DE112016006236T5

DE112016006236T5 - Durchführung einer oder mehrerer Analysen an einer dünnen Schicht eines biologischen Fluids unter Verwendung optisch rückmeldender chemischer Sensoren

Info

Publication number: DE112016006236T5
Application number: DE112016006236.2T
Authority: DE
Inventors: Robert A. Levine; Stephen C. Wardlaw
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-01-15
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2018-10-18
Also published as: US20190017987A1; WO2017123296A1; CA3011339A1

Abstract

Es werden ein Verfahren und ein Gerät zum Analysieren einer Probe eines biologischen Fluids für mindestens einen Zielanalyten bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet Bereitstellen einer Analysekammer, die mindestens einen sich optisch rückmeldenden chemischen Sensor (Optical Responsive Chemical Sensor - ORCS), Proben- und Kalibrierungsfluidbereiche und mindestens einen Fluidseparator aufweist, der den Proben- und den Kalibrierungsfluidbereich fluidtechnisch separiert. Ein erster Abschnitt jedes Sensors ist in dem Probenfluidbereich angeordnet und ein zweiter Abschnitt jedes Sensors ist in dem Kalibrierungsfluidbereich angeordnet. Der ORCS ist so konfiguriert, dass er sich bei Vorhandensein des Zielanalyten und bei Abfrage durch eine oder mehrere vorbestimmte Lichtwellenlängen optisch rückmeldet. Das Verfahren beinhaltet ferner Anordnen mindestens eines Kalibrierungsfluids, das den Zielanalyten in einer bekannten oder feststellbaren Konzentration beinhaltet, in dem Kalibrierungsfluidbereich und Anordnen der Probe eines biologischen Fluids in dem Probenfluidbereich. Die Probe wird unter Verwendung einer ersten optischen Rückmeldung von dem ersten Abschnitt des ORCS und einer zweiten optischen Rückmeldung von dem zweiten Abschnitt des ORCS analysiert.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung Nr. 62/279,451 , eingereicht am 15. Januar 2016, die hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf chemische Analysen einer Probe eines biologischen Fluids und insbesondere auf chemische Analysen einer Probe eines biologischen Fluids unter Verwendung eines sich optisch rückmeldenden chemischen Sensors („Optically-Responsive Chemical Sensor - ORCS“).
Hintergrundinformationen
In-vitro-Point-of-Care-Diagnostik (patientennahe Diagnostik) kann eine schnelle Evaluierung biologischer Proben in der Praxis eines Gesundheitsdienstleisters oder an einem entfernten Ort ermöglichen. Die Point-of-Care(„POC“)-Diagnostik hat das Potenzial, den Zugang zur Gesundheitsversorgung und die Geschwindigkeit und Effizienz zu erhöhen, mit der die Gesundheitsversorgung geleistet werden kann. Einige gegenwärtig verfügbare Systeme vom POC-Typ für die chemische Analyse nutzen eine elektronische, Chip-basierte Kassette, wobei die Kassette zwischen ein und acht Tests durchführen kann. Eine solche Kassette kann eine oder mehrere ionenspezifische Elektroden (Ion Specific Electrodes - ISE) enthalten. Eine ISE ist ein Wandler (oder Sensor), der die Aktivität eines spezifischen, in einer Lösung gelösten Ions in ein elektrisches Potential umwandelt, das unter Verwendung verschiedener elektrischer Abtastmittel gemessen werden kann. Üblicherweise sind die Kosten für das Konstruieren und Anordnen eines dedizierten elektronischen Chips in einer Analysekassette relativ hoch, und die hohen Kosten einer solchen Vorrichtung können ihre Verwendung einschränken und dadurch die damit verbundenen POC-Vorteile begrenzen. Außerdem erfordert die Herstellung der Sensorchips eine Halbleiterfertigungseinrichtung (Semiconductor Fabrication Facility - FAB), die extrem kostspielig ist und daher die Anzahl potentieller Anwender der Technologie begrenzt und somit den Wettbewerb unter Herstellern beschränkt.
In einigen Fällen können spezifische Ionen in einer Fluidprobe unter Verwendung eines ORCS detektiert werden, der ein Ausgangssignal in Form von Photonen erzeugt, die als Ergebnis einer photometrischen Anregung fluoreszierend emittiert werden. In einem anderen Fall kann der ORCS so konfiguriert sein, dass er entweder seine transmittierte oder reflektierte Farbe und/oder Farbintensität ändert. Die Genauigkeit bestehender ORCSs kann jedoch von Faktoren wie Zeit, Temperatur und vor allem Schwankungen im Herstellungsprozess abhängen. Diese Faktoren schränken die Verwendung von ORCS in einem Point-of-Care-System für den Einmalgebrauch ein.
Durchflusszytometrie ist eine weitere Technologie, mit der chemische Analysen an einer Probe eines biologischen Fluids durchgeführt werden können. Durchflusszytometer können multiplexieren, sind jedoch nicht in der Lage, unverdünntes Vollblut zu verwenden. Ein weiterer Nachteil von Durchflusszytometern ist, dass die Probe während der Analyse an einem oder mehreren Sensoren vorbeiströmt. Daher ist die für ein Abtasten verfügbare Zeit durch die Probenströmungsrate begrenzt.
In den beigefügten Figuren dargestellte Ausführungsformen lösen diese zuvor erwähnten Probleme und ermöglichen den Aufbau eines kostengünstigen, praktischen photometrischen Analysesystems, das in einer Point-of-Care-Konfiguration oder an einem beliebigen Ort, der kostengünstige Analysen erfordert, implementiert werden kann.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Analysieren einer Probe eines biologischen Fluids für mindestens einen Zielanalyten bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet: Bereitstellen einer Analysekammer, die mindestens einen sich optisch rückmeldenden chemischen Sensor (ORCS), der auf einer Substratoberfläche angeordnet ist, einen Probenfluidbereich, einen Kalibrierungsfluidbereich und mindestens einen Fluidseparator aufweist, der den Probenfluidbereich und den Kalibrierungsfluidbereich fluidtechnisch separiert. Ein erster Abschnitt des mindestens einen ORCS ist in dem Probenfluidbereich angeordnet, und ein zweiter Abschnitt des mindestens einen ORCS ist in dem Kalibrierungsfluidbereich angeordnet. Das Verfahren beinhaltet ferner Folgendes: Anordnen mindestens eines Kalibrierungsfluids, das den Zielanalyten in einer bekannten oder feststellbaren Konzentration beinhaltet, in dem Kalibrierungsfluidbereich; Anordnen der Probe eines biologischen Fluids in dem Probenfluidbereich; und Verwenden mindestens einer Lichtquelle zum Abfragen des ersten Abschnitts des ORCS und des zweiten Abschnitts des ORCS mit einer oder mehreren vorbestimmten Lichtwellenlängen, Verwenden des mindestens einen Lichtdetektors zum Detektieren einer ersten optischen Rückmeldung von dem ersten Abschnitt des ORCS bei Abfrage und einer zweiten optischen Rückmeldung von dem zweiten Abschnitt des ORCS bei Abfrage; und Verwenden einer Verarbeitungseinheit, die mindestens einen Prozessor aufweist, zum Analysieren der Probe eines biologischen Fluids in Bezug auf den mindestens einen Zielanalyten unter Verwendung der detektieren ersten und der detektierten zweiten optischen Rückmeldung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Gerät zum Analysieren einer Probe eines biologischen Fluids für mindestens einen Zielanalyten bereitgestellt. Das Gerät beinhaltet eine Analysekammer, mindestens eine Lichtquelle und mindestens einen Lichtdetektor und eine Verarbeitungseinheit. Die Analysekammer weist mindestens einen sich optisch rückmeldenden chemischen Sensor (ORCS), der auf einer Substratoberfläche angeordnet ist, einen Probenfluidbereich, einen Kalibrierungsfluidbereich und mindestens einen Fluidseparator auf, der den Probenfluidbereich und den Kalibrierungsfluidbereich fluidtechnisch separiert. Ein erster Abschnitt des mindestens einen ORCS ist in dem Probenfluidbereich angeordnet, und ein zweiter Abschnitt des ORCS ist in dem Kalibrierungsfluidbereich angeordnet. Die Verarbeitungseinheit weist mindestens einen Prozessor auf. Die Verarbeitungseinheit steht mit der mindestens einen Lichtquelle und dem mindestens einen Lichtdetektor in Verbindung und steht mit einer Speichervorrichtung in Verbindung, die Anweisungen speichert. Bei Ausführung veranlassen die Anweisungen die Verarbeitungseinheit zu Folgendem: Steuern der mindestens einen Lichtquelle zum Abfragen des ersten Abschnitts des ORCS und des zweiten Abschnitts des ORCS mit einer oder mehreren vorbestimmten Lichtwellenlängen, und Steuern des mindestens einen Lichtdetektors zum Detektieren einer ersten optischen Rückmeldung von dem ersten Abschnitt des ORCS bei Abfrage und einer zweiten optischen Rückmeldung von dem zweiten Abschnitt des ORCS bei Abfrage und Analysieren der Probe eines biologischen Fluids unter Verwendung der detektierten ersten und der detektierten zweiten optischen Rückmeldung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Analysekammer bereitgestellt. Die Analysekammer beinhaltet mindestens einen sich optisch rückmeldenden chemischen Sensor (ORCS), einen Probenfluidbereich, einen Kalibrierungsfluidbereich und mindestens einen Fluidseparator. Der ORCS ist auf einer Substratoberfläche angeordnet. Der ORCS ist so konfiguriert, dass er sich bei Vorhandensein eines Zielanalyten und bei Abfrage mit einer oder mehreren vorbestimmten Lichtwellenlängen optisch rückmeldet. Der mindestens eine Fluidseparator separiert den Probenfluidbereich und den Kalibrierungsfluidbereich fluidtechnisch. Ein erster Abschnitt des mindestens einen ORCS ist in dem Probenfluidbereich angeordnet, und ein zweiter Abschnitt des ORCS ist in dem Kalibrierungsfluidbereich angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform eines beliebigen der obigen Aspekte beinhaltet der mindestens eine ORCS eine Vielzahl von Optoden, die so konfiguriert sind, dass sie sich bei Vorhandensein des Zielanalyten optisch rückmelden, während sie durch die eine oder die mehreren vorbestimmten Lichtwellenlängen abgefragt werden. Die Vielzahl von Optoden ist im Wesentlichen gleichmäßig sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Abschnitt des ORCS verteilt.
In einer weiteren Ausführungsform eines/einer beliebigen der obigen Aspekte und Ausführungsformen beinhalten die Optoden Ionophore, die selektiv mit dem Zielanalyten wechselwirken, Chromoionophore, die sich als eine Funktion der Protonierung optisch rückmelden, und eine Matrix.
In einer weiteren Ausführungsform eines beliebigen der obigen Aspekte und einer beliebigen der obigen Ausführungsformen sind die erste und die zweite optische Rückmeldung eine Veränderung bei mindestens einem von Fluoreszenzemission, Extinktion oder Reflexionsgrad.
In einer weiteren Ausführungsform eines beliebigen der obigen Aspekte und einer beliebigen der obigen Ausführungsformen beinhalten die erste und die zweite optische Rückmeldung, dass die Optoden bei Abfrage durch die eine oder die mehreren vorbestimmten Lichtwellenlängen in Abwesenheit des Zielanalyten Fluoreszenzemissionen bei einer ersten Wellenlänge emittieren, und die Optoden bei Abfrage durch die eine oder die mehreren vorbestimmten Lichtwellenlängen im Vorhandensein des Zielanalyten Fluoreszenzemissionen bei einer zweiten Wellenlänge emittieren, wobei sich die zweite Wellenlänge von der ersten Wellenlänge unterscheidet. In einigen Ausführungsformen kann die optische Rückmeldung eine Veränderung der Fluoreszenzintensität anstelle einer Veränderung der Wellenlänge beinhalten.
