. Analogously For this purpose, the optical layer 20l is implemented as a layer stack comprising a foil substrate 20f, an electro-optically sensitive layer 20, integrated electrodes 20i and an encapsulation material 20e. Regarding the layer 14l, note that the chamber 14 is formed in an adhesive foil 14f. From another point of view, this means that the semi-transparent thin film microheater is fabricated on a foil substrate 1. The optical detection layer is fabricated on a foil substrate 2. The two foils are arranged in a superimposed manner over a microfluidic cavity by a double-sided adhesive foil into which the contour of a microfluidic channel has been cut. The semi-transparent heater allows the light source and the detector to operate in a transmission mode setup without the need for optical filters or lenses. The microfluidic cavity between the heater and the detector hosts the biochemical event. The biochemical process can take place either in liquid form or in immobilized form on either substrate 1 or 2.

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.Regarding the 7a to 7c The three possible events that can be detected using the detector are discussed. Here 7a to 7c an analysis system 10'''', where 7a a light path from the light source 21 to a detector 20 without any biochemical activity in the chamber 14. 7b shows a light path of a biochemical activity having a blocking effect on light passing from the light source 21 to a detector 20. 7c shows a light path after a chemical activity that produces a change in the wavelength of the light from the light source 21 to a detector 20.

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.If no event has occurred in the chamber, a constant amount of light from the light source falls on the detector. If a biochemical event has occurred in the microfluidic cavity, two detection mechanisms can be used depending on the experimental setup. Either the biochemical event generates a product that creates a steric hindrance for the light coming from the light source and arriving at the detector, as in 7b , causing a reduction in the light reaching the detector (absorbance measurement), or a change in the wavelength of the light arriving at the detector, as in 7c (fluorescence, chemiluminescence or colorimetric measurement). In the case of an experiment such as 7c Optionally, optical thin film filters can be produced by coating the substrate 1 ( 6 ), or the polymer material of the substrate 1 may be chosen to have optical filter characteristics to enable excitation of light of the correct wavelength for the chosen marker.

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.The biochemical event could be a cell culture proliferating laterally and blocking light coming from the light source, could be a DNA hybridization assay, an immunoassay, or an amplification product from any of the DNA amplification protocols described previously. The hybridization assay or amplification product could be labeled with either markers for fluorescence, chemiluminescence, or colorimetric measurement, or with markers for absorbance measurement (polymer beads, gold nanoparticles, silver enhancement methods).

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. 8a shows a further analysis system 10''''' or, in detail, an electro-optical measurement setup for a DNA hybridization detector that uses bead labeling. Here, the detector layer 20l' has an OSC layer (OSC = organic semiconductor layer) 20o, carbon fingers 20c and a (PET) film 20f.

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.The light source layer 21' is arranged opposite the detector 20l'. Here, the light source 21 is formed by an LED 21l, which is configured, for example, to emit light in the range of 360 nm, and by an optical spacer 21s, which is arranged between the layer 14l having the chambers 14' and the LED 21l.

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.The layer 14l', which has the chambers 14 (fluidic chamber or cavity 14), is arranged between the detector layer 20l' and the light source layer 21'. This layer 14l' can also be referred to as the sensor layer 14l'.

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.Here, the sensor layer 14l' also has a (PEN) film 14f, which is arranged on the spacer and encloses the cavity 14. The cavity 14 has the purpose of receiving the analyte 13 (here a DNA + beads) in such a way that it can be analyzed using the detector 20l'.

Diese Detektion wird unter Bezugnahme auf 8b bis 8g ausführlich erörtert.This detection is carried out with reference to 8b to 8g discussed in detail.

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. 8b shows schematically the detector of the 8a in two different cases, namely in the case of a detected match and in the case of a mismatch during DNA detection or detection of hybridization events. Using biotin-labeled DNA targets and streptavitin-coated polymer beads of 1 µm size, it is possible to obtain different concentrations of a DNA targets. In the case of mismatch in the chamber 14, no DNA and no target object has been matched to the DNA strand. As a result, the light emitted from the light source 21' passing through the foil 14f is not absorbed in the chamber 14, so that the emitted light reaches the detector 20 in an almost non-absorbed manner.

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.In case of a match, the streptavitin-coated batch 15 having the complementary DNA strand reacts with the DNA strand. This reaction can be detected due to the fact that the light emitted by the light source 21' reaches the detector 20, whereby a high absorption of the light has occurred.

