DE102018212495B3

DE102018212495B3 - Anordnung zur Erkennung des Vorhandenseins von Pathogenen

Info

Publication number: DE102018212495B3
Application number: DE102018212495.7A
Authority: DE
Inventors: Tim Kunze; Wulf Grählert; Sabri Alamri
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2019-12-05
Anticipated expiration: 2038-07-27
Also published as: WO2020020617A1

Abstract

Bei der Anordnung zur Erkennung des Vorhandenseins von Pathogenen auf einer Oberfläche eines flächigen Substrats weist eine Oberfläche des Substrats lokal definiert eine multivariate Oberflächenstruktur mit voneinander abweichenden Größen, Geometrien und/oder Ausrichtungen von 2- bis 3-dimensionalen Strukturelementen auf, wobei die einzelnen Strukturelemente eine laterale Ausdehnung im Bereich 10 nm bis 50 µm aufweisen. Es sind eine Lichtquelle zur Bestrahlung der 2- bis 3-dimensional strukturierten Oberfläche sowie mehrere Detektoren, die zur orts- und spektral aufgelösten Erfassung der an der 2- bis 3-dimensional strukturierten Oberfläche gestreuten, reflektierten und/oder transmittierten elektromagnetischen Strahlung vorhanden. Die Detektoren sind mit einer elektronischen Auswerteeinheit verbunden, die zur Auswertung von mit den Detektoren orts- und spektralaufgelösten Intensitäten der gestreuten, reflektierten, transmittierten elektromagnetischen Strahlung, welche durch Streu-, Absorptions-, Ramanstreuungs- oder Fluoreszenzprozesse ausgebildet ist. Es ist ein elektronischer Speicher vorhanden, in dem Vorhersagemodelle auf Basis von Spektren bekannter Pathogene auf ebendiesen 2- bis 3-dimensionalen Strukturelementen gespeichert sind, die mittels der elektronischen Auswerteeinheit für eine Klassifizierung und somit für den Nachweis des Vorhandenseins mindestens eines bestimmten Pathogens auf der 2- bis 3-dimensional strukturierten Oberfläche nutzbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Identifikation von Pathogenen bzw. des selektiven Detektierens von Keimen und dabei insbesondere eine Anordnung zur Erkennung des Vorhandenseins von Pathogenen, beispielsweise Bakterien, Pilzen, Protozoen, Parasiten oder parasitären Molekülen, insbesondere Viren, Viroiden, Transposons oder Prionen.
Das Thema Prävention durch effiziente Diagnostik ist in der Forschungsstrategie verankert. Den rasant steigenden Mehrausgaben im Gesundheitssystem durch ca. 10 T€ pro nosokomialer, d.h. im Krankenhaus erworbener Infektionen (=̂7 Mrd. €/a in Europa) aber auch volkswirtschaftliche Kosten von bis zu 3 Mrd. €/a in Deutschland durch die saisonale Grippe müssen effektive Lösungen entgegengestellt werden. Derzeit gibt es auf dem Markt wenig effiziente und aussagekräftige Schnelltests, welche gegenüber herkömmlichen Labortests eine vergleichbare bzw. hinreichende Zuverlässigkeit erreichen und gleichzeitig jedoch denen sowohl zeitlich als auch kostentechnisch (deutlich) überlegen sind (Labortests derzeit ~50-150 €/Labortest).
Das sichere, schnelle und kostengünstige Identifizieren von Bakterien oder anderen Pathogenen ist heutzutage eine der wichtigsten Voraussetzungen für eine schnelle und sichere Behandlung von Infektionen. Wurde z. B. ein Bakterium identifiziert, kann eine adäquate Behandlung mit optimalen Antibiotika abgeleitet und in Folge die Wahrscheinlichkeit für das Entwickeln von Antibiotikaresistenzen reduziert werden.
Wesentliche Herausforderungen beim Identifizieren von Bakterien sind:

• Eine möglichst hohe Sensitivität des Verfahrens, d.h. die Präsenz des Bakteriums/Pathogens sollte auch bei kleinen Konzentrationen möglich sein. Eine möglichst hohe Spezifität des Verfahrens, d.h. der richtige Nachweis des Nichtvorhandenseins des Zielbakteriums/Pathogens.
• Eine möglichst niedrige untere analytisch Nachweisgrenze sowie die Trennschärfe des eingesetzten Verfahrens, die unmittelbar Sensitivität und Selektivität beeinflussen.
• Eine geringe Querempfindlichkeit gegenüber möglichen „Kontaminationen“ (z. B. auch die Vermischung von lebenden und toten Spezies)
• Die Realisierung einer hohen Analysegeschwindigkeit und/oder Durchsatz des genutzten Verfahrens.

