DE102010013752A1

DE102010013752A1 - Multifunktionelle Detektionsküvette

Info

Publication number: DE102010013752A1
Application number: DE102010013752A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Roche Diagnostics GmbH
Current assignee: Roche Diagnostics GmbH
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-06
Also published as: WO2011120819A1; EP2552587A1; US20130023060A1; US8759081B2; JP5767693B2; EP2552587B1; JP2013524184A

Abstract

Multifunktionale Detektionsküvette zur Detektion von Inhaltsstoffen einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsküvette geometrische Strukturen aufweist, welche neben der Funktion der optischen Detektion von Inhaltsstoffen einer Flüssigkeit noch weitere zur Durchführung der Detektion von Inhaltsstoffen erforderlichen Funktionen, insbesondere Mischen, Aufbringen oder Auflösen zur Detektion notwendiger Reagenzien, ermöglichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine multifunktionale Detektionsküvette zur Detektion von Inhaltsstoffen einer Flüssigkeit, welche sich innerhalb der Detektionsküvette befindet. Neben der Funktion, die Detektion von Inhaltsstoffen einer Flüssigkeit, welche sich innerhalb der Detektionsküvette befindet, durch ein geeignetes optisches Detektionssystem zu ermöglichen, übernimmt die erfindungsgemäße Detektionsküvette noch weitere Funktionen, welche zur Detektion von Inhaltsstoffen erforderlich sind. Solche Funktionen können beispielsweise Mischen oder Auflösen von Reagenzien. Zur Durchführung dieser Funktionen weist die erfindungsgemäße Detektionsküvette angepasste geometrische Strukturen auf.
Solche erfindungsgemäßen Detektionsküvetten werden bevorzugt in Zentrifugalteststrägern (Discs) eingesetzt, auf welchen die zum Analytnachweis notwendigen Reaktionen und Verfahrensschritte in fluidischen Strukturen nacheinander ablaufen.
Solche Zentrifugalteststräger sind beispielsweise aus EP 1916524 bekannt. Neben immunologischen Nachweismethoden sind auch andere Nachweismethoden zur Detektion von Inhaltsstoffen einer Flüssigkeit analog verwendbar.
Alternativ kann die Nachweisreaktion auch an einer Festphase stattfinden, an welche die zum Nachweis notwenigen Reagenzien immobilisiert vorliegen, beispielsweise im Falle immunologischer Nachweismethoden die Fängerantikörper an der Oberfläche der Detektionsküvette immobilisiert vorliegen.
Prinzipiell können die erfindungsgemäßen Detektionsküvetten jedoch in Testträgern jeglicher Art eingesetzt werden, beispielsweise auch in teststreifenähnlichen fluidischen Vorrichtungen oder spritzgußhergestellten Detektionskassetten mit integrierten Fluidikwegen.
Die vorliegende Erfindung kann bevorzugt dazu eingesetzt werden, um mehrstufige Reaktionen auf die Disk zu integrieren.
Bisher werden hierzu typischerweise mehrere einzelne Reagenzienkammern für die Eintrocknung, Resuspendierung bzw. Homogenisierung von Trockenreagenzien benötigt, was zu großen und komplexen Testträgern führt.
Zur Überwindung dieser Nachteile bieten die erfindungsgemäßen, spezifisch angepassten Detektionsküvetten (auch Messkammern oder Messküvetten genannt) die Möglichkeit, mehrere Funktionen zu integrieren und gleichzeitig eine kontinuierliche Messung zu ermöglichen.
Die Erfindung greift hierbei folgende Konzepte, einzeln oder auch in Kombination, auf:

• Integration mehrerer Funktionen in der Messküvette, da diese als Endpunkt der Fluidik und Messpunkt immer vorhanden ist.
• Integration von Eintrocknungsstrukturen in Vertiefungen unterhalb der Messstrahlengangs (Vermeidung von Störungen der Messung).
• Integration von Strukturen, die die Homogenisierung der Reagenzien mit dem Medium beschleunigen.
• Vermeidung von Luftblasen durch angepasste Entlüftungs- und Fangstrukturen.

Die Erfindung weist hierbei folgende Vorteile, einzeln oder auch in Kombination, auf:

• Platzeinsparung auf dem Testträger durch Zusammenlegen von Funktionen.
• Vermeidung von Volumen- bzw. Reagenzienverlusten auf dem Weg in die Messküvette
• Möglichkeit von Failsafe-Untersuchungen mit ein und demselben Messgerät, da der optische Strahlengang nicht gestört wird; Failsafe-Untersuchungen ohne weitere Messeinheit möglich (Auflösung von Trockenreagenzien, Mischen, Kammerbefüllung, Luftblasen,...)