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. 8c shows the response to bead labeling based on four different cases where samples A1, A2 and A3 were hybridized to a 1 µm biotinylated target, whereas B1, B2 and B3 were hybridized to 50 nm and C1, C2 and C3 were hybridized to 2.5 nm. The two mismatch samples Mismatch1 & Mismatch2 with no beads bound are used as control points. As can be seen, the different concentrations produce different optically detectable effects, allowing the detector 20 to distinguish between the concentrations.

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.An exemplary signal corresponding to three different concentrations and one mismatch is shown in 8d shown. 8d shows the current response in the electro-optical detection layer to different DNA concentrations.

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.The above structure uses an organic semiconductor layer (OSC) 20o, e.g. FS102 with an absorption maximum at 400 nm, and an LED light source of ~360 nm, 21l. An optical fiber is designed in the structure to utilize the transmission and autofluorescence properties of the film layers 20f and 14f. The transmission spectra of the layers 20f and 14f are shown in 8e For example, for the autofluorescence of the film layer (PEN) 14f, the excitation and emission spectra of PEN films peak at 337-356 nm and 425 nm, respectively. By choosing an optical source 21l to lie between these ranges, or generally between a range that depends on the film layer chosen, it is possible to form a film-based optical filter system in which the layer 14f converts the point source LED light source (~360 nm) into a homogeneously distributed light source in the range of ~420 nm, which matches the absorption spectra of the OSC layer 20o (~400 nm). Whereas the film layer (PET) 20f allows transmission of the same without any alteration of the light.

8f zeigt die Spektren, die die Autofluoreszenzeigenschaft der optischen Schicht 20f und 14f aufgrund der Lichtquelle 21l angeben. 8f shows the spectra indicating the autofluorescence property of the optical layer 20f and 14f due to the light source 21l.

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.In addition, 8g the property of the optical film layer 14f to be able to convert a point light source such as an LED 21l into a homogeneously illuminated background that is more suitable for the bead-based light blocking structure implemented in the chamber 14. Whereas the film layer 20f on the chamber 14 allows the light to pass unhindered to the OSC layer 20o.

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.All systems discussed above belonging to various aspects are preferably fabricated entirely on film, for example using roll-to-roll technology. Since the detector layer and the heating layer are located right next to the chamber, embodiments according to all aspects have low power consumption so that they can be battery operated. Therefore, another embodiment provides a portable diagnostic system comprising one of the analysis systems discussed above and a battery as a power supply. Combining the elements into a microfluidic system would enable an analysis module for biological or chemical events that is extremely inexpensive and portable.

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.A further embodiment provides an analysis cartridge comprising an analysis system according to one or more of the aspects discussed above. The analysis cartridge system has, for example, the shape of a credit card and has external pins via which the analysis system can be connected to a reading device in order to control/evaluate the analysis. For example, the pins are connected internally to the control layer, i.e. to the heating devices, or to the optical detector elements. The analysis cartridge can be a disposable element in which the analysis electronics could be separate, i.e. integrated into the reading device. Conversely, this means that all actuators and sensors are integrated into the disposable element, while elements that can be reused are arranged externally.

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.Although the above embodiments have been discussed primarily in connection with a device, it should be noted that further embodiments provide corresponding methods. Therefore, according to a further Embodiment provides a method for controlling an analysis system.

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.This method begins in the embodiments discussed in relation to the main aspect and comprises the steps of heating at least one chamber to effect processing of the analyte and heating the temperature controllable element to control the same. Another method relates to analyzing an analyte. This method begins in the embodiments according to a secondary aspect and comprises the main step of analyzing the signal of the optical detector, wherein a signal corresponding to a detected light transmission through the chamber having a low absorption indicates an instance in which no reaction has occurred, wherein a signal corresponding to a light transmission through the chamber having a high absorption indicates an instance in which a reaction has occurred. Another signal corresponding to fluorescence, chemiluminescence or colorimetry or something else indicates an instance in which a chemical or biochemical reaction is in progress.

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.It is understood that aspects discussed in connection with a device also represent a description of the corresponding method, where a block or component corresponds to a method step or a feature of a method step. Analogously, aspects described in connection with a method step also represent a description of the corresponding block or detail or feature of the corresponding device. Some or all of the method steps may be performed by (or using) a hardware device such as a microprocessor, a programmable computer, or an electronic circuit. In some embodiments, some or more of the key method steps may be performed by such a device.