Es gibt eine Vielzahl von bekannten Detektionsverfahren, welche dem Identifizieren von Pathogenen bzw. Keimen dienen:

1. Biochemische Charakterisierung, Agglutinationstest, Kultivierung von Mikroben mit anschließender morphologischen bzw. physiologischen Charakterisierung Identifikationszeit: typischerweise mindestens 24 h
2. Polymerase-Kettenreaktion (PCR-Test) bzw. Real-Time PCR
- - Identifikationszeit: mehrere Stunden
- - Nachweisgrenze für Gram-positive bzw. -negative Mikroorganismen in Blut: ca. 10⁴ - 10⁷ pro mL
3. Fluoreszenz-basierte Kapillar-Elektrophorese
- - PCR-Single strand conformation polymorphism (SSCP) Protokoll
- - Identifikationszeit: ~ 7 h
- -
4. Blutkreislaufsinfektionen - Fluorescent in situ hybridization (FISH) -
- - Identifikationszeit: 2 - 3 h
5. Schnelle Identifizierung von Pathogenen mittels Kombination von PCR Verstärkung und Mikroarraydetektion
- - Identifikationszeit: ca. 6 h
- - Detektionslimit: 10 Zellen (z.B. E. coli) bis 105 Zellen (S. aureus) pro mL künstlichem (angereichertem) Blut

Die wesentlichen Nachteile der genannten Methoden sind:

1. Lange Identifikationszeiten > 30 Minuten und/oder
2. Ungenügende Nachweisspezifität und/oder
3. Geringe Nachweissensitivität

