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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung der Bindungskinetik eines Analyten. Mittels der Vorrichtung ist insbesondere für unterschiedliche, jeweils in einem Fluid enthaltene Analyten die Rate bestimmbar, mit der sich der jeweilige Analyt an einem Komplementär anlagert. Die Bestimmung dieser Rate, also der Adsorptionsrate, erfolgt mittels der Vorrichtung auf spektroskopischem Wege und labelfrei, das heißt ohne, dass es einer speziellen Markierung des Analyten selbst bedarf. Darüber hinaus ist - gewissermaßen umgekehrt - mittels der Vorrichtung, als Desorptionsrate und dabei ebenfalls labelfrei, auch die Rate bestimmbar, mit welcher ein an einem Komplementär haftender Analyt durch ein bewegtes Fluid von diesem Komplementär abgelöst, also desorbiert wird. Die Bestimmung von Desorptionsraten erfolgt beispielsweise im Rahmen von Release-Studien oder bei der Beurteilung der Stabilität auf eine Oberfläche aufzubringender Schichten.
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Soweit in den nachfolgenden Darstellungen und in den Patentansprüchen von der Bestimmung der Bindungskinetik gesprochen wird, meint dies im weitesten Sinne die Bestimmung von Daten, welche diese Bindungskinetik, das heißt insbesondere zeitliche Verläufe der Anlagerung eines Analyten an einen oder seines Ablösens von einem Komplementär beschreiben, also die Bestimmung einer Adsorptionsrate oder einer Desorptionsrate und/oder davon ableitbarer, sich auf den Analyten beziehender physikalischer Größen oder chemischer Eigenschaften. Im Hinblick auf den bevorzugten Einsatzzweck der Vorrichtung beziehen sich die nachfolgenden Darstellungen im Allgemeinen auf die Bestimmung von Adsorptionsraten, ohne dass jedoch die Erfindung hierauf beschränkt wäre. Insoweit schließen der Begriff „Bindungskinetik“ und die Formulierung „Bestimmung der Bindungskinetik“ stets beide Möglichkeiten des Einsatzes der Vorrichtung, also deren wahlweise Verwendung zur Betrachtung von Adsorptionsvorgängen oder zur Betrachtung von Desorptionsvorgängen ein. Ebenso beziehen sich, abgesehen von dem insoweit ohnehin nicht beschränkend wirkenden Ausführungsbeispiel, zur Adsorptionsrate beziehungsweise zu deren Bestimmung gegebene Ausführungen in adäquater Weise immer auch auf die Desorptionsrate beziehungsweise auf deren Bestimmung. Die Erfindung selbst betrifft insbesondere wesentliche, gemeinsam in einem Gerät angeordnete Komponenten der Vorrichtung, deren Ausgestaltung und ihr Zusammenwirken.
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Für unterschiedliche Zwecke ist es erforderlich, die Bindungskinetik, nämlich insbesondere die Adsorptionsrate zu bestimmen, mit welcher sich ein in diesem Zusammenhang jeweils betrachteter Analyt an einem Komplementär anlagert oder von einer Oberfläche abgelöst wird. Bei dem Analyten kann es sich beispielsweise um eine chemische Substanz, wie einen medizinischen Wirkstoff, einen DNS-Abschnitt oder einen Antikörper, oder aber auch um ein Schwermetall oder um ein Nanopartikel handeln. So ist es zum Beispiel in der Pharmakologie bei der Entwicklung von Arzneimitteln wichtig zu wissen, wie sich ein in einem Medikament enthaltener Wirkstoff im Körper beziehungsweise an bestimmten Körperzellen anlagert. Die im Labor erfolgende Bestimmung der Adsorptionsrate erfolgt dabei ausgehend von einer den betreffenden Analyten mit sich führenden Flüssigkeit beziehungsweise von einem den Analyten mit sich führenden Fluid.
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Während gemäß dazu etablierten Verfahren die Bestimmung entsprechender Adsorptionsraten häufig durch eine geeignete Markierung (beispielsweise radioaktive Markierung) des insoweit betrachteten Analyten erfolgt, werden seit einiger Zeit vermehrt auch labelfreie, eine Markierung des Analyten nicht erfordernde Verfahren eingesetzt. Hierfür werden zum Beispiel Oberflächensensoren eingesetzt, welche mit einer für den betreffenden Analyten komplementären, das heißt zur Anhaftung des Analyten an der Oberfläche geeigneten Substanz versehen werden. Die in dieser Weise funktionalisierte Oberfläche wird dann von einem den Analyten enthaltenden Fluid angeströmt und untersucht, in welcher Weise und in welchem zeitlichen Verlauf sich physikalische Eigenschaften der Oberfläche durch den sich daran anlagernden Analyten verändern. Durch die Auswertung der Veränderung dieser physikalischen Eigenschaften der Oberfläche, wie beispielsweise der Veränderung einer Oberflächenladung oder des dielektrischen Verhaltens, über die Zeit betrachtet, kann dann im Wege des Vergleichs auf die Adsorptionsrate geschlussfolgert werden. Beispiele für vergleichende Verfahren oder sich solcher bedienender Vorrichtungen sind SPR (SPR = Surface Plasmon Resonance), Quartz Crystal Microbalance (Quarzkristall-Mikrowaagen) oder die Reflexions interferom etrie.
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Unterschiedliche Formen derartiger Oberflächensensoren werden beispielsweise in der
DE 10 2014 104 595 A1 erläutert. Dabei wird in der Druckschrift auch auf die Schwachstellen der beschriebenen Oberflächensensoren beziehungsweise auf die mit ihrem Einsatz verbundenen Nachteile eingegangen. Zur Vermeidung der in diesem Zusammenhang aufgezeigten Nachteile wird bei der in der Schrift beanspruchten Vorrichtung ein spektroskopisches Verfahren unter Einsatz einer speziellen, auch als Fluidik-Chip bezeichneten Mikrostruktur verwendet.
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Bei der Mikrostruktur handelt es sich um einen oder vorzugsweise mehrere in ein geeignetes Substrat, beispielsweise aus Glas, eingebrachte Mikrokanäle mit einer Höhe und einer Breite von jeweils wenigen Mikrometern. In den Mikrokanälen ist eine Haltestruktur in Form einer oder mehrerer am Boden der Mikrokanäle vorgesehener Vertiefungen ausgebildet. In die vorzugsweise mehreren, beispielsweise kalottenförmigen Vertiefungen werden Mikropartikel eingebracht, indem diese beispielsweise in die Mikrokanäle mit Hilfe eines Fluids, also zum Beispiel mittels einer Flüssigkeit, eingeschwemmt werden und am Boden der Mikrokanäle im Bereich der darin ausgebildeten Vertiefungen sedimentieren. Die transparenten sphärischen Mikropartikel sind an ihrer Oberfläche zur spezifischen Anlagerung des jeweils hinsichtlich seiner Adsorptionsrate zu untersuchenden Analyten funktionalisiert und weisen in ihrem Inneren einen durch Licht zum Leuchten anregbaren Fluoreszenzfarbstoff auf. Sie bilden hierdurch Mikrosensoren aus.