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.Depending on particular implementation requirements, embodiments of the invention may be implemented in hardware or in software. The implementation may be performed using a digital storage medium, such as a floppy disk, a DVD, a Blu-ray Disc, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM or a FLASH memory, on which electronically readable control signals are stored that interact (or can interact) with a programmable computer system such that the respective method is carried out. Therefore, the digital storage medium may be computer readable.

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.Some embodiments according to the invention comprise a data carrier comprising electronically readable control signals capable of interacting with a programmable computer system such that one of the methods described herein is carried out.

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.In general, embodiments of the present invention can be implemented as a computer program product with a program code, wherein the program code is effective to carry out one of the methods when the computer program product runs on a computer. The program code can, for example, be stored on a machine-readable carrier.

Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.Other embodiments include the computer program for performing one of the methods described herein, wherein the computer program is stored on a machine-readable medium.

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.In other words, an embodiment of the method according to the invention is thus a computer program which has a program code for carrying out one of the methods described herein when the computer program runs on a computer.

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.A further embodiment of the method according to the invention is thus a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program for carrying out one of the methods described herein is recorded. The data carrier, the digital storage medium or the recorded medium are usually tangible or non-volatile.

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.A further embodiment of the method according to the invention is thus a data stream or a sequence of signals which represents or represents the computer program for carrying out one of the methods described herein. The data stream or the sequence of signals can, for example, be configured to be transferred via a data communication connection, for example via the Internet.

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.A further embodiment comprises a processing device, for example a computer or a programmable logic device, which is configured or adapted to carry out one of the methods described herein.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.A further embodiment comprises a computer on which the computer program installed to perform any of the methods described herein.

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.A further embodiment according to the invention comprises a device or a system which is designed to transmit a computer program for carrying out at least one of the methods described herein to a recipient (e.g. electronically or optically). The recipient may for example be a computer, a mobile device, a storage device or the like. The device or system may for example comprise a file server for transmitting the computer program to the recipient.

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.In some embodiments, a programmable logic device (e.g., a field programmable gate array) may be used to perform some or all of the functionality of the methods described herein. In some embodiments, a field programmable gate array may cooperate with a microprocessor to perform any of the methods described herein. In general, the methods are preferably performed by any hardware device.

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.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It is understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to others skilled in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the following claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.

Referenzenreferences

  1. [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 .[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 and Aman Russom; Lab Chip, 2013, 13, 2075 2082 .
  2. [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 .[2] " DNA melting curve analysis on semitransparent thin film microheater on flexible Lab-on-Foil substrate“; Anna Ohlander, Tobias Hammerle, Gerhard Klink, Caterina Zilio, Francesco Damin, Marchella Chiari, Aman Russom and Karlheinz Bock; Proceedings of 16th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, 28 October - 1 November 2012, Okinawa, Japan, pages 797-799 .
  3. [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 .[3] " Foil-based DNA melting curve analysis platform for low-cost point-of-care molecular diagnostics”; Anna Ohlander, Stefanie Bauer, Harisha Ramachandraiah, Aman Russom and Karlheinz Bock; Proceedings of 17th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, 27-31. October 2013, Freiburg, Germany, 1770-1772 .
  4. [4] Patentliteratur, die das Gitter-Heizvorrichtungskonzept beinhalten:
    • - WO 2014 / 064 040 A1
    • - DE 10 2014 221 734 A1
    • - DE 10 2015 202 353 B3 ;
    [4] Patent literature containing the grid heater concept:
    • - WO 2014 / 064 040 A1
    • - DE 10 2014 221 734 A1
    • - DE 10 2015 202 353 B3 ;

Claims (9)