In einer weiteren Ausführungsform eines/einer beliebigen der obigen Aspekte und Ausführungsformen erzeugt der mindestens eine Lichtdetektor erste Signale, welche die erste optische Rückmeldung anzeigen, und zweite Signale, welche die zweite optische Rückmeldung anzeigen, und die Verarbeitungseinheit analysiert die Probe eines biologischen Fluids unter Verwendung des ersten Signals und des zweiten Signals in Bezug auf den mindestens einen Zielanalyten.
In einer weiteren Ausführungsform eines beliebigen der obigen Aspekte und einer beliebigen der obigen Ausführungsformen beinhaltet die Analysekammer einen ersten ORCS, der eine Vielzahl erster Optoden beinhaltet, die einen ersten Zielanalyten selektiv abtasten, wobei die Vielzahl erster Optoden sowohl in dem ersten als auch dem zweiten Abschnitt des ersten ORCS im Wesentlichen gleichmäßig verteilt ist; und beinhaltet einen zweiten ORCS, der eine Vielzahl zweiter Optoden beinhaltet, die einen zweiten Zielanalyten selektiv abtasten, wobei die Vielzahl zweiter Optoden sowohl in dem ersten als auch dem zweiten Abschnitt des zweiten ORCS im Wesentlichen gleichmäßig verteilt ist. Der erste Zielanalyt unterscheidet sich in seinem Typ von dem zweiten Zielanalyten.
In einer weiteren Ausführungsform eines beliebigen der obigen Aspekte und einer beliebigen der obigen Ausführungsformen werden das Abfragen und das Detektieren mehrmals durchgeführt, bevor eine Reaktion zwischen dem Zielanalyten und dem ORCS das Gleichgewicht erreicht, und stellt das Analysieren eine kinetische Analyse oder eine prädiktive Endpunktanalyse bereit.
Die vorliegende Erfindung, die eine Verwendung von einem oder mehreren ORCS für chemische Analysen beinhaltet, bietet mehrere Vorteile gegenüber den derzeit verfügbaren chemischen, photometrischen, elektrochemischen, potentiometrischen und automatisierten Immunassay-Methodologien, einschließlich gesenkter Kosten und weiterer Vereinfachung. Zum Beispiel sind in Bezug auf jene Methodologien, die einen elektronischen Chip nutzen, die Kosten zum Konstruieren und Anordnen eines dedizierten elektronischen Chips für eine Analyse sehr hoch, insbesondere in Anbetracht der Tatsache, dass möglicherweise Millionen solcher Analysen jede Woche durchgeführt werden. Die vorliegende Erfindung erfordert keinen solchen Chip. Relativ betrachtet, sind die Kosten zur Erzeugung eines ORCS (z. B. Optoden in Partikel- oder Bulk-Form) vergleichsweise sehr niedrig. Die Erzeugung einer großen Anzahl von Kassetten auf Basis elektronischer Chips, von denen jede ein bis acht Tests durchführen kann, ist hoch. Die Kosten einer in der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogenen Kassette, wobei die Kassette mehrere ORCS-Familien aufnehmen kann, sind vergleichsweise gering, da sich die „Gehirne“ im optischen Lesegerät und in den massenproduzierbaren ORCSs befinden.
Die obigen Merkmale und Elemente können in verschiedenen Kombinationen ohne Exklusivität kombiniert werden, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben. Diese Merkmale und Elemente sowie ihre Funktionsweise werden angesichts der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen offensichtlicher. Es versteht sich jedoch, dass die folgende Beschreibung und die Zeichnungen als beispielhaft und nicht beschränkend zu verstehen sind.
Figurenliste

1 ist eine schematische Teilquerschnittsansicht einer Analysekammerausführungsform.
2 ist eine schematische perspektivische Teilansicht einer Analysekammerausführungsform.
3 ist eine schematische Ansicht von Analysekammerausführungsformen einschließlich eines Bandsubstrats.
4 ist eine schematische Ansicht einer Analysekassettenausführungsform.
5 ist eine schematische Ansicht der in 4 gezeigten Analysekassettenausführungsform, die einen Analysevorrichtungsleser veranschaulicht.
6 ist eine schematische Ansicht einer Analysekammerausführungsform.
7 ist eine schematische Ansicht einer Analysevorrichtungsausführungsform.
8 ist eine schematische Teilansicht einer Analysekammerausführungsform.
9 ist ein Flussdiagramm, das Verfahrensausführungsformen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Aspekte der vorliegenden Offenbarung beinhalten ein System, ein Gerät und ein Verfahren zum Durchführen einer oder mehrerer qualitativer und/oder quantitativer Analytanalysen an einer einzelnen Probe eines biologischen Fluids in einer Analysekammer. In einigen Ausführungsformen können mehrere Analysen gleichzeitig an einer einzelnen Probe durchgeführt werden. Die mehreren Analysen können Analysen beinhalten, um das Vorhandensein oder die Abwesenheit von verschiedenen Zielanalyten (oder chemischen Umgebungen) zu bestimmen, und/oder können mehrere Analysen beinhalten, um das Vorhandensein oder die Abwesenheit des gleichen Zielanalyten zu bestimmen; z. B. in verschiedenen Konzentrationen. In einigen Ausführungsformen kann eine Analyse als Analyse vom Gleichgewichtstyp durchgeführt werden. In einigen Ausführungsformen kann die Analyse als Analyse vom kinetischen Typ durchgeführt werden. Aspekte der vorliegenden Offenbarung nutzen einen oder mehrere ORCS, die in einer Analysekammer angeordnet sind, die so konfiguriert ist, dass sie eine dünne Schicht einer Probe eines biologischen Fluids ruhig hält. Die ORCSs können als fluoreszenzemittierende und/oder die optische Dichte oder den Reflexionsgrad modulierende ionen- oder chemikalienspezifische Sensoren arbeiten. Nicht beschränkende Beispiele für Proben eines biologischen Fluids, die unter Verwendung von Aspekten der vorliegenden Offenbarung analysiert werden können, beinhalten Blut (z. B. im Wesentlichen unverdünntes Vollblut), Urin, Zerebrospinalflüssigkeit, Gelenkfluid und andere Körperfluide. Konkrete Analyte, die mit der vorliegenden Offenbarung quantifiziert werden können, beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein: Natrium-, Kalium-, Chlorid-, Calcium-, Bicarbonat-, Glucose-, Harnstoff-Kreatinin- und Liganden-basierte Analysen. Die Analysekammer beinhaltet einen Kalibrierungsbereich zum Aufnehmen eines oder mehrerer Kalibrierungsfluide und einen Probenbereich zum Aufnehmen der zu analysierenden Probe eines biologischen Fluids. In einigen Ausführungsformen, wie unten beschrieben, beinhaltet die vorliegende Offenbarung ein Instrument, das so konfiguriert ist, dass eines oder mehrere der Folgenden erreicht wird/werden: a) selektives Abfragen der Analysekammer, die den ORCS, (ein) Kalibrierungsfluid(e) und eine Probe eines biologischen Fluids enthält mit Licht (z.B.: mit vorbestimmten Wellenlängen) und Abtasten von Licht, das aus der Analysekammer austritt (z.B. fluoreszierend emittiertes Licht), und/oder Licht, das in der Analysekammer absorbiert oder von dieser reflektiert wird; und b) Bestimmen des Vorhandenseins oder der Abwesenheit eines Analyten (und/oder) Bereitstellen einer quantitativen Messung eines Analyten in der Probe eines biologischen Fluids basierend auf den relativen Rückmeldungen des Proben- und des Kalibrierungsbereichs.
Der Klarheit wegen bezieht sich der Begriff „ORCS“ im hier verwendeten Sinne auf eine Sensorzusammensetzung (die eine oder mehrere Optoden beinhalten kann), die eine optische Rückmeldung als Reaktion auf eine Veränderung der chemischen Umgebung erzeugt, welcher der ORCS ausgesetzt ist; z.B.: ist der ORCS auf die Veränderung der chemischen Umgebung selektiv abtastbar. Die „Veränderung“ in der chemischen Umgebung kann die Einführung eines Zielanalyten in die oben genannte Umgebung sein, wie unten beschrieben; z.B. kann der ORCS auf das Vorhandensein des Zielanalyten selektiv abtastbar sein. Im hier verwendeten Sinne bezieht sich der Begriff „optische Rückmeldung“ auf eine Veränderung einer abtastbaren Eigenschaft von Licht durch den ORCS, die auftritt, wenn der ORCS der Veränderung in der chemischen Umgebung unterzogen und durch eine oder mehrere vorbestimmte Lichtwellenlängen beleuchtet wird. Nicht beschränkende Beispiele für optische Rückmeldungen beinhalten eine Veränderung der Wellenlänge von fluoreszierend emittiertem Licht, eine Veränderung der Intensität einer gegebenen Lichtwellenlänge, eine Veränderung der Extinktion von Licht usw.
Der ORCS kann selbst als Optode konfiguriert sein oder kann so konfiguriert sein, dass er eine Vielzahl partikelförmiger Optoden beinhaltet, oder kann ein Reagenz (Reagenzien) enthalten, das (die) mit einem Zielanalyten reagiert (reagieren) (oder als Reaktion auf eine Veränderung der chemischen Umgebung reagiert (reagieren)), und eine Farbe oder Farbintensität oder Extinktion des oder der vorgenannten Reagenzien ändert. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf irgendeine bestimmte Optodenkonfiguration oder - zusammensetzung beschränkt. In einigen Ausführungsformen kann zum Beispiel eine Optode einen Ionophor und einen Chromoionophor enthalten, die in einer Matrix angeordnet sind. Die Optode ist nicht auf diese speziellen Elemente beschränkt und kann gegebenenfalls zusätzliche Elemente wie einen fluoreszierenden Halbleiter-Nanokristall (manchmal als „Quantenpunkt“ bezeichnet) und Zusatzstoffe, welche die Funktionalität, Herstellbarkeit, Haltbarkeit usw. des ORCS verbessern, enthalten.
Ein in einer Optode enthaltener Ionophor kann eine Verbindung sein, typischerweise eine elektrisch neutrale Verbindung, die mit einem Zielanalyten (z. B. einem Zielion) assoziiert (z. B. eine Komplex-, Chelat- oder andere nicht-kovalente Assoziation bildet) und für den Zielanalyten gegenüber anderen Analyten selektiv ist.
Ein in einer Optode enthaltener Chromoionophor kann ein Ionophor sein, der seine optischen Eigenschaften (z. B. Fluoreszenz oder Extinktion) im sichtbaren Spektrum abhängig von dem Komplexierungszustand verändert. Ein Chromoionophor kann beispielsweise ein protonenabtastbarer Farbstoff sein, dessen Extinktion (und in vielen Fällen die Fluoreszenz) sich in Abhängigkeit vom Protonierungsgrad ändert, wenngleich Chromoionophore, deren Extinktion sich als Reaktion auf andere Ionen ändert, ebenfalls verwendet werden können. Der Chromoionophor kann sehr lipophil sein, um zu verhindern, dass er aus der Matrix ausgewaschen wird.
