DE102021203922A1

DE102021203922A1 - Cartridge, processing device and method for determining a refractive index of a medium

Info

Publication number: DE102021203922A1
Application number: DE102021203922.7A
Authority: DE
Inventors: Anke Detzer; Ingo Ramsteiner; Tanja Maucher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-04-20
Filing date: 2021-04-20
Publication date: 2022-10-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kartusche (10) für eine Prozessierungseinrichtung zum Prozessieren einer insbesondere biologischen Probe, wobei die Kartusche (10) mindestens ein Substrat (11) aufweist, in dem eine Analysenkammer (12) angeordnet ist. Mindestens ein optisches Merkmal ist oberhalb der Analysenkammer (12) an dem Substrat (11) angeordnet. Zum Ermitteln einer Brechzahl eines Mediums in der Analysenkammer (12) wird ein Lichtstrahl (20) so unter einem Einfallswinkel (αi) zu einem Lot (30) durch das Substrat (11) in die Analysenkammer (12) eingestrahlt, dass er das optische Merkmal beleuchtet, und ein Sensor (40) den am Boden der Analysenkammer reflektierten Lichtstrahl (20) erfasst. Aus einer Abbildung des optischen Merkmals im am Boden der Analysenkammer (12) reflektierten Lichtstrahl (20) wird auf die Brechzahl des Mediums geschlossen. Die Prozessierungseinrichtung ist eingerichtet, um mittels dieses Verfahrens die Brechzahl des Mediums in der Analysenkammer (12) zu ermitteln.The invention relates to a cartridge (10) for a processing device for processing an in particular biological sample, the cartridge (10) having at least one substrate (11) in which an analysis chamber (12) is arranged. At least one optical feature is arranged on the substrate (11) above the analysis chamber (12). To determine a refractive index of a medium in the analysis chamber (12), a light beam (20) is radiated through the substrate (11) into the analysis chamber (12) at an angle of incidence (αi) to a perpendicular (30) in such a way that it affects the optical feature illuminated, and a sensor (40) detects the light beam (20) reflected at the bottom of the analysis chamber. The refractive index of the medium is deduced from an image of the optical feature in the light beam (20) reflected at the bottom of the analysis chamber (12). The processing device is set up to use this method to determine the refractive index of the medium in the analysis chamber (12).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prozessierungseinrichtung zum Prozessieren einer insbesondere biologischen Probe und eine Kartusche für die Prozessierungseinrichtung. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln einer Brechzahl eines Mediums in einer Analysenkammer der Kartusche.The present invention relates to a processing device for processing a particularly biological sample and a cartridge for the processing device. In addition, the present invention relates to a method for determining a refractive index of a medium in an analysis chamber of the cartridge.

Stand der TechnikState of the art

Prozessierungseinrichtungen zum Prozessieren biologischer Proben, die als Labon-Chip Plattform ausgeführt sind, weisen ein Analysegerät und mindestens eine Kartusche auf. In den Kartuschen sind molekulardiagnostische Assays implementiert. Hierzu werden auf der Kartusche Reagenzien vorgelagert, ein fluidisches Netzwerk zur Verfügung gestellt sowie ein pneumatisches Netzwerk zur Verfügung gestellt, um Pumpen und Ventile des fluidischen Netzwerks zu steuern. In Assays auf Basis der quantitativen Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) ist das Analysengerät eingerichtet eine Analysenkammer der Kartusche mit Anregungslicht zu beleuchten und das daraufhin abgestrahlte Fluoreszenzlicht mit einer Kamera zu erfassen.Processing devices for processing biological samples, which are designed as a lab chip platform, have an analysis device and at least one cartridge. Molecular diagnostic assays are implemented in the cartridges. For this purpose, reagents are stored upstream on the cartridge, a fluidic network is made available and a pneumatic network is made available in order to control pumps and valves of the fluidic network. In assays based on the quantitative polymerase chain reaction (qPCR), the analytical device is set up to illuminate an analysis chamber of the cartridge with excitation light and to record the fluorescent light that is then emitted with a camera.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Die Kartusche für eine Prozessierungseinrichtung zum Prozessieren einer insbesondere biologischen Probe weist mindestens ein Substrat auf, in dem eine Analysenkammer angeordnet ist. Diese Analysenkammer kann Teil eines fluidischen Netzwerks sein. Das Transportieren einer Probe in eine solche Analysenkammer erfolgt üblicherweise mittels eines Transportmediums. Transportmedien für biologische Proben haben die Aufgabe, mikrobielle oder humane Nukleinsäuren zu stabilisieren und werden beispielsweise bei Durchführung eines Abstrichs verwendet. Es können unterschiedliche Transportmedien wie beispielsweise UTM (Universal Transport Medium), PBS (Phosphate Buffered Saline), eNAT oder RLT (RNeasy Lysis Buffer) verwendet werden. Wenn ein unzureichend geschulter oder unaufmerksamer Nutzer das falsche Transportmedium verwendet, kann es allerdings zu Fehlbestimmungen bei der Analyse kommen.The cartridge for a processing device for processing a particularly biological sample has at least one substrate in which an analysis chamber is arranged. This analysis chamber can be part of a fluidic network. A sample is usually transported into such an analysis chamber by means of a transport medium. Transport media for biological samples have the task of stabilizing microbial or human nucleic acids and are used, for example, when taking a swab. Different transport media such as UTM (Universal Transport Medium), PBS (Phosphate Buffered Saline), eNAT or RLT (RNeasy Lysis Buffer) can be used. However, if an insufficiently trained or inattentive user uses the wrong transport medium, incorrect determinations can occur in the analysis.