Beispiel 1:
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde ein Testträger mit einer Detektionsküvette für ein System entwickelt, bei welchem die Messung der Zielgrößen optisch mittels Laser über eine Spiegelkonstruktion erfolgt. Bevorzugt werden solche Testträger im Spritzgussverfahren hergestellt. Alternativ sind auch andere Herstelltechnologien, wie beispielsweise Fräsen, möglich.
Zielsetzung hierbei war, in den Küvetten sowohl photometrische Messungen der Reaktionskinetik der Essays vorzunehmen, als auch die zuvor eingetrockneten, zum Nachweis notwendigen Reagenzien aufzulösen und zu mischen.
Die Versuche wurden auf sogenannten OPD-Chips durchgeführt. Diese Chips ermöglichten die Vorlage von Probe und Puffer, sowie der notwendigen Reagenzien. Die photometrische Detektion der Assay-Kinetik erfolgte mittels Laser, dessen Strahlebene senkrecht zur Oberfläche der Testchips angeordnet war (OPD). Dadurch war der maximale Messweg durch die Tiefe der Messküvette begrenzt.
Maßgeblich für die Entwicklung der Detektionsküvetten war, dass sie sowohl die optische Detektion, als auch das Mischen der aufbereiteten Probe mit vorgelegten Reagenzien ermöglichen sollten. Zu diesem Zweck wurde das Mischverhalten der OPD-Küvetten mit Hilfe einer CFD-Simulation berechnet.
Das Mischen sollte wie beim Herstellen der Puffer-Probe-Mischung durch Beschleunigen und
Abbremsen der Disk in einer Rotationsrichtung erreicht werden. Probe und Puffer gelangen in diesem Fall getrennt voneinander in die Messküvette. Die Mischkammer ist anfänglich mit den ungemischten Flüssigvolumina gefüllt.
1 zeigt Ergebnisse solcher Simulationen zur Durchmischung zweier Flüssigkeiten (rot und blau) mit unterschiedlicher Dichte in der Mittelebene einer OPD-Küvette.
Zusammenfassend lassen sich aus den CFD-Simulationen folgende Erkenntnisse zum Betrieb einer periodisch beschleunigt bzw. verzögert rotierenden Mischkammer ableiten:

• Liegen bei den zu mischenden Flüssigkeiten ähnliche Dichten vor, kann die Mischzeit durch höhere Drehbeschleunigungen und länger andauernde Beschleunigungs- oder Verzögerungszeiten verkürzt werden.
• Bei deutlich unterschiedlichen Dichten wirkt sich häufiges Umschalten der Drehrichtung günstig auf die erforderliche Mischzeit aus.
• Bei der vorgegebenen Geometrie wird durch unvollständige Füllung der Mischkammer die Mischung nicht wesentlich beeinflusst.
• Höhere Viskosität verlangsamt den Mischprozess.