Die Matrix kann ein Material (z. B. ein polymeres Material) sein, das verwendet wird, um die Ionophore und die Chromoionophore oder andere reaktive Mittel zu einer kollektiven Form zu vereinigen und zwar eine die keinen nachteiligen Einfluss auf die vorliegende Analyse hat (z. B. keinen nachteiligen chemischen Einfluss) und eine, welche die Detektion einer beliebigen, einer Optode oder einem reaktiven Mittel zugeordneten optischen Rückmeldung (und daher eine optische Rückmeldung, die kollektiv dem ORCS zugeordnet ist) nicht nachteilig behindert. In einigen Ausführungsformen ist die Matrix so konfiguriert, dass es einem Zielanalyten in der Fluidprobe oder dem Kalibrierungsfluid ermöglicht wird, durch die Matrix zu diffundieren, um die in der Matrix angeordneten Ionophorelemente (und in einigen Fällen Chromoionophorelemente) zu erreichen. In einigen Ausführungsformen kann die Matrix betriebsfähig sein, in der Probe vorhandene Elemente oder Materialien (z. B. Blutzellen, Thrombozyten, Proteine oder dergleichen) am Eintreten in die Optode hindern, wobei ein Eintreten möglicherweise den Durchgang eines Analyten in der Optode in negativer Weise hemmen könnte. Die prozentualen Anteile von Ionophor, Chromoionophor und Matrix in der Optode werden gewählt, um den Erfordernissen der vorliegenden Anwendung gerecht zu werden, und können zum Beispiel durch Experimentieren für jeden Analyten bestimmt werden, um die Leistungsfähigkeit der Optoden zu optimieren. Nicht beschränkende Beispiele für annehmbare polymere Matrixmaterialien bestehen im Wesentlichen aus Polyvinylchlorid (PVC), Polymethylmethacrylat (PMMA) und Decylmethacrylat oder Copolymeren oder einer beliebigen Kombination davon, oder sie können getrocknete oder nicht getrocknete Gele wie PhytoGel oder Agarose beinhalten.
In jenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, in denen der Zielanalyt ein ionischer Analyt ist, ändert der Chromoionophor seinen Zustand als Reaktion auf die Protonenkonzentration (d. h. der protonierte Chromoionophor ist ein Zustand, während der deprotonierte Chromoionophor ein zweiter Zustand ist), und der Ionophor assoziiert selektiv mit dem ionischen Zielanalyt. Wenn der Ionophor einmal mit einem kationischen Analyten assoziiert ist (z. B. Na⁺ assoziiert mit einem Na⁺-selektiven Ionophor), werden beispielsweise Protonen von der Optode verdrängt, um einen Ladungsausgleich zu erreichen, wodurch der Zustand des Chromoionophors verändert wird. Der veränderte Zustand der Optode zeigt den Zustand des Chromoionophors an, der wiederum mit dem Vorhandensein und/oder der Konzentration des ionischen Analyten korreliert.
Beispiele für Optodenzusammensetzungen, die mit der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können, sind in Fluorescent Sensors for the Basic Metabolic Panel Enable Measurement with a Smart Phone Device Over the Physiological Range, Awquatty et al., Analyst, 2014, 139, 5230, offenbart und unten bereitgestellt. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf diese speziellen Beispiele beschränkt.
Natriumoptodenzusammensetzung:
Eine Optode, die so konfiguriert ist, dass sie Natrium in einer Probe abtastet, kann in Aceton hergestellt und so präpariert werden, dass sie die folgenden Komponenten beinhaltet: 25 mg ml^-1 Poly(caprolacton) ~14.000 M_n, 8,3 mg ml^-1 Acetyltri-n-hexylcitrat (Citroflex A6) (Vertellus, Indianapolis, IN), 0,67 mg ml^-1 Natriumionophor X (NaIX), 0,33 mg ml^-1 Natriumtetrakis[3,5-bis(trifluormethyl)phenyl]borat (NaTFPB), 0,167 mg ml^-1 Chromoionophor III (CHIII) und 0,067 mg ml^-1 Octadecylrhodamin-b-Chlorid (rhodC18) (Invitrogen).
Kaliumoptodenzusammensetzung:Eine Optode, die so konfiguriert ist, dass sie Kalium in einer Probe abtastet, kann in Aceton hergestellt und so präpariert werden, dass sie die folgenden Komponenten beinhaltet: 25 mg ml^-1 Poly(caprolacton) ~14.000 M_n 8,3 mg m^-1 Citroflex A6, 1 mg ml^-1 Kaliumionophor III, 0,33 mg ml^-1 Kaliumtetrakis[3,5-bis(trifluormethyl)phenyl]borat (KTFPB), 0,167 mg ml^-1 CHIII und 0,067 mg ml^-1 rhodC18.
Calciumoptodenzusammensetzung:
Eine Optode, die so konfiguriert ist, dass sie Calcium in einer Probe abtastet, kann in Aceton hergestellt und so präpariert werden, dass sie die folgenden Komponenten beinhaltet: 25 mg ml^-1 Poly(caprolacton) ~14.000 M_n 8,3 mg m^-1 Citroflex A6, 0,33 mg ml^-1 Calciumionophor II, 0,33 mg ml^-1 KTFPB, 0,167 mg ml^-1 CHIII und 0,067 mg ml^-1 rhodC18.
Chioridoptodenzusammensetzung:
Eine Optode, die so konfiguriert ist, dass sie Chlorid in einer Probe abtastet, kann in Tetrahydrofuran hergestellt und so präpariert werden, dass sie die folgenden Komponenten beinhaltet:: 60 mg ml^-1 Poly(vinylchlorid), 120 mg ml^-1 2-Nitrophenyloctylether, 4 mg ml^-1 Chloridionophor IV, 2 mg ml^-1 KTFPB, 1 mg ml^-1 CHIII und 0,4 mg ml^-1 rhodC18.
pH-Optodenzusammensetzung:
Bei jenen Anwendungen, bei denen der pH-Wert einer Fluidprobe die Analyseergebnisse beeinflussen kann, kann eine pH-Optode enthalten sein. Eine pH-Optode, die so konfiguriert ist, dass sie den pH-Wert einer Fluidprobe abtastet, kann in Aceton hergestellt und so präpariert werden, dass sie die folgenden Komponenten beinhaltet: 25 mg ml^-1 Poly(caprolacton) ~14.000 M_n, 8,3 mg ml^-1 Citroflex A6, 0,083 mg ml^-1 KTFPB, 0,167 mg ml^-1 CHIII und 0,067 mg ml^-1 rhodC18.
In einigen Ausführungsformen können nichtspezifische Optoden als Detektoren verwendet werden, wobei die konkrete Chemie in der Matrix stattfindet. Zum Beispiel könnte für einen Glucosetest eine Glucoseoxidase-Reaktion in der Matrix durch eine generische redoxsensitive Optode „gelesen“ werden. In weiteren Beispielen können Reagenzien innerhalb der Matrix mit dem Analyten reagieren, um ein detektierbar gefärbtes (oder fluoreszierendes) Produkt zu bilden; ein bekanntes Beispiel dafür ist ein Teststreifen für Glucose.
Wie oben erwähnt, werden die oben beschriebenen Optodenzusammensetzungen zu Veranschaulichungszwecken bereitgestellt, und die vorliegende Offenbarung sollte daher nicht so ausgelegt werden, dass sie auf diese speziellen Zusammensetzungen beschränkt ist. Die US-Patente mit den Nrn. 8,114,662; 8,263,358; 8,268,567; 8,470,300; und 8,765,458, die jeweils hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen sind, offenbaren ebenfalls Materialien, die in einem ORCS genutzt werden können.
Wie oben angegeben, können Optoden, die in einem ORCS der vorliegenden Offenbarung enthalten sind, eine Vielfalt verschiedener Formen annehmen. Zum Beispiel kann ein ORCS eine Anzahl von Optoden beinhalten, die partikelförmig konfiguriert sind. Im hier verwendeten Sinne bezieht sich der Begriff „partikelförmig“ auf eine Optode, die in Bezug auf den ORCS sehr klein ist, aber selbst so konfiguriert ist, dass sie eine optische Rückmeldung als Reaktion auf eine Veränderung ihrer chemischen Umgebung erzeugt. Jede partikelförmige Optode kann Ionophore, Chromoionophore und eine Matrix beinhalten, wie oben beschrieben. ORCS, die partikelförmige Optoden beinhalten, beinhalten typischerweise eine relativ große Anzahl partikelförmiger Optoden, und die partikelförmigen Optoden erzeugen kollektiv eine abtastbare optische Rückmeldung, wenn sie dem Zielanalyten ausgesetzt werden. ORCSs, die partikelförmige Optoden enthalten, können zusätzlich ein Trägermedium beinhalten, das die partikelförmigen Optoden in einer im Wesentlichen gleichmäßigen Verteilung hält. Das Trägermedium hat keinen nachteiligen Einfluss auf die vorliegende Analyse (z. B. keinen nachteiligen chemischen Einfluss) oder behindert die Detektion einer beliebigen optischen Rückmeldung, die den partikelförmigen Optoden zugeordnet ist (und daher eine optische Rückmeldung, die kollektiv dem Sensor zugeordnet ist), nicht nachteilig und ermöglicht es dem Zielanalyten in der Fluidprobe oder in dem Kalibrierungsfluid, die partikelförmigen Optoden zu erreichen. Das Trägermedium kann auch so konfiguriert sein, dass es den Prozess erleichtert, der zum Abscheiden des ORCS auf der Oberfläche eines Substrats verwendet wird; z. B. ein Druckprozess, ein Extrusionsprozess usw.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf irgendeinen speziellen Typ einer partikulären Optodenkonfiguration beschränkt. Ein Beispiel für eine annehmbare partikelförmige Optodenkonfiguration ist eine solche, bei der Ionophore und Chromoionophore in einer Polymermatrix angeordnet sind, die kollektiv als ein Partikel ausgebildet sind. Wie oben angegeben, werden die Zielanalyten in die partikelförmige Optode gezogen, wo sie mit den selektiven Zielionophoren binden, wenn die partikelförmige Optode einer Umgebung ausgesetzt wird, die Zielanalyten enthält. Zur Aufrechterhaltung der Ladungsneutralität in der Optode dissoziieren Protonen von den Chromoionophoren und diffundieren aus der Optode, wodurch der photometrische Zustand der Optode verändert wird. Ein weiteres Beispiel einer akzeptablen partikelförmigen Optodenkonfiguration ist eine solche, in der die Optode ähnlich einem Partikel vom Mizellentyp ausgebildet ist, wobei Chromoionophore auf einer Außenfläche des Partikels angeordnet sind, die einen aus dem Matrixmaterial und Ionophoren gebildeten Kern umgibt. Der Mechanismus zum Ändern des photometrischen Zustands der Optode ist derselbe wie der oben offenbarte. Ein eine Vielzahl partikelförmiger Sensoren enthaltender ORCS kann manchmal als „Bulk-Optode“ bezeichnet werden.