Es ist deshalb vorgesehen, dass mindestens ein optisches Merkmal an dem Substrat angeordnet ist. Vorzugsweise kann das optische Merkmal oberhalb der Analysenkammer an dem Substrat angeordnet sein. Alternativ kann das optische Merkmal an einer anderen Stelle des Substrats angeordnet sein, beispielsweise an einem anderen Bereich, der die Analysenkammer begrenzt, beispielsweise an einer Seitenwand der Analysenkammer. Dabei kann das Substrat zumindest in einem Bereich, welcher das optische Merkmal umfasst, transparent sein. Im Folgenden wird beschrieben werden, wie in einer Referenzmessung unter Ausnutzung dieses optischen Merkmals ermittelt werden kann, welches Transportmedium sich in der Analysenkammer befindet bzw. ob diese überhaupt ein Transportmedium enthält. Dazu werden lediglich die in der Prozessierungseinrichtung sowieso vorhandenen Elemente wie eine Lichtquelle und ein Sensor, insbesondere eine Kamera, zum Empfangen von die Analysenkammer verlassenden Licht benötigt. Unter „oberhalb der Analysenkammer“ bzw. „Oberseite“ wird dabei in Richtung der Lichtquelle und des Sensors verstanden, während unter „unterhalb der Analysenkammer“ bzw. „Unterseite“ in Richtung einer Pneumatikschicht verstanden wird.It is therefore provided that at least one optical feature is arranged on the substrate. The optical feature can preferably be arranged on the substrate above the analysis chamber. Alternatively, the optical feature can be arranged at another location on the substrate, for example at another area that delimits the analysis chamber, for example at a side wall of the analysis chamber. In this case, the substrate can be transparent at least in a region which includes the optical feature. It will be described below how a reference measurement using this optical feature can be used to determine which transport medium is in the analysis chamber or whether it contains a transport medium at all. All that is required for this purpose are the elements that are present anyway in the processing device, such as a light source and a sensor, in particular a camera, for receiving light leaving the analysis chamber. “Above the analysis chamber” or “upper side” is understood in the direction of the light source and the sensor, while “below the analysis chamber” or “bottom” is understood in the direction of a pneumatic layer.

Hierbei wird ausgenutzt, dass das optische Merkmal eine Abbildung in einem Lichtstrahl erzeugt, welcher dieses passiert, am Boden der Analysenkammer reflektiert wird und schließlich von dem Sensor erfasst wird. Vorzugsweise kann dabei der Bereich des Substrats, der das optische Merkmal umfasst, für sichtbares Licht transparent sein. Alternativ kann dieser Bereich als Spiegel für optisches Licht ausgestaltet sein. Unter einem optischen Merkmal kann somit insbesondere ein Merkmal verstanden werden, welches bei einer Bestrahlung des das Merkmal umgebenden Bereichs eine andere Wirkung auf die einfallende Strahlung, insbesondere eine anderes Reflexions-, Streu- oder Absorptionsverhalten als der umgebende Bereich hat. Mit anderen Worten ändert das optische Merkmal einfallende Strahlung anders als der umgebende Bereich, so dass von dem Bereich und dem Merkmal ausgehende Strahlung eine Abbildung des Merkmals mit sich führt. Dazu kann das Merkmal beispielsweise eine andere Farbe, und/oder eine andere Oberflächenbeschaffenheit und/oder eine andere strukturelle Beschaffenheit für ein anderes Reflexions-, Streu- oder Absorptionsverhalten als der umgebende Bereich aufweisen. Besonders geeignete Ausgestaltungen des optischen Merkmals sind eine Markierung, insbesondere ein Strich auf oder in dem Substrat, eine Ausnehmung wie beispielsweise eine Kerbe in dem Substrat oder eine Linse auf dem Substrat.Here, use is made of the fact that the optical feature generates an image in a light beam which passes through it, is reflected on the bottom of the analysis chamber and is finally detected by the sensor. Preferably, the area of the substrate that includes the optical feature can be transparent to visible light. Alternatively, this area can be configured as a mirror for optical light. An optical feature can thus be understood in particular as a feature which, when the area surrounding the feature is irradiated, has a different effect on the incident radiation, in particular a different reflection, scattering or absorption behavior than the surrounding area. In other words, the optical feature changes incident radiation differently than the surrounding area, so that radiation emanating from the area and the feature carries with it an image of the feature. For this purpose, the feature can have, for example, a different color and/or a different surface finish and/or a different structural finish for a different reflection, scattering or absorption behavior than the surrounding area. Particularly suitable configurations of the optical feature are a marking, in particular a line on or in the substrate, a recess such as a notch in the substrate or a lens on the substrate.

Es ist bevorzugt, dass das optische Merkmal sich orthogonal zu einer Fluidströmungsrichtung in der Analysenkammer über die Analysenkammer hinaus erstreckt. Der Lichtstrahl passiert das optische Merkmal und pflanzt sich anschließend zum einen durch die Analysenkammer hindurch und zum anderen neben der Analysenkammer vorbei fort. Es kommt hierbei zu zwei unterschiedlichen Brechungen des Lichtstrahls und infolge dessen zu zwei unterschiedlichen Abbildungen des optischen Merkmals was eine anschließende Auswertung erleichtert.It is preferred that the optical feature extends beyond the analysis chamber orthogonally to a fluid flow direction in the analysis chamber. The light beam passes through the optical feature and then propagates through the analysis chamber on the one hand and alongside the analysis chamber on the other hand. This results in two different refractions of the light beam and, as a result, in two different images of the optical feature, which facilitates a subsequent evaluation.