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.An analysis system (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') for analyzing an analyte (13), comprising: at least one chamber (14) for processing the analyte (13), the chamber (14) being formed by one or more polymer films and comprising a polymer with low thermal conductivity; a temperature-controllable element (15, 15''a, 15''c, 15''e) implemented as a wax plug valve or heat-sensitive polymer valve; and a control layer (12l) comprising a heating device (12, 12a) for heating the at least one chamber (14) to carry out the processing of the analyte (13), and a further heating device (12c) coupled to the temperature-controllable element (15, 15``a, 15``c, 15``e) and configured to control the temperature-controllable element (15, 15``a, 15``c, 15``e); wherein the heating device (12, 12a) and the further heating device (12c) are formed by a common heating layer. 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.An analysis system (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') according to claim 1 , wherein the temperature-controllable element (15, 15''a, 15''c, 15''e) is configured to be controlled by the ambient temperature of the temperature-controllable element (15, 15''a, 15''c, 15''e). 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.An analysis system (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') according to one of the preceding claims, wherein the heating device (12, 12a) differs in size from the further heating device (12c). 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.An analysis system (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10'''') according to one of the preceding claims, wherein the at least one chamber (14) is designed for cell dissolution, DNA amplification, rapid DNA hybridization and target detection up to the signal base layer, cell isolation, DNA extraction tion, DNA detection and/or polymerase chain reaction. 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.An analysis system (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') according to one of the preceding claims, wherein the heating device (12, 12', 12''a, 12''b, 12''c, 12''d, 12''e, 12''f) is integrated into a layer located adjacent to the at least one chamber (14) and has a two-dimensional geometry, wherein the heating device (12, 12', 12''a, 12''b, 12''c, 12''d, 12''e, 12''f) is configured to deliver heat to the chamber (14) according to a two-dimensional temperature distribution characteristic (12tc, 12tc'), wherein the two-dimensional temperature distribution characteristic (12tc, 12tc') has a shape, wherein a lateral shape and/or size of the chamber (14) is adapted to the shape of the two-dimensional temperature distribution characteristic (12tc, 12tc'). 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.An analysis system (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10'''') according to any one of the preceding claims, wherein the analysis system further comprises an optical detector (20) integrated into a layer adjacent to the at least one chamber (14) for detecting light coming from the chamber (14) and configured to output a signal indicating a transmission behavior through the chamber (14) or indicating an optical activity of the analyte (13). 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.Analysis cartridge comprising an analysis system (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10'''') according to one of the preceding claims and pins to be connected to a reading device controlling the analysis, the pins being connected to the heating device (12, 12a) and the further heating device (12c) of the control layer. Ein tragbares Diagnostiksystem, das ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche sowie als Leistungsversorgung eine Batterie aufweist.A portable diagnostic system comprising an analysis system (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') according to any one of the preceding claims and a battery as a power supply. 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.A method for controlling an analysis system (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') for analyzing an analyte (13), the analysis system comprising: at least one chamber (14) for processing the analyte (13), the chamber (14) being formed by one or more polymer films and comprising a polymer with low thermal conductivity; a temperature-controllable element (15, 15''a, 15''c, 15''e) implemented as a wax plug valve or a heat-sensitive polymer valve; and a control layer (12l) which has a heating device (12, 12a) for heating the at least one chamber (14) and a further heating device (12c) coupled to the temperature-controllable element (15, 15``a, 15``c, 15``e), wherein the heating device (12, 12a) and the further heating device (12c) are formed by a common heating layer, the method comprising the following steps: Heating the at least one chamber (14) in order to carry out the processing of the analyte (13); and Heating the temperature-controllable element (15, 15``a, 15``c, 15``e) in order to control the same.
DE102016211356.9A 2016-06-24 2016-06-24 Analysis system and method for performing an analysis Active DE102016211356B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016211356.9A DE102016211356B4 (en) 2016-06-24 2016-06-24 Analysis system and method for performing an analysis

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016211356.9A DE102016211356B4 (en) 2016-06-24 2016-06-24 Analysis system and method for performing an analysis

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102016211356A1 DE102016211356A1 (en) 2017-12-28
DE102016211356B4 true DE102016211356B4 (en) 2024-12-19

Family

ID=60579765

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102016211356.9A Active DE102016211356B4 (en) 2016-06-24 2016-06-24 Analysis system and method for performing an analysis

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102016211356B4 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020079219A1 (en) 2000-09-19 2002-06-27 Mingqi Zhao Microfluidic chip having integrated electrodes
US20060036348A1 (en) 2001-03-28 2006-02-16 Handylab, Inc. Methods and systems for control of microfluidic devices
US7195036B2 (en) 2002-11-04 2007-03-27 The Regents Of The University Of Michigan Thermal micro-valves for micro-integrated devices
WO2014064040A1 (en) 2012-10-26 2014-05-01 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. System for carrying out a contactless measurement on a sample and sample carrier
DE102015202353B3 (en) 2015-02-04 2016-03-10 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. DEVICE AND METHOD FOR DETECTING THE RESISTANCE OF BACTERIA TO AN ACTIVE ANALYZED ACTIVE SUBSTANCE USING A MICROFLUIDIC CHIP
DE102014221734A1 (en) 2014-10-24 2016-04-28 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Measuring device and system for melting curve analysis of a DNA microarray, and use of a fluorescence detector array for analysis