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Zum Zweck der Bestimmung einer Adsorptionsrate oder der Desorptionsrate wird ein jeweiliger Mikropartikel dem fokussierten Licht einer Lichtquelle, vorzugsweise eines Lasers, ausgesetzt. Der in dem Mikropartikel enthaltene Fluoreszenzfarbstoff wird hierdurch zur Aussendung von Licht angeregt, dessen Wellenlängenspektrum durch die Zusammensetzung des Farbstoffs und die Größe eines jeweiligen Mikropartikels bestimmt wird. Für Lichtmoden spezifischer Wellenlängen dieses Spektrums (Whispering Gallery Modes = WGM) stellt der Mikropartikel dabei einen mit dem Resonator eines Lasers vergleichbaren Resonanzraum dar, so dass diese Lichtmoden im Inneren des Mikropartikels durch Totalreflexion an der Innenseite seiner Oberfläche eine stehende Welle ausbilden und dadurch verstärkt werden, bevor schließlich ein Teil dieses Lichtes den Mikropartikel verlässt.
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Für die durch das Mikropartikel emittierten Lichtmoden werden mit Hilfe eines Spektrometers die Peakwellenlängen bestimmt. Danach wird die zuvor beschriebene Mikrostruktur von einem den zu untersuchenden Analyten enthaltenden Fluid durchspült. An der funktionalisierten Oberfläche der Mikropartikel beziehungsweise des zuvor ohne Anwesenheit des Analyten spektrografisch untersuchten Mikropartikels lagert sich der Analyt an. Setzt man nun während dieses Anlagerungsprozesses das Mikropartikel wiederholt dem zur Anregung des darin enthaltenen Farbstoffs dienenden Licht aus, verändert sich infolge des sich aufgrund der Anlagerungen an der Außenfläche des Mikropartikels verändernden Brechungsindexes die Lage der zuvor bestimmten Peakwellenlängen der aufgrund der Exposition mit dem Licht von dem Mikropartikel emittierten Lichtmoden. Diese Veränderung der Peakwellenlängen, welche spektrometrisch, also mittels eines optischen Empfängers erfasst wird, kann man rechentechnisch auswerten und daraus auf die Adsorptionsrate des jeweils betrachteten Analyten schließen.
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Die zuvor beschriebene optische Anregung der in der Mikrostruktur gehaltenen Mikropartikel und die spektrometrische Erfassung der von den Mikropartikeln aufgrund der optischen Anregung ausgehenden Lichtmoden erfordert einen vergleichsweise komplexen und präzise kalibrierten optischen Aufbau. In entsprechenden Labors gelangen hierfür üblicherweise optische Bänke zum Einsatz, entlang derer die jeweils erforderlichen optischen Komponenten angeordnet sind, wobei die für die Weiterleitung, die optische Aufbereitung und den Empfang der von einem Mikropartikel ausgehenden Lichtmoden vorgesehenen optischen Komponenten üblicherweise entlang einer Achse angeordnet sind. Zum einen erfordert dies einen gewissen Platzbedarf, zum anderen müssen aber auch aufwendigere Maßnahmen ergriffen werden, um die präzise Anordnung und optische Kalibrierung der Komponenten und die mittels dieser bewirkte Strahlführung und Lichtaufbereitung und damit das Untersuchungsergebnis nicht zu beeinträchtigen.
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Eine mit der in der vorgenannten Druckschrift beschriebenen Mikrostruktur vergleichbare Mikrostruktur wird beispielsweise auch in der
US 2003/0186 426 A1 offenbart. Allerding erfolgt die Immobilisierung in die Mikrokanäle eingebrachter Mikropartikel zum Zweck ihrer Untersuchung bei diese Struktur nicht mittels in den Kanälen vorgesehener Vertiefungen, sondern mittels einer optischen Pinzette.
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Eine insoweit vergleichbare Mikrostruktur wird zudem in der
WO 2010/141365 A2 beschrieben. Gegenstand dieser Druckschrift ist ein integriertes optofluidisches System bei dem in mikrofluidische Kanäle eingebrachte Mikropartikel mit Hilfe von Licht durch die Kanäle transportiert und an dafür vorgesehenen Stellen, ebenfalls nach dem Prinzip der optischen Pinzette temporär immobilisiert werden.
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In der
DE 11 2004 001 972 T5 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweisen von kleinen Anzahlen an Molekülen unter Verwendung der oberflächenverstärkten kohärenten anti-Stokes'schen Ramanspektroskopie (SERS) beschrieben. Die durch mehrere Einheiten ausgebildete Vorrichtung weist ein spektroskopisches System auf, welches mehrere Strahlenteiler zur Strahlführung umfasst.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche zur labelfreien quantitativen Bestimmung der Bindungskinetik, nämlich insbesondere zur Bestimmung der Adsorptionsrate eines in einem Fluid enthaltenen Analyten oder der Desorptionsrate eines an ein Fluid abgegebenen Analyten, das Analyseprinzip und eine Mikrostruktur der vorbeschriebenen Art verwendet und dabei einen möglichst kompakten und vergleichsweise robusten Aufbau aufweist.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Nachfolgend sollen die erfindungsgemäße Vorrichtung zur labelfreien spektroskopischen Bestimmung der Adsorptionsrate eines in einem Fluid enthaltenen oder zur Bestimmung der Desorptionsrate eines an ein Fluid abgegebenen Analyten und deren wesentliche Komponenten vorgestellt werden. Wesentlicher Bestandteil der Vorrichtung ist zunächst eine Lichtquelle zur Aussendung des für die spektroskopische Analyse verwendeten Lichtes. Bei dieser Lichtquelle handelt es sich vorzugsweise um einen pulsweitenmodulierten Laser mit einer Leistung zwischen 0,1 mW und 10 mW.
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Bei einem mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung hinsichtlich seines Adsorptionsverhaltens oder Desorptionsverhaltens untersuchbaren Analyten kann es sich, wie eingangs schon erwähnt, beispielsweise um eine chemische Substanz, wie einen medizinischen Wirkstoff, einen DNS-Abschnitt oder einen Antikörper oder dergleichen, oder aber auch um Schwermetallionen oder um Nanopartikel handeln.
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Ein weiterer Bestandteil der Vorrichtung ist ein hier als Fluidikmodul bezeichnetes Modul, welches aus einem bewegbaren Träger und aus einer auf diesem Träger angeordneten, von einem Fluid durchströmbaren Mikrostruktur besteht. Durch die vorgenannte, dafür entsprechend ausgebildete Mikrostruktur wird mindestens ein Mikropartikel gehalten, welches als optisch aktiver Mikrosensor fungiert. Die Begriffe Mikrosensor und Mikropartikel werden daher nachfolgend auch synonym gebraucht. Unter einem Fluid wird im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Flüssigkeit oder ein Gas (gegebenenfals auch Luft) verstanden.