Die Anordnung des optischen Merkmals orthogonal zur Fluidströmungsrichtung lässt sich insbesondere dann besonders einfach realisieren, wenn die Analysenkammer als Kanal ausgebildet ist.The arrangement of the optical feature orthogonally to the direction of fluid flow can be implemented particularly easily when the analysis chamber is designed as a channel.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass eine Oberseite der Analysenkammer gegenüber ihrer Unterseite abgewinkelt ist. Besonders bevorzugt liegt diese Abwinkelung im Bereich von 10° bis 30°. Hierdurch können prismenähnliche Strukturen in der Analysenkammer erzeugt werden was die Empfindlichkeit der Untersuchung weiter erhöht.Furthermore, it is preferred that an upper side of the analysis chamber is angled in relation to its underside. This bending is particularly preferably in the range from 10° to 30°. In this way, prism-like structures can be created in the analysis chamber, which further increases the sensitivity of the examination.

In dem Verfahren zum Ermitteln einer Brechzahl eines Mediums in der Analysenkammer der Kartusche wird ein Lichtstrahl so durch das Substrat in die Analysenkammer eingestrahlt, dass er das optische Merkmal beleuchtet und schräg in das Medium eintritt. Unter einem schrägen Eintritt in das Medium kann insbesondere verstanden werden, dass der Lichtstrahl schräg und insbesondere nicht vertikal zur Oberfläche des Mediums oder zur Grenzfläche des Substrats und des an das Substrat angrenzenden Mediums in das Medium eintritt, damit der Lichtstrahl beim Übertritt in das Medium optisch gebrochen wird. Dieser Einfallswinkel liegt insbesondere im Bereich von 40° bis 50° zur Flächennormalen oder Lot der Oberfläche des Mediums oder der Oberfläche des Substrats. Als Lichtquelle kann insbesondere die Lichtquelle verwendet werden, die in der Prozessierungseinrichtung auch für die Fluoreszenzanregung in der Analysenkammer vorgesehen ist. Der Lichtstrahl wird am Boden der Analysenkammer reflektiert und anschließend von einem Sensor erfasst. Bei dem Sensor kann es sich insbesondere um die Kamera handeln, die in der Prozessierungseinrichtung zur Erfassung von Fluoreszenzlicht vorgesehen ist. Der Sensor ist dabei vorzugsweise nicht in derselben Einfallsrichtung wie der auf das Substrat einfallende Lichtstrahl angeordnet. Das optische Merkmal erzeugt dabei in dem Lichtstrahl eine Abbildung in dem reflektierten Lichtstrahl. Je nach Art des optischen Merkmals kann diese Abbildung in einer lokalen Verstärkung und/oder Abschwächung des eingestrahlten Lichts bestehen.In the method for determining a refractive index of a medium in the analysis chamber of the cartridge, a light beam is radiated through the substrate into the analysis chamber in such a way that it illuminates the optical feature and enters the medium at an angle. An oblique entry into the medium can be understood in particular to mean that the light beam enters the medium obliquely and in particular not vertically to the surface of the medium or to the interface of the substrate and the medium adjoining the substrate, so that the light beam is optical when entering the medium is broken. This angle of incidence is in particular in the range from 40° to 50° to the surface normal or perpendicular to the surface of the medium or the surface of the substrate. In particular, the light source that is also provided in the processing device for the fluorescence excitation in the analysis chamber can be used as the light source. The light beam is reflected at the bottom of the analysis chamber and then detected by a sensor. The sensor can in particular be the camera that is provided in the processing device for detecting fluorescent light. In this case, the sensor is preferably not arranged in the same direction of incidence as the light beam incident on the substrate. In this case, the optical feature produces an image in the reflected light beam in the light beam. Depending on the type of optical feature, this imaging can consist of a local amplification and/or weakening of the incident light.

Der Lichtstrahl wird beim Wechsel zwischen unterschiedlichen Medien gemäß dem Snell-Gesetz gebrochen. Das Verfahren setzt voraus, dass die Brechzahl des Substrats bekannt ist und somit auch bekannt ist, wie die Abbildung des optischen Merkmals durch die Brechung am Substrat beeinflusst wird. Eine weitere Brechung erfolgt beim Eintritt des Lichtstrahls in die Analysenkammer. Diese weitere Brechung hängt von der Brechzahl des darin enthaltenen Mediums ab. Aus der Abbildung des optischen Merkmals kann deshalb auf die Brechzahl des Mediums geschlossen werden. Hierbei kann insbesondere entweder auf einen Absolutwert der Brechzahl oder auf die Abweichung der Brechzahl von einem Sollwert geschlossen werden.The light beam is refracted when changing between different media according to Snell's law. The method assumes that the refractive index of the substrate is known and it is therefore also known how the imaging of the optical feature is influenced by the refraction on the substrate. Another refraction occurs when the light beam enters the analysis chamber. This further refraction depends on the refractive index of the medium it contains. The refractive index of the medium can therefore be deduced from the image of the optical feature. In this case, in particular, either an absolute value of the refractive index or the deviation of the refractive index from a target value can be inferred.