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für einen sicheren Nachweis des Vorhandenseins bestimmter Pathogene anzugeben, wobei der für einen Nachweis erforderliche Zeitbedarf reduziert sein soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Erkennung des Vorhandenseins von Pathogenen weist auf einer Oberfläche eines flächigen Substrats lokal definiert eine multivariate Oberflächenstruktur mit voneinander abweichenden Größen, Geometrien und/oder Ausrichtungen von 2- bis 3-dimensionalen Strukturelementen aufweist, wobei die einzelnen Strukturelemente eine laterale Ausdehnung im Bereich 10 nm bis 50 µm aufweisen.
Außerdem ist eine Lichtquelle zur Bestrahlung der 2- bis 3-dimensional strukturierten Oberfläche sowie mehrere Detektoren, die zur orts- und spektral aufgelösten Erfassung der an der 2- bis 3-dimensional strukturierten Oberfläche gestreuten, reflektierten und/oder transmittierten elektromagnetischen Strahlung vorhanden.
Die Detektoren sind mit einer elektronischen Auswerteeinheit verbunden, die zur Auswertung der mit den Detektoren orts- und spektralaufgelöst erfassten Intensitäten der gestreuten, reflektierten, oder transmittierten elektromagnetischen Strahlung, welche durch Streu-, Absorptions-, Ramanstreuungs- oder Fluoreszenzprozesse ausgebildet ist.
Es ist ein elektronischer Speicher vorhanden, in dem Vorhersagemodelle auf Basis von Spektren bekannter Pathogene auf eben diesen 2- bis 3-dimensionalen Strukturelementen gespeichert sind, die mittels der elektronischen Auswerteeinheit für eine Klassifizierung und somit für den Nachweis des Vorhandenseins mindestens eines bestimmten Pathogens auf der 2- bis 3-dimensional strukturierten Oberfläche nutzbar sind..
2- bis 3-dimensionale Strukturelemente können vorteilhaft als Vertiefungen oder Aufwölbungen in der Oberfläche des Substrats mittels Laserstrukturierung, insbesondere direkter Laser-Interferenz-Strukturierung und/oder laserinduzierter selbstorganisierter, periodischer Oberflächenstrukturierung ausgebildet sein. 2- bis 3-dimensionale Strukturelemente können punkt-, linienförmig mit unterschiedlichen Dimensionierungen ausgebildet sein. Insbesondere linienförmige 2- bis 3-dimensionale Strukturelemente können unterschiedliche Breiten und/oder Längen sowie unterschiedliche Ausrichtungen auf der Oberfläche des Substrats aufweisen.
Damit kann ausgenutzt werden, dass bestimmte Pathogene in für sie besonders geeignet strukturierten Oberflächenbereichen bessere Kultivierungsbedingungen nutzen können und sich dort eine besonders günstige lokal definierte Besiedlung mit dem jeweiligen Pathogen erreichen lässt. Dadurch kann die Konzentration bzw. die Anzahl einzelner Pathogene in bevorzugten Bereichen gezielt erhöht oder erniedrigt werden, was sich in einer verbesserten Selektivität bei der Erfassung des Vorhandenseins des jeweiligen Pathogens vorteilhaft auswirken kann.
2- bis 3-dimensionale Strukturelemente mit können mit einer multivariaten Oberflächentopographie ausgebildet sein.
2- bis 3-dimensionale Strukturelemente können ausgehend von mindestens einem äußeren Rand der Substratoberfläche sich kontinuierlich oder diskontinuierlich in ihrer Größe, Form und/oder Ausrichtung verändernd ausgebildet worden sein, wodurch eine gradierte Veränderung der Größe, Ausrichtung und/oder Geometrie über die Oberfläche des Substrats erreichen lässt.
Auf der Oberfläche des Substrats können auch mehrere Oberflächenbereiche am Substrat vorhanden sein, die mit jeweils gleichen dreidimensionalen Strukturelementen ausgebildet sind und dabei unterschiedliche 2- bis 3-dimensionale Strukturelemente in den einzelnen Oberflächenbereichen ausgebildet sind. So können jeweils zueinander unterschiedlich strukturierte Oberflächenbereiche genutzt werden und dadurch mindestens ein Oberflächenbereich für eine bestimmte Pathogenart bessere Kultivierungs- oder Besiedlungsbedingungen aufweist, als andere Oberflächenbereiche und sich in diesem Oberflächenbereich eine erhöhte Konzentration von Pathogenen dieser Pathogenart erreichen lässt.
Insbesondere um die Intensität reflektierter, gestreuter oder transmittierter elektromagnetischer Strahlung zur Bestimmung mindestens eines Pathogens ortsaufgelöst zu erfassen, sollten mehrere Detektoren, die zur ortsaufgelösten spektralen Erfassung elektromagnetischer Strahlung innerhalb eines Wellenlängenintervalls ausgebildet sind, in einer Reihen oder einer Reihen- und Spaltenanordnung angeordnet sein. Die Detektoren sind dann mit der elektronischen Auswerteeinheit verbunden und so angeordnet, dass von einer Strahlungsquelle emittierte elektromagnetische Strahlung auf die Oberfläche des Substrats gerichtet und von der Oberfläche reflektierte, gestreute oder durch das Substrat hindurch transmittierte elektromagnetische Strahlung auf die Detektoren auftrifft.
Wird für die Erkennung mindestens eines Pathogens Raman- oder Fluoreszenzstrahlung genutzt, sollte die Oberfläche des Substrats mit einem Laserstrahl, der von einer Laserstrahlquelle emittiert wird, bestrahlt werden, so dass an Oberflächen von vorhandenen Pathogenen eine Generierung spezifischer Raman- oder Fluoreszenzstrahlung erfolgt. Die generierte Raman- oder Fluoreszenzstrahlung ist dabei auf ein zur spektral- und ortsaufgelösten Erfassung dieser Strahlung ausgebildetes Detektorarray gerichtet.
Die Detektoren des Detektorarrays sind dabei zur orts- und spektralaufgelösten Erfassung der von den Pathogenen reflektierten oder gestreuten elektromagnetischen Strahlung ausgebildet.
Zwischen der Oberfläche des Substrats und dem Detektorarray ist ein optisches Filter oder ein Strahlteiler angeordnet, das/der so ausgebildet ist, dass elektromagnetische Strahlung mit der Wellenlänge des Laserstrahls nicht auf die Detektoren des Detektorarrays auftrifft. Dabei sind zumindest die Detektoren des Detektorarrays an eine elektronische Auswerteeinheit angeschlossen. Die elektronische Auswerteeinheit ist zur Auswertung der orts- und spektralaufgelösten von den Detektoren des Detektorarrays erfassten Intensitäten der Raman- oder Fluoreszenzstrahlung sowie einer Durchführung einer Datenanalyse zur Bestimmung der Verteilung der die Pathogene repräsentierenden orts- und spektralaufgelösten Intensitäten auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet.
Der prinzipielle Gedanke besteht in der Nutzung von Oberflächen mit einer für ein Bakterium/ Pathogen maßgeschneiderten Oberflächenstrukturierung im Mikrometerbereich (Strukturgrößen 10 nm - 50 µm), die