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Der mindestens eine Mikrosensor ist zur Anlagerung eines der Mikrostruktur in einem Fluid zugeführten Analyten oder - im Falle der Bestimmung einer Desorptionsrate - zur Abgabe eines bereits an seiner Oberfläche anhaften Analyten an das der Mikrostruktur zugeführte Fluid ausbildet. Er ist ferner zum Emittieren von Lichtmoden infolge einer Exposition mit dem Licht der eingangs genannten Lichtquelle ausgebildet und wird daher im Kontext dieser Darstellungen zur Erläuterung der Erfindung auch als optisch aktiver Mikrosensor bezeichnet. Es handelt sich hierbei um ein kugelförmiges beziehungsweise um ein sphärisches Mikropartikel der eingangs, beim Stand der Technik beschriebenen Art mit einem Durchmesser zwischen 5 µm und 30 µm, vorzugsweise zwischen 7 µm und 12 µm. Je nach Ausführung des Fluidikmoduls ist dessen Mikrostruktur dazu ausgebildet, ein oder vorzugsweise mehrere solche Mikrosensoren zu halten. Das oder die von der Mikrostruktur gehaltene(n) und durch jeweilige Positionierung des Trägers des Fluidikmoduls jeweils einzeln der Exposition mit dem Licht der Lichtquelle ausgesetzte(n) Mikropartikel nehmen das einfallende Licht auf und geben die spezifischen Moden (WGM) ab, deren Wellenlängen durch den Fluoreszenzfarbstoff des jeweiligen Mikropartikels und durch in Abhängigkeit von der Partikelgröße auftretende Resonanzen sowie durch den sich infolge der Adsorption oder der Desorption des Analyten verändernden Unterschied zwischen dem Brechungsindex des Mikropartikels und dem seiner unmittelbaren Umgebung bestimmt werden.
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Bei dem Fluidikmodul handelt es sich vorzugsweise um einen Fluidik-Chip mit einer Mikrostruktur, der ebenfalls im Zusammenhang mit den Ausführungen zum Stand der Technik bereits beschriebenen Art. Die Mikrostruktur weist hierbei einen oder mehrere von einem Fluid durchströmbare Mikrokanäle auf, wobei am Boden jedes dieser Mikrokanäle eine oder mehrere Vertiefungen mit einer Tiefe zwischen 5 µm und 30 µm zur Ausbildung einer Haltestruktur für jeweils ein sphärisches Mikropartikel vorgesehen sind. Bei den im Zusammenhang mit dem bestimmungsgemäßen Einsatz der Vorrichtung jeweils in dieser Mikrostruktur gehaltenen Mikropartikeln handelt es sich - wie bereits ausgeführt - um kugelförmige (sphärische) Mikropartikel, deren Oberfläche zum Zweck der spezifischen Anlagerung eines jeweils auf sein Adsorptionsverhalten untersuchten Analyten komplementär funktionalisiert ist und welche darüber hinaus in ihrem Inneren einen Fluoreszenzfarbstoff aufweisen, der bei einer Exposition mit Licht einer bestimmten Wellenlänge die zur spektroskopischen Analyse herangezogenen Lichtmoden emittiert. Selbstverständlich ist das Fluidikmodul mit entsprechenden Anschlüssen versehen, über welche das jeweilige Fluid dem Mikrokanal beziehungsweise den Mikrokanälen zugeführt wird.
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Abgesehen von der vorstehend nochmals beschriebenen Ausbildungsform kann das Fluidikmodul aber beispielsweise auch in Form eines Arrays lebender Zellen, eines mittels elektrischer Felder gesteuerten Chips (Dielektrophoresechip) oder eines optisch gesteuerten Chips (Laserpinzette) realisiert sein oder mindestens einen in mikrofluidischen Tröpfchen gefangenen Sensor aufweisen. Das Fluidikmodul selbst soll jedoch im Rahmen der hier vorgestellten Erfindung nicht Gegenstand detaillierterer Betrachtungen sein, da dieses beispielsweise in der zuvor näher beschriebenen Ausbildungsform grundsätzlich aus dem Stand der Technik bereits bekannt und somit selbst nicht Gegenstand der Erfindung ist.
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Dennoch sollen an dieser Stelle dazu noch einige Anmerkungen erfolgen. Soweit sich aus dem Patentanspruch 1 ergibt, dass dem Fluidikmodul ein Fluid zugeführt wird und/oder, dass das Fluidikmodul zur Zuführung eines Fluids ausgebildet ist und/oder, dass die Vorrichtung Mittel zur Bewegung und zur Zuführung eines Fluids zu dem Fluidikmodul umfasst, meint dies, dass einem in der zuvor näher beschriebenen Weise ausgebildeten Fluidikmodul im Einzelfall auch ein anderes Fluid als das den Analyten enthaltende oder den Analyten von einem Mikropartikel ablösende Fluid zugeführt werden kann. Bei dem Fluidikmodul handelt es sich um eine austauschbare Komponente. Diese Komponente kann hierbei mit einer bereits ein oder mehrere Mikrosensoren haltenden Mikrostruktur mit den übrigen Komponenten der Vorrichtung in eine Wirkverbindung gebracht werden oder aber als ein Modul in dessen Mikrostruktur erst nach der Verbindung des Moduls mit den Komponenten der Vorrichtung, beispielsweise erst unmittelbar im Vorfeld der Untersuchung eines Analyten auf dessen Adsorptionsverhalten oder Desorptionsverhalten, ein oder mehrere Mikrospartikel eingebracht werden.
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Im letztgenannten Falle wird dem Fluidikmodul vor dem eigentlichen Untersuchungsvorgang mit Hilfe der schon erwähnten und im Patentanspruch 1 genannten Mittel zur Bewegung und zur Zuführung von Fluid zu der Mikrostruktur ein Fluid zugeführt, in welchem die an der Haltestruktur festzusetzenden optisch reaktiven Elemente zur Anlagerung oder zur Abgabe des zu untersuchenden Analyten, nämlich die funktionalisierten Mikropartikel suspendiert sind. Das heißt, dem eigentlichen Analysevorgang geht ein Spülvorgang zum Eintrag der Mikropartikel in die Mikrostruktur voraus. Beide Möglichkeiten, also sowohl eine Vorrichtung, bei welcher an der Mikrostruktur in dem zur Vorrichtung gehörenden Fluidikmodul bereits Mikropartikel festgesetzt sind, als auch eine Vorrichtung, bei welcher die Einbringung von Mikropartikeln in die Mikrostruktur erst unmittelbar vor dem eigentlichen Analysevorgang erfolgt, sollen demnach von der Erfindung umfasst sein. Darüber hinaus kann ein dem Fluidikmodul über besagte Mittel zugeführtes Fluid auch dem Spülen der Mikrostruktur zum Auslösen „verbrauchter“ Mikropartikel nach dem Abschluss eines Analysevorgangs dienen.
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Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind neben der Lichtquelle zur Aussendung des für die spektroskopische Analyse, nämlich für die Anregung des in den Mikropartikeln enthaltenen Fluoreszenzfarbstoffs verwendeten Lichtes und neben dem Fluidikmodul außerdem Elemente zur Strahlführung von dieser Lichtquelle ausgesendeten Lichtes und zur Strahlführung von einem in der Mikrostruktur gehaltenen Mikrosensor emittierter Lichtmoden. Zu diesen optischen Elementen gehört insbesondere ein Objektiv, auf welches die von einem Mikrosensor der Mikrostruktur des Fluidikmoduls emittierten Lichtmoden auftreffen, das heißt, über welches diese Lichtmoden in die ihrer Weiterleitung, Weiterverarbeitung und letztlich der Zuführung zu einem ebenfalls zur Vorrichtung gehörenden optischen Empfänger einfallen.