Die Charakteristiken (z. B. individuelle Größe, Konzentration usw.) partikelförmiger Optoden in einem ORCS können variieren, um den Anforderungen des konkret vorliegenden Assays gerecht zu werden. Die Charakteristiken der partikelförmigen Optoden können durch Experimentieren für jeden Zielanalyten bestimmt werden, um die Leistungsfähigkeit der ORCSs (z. B. Signal-Rausch-Verhältnis) zu optimieren. Für solche Zielanalyten, die einen breiten biologischen Bereich aufweisen können, können unterschiedliche ORCS-Konfigurationen für den gleichen Zielanalyten verwendet werden; z. B. können die ORCSs in einer Kammer mehr als einen ORCS beinhalten, der auf einen bestimmten Zielanalyten gerichtet ist (z. B. einen ersten ORCS mit einer ersten Konzentration partikelförmiger Optoden, die für den Zielanalyten selektiv sind, und einen zweiten ORCS mit einer zweiten Konzentration partikelförmiger Optoden, die ebenfalls für den Zielanalyten selektiv sind, wobei die zweite Konzentration höher als die erste Konzentration ist). Die beiden ORCSs stellen der Analysekammer einen größeren dynamischen Bereich für den vorliegenden Assay bereit. In dieser Hinsicht können Aspekte der vorliegenden Offenbarung so beschrieben werden, dass eine Mehrpunkt- (z. B. eine Zweipunkt-) Analysevorrichtung bereitgestellt wird, die einem größeren Bereich von Analytkonzentrationen Rechnung tragen kann und dennoch brauchbare Daten erzeugt.
In alternativen Ausführungsformen kann ein ORCS selbst als eine einzelne Optode ausgebildet sein, welche die oben beschriebenen, in einer Polymermatrix angeordneten Ionophore und Chromoionophore umfasst.
Im hier verwendeten Sinne bezieht sich der Begriff „Analysebereich“ auf einen Bereich der Kammer, der ein oder mehrere durch die Probe eines biologischen Fluids benetzte ORCSs enthält und/oder einen Bereich der Kammer, der den vorgenannten einen oder die vorgenannten mehreren durch ein oder mehrere Kalibrierungsfluide benetzten ORCSs enthält.
Im hier verwendeten Sinne bezieht sich der Begriff „Analyseperiode“ auf ein Zeitintervall zwischen einem ersten Zeitpunkt, zu dem die Probe eines biologischen Fluids in die Kammer abgegeben wird, und einem zweiten Zeitpunkt, zu dem eine Probendatenerfassung erlangt wird.
Im hier verwendeten Sinne bezieht sich der Begriff „Kalibrierungsfluid“ auf ein Fluid, das mindestens einen Analyten beinhaltet, der gleich oder ähnlich dem Analyten ist, auf den die Analyse gerichtet ist. Wie unten erläutert wird, kann in einigen Ausführungsformen ein einziges Kalibrierungsfluid verwendet werden, das eine Anzahl unterschiedlicher Analytentypen beinhaltet, wobei diese Anzahl gleich oder größer als die Anzahl der verschiedenen zu untersuchenden Zielanalyttypen in der Probe ist. Die Analyten in dem/den Kalibrierungsfluid(en) weisen eine bekannte oder feststellbare Konzentration auf und liegen vorzugsweise in einer Konzentration vor, die im Wesentlichen gleich einem durchschnittlichen Konzentrationswert der Zielanalyten ist, von denen angenommen wird, dass sie in der zu analysierenden Probe vorhanden sind, und es können zusätzliche höhere oder niedrigere Konzentrationen als die durchschnittliche Konzentration von Zielanalyten, vorzugsweise auf klinischen Entscheidungsebenen, in zusätzlichen Kalibrierungsbereichen hinzugefügt werden.
Im hier verwendeten Sinne bedeutet der Begriff „biologisches Fluid“ ein beliebiges biologisches Fluid, das von einem biologischen Organismus, einschließlich aller Tiere und Pflanzen verfügbar ist oder erhalten wird, einschließlich biologischer Fluide, die partikelförmiges Material enthalten können, wie etwa Vollblut. Wie oben erwähnt, beinhalten nicht beschränkende Beispiele für Proben eines biologischen Fluids, die unter Verwendung von Aspekten der vorliegenden Offenbarung analysiert werden können, Blut (z. B. im Wesentlichen unverdünntes Vollblut), Urin, Zerebrospinalflüssigkeit, Gelenkfluid und andere Körperfluiden. Konkrete Analyten, die mit der vorliegenden Offenbarung quantifiziert werden können, beinhalten, ohne darauf beschränkt zu sein: Natrium-, Kalium-, Chlorid-, Calcium-, Bicarbonat-, Glucose-, Harnstoff-Kreatinin- und Liganden-basierte Analysen.
Im hier verwendeten Sinne bedeutet der Begriff „chemische Analyse“ die qualitative und/oder quantitative Analyse von chemischen Analyten wie Ionen, Molekülen wie Glucose, Harnstoff, Kreatinin, Hormonen, Enzymen, Tumormarkern, Antikörpern und Nukleotiden sowie Prionen und Viruspartikel oder Bakterien oder Protozoen, die durch selektive Detektion ihrer chemischen Beschaffenheit, entweder intakt oder nicht intakt, detektiert werden können.
Im hier verwendeten Sinne bezieht sich der Begriff „Bestimmung der Konzentration eines chemischen Analyten“ auf eine Konzentrationsbestimmung eines chemischen Analyten durch Messung der Konzentration ohne Messung oder Kenntnis des Probenvolumens, wobei lediglich der Bereich des möglichen Inhalts der Kammer bekannt ist.
Im hier verwendeten Sinne bedeutet der Begriff „Gleichgewichtstest“ einen Assay, der am Endpunkt des Assays abgeschlossen wird, wenn das Signal stabil ist.
Im hier verwendeten Sinne soll der Begriff „prädiktive Endpunktberechnung“ das wiederholte Lesen eines Signals (von Signalen) von dem ORCS während der Assayzeit und das Verwenden von Rechenmitteln zum Anpassen der Rückmeldung über die Zeit bedeuten, um zu berechnen, was das Ergebnis wäre, wenn die Reaktion bis zum Endgleichgewicht fortschreiten würde.
Im hier verwendeten Sinne bedeutet der Begriff „kinetischer Assay“ einen Assay, der während der Assayzeit wiederholt durchgeführt wird und die Steigung oder der mathematisch modellierte Zeitverlauf des Signals sowie seine Intensität verwendet wird, um die Konzentration des Zielanalyten (der Zielanalyten) zu berechnen.
Die vorliegende Offenbarung kann unter Verwendung einer Vielfalt verschiedener Analysekammerkonfigurationen implementiert werden und ist daher nicht auf irgendeine bestimmte Konfiguration beschränkt. Die Analysekammer beinhaltet mindestens ein planares Substrat, das ausreichend optisch transparent ist, um Licht zu transmittieren, um die Probe eines biologischen Fluids, das/die Kalibrierungsfluid(e) und ORCS, die sich in der Kammer befinden, abzufragen. In einigen Ausführungsformen kann die Kammer so konfiguriert sein, dass Licht durch die gesamte Kammer transmittiert wird. Das planare Substrat kann so konfiguriert sein, dass es Teil einer Kassette ist, oder ein Abschnitt eines Bandes sein kann (z. B. das von Spulen aufgewickelt und abgewickelt werden kann) oder aus einem Band hergestellt worden ist (unten beschrieben). Die Analysekammer beinhaltet mindestens einen Kalibrierungsbereich, der konfiguriert ist, um ein oder mehrere Kalibrierungsfluide aufzunehmen, und mindestens einen Probenbereich, der konfiguriert ist, um das zu analysierende Fluid einer biologischen Probe aufzunehmen.
1 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Analysekammer 10, die ein planares Substrat 12 und eine Deckfolie 14 beinhaltet, von denen mindestens eines ausreichend optisch transparent ist, wie oben beschrieben. Das planare Substrat kann eine Vielfalt von Materialien umfassen (z. B. ein polymeres Material, Glas usw.) und ist typischerweise ausreichend starr, um eine sich auf einer Oberfläche des Substrats befindende Fluidprobe zu tragen, ohne sich aufgrund des Gewichts der Fluidprobe merklich zu biegen. Die Deckfolie 14 kann aus dem gleichen Material bestehen und die gleiche Konfiguration aufweisen wie das planare Substrat, wobei dies jedoch nicht erforderlich ist. Die Deckschicht 14 kann aus einem beliebigen Material bestehen und/oder eine beliebige Konfiguration aufweisen, das bzw. die auf der Probe angeordnet werden kann, um die Probe in Bezug auf das planare Substrat 12 im Wesentlichen zu umschließen, und das bzw. die vorzugsweise den Kapillarfluidstrom zwischen dem Substrat 12 und der Deckfolie 14 nicht hemmt. In einigen Ausführungsformen kann die Deckfolie 14 so konfiguriert sein, dass sie die Verdampfung eines oder mehrerer Bestandteile aus der Probe eines biologischen Fluids und/oder des Kalibrierungsfluids für eine für die Analyse nützliche Zeitspanne verhindert oder wesentlich behindert. Das planare Substrat 12 weist eine Innenfläche 12A und eine Außenfläche 12B auf. Die Deckfolie 14 weist eine Innenfläche 14A und eine Außenfläche 14B auf. Die Innenfläche 12A des planaren Substrats 12 ist der Innenfläche 14A der Deckfolie 14 zugewandt. Die Kammer 10 ist vorzugsweise so konfiguriert, dass das Substrat 12 und die Deckfolie 14 voneinander durch einen Abstand 16 separiert sind (im Folgenden als „Kammerhöhe“ oder „Dicke durch die Ebene“ der Kammer bezeichnet), die durch eine Halbierungslinie definiert werden kann, die den kürzesten Abstand zwischen den jeweiligen Innenflächen 12A, 14A darstellt, um zu ermöglichen, dass die Probe eines biologischen Fluids zwischen den Innenflächen des Substrats 12 und der Deckfolie 14 eingeführt und ruhig gehalten wird. Die Kammerhöhe ist vorzugsweise derart, dass eine Probe eines biologischen Fluids und ein Kalibrierungsfluid durch Kapillarwirkung in den Hohlraum zwischen dem Substrat und der Deckfolie gezogen werden können. Die Kammerhöhe ist jedoch nicht auf eine bestimmte Abmessung beschränkt und muss nicht präzise sein, da Signale, die einem ORCS (und in einigen Ausführungsformen der/den darin enthaltenen Optode(n)) zugeordnet sind, mit den lokal an dem jeweiligen ORCS vorliegenden Konzentrationen des chemischen Zielanalyten und der Zusammensetzung und Geometrie des jeweiligen ORCS in Beziehung stehen; d.h. die Signale sind unabhängig vom Volumen der Probe. Für die meisten Analysen ist eine Kammerhöhe im Bereich von etwa 5 bis 500 Mikrometern zweckdienlich, und eine Kammerhöhe von etwa 50 Mikrometern wird als besonders zweckdienlich angesehen. Das planare Substrat 12 und die Deckfolie 14 können parallel zueinander sein.
Der Separationsabstand 16 (d.h. die „Dicke durch die Ebene“) zwischen der Innenfläche 12A des planaren Substrats und der Innenfläche 14A der Deckfolie kann durch verschiedene unterschiedliche Mittel festgelegt werden. Wenn das planare Substrat 12 und die Deckfolie 14 ausreichend starr sind, kann es zum Beispiel in einigen Ausführungsformen angemessen sein, das Substrat 12 und die Abdeckfolie 14 um ihre Umfänge herum voneinander beabstandet zu positionieren. In weiteren Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, ein oder mehrere physische Elemente 18 (z. B. „Abstandshalter“) aufzunehmen, die zwischen und in Kontakt mit den jeweiligen Innenflächen 12A, 14A angeordnet sind. Ein Abstandshalter 18 kann einstückig mit dem Substrat 12 oder der Deckfolie 14 ausgebildet sein oder kann von beiden unabhängig sein. Wie oben angegeben, muss die Kammerhöhe 16 (und daher die zugehörige Abstandshalterabmessung) nicht präzise sein. Ein Abstandshalter 18 kann ein beliebiges Element sein, das sich zwischen den Innenlächen 12A, 14A erstreckt und betriebsfähig, das Substrat 12 und die Deckfolie 14 voneinander zu beabstanden.