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020079219A1 (en) 2000-09-19 2002-06-27 Mingqi Zhao Microfluidic chip having integrated electrodes
US20060036348A1 (en) 2001-03-28 2006-02-16 Handylab, Inc. Methods and systems for control of microfluidic devices
US7195036B2 (en) 2002-11-04 2007-03-27 The Regents Of The University Of Michigan Thermal micro-valves for micro-integrated devices
WO2014064040A1 (en) 2012-10-26 2014-05-01 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. System for carrying out a contactless measurement on a sample and sample carrier
DE102014221734A1 (en) 2014-10-24 2016-04-28 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Measuring device and system for melting curve analysis of a DNA microarray, and use of a fluorescence detector array for analysis
DE102015202353B3 (en) 2015-02-04 2016-03-10 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. DEVICE AND METHOD FOR DETECTING THE RESISTANCE OF BACTERIA TO AN ACTIVE ANALYZED ACTIVE SUBSTANCE USING A MICROFLUIDIC CHIP

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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
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
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
OHLANDER, A. [u.a.]: DNA melting curve analysis on semi-transparent thin film microheater on flexible lab-on-foil substrate. In: 16th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2012), 28 October - 1 November 2012, Okinawa, Japan. Bd. 2, 2012, S. 797-799. ISBN 978-1-63266-623-9. *
OHLANDER, A. [u.a.]: Foil-based DNA melting curve analysis platform for low-cost point-of-care molecular diagnostics. In: 17th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, 27-31 October 2013, Freiburg, Germany. Bd. 3, 2013, S. 1770-1772. ISBN 978-1-63266-624-6. *
OHLANDER, Anna [u.a.]: Genotyping of single nucleotide polymorphisms by melting curve analysis using thin film semi-transparent heaters integrated in a lab-on-foil system. In: Lab on a Chip. 2013, Bd. 13, H. 11, S. 2075-2082. ISSN 1473-0189 (E); 1473-0197 (P). DOI: 10.1039/C3LC50171J. *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102016211356A1 (en) 2017-12-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2836302B1 (en) Method and device for targeted process control in a microfluidic processor having integrated active elements
DE69322774T2 (en) POLYNUCLEOTID AMPLIFICATION ANALYSIS WITH A MICROFABRICATED DEVICE
DE69533159T2 (en) MINIATURIZED SAMPLE PREPARATION DEVICES AND SYSTEMS FOR DETERMINING AND TREATING ANALYTES
EP1054735B1 (en) Miniaturized temperature-zone flow reactor
EP2506959B1 (en) Microfluidic element for analysing a fluid sample
Lee et al. Capillary flow control in lateral flow assays via delaminating timers
EP2299257A2 (en) Device and method for detecting molecular interactions
DE102005051850A1 (en) Device for duplication and detection of nucleic acids
DE10111458A1 (en) Module for a diagnostic device, applicator as a replacement part of the diagnostic device and associated diagnostic device
DE102014209188B4 (en) Apparatus and method for processing a biological sample and analysis system for analyzing a biological sample
DE102007019695A1 (en) Cuvette for the optical analysis of small volumes
DE10346417A1 (en) Analytical test element comprising a network for forming a capillary channel
CN108472653A (en) Chip structure for multiple molecular diagnosis
KR20230127225A (en) multimode test card
EP0751827A1 (en) Method of processing nucleic acids
DE212016000125U1 (en) Oligonucleotide-mediated analysis of biomarkers
DE102016211356B4 (en) Analysis system and method for performing an analysis
WO2022033815A1 (en) Cartridge for a rotation-based analysis method using one-sided heat input, rotation-based analysis method, and use of a cartridge
DE102016211357A1 (en) Analysis system and method for performing an analysis
DE102016211355A1 (en) Analysis system and method for performing an analysis
DE102005059535B4 (en) Device and method for carrying out a nucleic acid test, and method for producing such a device
EP3538268A1 (en) Microfluidic device and method for analysing samples
DE102014200467A1 (en) Microfluidic system and method for analyzing a sample of biological material
DE102006020716B4 (en) Microfluidic processor
EP3094740B1 (en) Analysis unit for performing a nested polymerase chain reaction, analysis device, method for operating an analysis unit of said type, and method for manufacturing an analysis unit of said type

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final