Da Dispersionseffekte die Ermittlung der Brechzahl beeinträchtigen könnten, ist es bevorzugt, dass die Beleuchtung des optischen Merkmals schmalbandig erfolgt, wozu der Lichtstrahl ein Wellenlängenband von bevorzugt weniger als 50 nm Breite, besonders bevorzugt von weniger als 30 nm Breite und ganz besonders bevorzugt von weniger als 20 nm Breite aufweist.Since dispersion effects could affect the determination of the refractive index, it is preferred that the optical feature is illuminated in a narrow band, for which purpose the light beam has a wavelength band of preferably less than 50 nm wide, more preferably less than 30 nm wide and most preferably less than 20 nm wide.

Vorzugsweise wird der Lichtstrahl weiterhin so in das Substrat eingestrahlt, dass er das optische Merkmal beleuchtet und der Sensor, den am Boden des Substrats reflektierten Lichtstrahl erfasst. Es wird als ein Teil des Lichts an der Analysenkammer vorbei ausschließlich durch das Substrat geleitet. Das Schließen auf die Brechzahl des Mediums erfolgt dann aus dem Vergleich einer Abbildung des optischen Merkmals, in dem am Boden des Substrats reflektierten Lichtstrahl mit dem am Boden der Analysenkammer reflektierten Lichtstrahl. Das Substrat kann auf diese Weise als Referenz genutzt werden.The light beam is preferably also radiated into the substrate in such a way that it illuminates the optical feature and the sensor detects the light beam reflected on the bottom of the substrate. As part of the light, it is guided past the analysis chamber exclusively through the substrate. The refractive index of the medium is then inferred from the comparison of an image of the optical feature in the light beam reflected on the bottom of the substrate with the light beam reflected on the bottom of the analysis chamber. In this way, the substrate can be used as a reference.

Ist die Oberseite der Analysenkammer gegenüber ihrer Unterseite abgewinkelt, so kann es bei einer geringen Brechzahl des Mediums zu einer Totalreflexion des Lichtstrahls kommen. Der Sensor kann dann kein reflektiertes Licht empfangen und es erfolgt somit auch keine Abbildung des optischen Merkmals in dem vom Sensor erfassten reflektierten Lichtstrahl. Daher wird vorzugsweise darauf geschlossen, dass die Brechzahl des Mediums unter einem Schwellenwert liegt, wenn eine Totalreflexion des Lichtstrahls erfolgt. Der Schwellenwert hängt von der Geometrie der Analysenkammer ab, insbesondere von einer Abwinkelung ihrer Oberseite gegenüber ihrer Unterseite.If the upper side of the analysis chamber is angled in relation to its underside, total reflection of the light beam can occur if the medium has a low refractive index. The sensor is then unable to receive any reflected light and the optical feature is therefore also not imaged in the reflected light beam detected by the sensor. Therefore, it is preferably concluded that the refractive index of the medium is below a threshold value when total reflection of the light beam occurs. The threshold value depends on the geometry of the analysis chamber, in particular on the angling of its upper side in relation to its lower side.

Aus der Brechzahl kann vorzugsweise auf das Medium in der Analysenkammer geschlossen werden. Wenn auf diese Weise ermittelt wird, dass die Analysenkammer leer ist, also anstelle eines Transportmediums Luft enthält, oder dass ein falsches Transportmedium in die Analysenkammer eingegeben wurde, kann die Prozessierung der Kartusche insbesondere mit einer Fehlermeldung abgebrochen werden, um die Ausgabe fehlerhafter Ergebnisse zu verhindern, unnötige Wartezeiten zu verkürzen und den Nutzer auf einen vermuteten Bedienfehler aufmerksam zu machen.The medium in the analysis chamber can preferably be inferred from the refractive index. If it is determined in this way that the analysis chamber is empty, i.e. it contains air instead of a transport medium, or that an incorrect transport medium was inserted into the analysis chamber, the processing of the cartridge can be aborted, in particular with an error message, in order to prevent erroneous results from being output , to shorten unnecessary waiting times and to draw the user's attention to a suspected operating error.

Die Brechzahl des Mediums ist temperaturabhängig. Beispielsweise ändert sich die Brechzahl von PBS bei einer Temperaturänderung von 20°C um einen Wert von 0,003. Die Zyklen im Rahmen einer PCR beinhalten deutlich größere Temperaturdifferenzen. Allerdings unterscheiden sich die Brechzahlen von Luft sowie von verschiedenen üblichen Transportmedien so stark, dass auch ohne Kenntnis der Temperatur aus der ermittelten Brechzahl auf das Medium geschlossen werden kann. Sobald auf diese Weise das Medium ermittelt wurde, kann aus der ermittelten Brechzahl, dem Medium und der bekannten Temperaturabhängigkeit der Brechzahl des Mediums auch auf dessen Temperatur geschlossen werden. Dies ermöglicht es ohne Verwendung eines Temperatursensors die Temperatur in der Analysenkammer zu ermitteln und aufgrund des Temperaturwerts beispielsweise Steuerbefehle an andere Komponenten der Prozessierungseinrichtung zu leiten.The refractive index of the medium depends on the temperature. For example, the refractive index of PBS changes by a value of 0.003 with a temperature change of 20°C. The cycles in a PCR include significantly larger temperature differences. However, the refractive indices of air differ, as well as from various conventional ones Transport media so strong that the medium can be deduced from the determined refractive index without knowing the temperature. As soon as the medium has been determined in this way, conclusions can also be drawn about its temperature from the determined refractive index, the medium and the known temperature dependence of the refractive index of the medium. This makes it possible to determine the temperature in the analysis chamber without using a temperature sensor and, based on the temperature value, to send control commands to other components of the processing device, for example.