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Neben dem letztgenannten optischen Empfänger, bei dem es sich vorzugsweise um eine CCD- oder CMOS- Zeilenkamera handelt, gehören zur Vorrichtung weiterhin noch Aktuatoren zur Positionierung des Trägers des Fluidikmoduls, Mittel zur Bewegung und Zuführung eines Fluids zum Fluidikmodul, eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Adsorptionsrate des diesbezüglich jeweils betrachteten Analyten durch Auswertung der von dem optischen Empfänger empfangenen Lichtmoden sowie mindestens eine Steuereinheit zur Steuerung der Lichtquelle, zur Steuerung der Aktuatoren, zur Positionierung des Trägers und zur Steuerung der Mittel zur Bewegung und Führung von Fluid. Die letztgenannten Einheiten, nämlich die Auswerteeinheit und die mindestens eine Steuereinheit, können gegebenenfalls eine gemeinsame Einheit ausbilden. Bei einer solchen gemeinsamen Einheit kann es sich beispielsweise um ein Mikrocontrollersystem handeln.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zumindest deren Lichtquelle, die optischen Elemente zur Strahlführung, der optische Empfänger und die Aktuatoren für die in den 3 Raumrichtungen x, y, z erfolgende Positionierung des jeweils zu beleuchtenden, in der Mikrostruktur gehaltenen Mikropartikels durch Bewegung des Trägers des Fluidikmoduls gemeinsamen in einem Gerät angeordnet und werden folglich von einem gemeinsamen Gerätegehäuse aufgenommen. Mittels der Aktuatoren (xyz Stage) kann dabei der Träger, genauer gesagt ein jeweiliger, von der auf dem Träger angeordneten Mikrostruktur gehaltener Mikrosensor sehr genau, nämlich vorzugsweise mit einer Genauigkeit von besser als 0,2 µm, positioniert werden.
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Die Optik des eigentlichen Spektrometers, also vorzugsweise die schon angesprochene Zeilenkamera ist dabei gemäß einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung innerhalb dieses Gerätegehäuse nochmals von einem zusätzlichen Gehäuse umgeben, um das Ergebnis der hochempfindlichen Messung nicht durch Fremdlichteinflüsse zu beeinträchtigen.
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Das Merkmal, wonach die vorgenannten Komponenten gemeinsam in einem Gerät angeordnet sind, ist in diesem Zusammenhang so zu verstehen, dass eine jeweilige dieser Komponenten entweder komplett von dem Gerätegehäuse dieses Gerätes umschlossen ist oder aber nach außen hin zumindest teilweise sichtbar, mindestens durch eine Gehäusewand des Gerätegehäuses eingerahmt wird, wobei sie die betreffende Gehäusewand gegebenenfalls teilweise oder weitgehend vollständig durchragt. Letzteres kann sich beispielsweise, wie auch im Zusammenhang mit dem später noch zu erläuternden Ausführungsbeispiel zu zeigen sein wird, auf das schon erwähnte Objektiv beziehen, in welches die von einem Mikrosensor der Mikrostruktur emittierten Lichtmoden einfallen.
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Die besondere Herausforderung, die vorgenannten Komponenten in das Gerätegehäuse eines sie gemeinsam aufnehmenden Gerätes einzubringen, besteht dabei darin, das betreffende Gerät so zu gestalten, dass dieses einerseits einen kompakten Aufbau aufweist, andererseits aber der in jedem Falle zumindest nahezu vollständig innerhalb des Gerätegehäuses geführte Lichtweg für die von einem in der Mikrostruktur gehaltenen Mikrosensor emittierten, dem optischen Empfänger zuzuführenden Lichtmoden lang genug ist, um diese am Empfänger mit einer hinreichend hohen, das heißt mit einer eine zuverlässige Bestimmung einer Adsorptionsrate ermöglichenden Auflösung zu empfangen. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dies dadurch gewährleistet, dass das Licht innerhalb des Gerätegehäuses - und hierbei ist jegliches innerhalb des Gerätegehäuses geführte Licht, also sowohl das von der Lichtquelle ausgehende Licht als auch das Licht der von dem jeweiligen Mikrosensor der Mikrostruktur emittierten Lichtmoden gemeint - in drei verschiedenen Ebenen geführt wird.
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Dies geschieht, indem von der Lichtquelle ausgesendetes, zunächst in einer ersten Ebene geführtes Licht zur Exposition genau eines in der Mikrostruktur des Fluidikmoduls gehaltenen Mikrosensors (Mikropartikels) mittels eines optischen Umlenkelements in eine zweite Ebene umgelenkt und die in entgegengesetzter Richtung zunächst ebenfalls in dieser zweiten Ebene geführten, von einem jeweiligen Mikrosensor in der Mikrostruktur infolge der Lichtexposition emittierten und zur Bestimmung der Adsorptionsrate herangezogenen Lichtmoden mittels eines zweiten optischen Umlenkelements in eine von der ersten und der zweiten Ebene verschiedene dritte Ebene umgelenkt werden. Die von dem mit dem Licht der Lichtquelle bestrahlten, in der Mikrostruktur gehaltenen Mikrosensor emittierten und auszuwertenden Lichtmoden werden schließlich über weitere optische Elemente dem optischen Empfänger zugeführt. In dem bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anwendung kommenden Fluidikmodul werden für die (wie gesagt vorzugsweise mehreren) von dessen Mikrostruktur gehaltenen Mikrosensoren sehr hochwertige Sensoren verwendet, bei denen die spektrale Halbwertsbreite der emittierten Moden (FWHM = Full Widths at Half Maximum) unter 200 pm beträgt.
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Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausbildungsform der Vorrichtung ist die Strahlführung des Lichtes innerhalb des gemeinsamen, wesentliche Komponenten der Vorrichtung, wie insbesondere sämtliche optischen Komponenten aufnehmenden Gerätegehäuses derart, dass das von der Lichtquelle ausgesendete Licht zunächst entlang einer ersten Koordinatenachse des Raumes geführt, dann mittels eines ersten Strahlteilers (erstes optisches Umlenkelement) wellenlängenselektiv umgelenkt und entlang einer zu der ersten Koordinatenachse orthogonalen zweiten Koordinatenachse des Raumes auf die Mikrostruktur geführt wird. Die von einem Mikrosensor in der Mikrostruktur infolge der Lichtexposition emittierten Lichtmoden werden bei dieser Ausbildungsform zunächst ebenfalls entlang der vorgenannten zweiten Koordinatenachse, aber in entgegengesetzter Richtung zu dem zur partiellen Lichtexposition auf die Mikrostruktur geführten Licht geführt und dann mittels eines zweiten Strahlteilers (zweites optische Umlenkelement) wellenlängenselektiv umgelenkt und entlang einer sowohl zu der ersten als auch zu der zweiten Koordinatenachse orthogonalen dritten Koordinatenachse des Raumes über einen optischen Spalt einem optischen Gitter zugeführt. Schließlich wird dann das vom Gitter reflektierte und nach Wellenlängen aufgefächerte Licht dem optischen Empfänger zugeführt.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Fluidikmodul außerhalb des Gerätegehäuses an einer Gehäusewand des die wesentlichen, bei der grundsätzlichen Darstellung der Erfindung genannten Komponenten dieser Vorrichtung, wie insbesondere die optischen Elemente aufnehmenden Gerätegehäuses angeordnet. Das Fluidikmodul, nämlich dessen die Mikrostruktur tragender Träger, weist dazu geeignete mechanische Kopplungsmittel, also gewissermaßen eine mechanische Schnittstelle auf, über welche das Fluidikmodul mit entsprechenden, außen an dem Gerätegehäuse zugänglichen komplementären mechanischen Komponenten (Adaptern) verbunden und über diese in eine Wirkverbindung mit den Aktuatoren zur Positionierung der auf dem Träger angeordneten Mikrostruktur gebracht wird.