• ein lateral spezifisches Adhäsionsverhalten z. B. eines Zielbakteriums induziert
• den Einsatz einer schnellen und empfindlichen Flächensensorik zum Pathogen-/Bakteriennachweis ermöglicht
• ggf. das Nachweisvermögen der Anordnung drastisch erhöht

Die maßgeschneiderte Oberflächentopographie dient der Optimierung des Absorptions- bzw. Adhäsionsverhalten von Pathogenen auf der Oberfläche, so dass eine selektive Kopplung zwischen Oberflächengestalt und Pathogenanhaftung ermöglicht wird. Eine gezielt optimierte, multivariante Oberflächentopologie kann die Varianz der Adsorption und Adhäsion der Pathogene und somit die Empfindlichkeit und Selektivität des verwendeten pathogenen Nachweisverfahrens drastisch erhöhen, wodurch signifikant reduzierte Messzeiten ermöglicht werden. Die strukturierten Testsubstrate sind als (niedrigpreisige) Verbrauchsmaterialien grundlegend realisierbar.
Das Herstellen der maßgeschneiderten, definierten und vielseitigen Oberflächentopographien mit den dreidimensionalen Strukturelementen kann beispielsweise mittels direktem Laserinterferenzverfahren (Direct Laser Interference Patterning - DLIP) realisiert werden. Die Bandbreite an realisierbaren Oberflächenstrukturen kann dabei durch die Wahl des DLIP-Setups (z. B. Wechsel zwischen 2- und 3-Strahlinterferenz, Änderung der Polarisation der einzelnen Teilstrahlen; Prozessstrategie) frei gewählt werden, wie dies beispielsweise in DE 10 2018 200 036 erläutert worden ist, und auf deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich Bezug genommen wird. In Folge lassen sich beispielsweise Linien-, Punkt- und Kreuzstrukturen direkt auf später verwendeten Substratoberflächen, wie z. B. Metallen realisieren. Auch andere mittels Laserverfahren erzeugte Oberflächentopographien (z. B. laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturierung, d. h. Laser-induced periodic surface structures - LIPSS) können für ein gezieltes Einstellen der Oberflächen-Pathogen-Response genutzt werden.
Die multivarianten Oberflächenstrukturen mit den dreidimensionalen Strukturelementen, die in einer hinreichenden Strukturvielfalt auf der Substratoberfläche ausgebildet sind, sollten ein topographieabhängiges- und somit örtlich determiniertes - spezifisches Adhäsionsverhaltens der jeweils nachzuweisenden Pathogene ermöglichen. Die Topographie einer Oberfläche eines Substrates unterstützt oder hemmt das Wachstum bestimmter Pathogene/Bakterien. Die mit dem DLIP-Verfahren mögliche Realisierung unterschiedlicher Strukturen auf einer Analysenfläche und die Kenntnis des für diese Strukturen spezifischen Adhäsionsverhaltens sowie deren lateralen und zeitlichen Ausprägungen kann die Grundlage einer ausgeprägten Sensitivität und Selektivität der Anordnung bilden.
Die Hyperspektrale Bildgebung (Hyperspectral Imaging - HSI) ermöglicht die qualitative/quantitative flächige Identifikation von Pathogenen/Bakterien anhand ihrer spezifischen spektralen Signaturen. 2 zeigt eine spezifische Oberflächentopographie (Monostruktur) und assoziierte HSI-Signale der adhärierten Bakterienstämme.
Dabei wird ein Lichtsignal, nach der Wechselwirkung mit der Probe (an der Oberfläche des Substrats angelagerte pathogene Mikroorganismen), sowohl spektral als auch lateral aufgelöst detektiert. Für jeden Punkt auf der Probe kann anhand der Auswertung des jeweiligen Spektrums Aussagen über Probeneigenschaften (hier z. B. das prinzipielle Vorhandensein von Pathogenen/Bakterien sowie deren Klassifikation) oder auch das Erreichen bzw. Überschreiten einer Mindestanzahl von Pathogenen/Bakterien erhalten werden. Je nach Anregungsmodus können dafür klassisch das Absorptions- oder Reflexionsverhalten ausgewertet werden, aber auch Fluoreszenzverhalten und Ramanstreuung ausgenutzt werden. Die dazu notwendige Messzeit beläuft sich dabei im Bereich von Sekunden bis wenige Minuten (abhängig von der Substratoberflächengröße, der lateralen und spektralen Auflösung, Belichtungs- / Akkumulationszeit).
Die HSI-Nachweisempfindlichkeit kann insbesondere im Raman/ Fluoreszenzmodus in Kombination mit den aufgebrachten Mikrostrukturen (Voraussetzung: hinreichend kleine Spitzen an den Oberflächen) durch Ausnutzen des sogenannten Surface-Enhanced-Raman-Spectroscopy-Effekt (SERS) nochmal drastisch erhöht werden. Damit werden Sensitivität, Spezifizität des Nachweises von Pathogenproben im Vergleich zu bisherigen Lösungen signifikant gesteigert. Daraus leitet sich unmittelbar ab, dass ein gesicherter Nachweis von Pathogenen bereits möglich ist, wenn diese lediglich in geringsten Konzentrationen vorliegen, wodurch schon nach kurzer Messzeiten (wenige Minuten) valide Ergebnisse erhalten werden können.
Die Identifikationsspezifik des Pathogenmesssystems kann durch Nutzen multivarianter Oberflächenregionen (sog. Segmenten), wie in 3 gezeigt, deutlich verstärkt werden. Das Auswerten der an der Oberfläche adsorbierten Pathogene ermöglicht die Identifikation sowohl von einzelnen Pathogenen als auch Kombinationen unterschiedlicher Pathogene. Aufgrund der definierten multivariant-strukturierten Oberfläche kann die Auswertung dabei unterschiedlich erfolgen:

- Spektral (Signal = f(λ) = „Pathogenklasse(n)“)
- Spektral in Abhängigkeit von der Zeit (Signal = f(λ,t) = „Pathogenklasse(n)“)
- Spektral in Abhängigkeit von der Topologie (Signal = f(λ, DLIP-Parameter) = „Pathogenklasse(n)“)Spektral in Abhängigkeit von der Zeit und Topologie (Signal = f(λ, DLIP-Parameter, t) = „Pathogenklasse(n)“)

Durch das Nutzen multivarianter Oberflächenbereiche kann ein eindeutiges Zuordnen von Pathogenen/Bakterien erfolgen, da eine direkte Verbindung zwischen Pathogen-/Bakterienadhärenz und vorliegender Oberflächentopographie, die mit den 2- bis 3-dimensionale Strukturelementen ausgebildet ist, vorliegt.
Ein alternativer Ansatz besteht im Realisieren einer kontinuierlichen, multivarianten Verteilung von dreidimensionalen Strukturelementen auf der Oberfläche durch eine kontinuierliche Variation der DLIP-Strukturparameter (siehe 5). In Folge kann die Oberfläche des Substrats flächenspezifisch mittels HSI qualitativ/quantitativ untersucht und ein multivariantes Adhäsionsverhalten von Pathogenen/Bakterien detektiert werden. Dabei können zielführend Methoden des maschinellen Lernens /Deep Learning eingesetzt werden, um spezifische Pathogensignaturen frühzeitig und zielsicher identifizieren zu können.
Im Vergleich zum Stand der Technik ergeben sich folgende Vorteile:

• Erhöhen der Nachweissensitivität
• Erhöhen der Nachweisspezifizität
• Verringern der Identifikationszeit von Bakterien/Pathogenen
• Einfacher Messaufbau
• Preiswerte Testsubstrate
• Extrem hohe Flexibilität → DLIP Parameter, riesiges potenzielles Parameterfenster
• Durch softwarebasierte Auswertung (Modelle) wie maschinelles Lerne/Deep Learning ist die Erfindung auf weitere Pathogene übertragbar

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft erläutert werden. Dabei zeigen:

1 4 Beispiele an Oberflächen von Substraten mit unterschiedlicher Oberflächenstrukturierung für eine spezifische Besiedlung mit Pathogenen;
2 ein Beispiel einer mit mehreren Pathogenen unterschiedlich besiedelten Oberfläche eines Substrates mit Diagrammen, die den Zusammenhang orts- und spektral aufgelöst erfasster Messsignale für drei unterschiedliche Bakterienarten als Beispiele für Pathogene verdeutlichen.
3 ein Beispiel einer in sechs Oberflächenbereiche A-F aufgeteilten Oberfläche eines mit Pathogenen besiedelten Substrates, bei dem die Oberflächenbereiche A-F mit voneinander unterschiedlicher Oberflächenstrukturierung für ein flexibles und paralleles Erkennen unterschiedlicher Pathogenarten ausgebildet sind, und einem mittig angeordneten Diagramm das unterschiedliche spektrale Verhalten in den einzelnen Oberflächenbereichen A-F sowie im rechts dargestellten Diagramm die in den Oberflächenbereichen A-F unterschiedliche Besiedlungskinetik verdeutlicht ist;
4 die in den Oberflächenbereichen A-F spezifische Besiedlungscharakteristik für drei unterschiedliche Bakterienarten, als Beispiele für zu erkennende Pathogene, in Abhängigkeit der jeweils unterschiedlichen Oberflächentopographie in den Oberflächenbereichen A-F und
5 eine Oberfläche eines Substrats mit kontinuierlicher Strukturvarianz durch eine kontinuierliche Variation der DLIP-Strukturparameter, die infolge der kontinuierlichen Veränderung der 2- bis 3-dimensionale Strukturelemente über die gesamte Oberfläche des Substrats zu einem flächenspezifischen mittels HSI qualitativ/quantitativ nachweisbaren Adhäsionsverhalten von Bakterien als Beispiel für Pathogene führt.