Die Prozessierungseinrichtung zum Prozessieren einer insbesondere biologischen Probe ist eingerichtet, um mittels des Verfahrens eine Brechzahl eines Mediums in der Analysenkammer der Kartusche zu ermitteln. Hierzu benötigt sie keine zusätzlichen Bauteile. Für das Aussenden des Lichtstrahls und sein Erfassen können eine für die Fluoreszenzmessung vorgesehene Lichtquelle und ein Sensor verwendet werden. Um die Prozessierungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens einzurichten, genügt es also die Verfahrensschritte in einem Rechengerät oder elektronischem Steuergerät, beispielsweise in einem Mikroprozessor der Prozessierungseinrichtung als Computerprogramm zu implementieren.The processing device for processing a particularly biological sample is set up to use the method to determine a refractive index of a medium in the analysis chamber of the cartridge. It does not require any additional components for this. A light source intended for fluorescence measurement and a sensor can be used for the emission of the light beam and its detection. In order to set up the processing device for carrying out the method, it is therefore sufficient to implement the method steps in a computing device or electronic control unit, for example in a microprocessor of the processing device as a computer program.

Figurenlistecharacter list

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Teils einer Kartusche gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt ein Lichtstrahlverlauf im Substrat einer Kartusche gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 zeigt eine Sensoraufnahme einer Oberfläche einer Kartusche gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 zeigt ein Lichtstrahlverlauf in einer Kartusche gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 zeigt ein Lichtstrahlverlauf im Substrat einer Kartusche gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
6 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer Kartusche gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description.

1 shows a schematic sectional view of part of a cartridge according to an embodiment of the invention.
2 shows a light beam path in the substrate of a cartridge according to an embodiment of the invention.
3 shows a sensor recording of a surface of a cartridge according to an embodiment of the invention.
4 shows a light beam path in a cartridge according to another embodiment of the invention.
5 shows a light beam path in the substrate of a cartridge according to yet another embodiment of the invention.
6 shows a sectional view of a detail of a cartridge according to another embodiment of the invention.
7 shows a flowchart of a method according to an embodiment of the invention.

Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention

In 1 ist ein Ausschnitt einer Kartusche gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, die zur Verwendung in einer Vivalytic-Prozessierungseinrichtung der Firma Bosch vorgesehen ist. Die Kartusche 10 weist als Substrat 11 eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel 1,7 mm dicke Schicht aus Polycarbonat auf, in dem eine 1,0 mm dicke Analysenkammer 12 angeordnet ist. Das Substrat 11 und die Analysenkammer 12 sind Bestandteile einer Fluidikschicht der Kartusche 10, die durch eine nicht dargestellte Polyurethanfolie von einer Pneumatikschicht getrennt ist. Oberhalb der Kartusche 10 ist ein Analysator der Prozessierungseinrichtung angeordnet. Dieser weist eine Lichtquelle auf, die einen Lichtstrahl 20 mit einem Wellenlängenband von weniger als 20 nm Breite aussendet. Ein erster Teilstrahl 21 fällt dabei unter einem Winkel α_i zu einem Lot 30 auf die Oberfläche des Substrats 11. Dort wird er gemäß dem Snell-Gesetz gebrochen, sodass er sich als zweiter Teilstrahl 22 unter einem Winkel α_n im transparenten Substrat 11 fortsetzt. $α_{n} = {sin}^{- 1} (\frac{1}{n} \cdot sin α_{i})$

In 1 a section of a cartridge according to a first exemplary embodiment of the invention is shown, which is provided for use in a Vivalytic processing device from Bosch. The cartridge 10 has as a substrate 11 a layer of polycarbonate which is 1.7 mm thick in the present exemplary embodiment and in which an analysis chamber 12 which is 1.0 mm thick is arranged. The substrate 11 and the analysis chamber 12 are components of a fluidic layer of the cartridge 10, which is separated from a pneumatic layer by a polyurethane film (not shown). An analyzer of the processing device is arranged above the cartridge 10 . This has a light source that emits a light beam 20 with a wavelength band of less than 20 nm width. A first partial beam 21 strikes the surface of substrate 11 at an angle α _i to a perpendicular 30 . There it is refracted according to Snell's law, so that it continues as second partial beam 22 at an angle α _n in transparent substrate 11 .

a_{n} = {sin}^{- 1} (\frac{1}{n} \cdot sin a_{i})