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Diese Ausbildungsform hat den Vorteil, dass das Fluidikmodul je nach dem jeweils zu analysierenden Analyten einfach gewechselt beziehungsweise umgerüstet werden kann, und zwar ohne das Erfordernis eines Eingriffs in das Gerät. Dies wiederum hat den Vorteil, dass einerseits an dem Gerätegehäuse keine entsprechenden Zugangsmöglichkeiten (Klappen, Fenster oder dergleichen) vorgesehen werden müssen und eine das Gerät bedienende Person bei einem Wechsel des Fluidikmoduls oder bei dessen Entfernen nach der Beendigung einer Analyse nicht eventuell ungewollt mit den hochpräzisen optischen Komponenten oder mit zu deren vorzugsweise werkseitig erfolgenden Einstellung und Kalibrierung vorgesehenen Elementen in Berührung kommt.
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Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist das bereits erwähnte Objektiv zum Einfall des Lichtes der von einem Mikrosensor emittierten Lichtmoden, eingerahmt von einem dafür in einer Gehäusewand vorgesehenen Durchbruch unmittelbar benachbart zu dem an dieser Gehäusewand über die schon genannten Adapter zu montierenden Fluidikmodul angeordnet. Bei dem Objektiv handelt es sich vorzugsweise nicht um ein Immersionsobjektiv, sondern um ein Trockenobjektiv mit einer 5 bis 100fachen, vorzugsweise um ein Long-Distance-Trockenobjektiv mit einer 10 bis 40fachen, besonders bevorzugt mit einer 20fachen Vergrößerung und mit einer numerischen Apertur zwischen 0,6 bis 1,2, jedoch von vorzugsweise mindestens 0,75 (NA ≥ 0,75).
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Im Hinblick auf das zuvor besprochene, die Gehäusewand durchragende Objektiv kann das Gerät der erfindungsgemäßen Vorrichtung derart ausgebildet sein, dass das Objektiv wechselbar ist. Je nach dem jeweiligen konkreten Einsatzfall kann das Gerät demnach bei der Analyse mit unterschiedlichen Objektiven betrieben werden. Letzteres kann aber darüber hinaus auch dadurch gewährleistet werden, dass die Vorrichtung von vornherein mit mehren unterschiedlichen Objektiven ausgestattet wird, von denen jeweils eines, nämlich das für den konkreten Analysevorgang benötigte - beispielsweise mittels einer entsprechend gesteuerten Revolverkonstruktion - in eine Arbeitsposition bewegt wird, in welcher die von einem Partikel der Mikrostruktur emittierten Lichtmoden über dieses ausgewählte Objektiv in das Gerätegehäuse geführt werden können. Auch eine derartige Ausbildungsform soll ausdrücklich von der Erfindung umfasst sein.
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Wie bereits ausgeführt wurde, wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Lichtquelle vorzugsweise ein pulsweitenmodulierter Laser mit einer Leistung zwischen 0,1 mW und 10 mW verwendet, wobei ein pulsweitenmodulierter Laser mit einer Leistung zwischen 0,5 mW und 1,5 mW besonders bevorzugt ist. Hierbei gilt es, die Laserleistung so zu bemessen, dass einerseits der jeweils für die Bestimmung der Adsorptionskinetik herangezogene, durch den Laserspot beleuchtete Mikrosensor zuverlässig zur Emission von auswertbaren Lichtmoden angeregt, aber andererseits ein vorzeitiges Ausbleichen des Mikrosensors, das heißt des Fluoreszenzfarbstoffs des Mikropartikels durch eine zu starke Erwärmung infolge der Bestrahlung mit dem Laserlicht vermieden wird. Letzteres ist auch der Grund dafür, dass ein jeweiliger Mikrosensor jeweils nur für die Dauer des Messvorgangs durch die Lichtquelle beleuchtet und dass der Laser pulsweitenmoduliert und die gesamte empfängerseitige Auswertung der eingehenden Lichtmoden damit korrespondierend getriggert wird. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Laserleistung, die Messdauer und die Messhäufigkeit frei einstellbar, je nach Anwendungsfall und unter Berücksichtigung der Beschaffenheit der dabei jeweils verwendeten Mikropartikel, also unter Berücksichtigung von Größen wie der Adsorptionsgeschwindigkeit, der Bleichgeschwindigkeit des Mikropartikels und der empfängerseitig festgestellten Signalintensität.
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In vorteilhafter weiterer Ausbildung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine ebenfalls in das Gerät integrierte Kamera. Im Falle der Verwendung der angesprochenen wellenlängenselektiven Strahlteiler zur Bewerkstelligung der erfindungsgemäß innerhalb des Gerätegehäuses vorgesehenen Lichtführung ist die betreffende Ausführungsform so gestaltet, dass diejenigen Lichtwellen, die nicht zum Zwecke der Auswertung dem Gitter und nachfolgend dem optische Empfänger zugeführt werden und ohne Umlenkung durch den zweiten Strahlteiler hindurchtreten, der vorgenannten Kamera zugeführt werden. Die Kamera ist über entsprechende Anschlüsse an dem Gerätegehäuse mit einem bildgebenden System, wie einem Monitor, verbunden, über welchen eine optische Kontrolle der automatischen Positionierung des jeweils zu beleuchtenden Mikrosensors durch entsprechende Bewegung des Trägers der Mikrostruktur während eines jeweiligen Analysevorgangs erfolgen und der Analysevorgang im Hinblick auf die Abtastung der in der Mikrostruktur gehaltenen Mikropartikel verfolgt werden kann. Dabei wird das automatische Scannen eines jeweils einzelnen der vorzugsweise, das heißt gemäß einer praxisrelevanten Ausbildung des Fluidikmoduls mehreren in der Mikrostruktur gehaltenen Mikropartikel durch deren softwaremäßige Erkennung im Rahmen einer Bildverarbeitung gewährleistet.
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Zu dem letztgenannten Zweck kann in weiterer Ausbildung der Erfindung noch eine zusätzliche Beleuchtungseinrichtung - vorzugsweise eine diffuse Lichtquelle - an dem Gerätegehäuse angeordnet sein, mittels welcher das Fluidikmodul ohne Beeinflussung des zur Analyse verwendeten Lichtes und der für die Analyse herangezogenen, durch einen Mikrosensor emittierten Lichtmoden beleuchtet werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass auch die eingangs genannte Auswerteeinheit zur Auswertung der am Empfänger eingehenden Lichtmoden und die mindestens eine Steuereinheit, also beispielsweise eine die letztgenannten Komponenten realisierende Mikrocontrollereinheit, in dem gemeinsamen, auch die optischen Komponenten aufnehmenden Gerätegehäuse angeordnet sind beziehungsweise ist.
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Zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung, genauer gesagt zu dem diese Vorrichtung im Wesentlichen repräsentierenden und wesentliche Komponenten, wie deren optische Elemente, aufnehmenden Gerät, soll nachfolgend anhand von Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel gegeben und erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
- 1: eine isometrische Darstellung des Gerätes mit einem Ausbruch in dem Gerätegehäuse,
- 2: das Gerät mit daran befestigtem Fluidikmodul in einer Draufsicht mit einem Ausbruch auf der Gehäuseoberseite,
- 3: ein Beispiel für die während eines Adsorptionsvorgangs auftretende Beeinflussung eines mittels des optischen Empfängers erfassten Spektrums,
- 4: ein Beispiel für die zeitabhängige Verschiebung der Modenpostion während eines Adsorptionsvorgangs.