In einigen Ausführungsformen kann die Analysekammer 10 ein einziges planares Substrat 12 beinhalten, in welchem Fall die Probe eines biologischen Fluids, das Kalibrierungsfluid und ORCS (einschließlich einer Optode (Optoden)) auf einer Oberfläche des Substrats 12 zur Analyse abgeschieden werden können.
Bezug nehmend auf 3, kann die Analysekammer 10 in einigen Ausführungsformen unter Verwendung eines einzigen Polymerbandes oder unter Verwendung eines ersten Polymerbandes und eines zweiten Polymerbandes hergestellt werden. Eine Vielzahl von Kammern 10 kann hergestellt werden, indem ORCSs 20 auf einer Oberfläche des Bandes abgeschieden werden und ein Fluidseparator 22 geschaffen wird, der jeden ORCS 20 in zwei Abschnitte separiert; z. B. ein sich in Längsrichtung erstreckender ORCS 20, der durch einen sich in Breitenrichtung erstreckenden Fluidseparator 22 unterteilt ist, wie unten beschrieben. In jenen Ausführungsformen der Kammer 10, die sowohl ein erstes als auch zweites Band beinhalten, kann/können der eine oder die mehreren ORCSs 20 und der Fluidseparator 22 auf einer Oberfläche des ersten Bandes ausgebildet sein, und dann kann das zweite Band ohne dem ORCS über das erste Band gelegt werden: d. h., der ORCS und der Fluidseparator sind zwischen den Bändern angeordnet. Während der Herstellung wird der Abscheidungsprozess entlang der Länge des Bandes wiederholt, und das Band kann später zwischen den Sensor/Fluidseparator-Konfigurationen geschnitten werden, um individuelle Analysekammern zu bilden. 3 veranschaulicht schematisch ein Band 24 mit einer ersten Kammer 10A, die eine Vielzahl von ORCS 20 trägt, die in einer linearen Weise abgeschieden sind. Die nächsten drei Kammern 10B, 10C, 10D enthalten jeweils ORCSs 20 und einen Fluidseparator 22, der sich über die ORCSs 20 erstreckt; z. B. ist der Fluidseparator 22 für jede Kammer angeordnet, um jeden ORCS in zwei Abschnitte zu separieren. Die letzte Kammer 10E ist von dem Band separiert. Ein Vorteil des Schaffens von Analysekammern 10 auf diese Weise besteht darin, dass jeder ORCS 20 in einem einzigen Vorgang abgeschieden wird (d. h. zu einem Zeitpunkt von einer Quelle usw.) und der Fluidseparator 22 den jeweiligen ORCS 20 in zwei Sensorabschnitte aufspaltet, die jeweils kompositorisch gleich sind. Diese Art von ORCS-Herstellungsprozess (d. h., bei dem ein ORCS 20 in einem einzigen Vorgang abgeschieden wird (d. h. zu einem Zeitpunkt von einer Quelle usw.) und der Fluidseparator 22 den jeweiligen ORCS 20 in zwei Sensorabschnitte aufspaltet, die jeweils kompositorisch gleich sind) wird vorzugsweise verwendet, um den ORCS unabhängig von der bestimmten Konfiguration der Kammer 10 oder der Kassette 26 zu schaffen. Das Erzeugen einer Analysekammer 10 auf diese Weise verringert jegliche Variabilität, die ansonsten existieren könnte, wenn die zwei Abschnitte eines bestimmten ORCS 20 durch separierte Prozesse hergestellt würden (z. B. sogar ORCS-Material von einer einzigen Quelle kann bis zu einem gewissen Grad als eine Funktion des Herstellungslaufs variieren, wenn beispielsweise das Ausgangsmaterial nicht zu 100 % gleichmäßig vermischt oder abgeschieden wurde usw.) Es wird angenommen, dass durch das Schaffen eines einzelnen ORCS 20 und das fluidtechnische Aufspalten desselben in zwei Abschnitte die Herstellungsschwankungen für jeden ORCS 20 minimiert werden, und wie hier beschrieben, erlaubt es die Analysen des Probenbereichs und des Kalibrierungsbereichs eines bestimmten ORCS auf demselben ORCS durchzuführen, wenn auch auf verschiedenen Abschnitten des ORCS.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist die Analysekammer 10 ein Element einer Einwegkassette 26. Zusätzlich zu der Analysekammer 10 kann die Kassette 26 andere Elemente enthalten, die zur Durchführung einer Analyse zweckdienlich sind, wie zum Beispiel einen oder mehrere Behältnisse 28 zum Aufnehmen eines oder mehrerer Kalibrierungsfluide, wenigstens ein Behältnis 30 zum Aufnehmen einer Probe eines biologischen Fluids und gegebenenfalls ein oder mehrere Elemente, das bzw. die konfiguriert ist bzw. sind, um den Fluidstrom von den vorgenannten Behältnissen zu steuern. Zum Beispiel veranschaulichen die 4 und 5 schematisch eine Kassette 26, die ein Behältnis für eine Probe eines biologischen Fluids 30 und ein Kalibrierungsfluidbehältnis 28 aufweist. Ein erster Fluiddurchgang 32 verbindet das Behältnis für eine Probe eines biologischen Fluids 30 fluidtechnisch mit einem ersten Bereich der Analysekammer 10 (d.h. dem Probenbereich 34, der sich auf einer ersten Seite eines Fluidseparators 22 befindet), und ein zweiter Fluiddurchgang 36 verbindet das Kalibrierungsfluidbehältnis 28 fluidtechnisch mit einem zweiten Bereich der Analysekammer 10 (d.h. dem Kalibrierungsbereich 38 auf einer zweiten Seite des Fluidseparators 22 gegenüber der ersten Seite). In der in den 4 und 5 gezeigten Ausführungsform beinhaltet die Kassette 26 ferner ein erstes Fluidsteuerelement 40, das angeordnet ist, um den Fluidstrom im ersten Fluiddurchgang 32 zu steuern, und ein zweites Fluidsteuerelement 42, das angeordnet ist, um den Fluidstrom in dem zweiten Fluiddurchgang 36 zu steuern. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf irgendeinen bestimmten Typ von Fluidsteuerelement beschränkt; z.B.: beinhalten akzeptable Fluidsteuerelemente Ventile, Kapillarstopps und Berstmembranen. Ein Fluidstrom aus den jeweiligen Behältnissen 28, 30 durch die Durchgänge 32, 36 kann durch eine Vielfalt verschiedener Techniken erreicht werden; z.B.: durch Kapillarwirkung oder durch selektiv angewendete Antriebskraft. Wie oben angedeutet, kann ein Fluidstrom in die jeweiligen Kammerbereiche 34, 38 durch eine Kapillarwirkung erreicht werden, jedoch können alternativ andere Antriebskräfte genutzt werden. Die gezeigte und beschriebene beispielhafte Kassette 26 stellt ein nicht beschränkendes Beispiel einer Kassette dar. Die Kassette 26 kann so konfiguriert sein, dass sie eines oder beide von dem Kalibrierungsfluid und/oder dem Probenfluid als ein versiegelter Behälter zurückhält; z. B. kann, wenn die Analyse der Probe durchgeführt wird, die geschlossene Kassette die Analysematerialien sicher enthalten und dadurch ermöglichen, dass die Kassette mit einem geringen oder keinem Risiko des Auslaufens von biologischen Gefahrenstoffen ordnungsgemäß entsorgt wird.
Der/Die ORCS(s) 20, die in der vorliegenden Offenbarung genutzt werden, sind auf einem Substrat (d. h. einem Kammersubstrat 12) in einer Weise angeordnet, welche die Durchführung von Analysen erleichtert. Zum Beispiel können in einigen Ausführungsformen ein oder mehrere ORCSs 20 als sich in Längsrichtung erstreckende Streifen ausgebildet sein, die auf einer Substratoberfläche abgeschieden sind. Die 4 und 5 zeigen schematisch eine Analysekammer 10, die eine Vielzahl von ORCSs 20 aufweist, die als sich in Längsrichtung erstreckende Streifen angeordnet sind, die auf einer Kammersubstratoberfläche angeordnet sind. Bezug nehmend auf 2, kann jeder der ORCS-Streifen 20 als eine Länge, eine Breite und eine Höhe aufweisend beschrieben werden; z. B. hinsichtlich orthogonaler Achsen kann sich die Länge eines ORCS-Streifens entlang einer X-Achse erstrecken, die Breite des Streifens kann sich entlang der Y-Achse erstrecken und die Höhe (auch als „Dicke“ bezeichnet) des Streifens kann sich entlang der Z-Achse erstrecken. Die ORCS-Streifen 20 erstrecken sich in Längsrichtung von einem ersten Ende 44 zu einem zweiten Ende 46. Jeder ORCS-Streifen 20 hat vorzugsweise eine im Wesentlichen konstante Querschnittsgeometrie (z. B. in der Y-Z-Ebene) für im Wesentlichen die gesamte Länge des Streifens 20. Jeder ORCS-Streifen 20 kann so konfiguriert sein, dass er einen unterschiedlichen chemischen Analyten (z. B. Kalium (K⁺), Natrium (Na⁺), Chlorid (Cl^-), Bicarbonat (HCO₃ ^-), Calcium (Ca²⁺) usw.) abtastet.
Bezug nehmend auf die 4-6 ist ein Fluidseparator 22 (z. B. ein Streifen aus hydrophobem Material, eine physische Konfiguration oder ein beliebiges Element, das betriebsfähig ist, einen Fluiddurchgang zu verhindern) zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 44, 46 der ORCS-Streifen 20 angeordnet und erstreckt sich in einer Weise, die jeden ORCS-Streifen 20 in einen ersten Abschnitt 20A und einen zweiten Abschnitt 20B separiert; erstreckt sich z. B. in Breitenrichtung in Bezug auf die sich in Längsrichtung erstreckenden ORCS-Streifen 20. Fluoropel™ (Cytonix LLC, MD, USA) ist ein Beispiel für ein hydrophobes Material, das verwendet werden kann. Das hydrophobe Material kann auf die Innenfläche 12A des Substrats und/oder die Innenfläche 14A der Deckfolie aufgebracht werden, um den kapillaren Fluidstrom zu stoppen. Der Fluidseparator 22 separiert jeden Sensorstreifen 20 in zwei Abschnitte 20A, 20B und bildet zusammen einen Kalibrierungsbereich 38 auf einer Seite des Fluidseparators 22 und einen Probenbereich 34 auf der gegenüberliegenden Seite des Fluidseparators 22 (d. h. ein Abschnitt 20B jedes ORCS-Streifens 20 ist in dem Kalibrierungsbereich 38 angeordnet, und der andere Abschnitt 20A jedes ORCS-Streifens 20 ist in dem Probenbereich 34 angeordnet). Der Fluidseparator 22 ermöglicht, dass sich ein oder mehrere Kalibrierungsfluide in dem Kalibrierungsbereich 38 der Kammer 10 befinden und sich die Probe eines biologischen Fluids in dem Probenbereich 34 der Kammer 10 befinden, ohne dass irgendeine Fluidübertragung über den Fluidseparator in irgendeiner Richtung stattfindet. Wie unten erläutert wird, sind in bevorzugten Ausführungsformen die ORCS-Streifenabschnitte 20A, 20B auf gegenüberliegenden Seiten des Fluidseparators 22 ausreichend ähnlich; z. B. ausreichend ähnlich, sodass das gleiche Analytfluid (z. B. ein den (die) Zielanalyt(en) enthaltendes Kalibrierfluid oder den (die) Zielanalyt(en) enthaltende Kalibrierfluide), egal auf welcher der Seiten des Fluidseparators 22 es angeordnet ist, die gleiche optische Rückmeldung während der Analyse für einen gegebenen ORCS-Streifen 20 ergibt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass es nicht erforderlich ist, dass die Länge eines ORCS-Streifenabschnitts 20A, 20B auf einer Seite des Fluidseparators 22 gleich der Länge des ORCS-Streifenabschnitts 20B, 20A auf der gegenüberliegenden Seite des Fluidseparators 22 ist, da die Zielanalytanalyse auf weniger als der gesamten Länge eines ORCS-Streifenabschnitts durchgeführt werden kann. Eine alternative Ausführungsform eines Fluidseparators 22 beinhaltet eines oder beide von dem Substrat 12 und der Deckfolie 14 einschließlich eines physischen Merkmals (z. B. einer Rinne oder einer Rippe oder dergleichen), das einen Fluidstrom in einer Richtung über den Separator 22 verhindert. Eine in einem oder beiden von dem Substrat 12 und der Deckfolie 14 angeordnete Rinne kann so konfiguriert sein, dass sie den Kapillarstrom stoppt. Alternativ besteht ein weniger bevorzugtes Verfahren zum Separieren der Kammerproben- und -Kalibrierungsbereiche 34, 38 darin, diese physisch zu separieren (z. B. zu schneiden) und die Kammerbereiche 34, 38 ausreichend weit beabstandet anzubringen, s dass die jeweiligen Fluide während der Analyseperiode separiert bleiben.