Dabei bezeichnet n die Brechzahl des Mediums, an dem die Brechung erfolgt im Fall des zweiten Teilstrahls 22 also des Substrats 11. Polycarbonat weist eine Brechzahl n von 1,585 auf, woraus für α_i=45° ein Winkel α_n von 26,5° resultiert. Der Lichtstrahl 20 wird aufgrund des schrägen Einfalls beim Eintritt in die Analysenkammer 12 erneut gemäß Formel 1 gebrochen, woraus sich ein dritter Teilstrahl 23 ergibt. Wenn die Analysenkammer 12 mit einem Medium gefüllt ist, kommt es dabei zu einem schrägen Einfall und somit Brechen des zweiten Teilstrahls 22 an der Grenzfläche zwischen der Analysenkammer 12 und dem Medium. Der dritte Teilstrahl 23 wird an der Polyurethanfolie reflektiert und fällt zunächst als vierter Teilstrahl 24 durch die Analysenkammer und dann als fünfter Teilstrahl 25 durch das Substrat 11 auf einen Sensor 40 des Analysators.n denotes the refractive index of the medium on which the refraction takes place in the case of the second partial beam 22, ie the substrate 11. Polycarbonate has a refractive index n of 1.585, which results in an angle α _n of 26.5° for α _i =45° . The light beam 20 is refracted again according to formula 1 due to the oblique incidence when it enters the analysis chamber 12, resulting in a third partial beam 23. When the analysis chamber 12 is filled with a medium, an oblique incidence occurs and the second partial beam 22 is thus broken at the interface between the analysis chamber 12 and the medium. The third partial beam 23 is reflected on the polyurethane film and falls first as a fourth partial beam 24 through the analysis chamber and then as a fifth partial beam 25 through the substrate 11 onto a sensor 40 of the analyzer.

Wie in 2 dargestellt ist, ist ein Strich 13 als optisches Merkmal auf der Oberfläche des Substrats 11 aufgebracht. Dies erzeugt einen Schatten 50 im zweiten Teilstrahl 22. Dieser Schatten 50 pflanzt sich auch in den weiteren Teilstrahlen 23, 24, 25 fort.As in 2 is shown, a line 13 is applied to the surface of the substrate 11 as an optical feature. This produces a shadow 50 in the second partial beam 22. This shadow 50 is also propagated in the other partial beams 23, 24, 25.

Die Analysenkammer 12 ist als Kanal ausgeführt und der Strich 13 verläuft orthogonal zur Fluidströmungsrichtung in der Analysenkammer 12, oberhalb der Analysenkammer 12 und erstreckt sich in beide Richtungen auch über diese hinaus. Wie in 3 dargestellt ist führt dies dazu, dass der Schatten 50 sich in zwei Teilschatten 51, 52 unterteilt. Der erste Teilschatten 51 wird nur durch eine Brechung des Lichtstrahls 20 am Substrat 11 hervorgerufen. Der zweite Teilschatten 52 unterliegt auch einer Brechung am Inhalt der Analysenkammer 12. Dadurch ist er gegenüber dem ersten Teilschatten 51 verschoben. Wie groß diese Verschiebung ist hängt vom Brechungsindex des Inhalts der Analysenkammer 12 ab. Ist die Analysenkammer leer, enthält also Luft, so beträgt dieser Brechungsindex beispielsweise 1,00. Enthält sie Wasser so beträgt er 1,33 und enthält sie Bis(nonafluorbutyl)(trifluormethyl)amin (Fluorinert FC40) als Transportmedium, so beträgt er 1,29. Damit berechnet sich die Verschiebung V in der 1,0 mm hohen Analysenkammer 12 gemäß Formel 2: $V = 1 mm \cdot tan ({sin}^{- 1} (\frac{sin 45 °}{n}))$

The analysis chamber 12 is designed as a channel and the line 13 runs orthogonally to the fluid flow direction in the analysis chamber 12, above the analysis chamber 12 and also extends beyond this in both directions. As in 3 is shown, this leads to the Schat Ten 50 is divided into two

partial shadows

51, 52. The first partial shadow 51 is only caused by a refraction of the light beam 20 on the substrate 11 . The second partial shadow 52 is also subject to refraction on the content of the analysis chamber 12. As a result, it is shifted in relation to the first partial shadow 51. How large this shift is depends on the refractive index of the content of the analysis chamber 12 . If the analysis chamber is empty, ie contains air, this refractive index is 1.00, for example. If it contains water, it is 1.33 and if it contains bis(nonafluorobutyl)(trifluoromethyl)amine (Fluorinert FC40) as the transport medium, it is 1.29. The displacement V in the 1.0 mm high analysis chamber 12 is thus calculated according to formula 2:

V = 1 mm \cdot tan ({sin}^{- 1} (\frac{are 45 °}{n}))

Es ergibt sich für Luft V = 1000µm, für Wasser V = 628 µm und für Bis(nonafluorbutyl)(trifluormethyl)amin V = 655 µm jeweils zusätzlich zu der Verschiebung durch die Polycarbonatschicht.The result is V=1000 μm for air, V=628 μm for water and V=655 μm for bis(nonafluorobutyl)(trifluoromethyl)amine, in each case in addition to the displacement through the polycarbonate layer.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Kartusche 10 ist das optische Merkmal nicht als Strich 13, sondern als Kerbe 14 ausgeführt. Dies ist in 4 dargestellt. Die Kerbe 14 bewirkt im zweiten Teilstrahl 22 nicht nur eine Abschwächung des eingestrahlten Lichts als Schatten 50, sondern auch eine lokale Verstärkung 60.In a second exemplary embodiment of the cartridge 10, the optical feature is not designed as a line 13 but as a notch 14. this is in 4 shown. In the second partial beam 22, the notch 14 causes not only an attenuation of the incident light as a shadow 50, but also a local amplification 60.