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Die 1 zeigt eine isometrische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für den wesentlichen Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, nämlich für das diese Vorrichtung im Wesentlichen ausbildende und prägende sowie in erfindungswesentlicher Weise gestalte Gerät 1, durch welches wesentliche Komponenten, insbesondere die optischen Elemente 5, 6, 7, 8, 9, 13, 13' der beanspruchten Vorrichtung in einem gemeinsamen Gerätegehäuse 11 aufgenommen werden. In der Darstellung ist das Gerät 1 aus einem Blickwinkel von schräg vorne mit einem in das Gerätegehäuse 11 eingebrachten Ausbruch gezeigt. Aufgrund des in der Darstellung gemachten Ausbruchs sind darin die wesentlichen, in dem gemeinsamen Gerätegehäuse 11 vereinten Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung gut erkennbar.
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Wesentliche Komponenten der Vorrichtung, welche durch das Gerätegehäuse 11 aufgenommen werden, sind demnach eine Lichtquelle 2 zur Aussendung des für die spektroskopische Analyse, genauer gesagt zur Anregung des in den (auch wegen ihrer geringen Größe in der 1 nicht gezeigten) Mikropartikeln respektive den Mikrosensoren der Mikrostruktur 3 enthaltenen Farbstoffs dienenden Lichtes, und optische Elemente 5, 6, 7, 8, 9, 13, 13' zur Strahlführung und zur optischen Beeinflussung von dieser Lichtquelle 2 ausgesendeten Lichtes sowie von dem augenblicklich von der Lichtquelle 2 beleuchteten Mikrosensor in der Mikrostruktur 3 emittierter Lichtmoden. Es handelt sich hierbei um ein erstes optisches Umlenkelement 6 (im Weiteren erster Strahlteiler 6) und um ein zweites optisches Umlenkelement 7 (im Weiteren zweiter Strahlteiler 7), ein Objektiv 5, einen optischen Spalt 8, ein optisches Gitter 9 und zwei der Strahlfokussierung dienende Linsen 13, 13'. Der ebenfalls ein wesentliches optische Element, das heißt eine wesentliche optische Komponente darstellende optische Empfänger 10 ist in dieser Zeichnung nicht sichtbar, da er durch eine Zwischenwand verdeckt ist. Jedoch ist der optische Empfänger 10 gut in der später noch zu erläuternden 2 zu erkennen.
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Eine weiter wesentliche, in der 1 dargestellte Komponente der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche jedoch bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel nicht durch das Gerätegehäuse 11 aufgenommen wird, ist das Fluidikmodul 3, 4. Wie aus der Figur ersichtlich, ist dieses außerhalb des Gerätegehäuses 11 auf der Oberseite des Gerätes 1 in unmittelbarer Nähe der oberen Gehäusewand 12 angeordnet. Das aus einem in den drei Raumdimensionen x, y und z bewegbaren Träger 4 und der darauf angeordneten Mikrostruktur 3 bestehende Fluidikmodul 3, 4 ist mittels geeigneter, in der Zeichnung nicht im Detail dargestellter Verbindungsmittel mit ebenfalls nicht gezeigten komplementären Verbindungsmitteln der Gerätes 1 über mindestens einen (nicht gezeigten) Durchbruch in der oberen Gehäusewand 12 verbunden und über diese komplementären Verbindungselemente in eine Wirkverbindung mit zur Bewegung des Trägers 4 dienenden Aktuatoren 14, 15 gebracht.
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Bei den Aktuatoren 14, 15 handelt es sich um Linearmotoren und um deren Bewegungen auf die das Fluidikmodul 3, 4 ankoppelnden Verbindungselemente übertragende mechanische Elemente. Mittels der Aktoren 14, 15 (xyz Stage) kann der Träger 4 des Fluidikmoduls 3, 4 und mit ihm die darauf angeordnete Mikrostruktur 3 gesteuert durch eine nicht gezeigte Steuereinheit bezüglich der drei Raumdimensionen mit einer Genauigkeit im Submikrometerbereich hoch präzise positioniert werden. Für die Zuführung von Fluid, mittels welchem darin suspendierte, funktionalisierte Mikropartikel und/oder der jeweils zu untersuchende, an den zuvor in die Mikrostruktur eingebrachten Mikropartikeln anzulagernde Analyt in die Mikrokanäle der Mikrostruktur 3 eingebracht wird, sind an dem Fluidikmodul 3, 4 entsprechende, hier nicht gezeigte Anschlüsse vorgesehen. Das jeweilige Fluid wird dem Fluidikmodul 3, 4 über dazu an diesem ausgebildete (hier nicht erkennbare) Anschlüsse und an diesen zu befestigende Verbindungsleitungen mittels einer Pumpe zugeführt. Auch die vorgenannten Verbindungsleitungen, für deren Verbindung mit den Anschlüssen des Fluidikmoduls 3, 4 erforderliche Dichtelemente sowie die genannte Pumpe sind in der Zeichnung nicht gezeigt.
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Bei der das für die spektroskopische Untersuchung verwendete Licht aussendenden Lichtquelle 2 handelt es sich, gemäß dem hier gezeigten Beispiel, um einen pulsweitenmodulierten Laser, welcher Laserstrahlung im violetten Spektralbereich, nämlich mit einer Wellenlänge von 405 nm, aussendet. Diese Laserstrahlung, welche zunächst entlang der Koordinatenachse x geführt ist, wird durch den ersten wellenlängenselektiv ausgebildeten, nämlich diesbezüglich auf eine Wellenlänge von 405 nm abgestimmten Strahlteiler 6 in eine zweite Ebene umgelenkt und in dieser entlang der Koordinatenachse y auf die Mikrostruktur 3 des Fluidikmoduls 3, 4, genauer gesagt auf ein darin gehaltenes, entsprechend positioniertes Mikropartikel, geführt. Hier trifft der Lichtestrahl des Lasers bei einem entsprechend dem gezeigten Ausführungsbeispiel realisierten Prototyp des Gerätes 1 unter Bildung eines Lichtpunktes mit einem Durchmesser von etwa 10 µm mit einer Leistung von ca. 1 mW auf. Beim Auftreffen der Laserstrahlung wird der in dem betreffenden Mikropartikel enthaltene Farbstoff zum Leuchten angeregt. Dabei bilden sich mehrere resonante Lichtmoden unterschiedlicher Wellenlängen im Bereich der Fluoreszenzbande des verwendeten Farbstoffes aus, zum Beispiel mit Wellenlängen im Bereich zwischen 470 und 520 nm, wobei je Resonanzwellenlämge zwei zueinander gehörende Moden, nämlich eine TE-Mode und eine TM-Mode ausgebildet werden, die bezüglich ihrer elektrischen Feldkomponente und ihrer magnetischen Feldkompnente zueinander orthogonal polarisiert sind. Teile dieses Lichtes verlassen schließlich das Mikropartikel und werden insoweit von diesem emittiert.