Claims

Anordnung zur Erkennung des Vorhandenseins von Pathogenen auf einer Oberfläche eines flächigen Substrats, bei der eine Oberfläche des Substrats (1) lokal definiert eine multivariate Oberflächenstruktur mit voneinander abweichenden Größen, Geometrien und/oder Ausrichtungen von 2- bis 3-dimensionalen Strukturelementen aufweist, wobei die einzelnen Strukturelemente eine laterale Ausdehnung im Bereich 10 nm bis 50 µm aufweisen und eine Lichtquelle zur Bestrahlung der 2- bis 3-dimensional strukturierten Oberfläche sowie mehrere Detektoren, die zur orts- und spektral aufgelösten Erfassung der an der 2- bis 3-dimensional strukturierten Oberfläche gestreuten, reflektierten und/oder transmittierten elektromagnetischen Strahlung vorhanden sind und die Detektoren mit einer elektronischen Auswerteeinheit verbunden sind, die zur Auswertung von mit den Detektoren orts- und spektralaufgelösten Intensitäten der gestreuten, reflektierten , transmittierten elektromagnetischen Strahlung, welche durch Streu-, Absorptions-, Ramanstreuungs- oder Fluoreszenzprozesse ausgebildet ist, und ein elektronischer Speicher vorhanden ist, in dem Vorhersagemodelle auf Basis von Spektren bekannter Pathogene auf ebendiesen 2- bis 3-dimensionalen Strukturelementen gespeichert sind, die mittels der elektronischen Auswerteeinheit für eine Klassifizierung und somit für den Nachweis des Vorhandenseins mindestens eines bestimmten Pathogens auf der 2- bis 3-dimensional strukturierten Oberfläche nutzbar sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 2- bis 3-dimensionale Strukturelemente als Vertiefungen oder Aufwölbungen in der Oberfläche des Substrats mittels Laserstrukturierung, insbesondere direkter Laser-Interferenz-Strukturierung und/oder laserinduzierter selbstorganisierter, periodischer Oberflächenstrukturierung ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 2- bis 3-dimensionale Strukturelemente ausgehend von mindestens einem äußeren Rand der Substratoberfläche sich kontinuierlich oder diskontinuierlich in ihrer Größe, Form und/oder Ausrichtung verändernd oder mehrere Oberflächenbereiche am Substrat vorhanden sind, die mit jeweils gleichen 2- bzw. 3-dimensionalen Strukturelementen ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Detektoren, die zur orts- und spektral aufgelösten Analyse elektromagnetischer Strahlung innerhalb eines Wellenlängenintervalls ausgebildet sind, in einer Reihen oder einer Reihen- und Spaltenanordnung angeordnet und die Detektoren mit der elektronischen Auswerteeinheit verbunden und so angeordnet sind, dass von einer Strahlungsquelle emittierte elektromagnetische Strahlung auf die Oberfläche des Substrats gerichtet und von der Oberfläche reflektierte, gestreute oder durch das Substrat hindurch transmittierte elektromagnetische Strahlung auf die Detektoren auftrifft.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Substrats mit einem Laserstrahl, der von einer Laserstrahlquelle emittiert wird, bestrahlt ist, so dass durch auf der Substratoberfläche vorhandene Pathogene eine Generierung von Raman- oder Fluoreszenzstrahlung erfolgt und die generierte Raman- oder Fluoreszenzstrahlung auf ein zur orts- und spektral aufgelösten Erfassung dieser Strahlung ausgebildetes Detektorarray gerichtet ist und Detektoren des Detektorarrays zur orts- und spektral aufgelösten Erfassung von den Pathogenen reflektierten oder gestreuten elektromagnetischen Strahlung ausgebildet sind und zwischen der Oberfläche des Substrats und dem Detektorarray ein optisches Filter oder ein Strahlteiler angeordnet ist, das/der so ausgebildet ist, dass elektromagnetische Strahlung mit der Wellenlänge des Laserstrahls nicht auf die Detektoren des Detektorarrays auftrifft; wobei zumindest die Detektoren des Detektorarrays (4) an eine elektronische Auswerteeinheit angeschlossen sind und die elektronische Auswerteeinheit zur Auswertung von mit den Detektoren des Detektorarrays erfassten orts- und spektralaufgelösten Intensitäten der Raman- oder Fluoreszenzstrahlung sowie die Durchführung einer Datenanalyse unter Berücksichtigung der Verteilung der die Pathogene repräsentierenden orts- und spektralaufgelösten Intensitäten auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung, die von einer breitbandigen Strahlungsquelle emittiert wird, auf die Oberfläche des Substrats mit den Strukturelementen gerichtet ist und dadurch eine für jeweilige Pathogene spezifisch durch Absorption, Brechung und Streuung beeinflusste reflektierte oder transmittierte elektromagnetische Strahlung mit Detektoren des Detektorarrays erfassbar ist, die mit einer elektronischen Auswerteeinheit zur Auswertung der von mit den Detektoren des Detektorarrays erfassten orts- und spektralaufgelösten Intensitäten der reflektierten oder transmittierten Strahlung sowie zur Durchführung einer Datenanalyse unter Berücksichtigung der Verteilung der die Pathogene repräsentierenden orts- und spektralaufgelösten Intensitäten auf der Oberfläche des Substrats verbunden ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Auswerteeinheit zur Datenanalyse, eine spektrale Auswertung in Abhängigkeit von der Zeit, eine spektrale Auswertung in Abhängigkeit von der Oberflächentopographie oder eine spektrale Auswertung in Abhängigkeit von der Zeit und der Oberflächentopographie zur Erkennung des Vorhandenseins von Pathogenen ausgebildet ist.