Beispiel 2:
Eine vorteilhafte Ausführungsform für die Implementierung der Messküvetten in einen Disk-Testträger ist die Detektion der Reaktionskinetik der Assays mittels In-Plane-Detection (IPD), also der photometrischen Messung mit einer Strahlebene parallel zur Disk-Oberfläche und nicht wie von den OPD-Chips bekannt senkrecht zur Disk-Oberfläche. Dazu wurden neben der Küvetten-Kavität selbst noch zwei Umlenkspiegel implementiert, die das Ein- und Auskoppeln des Laser-Strahls in die Disk ermöglichen.
Hierzu wurden zunächst IPD-Küvetten hergestellt, anhand derer die optischen Anforderungen an Spiegelqualitäten und Dimensionen charakterisiert werden konnten.
In 2 ist ein CAD-Modell eine solchen IPD-Küvette dargestellt, die für die Etablierung des optischen Messsystems genutzt wurde. Randständig sind hierbei die beiden Spiegelflächen zum Ein- und Auskoppeln des Messlichts dargestellt, in der Mitte die Detektionsküvette, welche die Probenflüssigkeit enthält.
Die Detektionsküvette ist hierbei so ausgelegt, sowohl die optische Detektion als auch das Vorlegen von Reagenzien und das Mischen zu ermöglichen.
Aus den Erkenntnissen zu den OPD-Chips ist bekannt, dass die einzutrocknenden Reagenzien stark benetzendes Verhalten auf Kunststoffoberflächen zeigen. Das kann in Extremfällen dazu führen, dass die in flüssiger Phase vorgelegten Reagenzien bedingt durch die Kapillarkräfte der Küvettenecken nicht in der Kavität zu halten waren und somit teilweise für die Reaktion verloren sind.
Vorteilhaft ist daher für die Entwicklung und den Einsatz der IPD-Küvetten ein Design, welches trotz des stark spreitenden Verhaltens der Reagenzien eine reproduzierbare Vorlage und Eintrocknung ermöglicht und bevorzugt zusätzlich das Mischen unterstützt.
Unter Berücksichtigung der wesentlichen Maßgaben wurden zwei Küvettenformen, eine Rugby-Küvette und eine Wells-Küvette, erarbeitet.
Beide Designs zeichnen sich dadurch aus, dass die Küvettenformen keine Kanten aufwiesen, die über ihre Kapillarkräfte ein Entweichen der Reagenzien aus den Küvetten ermöglichten.
In 3 und 4 sind CAD-Modelle solcher Testträger mit IPD-Küvetten dargestellt.
3 zeigt das Modell eines Testträgers mit Wells-Küvette.
4 zeigt das Alternativmodel mit Rugby-Küvette.
Für die Bewertung der beiden Modelle wurden die Küvettenkavitäten als gefräste Muster hergestellt und es wurden Eintrockungsversuche unternommen. Anschließend wurden gefräste Testträger hergestellt, die auch Vorlagekammern und Einlassreservoire wie
aus den OPD-Chips bekannt enthielten, um die Mischfunktionen zu testen.
5 zeigt eine Mikroskopaufnahmen der Eintrockungsversuche in den gefrästen Testmustern mit der Wells-Küvette.
6 zeigt eine Mikroskopaufnahmen der Eintrockungsversuche in den gefrästen Testmustern mit der Rugby-Küvette.
Bei den Eintrockungsversuchen für die Trockenreagenzien zeigte sich, dass beide Designs in Abhängigkeit von den gewählten Reagenzien in der Lage sind, ein zuverlässig lokalisiertes Eintrocknen zu gewährleisten. In den Mischversuchen zeigte die Wells-Küvette jedoch ein besseres Verhalten, denn in ihren zwei Töpfen bildeten sich gegenläufige Wirbelströmungen aus, die ein sehr effizientes und schnelles Mischen ermöglichten.
Beispiel 3:
Das grundlegende Design der Mess-Küvetten wurde zuerst in den IPD-Testträgern im Spritzgussverfahren umgesetzt. Die gleiche Geometrie wurde für die Herstellung von spritzgegossenen Zentrifugaltestträger genutzt. Dort wurden lediglich die Winkel zwischen Küvette und Referenzstrahlengang leicht modifiziert sowie der Plateaubereich am Küvetteneingang etwas verlängert.
Durch das komplexe fluidische System auf den Zentrifugaltesträgern traten teilweise Schwankungen bei der Füllhöhe der Küvetten auf, außerdem neigten die verwendeten Trockenreagenzien beim Resuspendieren in der Küvette teilweise zur Blasenbildung, die sich durch die Geometrie im Strahlengang fingen und auch durch Zentrifugieren bei hohen Drehzahlen oft nicht zu entfernen waren.
Daher wurde das Küvetten-Design weiter optimiert. Am oberen Ende des Plateaus im Einlaufbereich wurde eine Vertiefung eingefügt, die das Volumen an dieser Stelle um ca. 3 μl erhöhte. Eine leichte Überfüllung der Küvette konnte so kompensiert und eine optimale Mischfunktion sicher gestellt werden.
An radial inneren Töpfchen der Küvette wurde eine Rampe zum Plateau implementiert, so dass Blasen im Strahlengang durch Zentrifugieren entfernt werden konnten.
Die Versuche mit den Küvetten mit diesem modifizierten Design verliefen erfolgreich. Auch bei leicht erhöhtem Füllstand war das Mischen in der Küvette immer möglich und verfälschte Messergebnisse durch Blasenbildung im Strahlengang sind nicht aufgetreten.
7 zeigt eine derartige optimierte Mess-Küvette.
7a zeigt eine Aufsicht, 7b eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B,
7c eine Schnittdarstellung entlang der Linie C-C.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1916524 [0003]

Claims

Multifunktionale Detektionsküvette zur Detektion von Inhaltsstoffen einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsküvette geometrische Strukturen aufweist, welche neben der Funktion der optischen Detektion von Inhaltsstoffen einer Flüssigkeit noch weitere zur Durchführung der Detektion von Inhaltsstoffen erforderlichen Funktionen, insbesondere Mischen, Aufbringen oder Auflösen zur Detektion notwendiger Reagenzien, ermöglichen.
Multifunktionale Detektionsküvette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Strukturen Vertiefungen, Erhöhungen oder Oberflächengestaltungen innerhalb der Detektionsküvette oder an deren Randbereichen und Übergängen zu benachbarten fluidischen Strukturen sind.
Analytischer Testträger, enthaltend eine multifunktionale Detektionsküvette nach Anspruch 1 oder 2.