Bezug nehmend auf 8, kann in weiteren Ausführungsformen ein ORCS 20 auf einer Kammersubstratoberfläche in einer anderen Konfiguration als der oben beschriebenen linearen Konfiguration angeordnet sein. Zum Beispiel können diskret geformte ORCSs 48 (z.B.: wulstartige Abscheidungen) auf einer Kammersubstratoberfläche in einer Weise abgeschieden und angeordnet werden, wobei die Anordnung von diskret ausgebildeten ORCSs 48 auf einer Seite eines Fluidseparators 22 im Wesentlichen der Anordnung von diskret ausgebildeten ORCs 48 auf der anderen Seite des Fluidseparators 22 ähnlich ist. Die diskret ausgebildeten ORCS 48 können zusammen als ein einzelner ORCS 20 beschrieben werden. Jede Anordnung von diskreten ORCSs 48, die für beide ORCS-Abschnitte erreicht werden kann, wäre akzeptabel, vorausgesetzt, die zwei ORCS-Abschnitte 20A, 20B sind ausreichend ähnlich, sodass das gleiche Analytfluid (z.B.: ein Kalibrierungsfluid), egal auf welcher der Seiten des Fluidseparators 22 es angeordnet ist, die gleiche optische Rückmeldung während der Analyse für einen gegebenen ORCS-Streifen 20 ergibt. Es ist nicht erforderlich, dass die diskreten ORCSs 48 in einem kollektiven ORCS 20 individuell eine bestimmte Konfiguration aufweisen, aber es ist bevorzugt, dass sie alle mindestens eine im Wesentlichen ähnliche geometrische Konfiguration aufweisen. Bei den meisten Anwendungen werden die Charakteristiken der ORCSs 20 (z. B. die Optodengröße, die Bestandteile, die Konfiguration usw.) so gewählt, dass ein günstiges Signal-Rausch-Verhältnis und eine Wiederholbarkeit des Signals erzeugt werden.
Im Falle von Assays, die nur eine einzige Emissionsfarbe erfordern, kann einer oder können mehrere der ORCSs 20 eine Referenz mit konstanter Fluoreszenz beinhalten (siehe z. B. 6). Die Referenz mit konstanter Fluoreszenz ermöglicht die Berechnung der Zielanalytkonzentration als eine Funktion des Verhältnisses der Intensitäten von zwei verschiedenen Wellenlängen, was unter bestimmten Umständen vorteilhaft sein kann. Es sei darauf hingewiesen, dass beispielsweise die Intensität der optischen Rückmeldung eines ORCS 20 im Allgemeinen proportional zu dem Volumen (z. B. der Dicke) des ORCS 20 ist, das durch Licht abgefragt wird. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass: a) für ein ORCS-Material, das eine gegebene Konzentration partikelförmiger Optoden aufweist, die Anzahl der Optoden mit einer Zunahme des ORCS-Volumens zunimmt; und b) es schwierig sein kann, die Geometrie (d.h. das Volumen) eines ORCS 20 während der Herstellung des Sensorstreifens präzise zu steuern. Daher können Schwankungen in der Dicke (d.h. im Volumen) eines ORCS 20 einen Fehler bei der Größe der optischen Rückmeldung zwischen den Abschnitten 20A, 20B eines ORCS 20, der abgefragt wird, einführen. Um dieser potentiellen Variabilität Rechnung zu tragen, kann eine zweite Referenz mit konstanter Fluoreszenz verwendet werden, die eine optische Rückmeldung erzeugt, die sich von der optischen Rückmeldung des Zielanalyten unterscheidet (z. B. emittiert die Referenz Fluoreszenzlicht mit einer ersten Wellenlänge und die Optoden emittieren Licht mit einer zweiten Wellenlänge), um jeglicher Variabilität Rechnung zu tragen, die aufgrund der ORCS-Dickenvariabilität vorliegen kann. Die Zielanalytkonzentration kann dann als eine Funktion des Verhältnisses der Intensitäten der zwei Wellenlängen berechnet werden. Bei den meisten Anwendungen wird angenommen, dass die vorliegende Art der Aufteilung eines ORCS 20 über einen Fluidseparator 22 die Notwendigkeit vermeidet, eine Referenz mit konstanter Fluoreszenz zu verwenden. In jenen Fällen, in denen es wünschenswert ist, eine Referenz mit konstanter Fluoreszenz zu verwenden, kann diese jedoch separiert von anderen Sensoren angeordnet sein oder kann in dem ORCS 20 angeordnet sein.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf ein bestimmtes Verfahren zum Anordnen eines ORCS 20 auf der Oberfläche eines Substrats beschränkt. Zum Beispiel kann ORCS-Material als ein dünnes Filament extrudiert werden, das auf der Substratoberfläche abgeschieden wird, oder es kann auf die Substratoberfläche gedruckt oder darauf aufgestrichen werden usw. Die vorliegende Offenbarung ist ebenfalls nicht auf irgendeine bestimmte ORCS 20-Geometrie beschränkt. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen die Breite eines ORCS 20 gleich oder kleiner als ein Millimeter sein, wobei benachbarte ORCS 20 um ungefähr 0,5 mm separiert sind. Die Dicke eines ORCS 20 kann beispielsweise 0,1 bis 50 Mikrometer betragen. Es wird angenommen, dass eine ORCS-Dicke im Bereich von etwa 5 bis 20 Mikrometern besonders zweckdienlich ist, sodass sich bei jeglicher Zielanalyt/ORCS-Wechselwirkung das Gleichgewicht schnell einstellen kann. Die Länge eines ORCS (bei einer linearen Konfiguration) kann so sein, dass die jeweiligen Abschnitte des ORCS auf jeder Seite des Fluidseparators im Bereich von etwa einem bis zehn Millimetern (1,0 - 10,0 mm) liegen können. ORCS-Geometrien können optimiert werden, um eine automatisierte Analyse durch die Analysevorrichtung zu erleichtern.
Zur Erleichterung des Abtastens von ORCSs in einer Analysekassette ist es bevorzugt, dass jeder ORCS 20 auf einer Kammersubstratoberfläche 12A, 14A an einer bekannten oder bestimmbaren Position angeordnet ist. Zum Beispiel wird in einer Kammer 10, die mit einer Vielzahl von ORCSs 20 konfiguriert ist, die jeweils zum Abtasten eines anderen Analyten konfiguriert sind (z. B. siehe 6), das Bereitstellen von Informationen hinsichtlich der Position und des Typs des ORCS 20 an eine Analysevorrichtung die Steuerung der Analysevorrichtung und der verschiedenen Analysen erleichtern. ORCS-20-Informationen (z. B. Position, Typ usw.) können an eine Analysevorrichtung übermittelt werden, beispielsweise über einen Strichcode oder eine andere Kennzeichnung, die durch einen Leserabschnitt der Analysevorrichtung interpretierbar ist.
Die oben beschriebenen ORCS-Konfigurationen stellen eine Analysevorrichtung 50 (vgl. 7) mit erheblichen Vorteilen bei der Herstellung und Qualitätskontrolle bereit. Zum Beispiel ist es in einem Massenproduktionsumfeld möglich, dass die Charakteristiken eines gegebenen Typs von ORCS 20 von Kammer 10 zu Kammer 10 variieren (z. B. insbesondere, wenn die Kammern zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder in unterschiedlichen Herstellungsläufen hergestellt werden usw.). Daher könnten die analytischen Ergebnisse eines hochgenauen Kalibrierungsfluids von Kammer 10 zu Kammer 10 basierend auf Herstellungstoleranzen variieren. Die vorliegende Offenbarung minimiert das Potenzial für eine solche Schwankung durch Nutzung eines einzelnen ORCS 20 (z. B. für jeden Typ von Zielanalyt oder für jede Konzentration eines Zielanalyten) und Separieren dieses bestimmten ORCS 20 in einen ersten Abschnitt 20A, der in dem Probenbereich 34 der Kammer 10 angeordnet ist, und in einen zweiten Bereich 20B, der in dem Kalibrierungsbereich 38 der Kammer 10 angeordnet ist. Anders ausgedrückt sind die zwei Abschnitte 20A, 20B eines gegebenen ORCS 20 ausreichend ähnlich, sodass das gleiche Analytfluid (z. B. ein Kalibrierungsfluid), das auf beiden Seiten des Fluidseparators 22 angeordnet ist, die gleiche optische Rückmeldung während der Analyse für den gegebenen ORCS 20 ergeben würde.
Wie oben angegeben, beinhalten Aspekte der vorliegenden Offenbarung ein oder mehrere Systeme, Geräte und Verfahren zum Durchführen einer oder mehrerer qualitativer und/oder quantitativer Analytanalysen. Die vorliegende Offenbarung beinhaltet eine Analysevorrichtung, die mit der oben beschriebenen Analysekammer 10 (und den Kassetten 26 einschließlich einer Ausführungsform der zuvor genannten Kammer 10) verwendet werden kann. Ein Beispiel für eine solche Analysevorrichtung 50 ist schematisch in 7 gezeigt. Die Analysevorrichtung 50 beinhaltet eine photometrische Vorrichtung 51 und mindestens eine Verarbeitungseinheit 56. Die photometrische Vorrichtung beinhaltet eine oder mehrere Lichtquellen 52 und einen oder mehrere Lichtdetektoren 54. In einigen Ausführungsformen kann die Analysevorrichtung 50 auch eine Eingabevorrichtung 58 (z. B. eine Tastatur, einen Berührungsbildschirm usw.) und eine Anzeigevorrichtung 60 (z. B. eine LCD-Anzeige, LED-Anzeige usw.) beinhalten.
