DE102016211356B4 - Analysis system and method for performing an analysis - Google Patents
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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.
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.
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
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
In
Wie bezüglich des Diagramms der
Die
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
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 gemäßdem Aspekt der 1 zeigen; -
3 ein Blockdiagramm einer Grundimplementierung eines Analysesystems gemäß dem Hauptaspekt zeigt; -
4 ein Blockdiagramm einer verbesserten Implementierung des Analysesystems gemäßdem Aspekt der 3 zeigt; -
5 ein Blockdiagramm einer Grundimplementierung eines Analysesystems gemäß einem weiteren Nebenaspekt zeigt; -
6 ein Blockdiagramm einer verbesserten Implementierung des Analysesystems gemäßdem Aspekt der 5 zeigt; -
7a-7c drei verschiedene Blockdiagramme zum Veranschaulichen des optischen Transmissionsverhaltens in der Kammer für drei unterschiedliche Fälle gemäß einem Aspekt der5 zeigen; -
8a-8g eine weitere verbesserte Implementierung eines Analysesystems gemäß einem Aspekt der5 veranschaulichen; und -
9a ,9b auf eine herkömmliche Implementierung eines Analysesystems Bezug nehmen.
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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 of1 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 of3 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 of5 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 the5 show; -
8a-8g a further improved implementation of an analysis system according to an aspect of5 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.
Die Funktionalität des gezeigten Analysesystems 10 erfüllt die Funktionalität, die oben unter Bezugnahme auf das herkömmliche Analysesystem der
Wie in Bezug auf
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
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
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
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
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
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
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.
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
Für jeden Entwurf A, B und C wird der resultierende Temperaturgradient von der Mitte bis zu den Rändern durch
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
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 (
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
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
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
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
Die Elemente 12''a bis 12''f sind Dünnfilm-Kupferheizvorrichtungen, die mit den Heizvorrichtungen, wie sie oben bezüglich des Aspekts der
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
Der optische Detektor 20 kann gemäß der Erörterung bezüglich des Nebenaspekts und des Hauptaspekts implementiert sein.The
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
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
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
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
Bezüglich der
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
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).
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
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)
Diese Detektion wird unter Bezugnahme auf
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
Ein exemplarisches Signal, das zu drei verschiedenen Konzentrationen und einer Nichtübereinstimmung gehört, ist in
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
Zusätzlich zeigt
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
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| DE102016211356A1 (en) | 2017-12-28 |
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