In einem dritten Ausführungsbeispiel der Kartusche 10, das in 5 dargestellt ist, ist das optische Merkmal als Linse 15 ausgeführt. Diese ruft ebenfalls neben dem Schatten 50 eine lokale Verstärkung 60 im zweiten Teilstrahl 22 hervor, die auf einen besonders hellen Punkt fokussiert wird.In a third embodiment of the cartridge 10, which is 5 is shown, the optical feature is embodied as a lens 15. In addition to the shadow 50, this also causes a local amplification 60 in the second partial beam 22, which is focused on a particularly bright point.

6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Kartusche 10 in welchem die Analysenkammer 12 eine Oberseite aufweist, welche gegenüber ihrer Unterseite um einen Winkel β von beispielsweise 20° abgeschrägt ist. Effektiv stellt die Anordnung damit ein Prisma dar. Dies führt zu größeren Verschiebungen V als in den bisher beschriebenen Ausführungen, die auch stärker von Brechzahländerungen abhängen (bezogen auf die Grenzfläche sind die Winkel im Snell-Gesetz um β größer). Zu berücksichtigen ist gegenüber dem Strahlverlauf, der in 1 dargestellt ist, außerdem, dass der vierte Teilstrahl 24 nicht identisch zum fünften Teilstrahl 25 ist. Vielmehr wird dieser an der schrägen Grenzfläche zwischen der Analysenkammer 12 und dem Substrat 11 nochmals gebrochen, wodurch für den Beobachter eine noch weitere Verschiebung V zwischen den beiden Teilschatten 51, 52 entsteht. Damit beträgt diese für Wasser V = 834 µm und für Bis(nonafluorbutyl)(trifluormethyl)amin V = 934 µm bei der Höhe der Analysenkammer 12 von 1,0 mm. Ist die Analysenkammer 12 luftgefüllt, kommt es zu Totalreflexion, aus Sicht des Sensors 40 bleibt die Analysenkammer 12 dann dunkel. Wenn als optisches Merkmal eine Kerbe 14 oder eine Linse 15 verwendet wird, so werden auch deren lokale Verstärkungen 60 je nachdem ob der Lichtstrahl 20 nur durch das Substrat 11 oder auch durch die Analysenkammer 12 verläuft, unterschiedlich stark verschoben, wobei auch dieser Effekt durch die schräge Oberfläche der Analysenkammer 12 nochmals verstärkt wird. 6 shows a fourth exemplary embodiment of the cartridge 10, in which the analysis chamber 12 has an upper side which is beveled at an angle β of, for example, 20° relative to its underside. The arrangement effectively represents a prism. This leads to larger displacements V than in the previously described versions, which also depend more strongly on changes in the refractive index (relative to the interface, the angles in Snell's law are larger by β). In relation to the beam path, which is to be taken into account in 1 is also shown that the fourth partial beam 24 is not identical to the fifth partial beam 25 . Rather, this is broken again at the oblique interface between the analysis chamber 12 and the substrate 11, as a result of which an even further displacement V between the two partial shadows 51, 52 occurs for the observer. This amounts to V=834 μm for water and V=934 μm for bis(nonafluorobutyl)(trifluoromethyl)amine at a height of the analysis chamber 12 of 1.0 mm. If the analysis chamber 12 is filled with air, total reflection occurs, and from the point of view of the sensor 40 the analysis chamber 12 then remains dark. If a notch 14 or a lens 15 is used as an optical feature, their local gains 60 are also shifted to different extents, depending on whether the light beam 20 only passes through the substrate 11 or also through the analysis chamber 12, with this effect also being caused by the inclined surface of the analysis chamber 12 is reinforced again.

Jede der voranstehend beschriebenen Kartuschen kann in einem Verfahren zum Ermitteln einer Brechzahl eines Mediums in der Analysenkammer 12 verwendet werden. Der Ablauf dieses Verfahrens ist in 7 dargestellt. Nach dem Start 70 des Verfahrens erfolgt ein Einstrahlen 71 des Lichtstrahls 20 in das Substrat 11 und die Analysenkammer 12, sodass dieser das optische Merkmal sowohl oberhalb der Analysenkammer 12 als auch neben der Analysenkammer 12 beleuchtet. Der reflektierte Teilstrahl 25 des Lichtstrahls 20 wird vom Sensor 40 erfasst 72. Eine Abbildung des optischen Merkmals in Form eines Schattens 50 oder einer lokalen Verstärkung 60 wird im reflektierten Lichtstrahl 20 erkannt. Dabei wird ein Unterschied zwischen der Abbildung des optischen Merkmals oberhalb der Analysenkammer 12 und neben der Analysenkammer 12 erfasst. Sollte der Lichtstrahl so eng fokussiert worden sein, dass ausschließlich eine Abbildung oberhalb der Analysenkammer erfasst werden kann, so kann stattdessen der Abstand dieser Abbildung zum optischen Merkmal selbst ermittelt werden.Each of the cartridges described above can be used in a method for determining a refractive index of a medium in the analysis chamber 12 . The course of this procedure is 7 shown. After the start 70 of the method, the light beam 20 is radiated 71 into the substrate 11 and the analysis chamber 12 so that it illuminates the optical feature both above the analysis chamber 12 and next to the analysis chamber 12 . The reflected partial beam 25 of the light beam 20 is detected by the sensor 40 72. An image of the optical feature in the form of a shadow 50 or a local reinforcement 60 is recognized in the reflected light beam 20. A difference between the imaging of the optical feature above the analysis chamber 12 and next to the analysis chamber 12 is recorded. If the light beam has been focused so narrowly that only an image can be recorded above the analysis chamber, the distance of this image to the optical feature itself can be determined instead.