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Ein Teil des Lichtes mit den von einem aktuell dem Licht der Lichtquelle 2 ausgesetzten Mikropartikel emittierten Lichtmoden, wird über eine Ausnehmung in der Gehäusewand 12 von dem Objektiv 5 eingefangen und über dieses, entgegen der Richtung des auf das Mikropartikel treffenden Lichtes der Lichtquelle 2, ebenfalls entlang der Koordinatenachse y in das Gerät 1 geführt. Hier durchdringen beziehungsweise passieren diese Moden zunächst den die Wellenlängen dieser Moden nicht reflektierenden ersten Strahlteiler 6 und fallen schließlich auf den bezüglich dieser Wellenlängen selektiv ausgelegten zweiten Strahlteiler 7. Durch den zweiten Strahlteiler 7 wird Licht mit Wellenlängen unterhalb von 550 nm wiederum in eine andere Ebene umgelenkt und hier entlang der Koordinatenachse z zunächst über den der Strahlformung dienenden optischen Spalt 8 und dann auf das optische Gitter 9 geführt. Licht mit Wellenlängen oberhalb von 550 nm passiert hingegen auch den zweiten Strahlteiler 7 und wird unterhalb des Strahlteilers 7 durch einen Umlenkspiegel 18 einer zur Bildgebung genutzten Kamera 16 zugeleitet.
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Die in der Figur eingetragenen Pfeile sollen die zuvor dargestellten Lichtwege verdeutlichen, wobei durch einen entsprechenden Doppelpfeil erkennbar gemacht ist, dass der Abschnitt zwischen dem ersten Strahlteiler 6 und der Mikrostruktur 3 in wechselnder Richtung von Licht passiert wird, nämlich zum einen von dem durch den ersten Strahlteiler 6 entlang der Koordinatenachse y in Richtung der Mikrostruktur umgelenkten Licht der Lichtquelle 2 und zum anderen von den Lichtmoden, welche durch das jeweils diesem Licht ausgesetzte Mikropartikel der Mikrostruktur 3 emittiert werden und nach dem Eintritt in das Gerätegehäuse 11 über das Objektiv 5 - symbolisiert durch die Pfeilverlängerung zwischen dem ersten Strahlteiler 6 und dem zweiten Strahlteiler 7 - den ersten Strahlteiler 6 passieren.
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Die zur spektroskopischen Untersuchung genutzten, auf das optische Gitter 9 geführten Lichtmoden werden durch das Gitter reflektiert und das reflektierte Licht dabei außerdem bezüglich seines Wellenlängenspektrums aufgefächert sowie schließlich dem hier nicht zu sehenden optischen Empfänger 10 (siehe 2) zugeführt. Zwischen dem optischen Spalt 8 und dem optischen Gitter 9 einerseits sowie zwischen dem optischen Gitter 9 und dem optischen Empfänger 10 andererseits ist jeweils eine der Strahlfokussierung dienende Sammellinse 13, 13' angeordnet. Bei dem Linsenpaar 13, 13' handelt es sich um zwei bezüglich ihrer optischen Eigenschaften identische Linsen. Das durch den optischen Empfänger 10 empfangene Licht wird mittels einer hier wiederum nicht gezeigten Verarbeitungseinheit ausgewertet. Dabei werden im Hinblick auf zueinander gehörende Moden (zueinander orthogonal polarisierte TM-Moden und TE-Moden) jeweils mindestens die Moden maximaler Lichtintensität zur Auswertung herangezogen.
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Zudem werden hinsichtlich der bei diesen Moden im zeitlichen Verlauf aufgrund der Anlagerung eines Analyten an dem diese Moden emittierenden Mikrosensor (Bewertung der Bindungskinetik im Hinblick auf eine Adsorptionsrate) oder der Abgabe eines bereits zu Beginn des Analysevorgangs an dem Mikrosensor anhaftenden Analyten (Bewertung der Bindungskinetik im Hinblick auf eine Desorptionsrate) auftretenden Verschiebung der jeiligen Peakwellenlänge mehrere Moden unterschiedlicher Resonanzwellenlängen ausgewertet. Dies ermöglicht die Bestimmung der exakten Partikelgröße (des Partikeldurchmessers) des betrachteten Mikrosensors und deren Berücksichtigung bei der Bestimmung der Adsorptions- oder Desorptionsrate, woraus letztlich eine höhere Auflösung des Messergebnisses resultiert.
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So erzeugt beispielsweise die Adsorption einer 2 nm bis 3 nm dicken Polymerschicht auf der Sensoroberfläche eine Verschiebung der Modenwellenlänge von etwa 200 pm bis 300 pm in Abhängigkeit vom Brechungsindex des Polymers. Um die Adsorption von wenigen Molekülen effektiv an der Oberfläche detektieren zu können, müssen daher Verschiebungen von mindestens 20 pm oder besser detektiert werden. Das erfordert eine extrem hochauflösende spektroskopische Anordnung, welche mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisiert wird. In Versuchen konnten mit einer Vorrichtung entsprechend dem hier erläuterten Ausführungsbeispiel Auflösungen von unter 10 pm erreicht werden.
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Wie bereits bei der allgemeinen Darstellung der Erfindung ausgeführt, können die letztgenannte Auswerteeinheit und die Steuereinheit oder die Steuereinheiten zur Steuerung der Lichtquelle 2, zur Steuerung der Aktuatoren 14, 15 für die Positionierung des Fluidikmoduls 3, 4 sowie zur Steuerung der Mittel zur Bewegung und Führung des Fluids mit den Mikropartikeln und/oder des Fluids mit dem Analyten gemeinsam durch ein Mikrocontrollersystem realisiert sein.
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Die aus den vorhergehenden Erläuterungen erkennbar werdenden Vorgänge der Exposition eines in der Mikrostruktur 3 gehaltenen Mikrosensors (Mikropartikels) mit dem Licht der Lichtquelle 2 und des Führens der infolge dieser Exposition von diesem Mikrosensor emittierten Lichtmoden auf den optischen Empfänger 10 werden während eines Analyseprozesses mehrfach wiederholt. Dabei wird ein entsprechendes, für den zu untersuchenden Analyten funktionalisiertes Mikropartikel zunächst ohne die Anwesenheit des Analyten mit dem Licht des pulsweitenmodulierten Lasers (Lichtquelle 2) bestrahlt und eine Auswertung der infolge dessen von dem Mikropartikel emittierten Lichtmoden vorgenommen. Danach wird das Fluidikmodul 3, 4, also dessen Mikrostruktur 3, durch das Fluid mit dem zu untersuchenden Analyten durchspült. Währenddessen wird die Messung an einem jeweils betrachteten Mikropartikel der Mikrostruktur 3 wiederholt, nämlich wahlweise entsprechend der erwarteten Geschwindigkeit der zu erfassenden bindungskinematischen Vorgänge mit einer Abtastrate von bis zu 25 Hz. Das heißt das betreffende Mikropartikel wird wiederholt dem Licht des Lasers ausgesetzt und es werden jeweils die an dem optischen Empfänger 10 eingehenden Lichtmoden ausgewertet. Während dieses Vorgangs verschiebt sich aufgrund der bis zu einer Sättigung fortdauernden Anlagerung des Analyten an das Mikropartikel die Peakwellenlänge der von dem Mikropartikel emittierten Lichtmoden. Aus dieser Verschiebung, wie sie beispielhaft das in der 3 gezeigte Spektrum veranschaulicht, wird automatisiert der zeitliche Verlauf der Anlagerung des Analyten an das Mikropartikel, also die Adsorptionsrate des Analyten, berechnet. Ein beispielhaftes Ergebnis dieser Berechnung wird durch die 4 veranschaulicht.