Die eine oder die mehreren Lichtquellen 52 erzeugen selektiv Licht bei einer oder mehreren Wellenlängen, für welche die ORCSs 20 photometrisch abtastbar sind. Ein nicht beschränktes Beispiel für eine Lichtquelle 52 ist eine Leuchtdiode (Light Emitting Diode - LED). In Bezug auf einen ORCS, der photometrisch abtastbar ist (d. h. konfiguriert, unter bestimmten Bedingungen eine optische Rückmeldung zu erzeugen), erzeugt ein ORCS, der den zuvor genannten Wellenlängen direkt oder indirekt ausgesetzt ist, eine erste bestimmbare optische Rückmeldungscharakteristik (z. B. Fluoreszenz oder Extinktion) in Abwesenheit eines Zielanalyten (oder in Bezug auf eine erste chemische Umgebung). Der gleiche ORCS 20 erzeugt im Vorhandensein einer ausreichenden Konzentration des Zielanalyten (oder in Bezug auf eine zweite, andere chemische Umgebung) für eine Zeitspanne, die ausreichend ist, um eine Reaktion zu ermöglichen, und den gleichen Wellenlängen von Licht ausgesetzt eine zweite optische Rückmeldungscharakteristik, wobei die zweite optische Rückmeldungscharakteristik sich erkennbar von der ersten optischen Rückmeldungscharakteristik unterscheidet. Die Veränderung der optischen Rückmeldungscharakteristik des ORCS 20 zeigt daher das Vorhandensein oder die Abwesenheit des Zielanalyten (oder der Veränderung der chemischen Umgebung) an. Die von der Analysevorrichtung 50 erzeugten und abgetasteten spezifischen Wellenlängen werden daher so gewählt, dass sie den in den Analysen verwendeten ORCS 20 ergänzen. Zum Beispiel kann die eine oder können die mehreren Lichtquelle(n) 52 verschiedene Farb-LEDs beinhalten, die für verschiedene ORCS/Zielanalyten aktiviert werden können. Es ist vorgesehen, dass Lichtquellen 52 mit unterschiedlicher Wellenlänge die Farbunterscheidung im Rahmen der Analysen erleichtern können. Als Alternative kann die eine oder können die mehreren Lichtquelle(n) 52 eine Quelle von weißem Licht sein, die mit einem Lichtfiltersystem genutzt wird, das betriebsfähig ist, um vorbestimmte Lichtwellenlängen durchzulassen.
Der eine oder die mehreren Lichtdetektor(en) 54 sind so konfiguriert, dass er/sie Licht (z. B. bei vorbestimmten Wellenlängen) erfasst/erfassen, das von den ORCS 20, die von den jeweiligen Fluiden benetzt sind, emittiert, von diesen reflektiert oder durch diese transmittiert wird. Die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt, irgendeinen bestimmten Typ oder irgendeine bestimmte Konfiguration des Lichtdetektors 54 zu verwenden, vorausgesetzt, dass der/die Lichtdetektor(en) für die vorliegende Analyse geeignet ist/sind. Ein Beispiel für einen annehmbaren Lichtdetektor 54 ist ein Bildsensor vom Ladungspaar(Charge Couple Devide - CCD)-Typ, der ein Bild von auf den Sensor auftreffendem Licht in ein elektronisches Datenformat umwandelt. Komplementäre Bildsensoren vom Metalloxidhalbleiter(Complementary Metal Oxide Semiconductor - „CMOS“)-Typ, Fluorometer und Fotovervielfacherröhren sind Beispiele für andere Typen von Lichtdetektoren 54, die verwendet werden können, und die vorliegende Offenbarung ist nicht auf irgendeines dieser Beispiele beschränkt.
In einigen Ausführungsformen kann die eine oder können mehreren Lichtquelle(n) 52 und kann der eine oder können die mehreren Lichtdetektor(en) 54 so konfiguriert sein, dass zwischen den Lichtquellen/Lichtdetektoren 52, 54 und der Analysekammer 10 keine relative Bewegung erforderlich ist; z. B. ist die Analysevorrichtung 50 in der Lage, ein Einzelbild des Kalibrierungsbereichs 38, ein Einzelbild des Probenbereichs 34 oder beides zu erzeugen. In weiteren Ausführungsformen ist die Analysevorrichtung 50 so konfiguriert, dass eine der Bilderzeugungshardware (z. B. die eine oder die mehreren Lichtquelle(n) 52 und der eine oder die mehreren Lichtdetektor(en) 54) und die Analysekammer 10 relativ zu der anderen bewegt werden. Zum Beispiel kann die Analysevorrichtung 50 so konfiguriert sein, dass sie die Analysekammer 10 (z. B. in der Analysekassette 26) stillstehend hält, und die Lichtquellen/Lichtdetektoren 52, 54 an einem Lesekopf 62 angebracht sein können, der sich relativ zu der Analysekammer 10 bewegt, wodurch es den Lichtquellen/Lichtdetektoren 52, 54 ermöglicht wird, die Analysekammer 10 „zu scannen“. Die 4 und 5 veranschaulichen schematisch einen Analysevorrichtungslesekopf 62, der sich relativ zu der Kassette 26 bewegt. Die Analysevorrichtung 50 ist nicht auf irgendeine bestimmte Lichtquellen-/Lichtdetektorkonfiguration in Bezug auf eine Analysekammer 10 beschränkt, die in der Analysevorrichtung 50 geladen ist; z. B. können sich die Lichtquellen/Lichtdetektoren 52, 54 auf der gleichen Seite einer in die Analysevorrichtung 50 geladenen Analysekammer 10 befinden, oder die Lichtquellen/Lichtdetektoren 52, 54 können sich auf den gegenüberliegenden Seiten einer in die Analysevorrichtung 50 geladenen Analysekammer 10 befinden, oder sie können sich entfernt mit Optik (z. B. Lichtröhren) befinden, die Lichtsignale zu und von der Analysekammer 10 überträgt.
In einigen Ausführungsformen können die Lichtdetektoren und/oder die Lichtquellen 52, 54 in Form einer Kamera gepackt sein; z. B. kann die photometrische Vorrichtung 51 in Form einer Kamera gepackt sein. Wenn beispielsweise die Analysekammer 10 so konfiguriert ist, dass sie in einer Vorrichtung gehalten wird, welche die Position der Kammer 10 fixiert, kann eine kleine Kamera mit festem Fokus (z. B. eine mit Fluoreszenzbeleuchtung) verwendet werden; z. B. mit ihrer Linse an die Oberfläche eines ORCS 20 fokussiert. Eine Bayer-Matrix-Farbkamera mit moderater Auflösung (5-10 Mpx) ist ein Beispiel für eine akzeptable Kamera, die verwendet werden kann, um einen oder mehrere ORCS 20 abzubilden (einschließlich jeweils des Kalibrierungsbereichs 38 und des Probenbereichs 34). Dieser Kameratyp hat, wenn er mit dem üblichen Sperrfilter verwendet wird, eine ausreichende Farbunterscheidung, um die grünen (560 nm) und die roten (620-700 nm) Fluoreszenzsignale zu separieren, die von den üblichen Fluorophoren emittiert werden. Ein ORCS 20 kann beispielsweise durch (im Allgemeinen) blaues Licht (395 nm - 470 nm) von einer oder mehreren LED-Quellen abgefragt werden. Wie oben angegeben, können verschiedene Farb-LEDs für verschiedene Zielanalyten eingeschaltet werden, um die Farbunterscheidung weiter zu unterstützen.
In einigen Ausführungsformen kann die vorliegende Offenbarung ein „Smartphone“ oder eine andere Kommunikaticnsvorrichtung nutzen, die eine Lichtquelle und einen Lichtdetektor (z. B. eine Kamera) in Kombination mit einer Haltevorrichtung beinhaltet. In solchen Ausführungsformen ist die Haltevorrichtung konfiguriert, um sowohl das Smartphone als auch eine Kassette 26, welche die Analysekammer beinhaltet, in einer Weise zu positionieren (und möglicherweise zu halten), in der es dem Kamerateil des Smartphones ermöglicht wird, ein Bild des Analysebereichs der Kammer 10 zu erfassen. Die Haltevorrichtung kann ein festes Linsensystem und eine Lichtfilteranordnung beinhalten. Zum Beispiel kann eine Lichtröhre positioniert sein, dass sie mit dem Smartphone-Kamerablitz ausgerichtet ist. Die Lichtröhre kann mit einem oder mehreren Filtern in Verbindung stehen, das/die selektiv den Durchtritt von nur einer bestimmten Lichtwellenlänge(n) erlaubt/erlauben (z. B. eine Anregungswellenlänge) und richtet das gefilterte Licht so, dass es auf den Analysebereich der Kammer auftrifft. Dieser Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist nicht auf eine bestimmte Lichtfilteranordnung beschränkt. In diesen Ausführungsformen kann das Smartphone zudem so konfiguriert sein, dass es eine „App“ (z. B. ein in sich geschlossenes Softwareprogramm, das auf das Smartphone heruntergeladen werden kann) beinhaltet, die das Smartphone auf eine Weise steuert, um die Bildaufnahme zu bewerkstelligen und zu ermöglichen, dass die abgetasteten Lichtsignale entweder direkt analysiert (und dem Benutzer mitgeteilt werden) und/oder zu einem entfernten Ort zur Analyse gesendet werden.
Die Verarbeitungseinheit 56 kann einen beliebigen Typ einer Rechenvorrichtung, Computerschaltung oder einen beliebigen Typ eines Prozessors oder einer Verarbeitungsschaltung beinhalten, der in der Lage ist, eine Reihe von Anweisungen, die in einer damit in Verbindung stehenden Speichervorrichtung gespeichert sind (oder Logik, die gespeichert ist), auszuführen. Die Verarbeitungseinheit 56 kann mehrere Prozessoren und/oder Multicore-CPUs beinhalten und kann einen beliebigen Prozessortyp beinhalten, wie etwa einen Mikroprozessor, einen digitalen Signalprozessor, einen Mikrocontroller oder dergleichen. Die Verarbeitungseinheit 56 ist so konfiguriert, dass auf die in der Speichervorrichtung gespeicherte(n) Anweisungen oder Logik automatisch zugegriffen wird (oder selektiv über Eingabe zugegriffen wird; z. B. von einer Benutzereingabevorrichtung aus) und die Verarbeitungseinheit 56 veranlasst, die gespeicherten Anweisungen in einer Weise auszuführen, die veranlasst, dass die ausgewählte(n) Analyse(n) ausgeführt wird bzw. werden. Die hier beschriebenen Methodologien können die Basis für die in dem Speicher gespeicherten Anweisungen (gespeicherte Logik) bilden. Die gespeicherten Anweisungen können es der Verarbeitungseinheit 56 auch ermöglichen, andere Aspekte der Analysevorrichtung 50 zu steuern, beispielsweise die eine oder die mehreren Lichtquellen 52 und den einen oder die mehreren Lichtdetektoren 54.