Aus diesen Informationen erfolgt nun ein Schließen 74 auf die Brechzahl des Mediums in der Analysenkammer 12, indem ausgehend von dem erwarteten Verlauf der ersten beiden Teilstrahlen 21, 22 ermittelt wird unter welchem Winkel der Lichtstrahl 20 beim Eintritt in die Analysenkammer 12 gebrochen wurde und mittels Formel 1 so die Brechzahl des Mediums in der Analysenkammer 12 berechnet wird. Diese Brechzahl wird anschließend mit bekannten Brechzahlen von Medien verglichen, welche in der Analysenkammer 12 enthalten sein könnten, wobei jeder Brechzahl ein Toleranzbereich für Temperaturschwankungen zugeordnet ist. Auf diese Weise wird auf das Medium in der Analysenkammer 12 geschlossen 75.This information is used to conclude 74 the refractive index of the medium in the analysis chamber 12 by determining, based on the expected course of the first two partial beams 21, 22, at what angle the light beam 20 was refracted when it entered the analysis chamber 12 and using a formula 1 so the refractive index of the medium in the analysis chamber 12 is calculated. This refractive index is then compared with known refractive indices of media that could be contained in the analysis chamber 12, with each refractive index being assigned a tolerance range for temperature fluctuations. In this way, the medium in the analysis chamber 12 is inferred 75.

Wenn eine Prüfung 76 ergibt, dass das in der Analysenkammer 12 enthaltene Medium nicht der Erwartung entspricht, so wird eine Warnung 77 ausgegeben und die weitere Prozessierung abgebrochen. Anderenfalls erfolgt eine Temperaturbestimmung 78 des Mediums, indem aus der Temperaturabhängigkeit der Brechzahl des Mediums und dem exakten ermittelten Wert der Brechzahl auf die Temperatur des Mediums geschlossen wird 78. Diese Temperatur wird an ein Steuergerät der Prozessierungseinrichtung übergeben, welche aufgrund des Temperaturwerts gegebenenfalls Steuerbefehle auslöst. Anschließend erfolgt ein Beenden 79 des Verfahrens und die in der Analysenkammer 12 vorgesehenen Prozessierungsschritte werden durchgeführt.If a check 76 shows that the medium contained in the analysis chamber 12 does not correspond to the expectation, a warning 77 is issued and further processing is aborted. Otherwise, the temperature of the medium is determined 78 by drawing conclusions about the temperature of the medium from the temperature dependence of the refractive index of the medium and the exact determined value of the refractive index 78. This temperature is transferred to a control unit of the processing device, which, based on the temperature value, may trigger control commands. The method is then terminated 79 and the processing steps provided in the analysis chamber 12 are carried out.

Claims

Cartridge (10) for a processing device for processing an in particular biological sample, the cartridge (10) having at least one substrate (11) in which an analysis chamber (12) is arranged, characterized in that at least one optical feature on the substrate ( 11) is arranged, preferably above the analysis chamber (12).

cartridge (10) after claim 1 , characterized in that the optical feature is selected from a line (13) on or in the substrate, a notch (14) in the substrate or a lens (15) on the substrate.

cartridge (10) after claim 1 or 2 characterized in that the optical feature extends beyond the analysis chamber (12) orthogonally to a fluid flow direction in the analysis chamber (12).

cartridge (10) after claim 3 , characterized in that the analysis chamber (12) is a channel.

Cartridge (10) according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that an upper side of the analysis chamber (12) is angled relative to its underside.

Method for determining a refractive index of a medium in an analysis chamber (12) of a cartridge (10) according to one of Claims 1 until 5 , wherein a light beam (20) is radiated (71) through the substrate (11) into the analysis chamber (12) in such a way (30) that it illuminates the optical feature and enters the medium at an angle, and a sensor (40) the am The light beam (20) reflected from the bottom of the analysis chamber is detected (72), the refractive index of the medium being inferred (74) from an image of the optical feature in the light beam (20) reflected from the bottom of the analysis chamber (12).

procedure after claim 6 , characterized in that the light beam (20) has a wavelength band of less than 50 nm.

procedure after claim 6 or 7 , characterized in that the light beam (20) is further irradiated (71) into the substrate (11) in such a way that it illuminates the optical feature, and the sensor (40) detects (72 ), wherein the refractive index of the medium is inferred (74) from a comparison of an image of the optical feature in the light beam (20) reflected on the bottom of the substrate (11) with the light beam (20) reflected on the bottom of the analysis chamber (12).

Procedure according to one of Claims 6 until 8th , characterized in that it is concluded that the refractive index of the medium is below a threshold value which is dependent on the geometry of the analysis chamber (12) if total reflection of the light beam (20) takes place.

Procedure according to one of Claims 6 until 9 , characterized in that the medium in the analysis chamber (12) is deduced (75) from the refractive index.

procedure after claim 10 , characterized in that a temperature of the medium is deduced from the refractive index, from the medium and from a temperature dependency of the refractive index of the medium (78).

Processing device for processing an in particular biological sample, characterized in that it is set up to use a method according to one of Claims 6 until 11 a refractive index of a medium in an analysis chamber (12) of a cartridge (10) according to one of Claims 1 until 5 to investigate.