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Das jeweils von einem Mikropartikel der Mikrostruktur 3 emittierte Licht wird, wie bereits ausgeführt, mittels des Objektivs 5 eingefangen. Bei dem Objektiv 5 handelt es sich gemäß dem Ausführungsbeispiel um ein Spezialobjektiv mit 20facher Vergrößerung und einer numerischen Apertur von mindestens 0,75.
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Die spezielle Strahlführung des Lichtes innerhalb des Gerätegehäuses 11 ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise für das Gerät 1 bei Gewährleistung einer sehr präzisen Bestimmbarkeit von Adsorptionsraten mittels der erfindungsgemäßen, das Gerät 1 als Hauptbestandteil umfassenden Vorrichtung. Bei dem schon erwähnten Prototyp des Gerätes 1 wird bei Kantenlägen des Gerätegehäuses 11 von ca. 223 mm in der Breite, ca. 193 mm in der Höhe und ca. 568 mm in der Tiefe (Länge) für die von einem bestrahlten Mikropartikel emittierten, zur Bestimmung der Adsorptionsrate dem optischen Empfänger 10 zugeführten Lichtmoden eine Strahlengangslänge von ca. 400 mm realisiert. Das Gerät respektive die Vorrichtung ermöglicht dabei unter den vorstehend schon genannten Randbedingungen (insbesondere: Lichtquelle 2 = pulsweitenmodulierter Laser mit einer Wellenlänge von 405 nm, Exposition eines Mikropartikels der Mikrostruktur mit einer Lichtleistung von 1 mW bei einem Lichtspot mit ca. 10 µm Durchmesser, Emission von Lichtmoden durch das jeweils beleuchtete, von der Mikrostruktur 3 gehaltene Mikropartikel im Bereich von 470 nm bis 520 nm und bei Verwendung eines 20fach vergrößernden Objektivs mit NA ? 0,75) für die Bestimmung der jeweiligen Peakwellenlängen der am optischen Empfänger eintreffenden Lichtmoden eine optische Auflösung von < 10 pm, welche im Wege der Interpolation, nämlich durch eine Modellierung der Kurven auf eine Lorentz-Verteilung hinunter bis auf etwa 5 pm gesteigert wird.
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Die bereits erwähnte, unten rechts in der Darstellung innerhalb des Gerätegehäuses 11 angeordnete Kamera 16 dient in Kombination mit einem daran anzuschließenden (hier nicht gezeigten) Display der optischen Kontrolle der Position des Fluidikmoduls 3, 4 und des Ablaufs des Adsorptionsvorgangs durch einen Servicetechniker oder durch eine Bedienperson. Zur Unterstützung der Bildgebung ist bei der Ausbildungsform gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel, ebenfalls außerhalb des Gerätegehäuses 11, eine diffuse Lichtquelle 17 (zum Beispiel LED-basiert) als zusätzliches Beleuchtungsmittel 17 oberhalb des Fluidikmoduls 3, 4 angeordnet.
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Neben seiner kompakten Bauweise zeichnet sich das Gerät 1 außerdem durch eine hohe Robustheit und geringen Wartungsaufwand aus. Aufgrund der Anordnung des Fluidikmoduls 3, 4 außerhalb des Gerätegehäuses 11 ist dessen einfacher Austausch ohne Eingriff in das Gerät 1 möglich, was zugleich eine hohe Bedienfreundlichkeit mit sich bringt. Zur Bedienung des Gerätes 1 bei der Durchführung eines Analysevorgangs zur Bestimmung einer Adsorptionsrate sind bei dem im Beispiel gezeigten Gerät 1 an dessen Oberseite Bedien- und Anschlusselemente 19, nämlich ein Ein-/Ausschalter und eine USB-Buchse für einen Datenaustausch, vorgesehen. Im Hinblick auf die komplexe und selbst vergleichsweise hohe Empfindlichkeit der im Inneren des Gerätes 1 angeordneten Optik besteht in diesem Kontext ein weiterer Vorteil darin, dass nur sehr wenige Verstellmöglichkeiten zur Justage der Komponenten und Elemente dieser Optik vorgesehen sind, welche sich auf im Einzelfall unumgängliche Kalibriereinstellungen beschränken. So besteht beispielsweise im Hinblick auf letzteres vorzugsweise für einen Servicetechniker die Möglichkeit, die Aktuatoren 14, 15 zur Positionierung des Trägers 4 mit der darauf angeordneten Mikrostruktur 3 des Fluidikmoduls 3, 4 zu kalibrieren. Hierbei wird der Servicetechniker durch die bildliche Wiedergabe partieller Bereiche der Mikrostruktur mittels der Kamera 16 unterstützt.
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Die 2 zeigt das in der 1 dargestellte und zuvor erläuterte Gerät 1 nochmals in einer Draufsicht, wobei die Gehäusewand 12 auf der Geräteoberseite für die Darstellung teilweise ausgebrochen wurde. In dieser Darstellung ist neben dem optischen Spalt 8, dem optischen Gitter 9 und den beiden identischen Linsen 13, 13' insbesondere auch das Spektrometer mit dem optischen Empfänger 10 erkennbar. Um Restlichteinflüsse durch Umgebungslicht zu vermeiden, welche die Genauigkeit der Messergebnisse beeinträchtigen könnten, wird das Spektrometer innerhalb des Gerätegehäuses 11 nochmals durch ein weiteres Gehäuse aufgenommen. Auch das Fluidikmodul 3, 4 ist in der 2 ebenfalls nochmals gut zu erkennen.
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Die 3 zeigt beispielhaft die Verschiebung der Peakwellenlängen, wie sie bei von einem Mikropartikel mit einem Durchmesser von 7 µm während eines Adsorptionsvorgangs emittierten Lichtmoden auftritt. Die durchgezogene Linie zeigt das Spektrum der von dem Mikropartikel vor dem Beginn der Adsorption bei einer Exposition mit dem Licht der Lichtquelle 2 emittierten, durch den optischen Empfänger 10 erfassten Lichtmoden. Die gestrichelte Linie zeigt das entsprechende Spektrum zum Ende der Adsorption von Streptavidin in einem PBS Puffer (PBS = Phosphate buffered saline - Phosphat-gepufferte Salzlösung) an die biotinylierte Partikeloberfläche.
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Durch die 4 wird beispielhaft die zeitabhängige Verschiebung der Modenposition, respektive der Peakwellenlängen der von einem 10 µm Mikropartikelartikel während der Adsorption einer Lösung von Streptavidin in PBS Puffer an die biotinylierte Partikeloberfläche emittierten und mittels des optischen Empfängers 10 erfassten Moden veranschaulicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gerät
- 2
- Lichtquelle
- 3, 4
- Fluidikmodul mit Mikrostruktur 3 und Träger 4
- 5
- Objektiv
- 6
- erstes optisches Umlenkelement (erster Strahlteiler)
- 7
- zweites optisches Umlenkelement (zweiter Strahlteiler)
- 8
- optischer Spalt
- 9
- optisches Gitter
- 10
- optischer Empfänger
- 11
- Gerätegehäuse
- 12
- Gehäusewand
- 13, 13'
- Linse
- 14, 15
- Aktuatoren für Bewegung in x, y, z Richtung
- 16
- Kamera
- 17
- (zusätzliches) Beleuchtungsmittel
- 18
- Umlenkspiegel
- 19
- Bedien- und Anschlusselemente