Betrieb:
Bezug nehmend auf die 1-9 wird das folgende Beispiel bereitgestellt, welches das Abtasten einer Vielzahl von Zielanalyten in einer Probe eines biologischen Fluids beinhaltet, um die Nützlichkeit der vorliegenden Offenbarung zu veranschaulichen. Das Beispiel beinhaltet die Verwendung einer Kassette 26, die eine Analysekammer 10 aufweist, wie oben beschrieben und in den 1-5 gezeigt. Die Analysekammer 10 beinhaltet ein planares Substrat 12, das eine Innenfläche 12A aufweist, und eine Deckfolie 14, die eine Innenfläche 14A aufweist. Die Innenflächen 12A, 14A sind voneinander durch einen durch die Ebene hindurch verlaufenden Dickenabstand 16 (z. B. sind etwa 50 Mikrometer akzeptabel) separiert. Die 4 und 5 zeigen optionale Abstandshalter 18, die zwischen dem planaren Substrat 12 und der Deckfolie 14 angeordnet sind. Wie oben erwähnt, beinhaltet die Kassette 26 eine Analysekammer 10, die eine Vielzahl von ORCS 20 aufweist, die als sich in Längsrichtung erstreckende Streifen angeordnet sind, die auf einer Innenfläche des Kammersubstrats angeordnet sind. Die ORCS 20 erstrecken sich in Längsrichtung und jeder hat eine im Wesentlichen konstante Querschnittsgeometrie (z. B. in der Y-Z-Ebene) für im Wesentlichen die gesamte Länge des ORCS-Streifens 20. Obwohl dies nicht unbedingt erforderlich ist, kann der erste ORCS-Streifen für Qualitätskontrollprozesse ein Referenzstreifen mit konstanter Fluoreszenz sein (siehe 6). Der zweite ORCS-Streifen ist so konfiguriert, dass er das Vorhandensein von Kalium (K⁺) in der Probe eines biologischen Fluids abtastet. Der dritte ORCS-Streifen ist so konfiguriert, dass er das Vorhandensein von Natrium (Na⁺) in der Probe eines biologischen Fluids abtastet. Der vierte ORCS-Streifen ist so konfiguriert, dass er das Vorhandensein von Chlorid (Cl^-) in der Probe eines biologischen Fluids abtastet. Der fünfte ORCS-Streifen ist so konfiguriert, dass er das Vorhandensein von Bicarbonat (HCO_3-) in der Probe eines biologischen Fluids abtastet. Der sechste ORCS-Streifen ist so konfiguriert, dass er das Vorhandensein von Calcium (Ca²⁺) in der Probe eines biologischen Fluids abtastet. Ein Fluidseparator 22 in der Form eines hydrophoben Sperrmaterials (z. B. Fluoropel™ (Cytonix LLC, MD, USA)) erstreckt sich in Breitenrichtung über die ORCS-Streifen 20 ungefähr in der Mitte der Streifen in der Längsrichtung. Der Probenbereich 34 der Analysekammer 10 ist auf einer Seite des Fluidseparators 22 angeordnet, und der Kalibrierungsbereich 38 ist auf der gegenüberliegenden Seite des Fluidseparators 22 angeordnet. Die ORCS-Streifenabschnitte 20A, 20B auf gegenüberliegenden Seiten des Fluidseparators 22 sind ausreichend ähnlich (z. B. in Zusammensetzung und Geometrie), sodass ein Analytfluid (z. B. ein Kalibrierungsfluid(e), das/ die die jeweiligen Analyten beinhaltet/beinhalten), das auf beiden Seiten des Fluidseparators 22 angeordnet ist, das gleiche abgetastete Signal während einer Analyse eines beliebigen der jeweiligen ORCS-Streifen 20 ergeben würde.
Bezug nehmend auf die 4 bis 6, beinhaltet die Kassette 26 ein Behältnis für eine Probe eines biologischen Fluids 30, das mit einem ersten Fluiddurchgang 32 fluidtechnisch verbunden ist, der ein Fluidsteuerelement 40 beinhaltet. Der erste Fluiddurchgang 32 steht in Fluidverbindung mit dem Probenbereich 34 der Analysekammer 10. Das in dem ersten Fluiddurchgang 32 angeordnete Fluidsteuerelement 40 ist ein Kapillarstopp, der einen Fluiddurchgang 32 von dem Behältnis für eine Probe eines biologischen Fluids 30 durch den ersten Durchgang 32 und in den Probenbereich 34 hinein verhindert. Die Kassette 26 beinhaltet ferner ein Kalibrierungsfluidbehältnis 28, das mit einem zweiten Fluiddurchgang 36 fluidtechnisch verbunden ist, der ein Fluidsteuerelement 42 beinhaltet. Der zweite Fluiddurchgang 36 steht in Fluidverbindung mit dem Kalibrierungsbereich 38 der Analysekammer 10. Das in dem zweiten Fluiddurchgang 36 angeordnete Fluidsteuerelement 42 ist eine Berstmembran, die einen Fluiddurchgang von dem Kalibrierungsfluidbehältnis 28 durch den zweiten Fluiddurchgang 36 und in den Kalibrierungsbereich 38 hinein verhindert. Das Kalibrierungsbehältnis 28 ist mit einem Kalibrierungsfluid gefüllt, das eine bekannte Konzentration von jedem der Analyten (oder eines vergleichbaren Analyten) enthält, die den ORCS-Streifen 20 zugeordnet sind.
Zur Durchführung einer Analyse der Probe platziert der Benutzer eine Menge einer Probe eines biologischen Fluids (z.B.: antikoaguliertes Blut, Plasma, Serum usw.) in das Probenbehältnis 30, vorzugsweise unmittelbar vor Durchführung der Probenanalyse. Wie oben erwähnt, beinhalten Aspekte der vorliegenden Offenbarung Konfigurationen von Kassetten 26, mit denen mehrere Punktanalysen durchgeführt werden können.
In einigen Fällen kann es nützlich sein, den Abschnitt des Probenbereichs, der einem bestimmten ORCS 20 zugeordnet ist, und den Abschnitt des Kalibrierungsbereichs, der demselben ORCS 20 zugeordnet ist, abzubilden (d.h. mit Licht abzufragen und auf eine optische Rückmeldung abzutasten), bevor Kalibrierungsfluid und/oder Probe in die Analysekammer 10 eingeführt wird/werden, um Ausgangswerte für die optische Rückmeldung zu bestimmen. Dieser „Voranalyse“-Bildgebungsschritt ist jedoch nicht erforderlich; z.B.: können gespeicherte Werte der optischen Rückmeldung genutzt werden.
Zur Einleitung der Analyse der Probe wird/werden das/die Kalibrierungsfluid(e) und das Probenfluid in die Analysekammer 10 geleitet; z. B. durch Öffnen der Strömungssteuervorrichtungen 40, 42 (z. B. durch Bersten einer Membran oder Drücken des Probenfluids durch einen Kapillarstopp) sowohl für die Proben- als auch die Kalibrierungsfluidbehältnisse 30, 28. Die jeweiligen Fluide werden aus den jeweiligen Behältnissen 30, 28 (z. B. durch Kapillarwirkung oder durch angelegten Druck) und in die jeweiligen Proben- und Kalibrierungsbereiche 34, 38 der Analysekammer 10 gezogen. Die Analysekammer 10 ist so konfiguriert, dass in der Analysekammer 10 angeordnete Luft entweichen kann, und der Fluidseparator 22 das Proben- und das Kalibrierungsfluid voneinander separiert hält. Es sei darauf hingewiesen, dass für Proben, die relativ undurchsichtig sind, wie Vollblut, es bevorzugt sein kann, die ORCS-Streifen 20 von der Außenfläche 12B, 14B des planaren Substrats 12, 14, auf dem die ORCS-Streifen 20 angeordnet sind, abzubilden (d. h. mit Licht abfragen und Licht erfassen).
Bezug nehmend auf 7 kann, nachdem die Fluide in die Analysekammer 10 gezogen wurden, die Analysevorrichtung 50 einen Zeitsteuerungsvorgang initiieren; z. B. kann ein zeitlicher „Ausgangspunkt“ festgelegt werden, sodass er dem Füllen der Analysekammerbereiche 34, 38 mit den jeweiligen Fluiden entspricht, oder nachdem die Analysevorrichtung 50 abtastet, dass jeder Kammerbereich 34, 38 mit dem jeweiligen Fluid gefüllt ist. Dieses Beispiel eines „Ausgangspunkts“ ist ein willkürliches Beispiel, und die vorliegende Offenbarung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
Für einen ersten Analysentyp kann die Analysevorrichtung 50 so konfiguriert sein, dass sie den Bildgebungsteil der Analysen zu einem Zeitpunkt durchführt, wenn Reaktionen zwischen den Zielanalyten in der Probe eines biologischen Fluids und dem ORCS 20 (z. B. den in dem ORCS angeordneten Optoden) und zwischen den Analyten in dem Kalibrierungsfluid und den Sensoren 20 ausreichend vollständig sind, um eine Erfassung klinisch signifikanter Daten zu ermöglichen. Im hier verwendeten Sinne bezieht sich der Begriff „Bildgebung“ auf die Applikation von Licht von der/den Lichtguelle(n) 52 auf die Analysekammer 10 und das Abtasten von Licht, das von der Analysekammer 10 emittiert oder durch diese transmittiert wird. Insbesondere beinhaltet die Applikation von Licht von der/den Lichtquelle(n) 52 die Applikation von Licht auf einen Analysebereich des Probenbereichs 34 der Analysekammer 10 und die Applikation von Licht auf den Kalibrierungsbereich 38 der Analysekammer 10. In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird das Licht gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig auf die Analysebereiche von sowohl dem Probenbereich 34 als auch dem Kalibrierungsbereich 38 appliziert. Ebenso beinhaltet das Abtasten von Licht, das von der Analysekammer 10 emittiert oder durch diese transmittiert wird (oder aus dieser reflektiert wird), ein Abtasten des Analysebereichs des Probenbereichs 34 der Analysekammer 10 und ein Abtasten des Kalibrierungsbereichs 38 der Analysekammer 10. In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird das Abtasten des Lichts, das von den Analysebereichen sowohl des Probenbereichs 34 als auch des Kalibrierungsbereichs 38 emittiert oder durch diese transmittiert wird (oder aus diesen reflektiert wird) gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig durchgeführt. Der Endpunkt dieser Zeitspanne kann als der „Abschlusspunkt“ bezeichnet werden, und die von der Verarbeitungseinheit 56 durchgeführten Analysen nutzen die abgetasteten Lichtdaten, die an diesem einzelnen „Abschlusspunkt“ erfasst wurden, um die Analysen durchzuführen.
Während des Bildgebungsprozesses steuert die Verarbeitungseinheit 56 der Analysevorrichtung 50 die Lichtquellen 52, um die Analysekammer 10 mit den gewählten Wellenlängen zu beleuchten und steuert die Detektoren 54, um Licht zu detektieren, das von der Analysekammer 10 emittiert oder durch diese transmittiert (oder aus dieser reflektiert) wird. Wie oben angegeben, können die Lichtquellen 52 Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen erzeugen (z. B. Licht mit einer Spitzenwellenlänge, das als eine Anregungslichtquelle für die Optoden in dem jeweiligen ORCS 20 wirkt). Die Lichtdetektoren 54 erzeugen Signale, die für das von den Lichtdetektoren 54 detektierte Licht repräsentativ sind, wobei diese Signale an die Verarbeitungseinheit 56 übermittelt werden. Während des Bildgebungsprozesses kann die Verarbeitungseinheit 56 auch die Positionierung von einem oder von beiden von der Analysekammer 10 und/oder den Lichtquellen/Lichtdetektoren 52, 54 steuern. Wie oben beschrieben, veranschaulichen die 4 und 5 schematisch einen Abschnitt einer Analysevorrichtung 50 (d. h. einen Lesekopf 62), der während des Bildgebungsprozesses quer in Bezug auf eine stationäre Analysekammer 10 bewegt wird. Die Abfrage der ORCS-Abschnitte 20A, 20B und die Lichtdetektion (d. h. Lichtabtastung) der ORCS-Abschnitte 20A, 20B können in einem einzigen Vorgang (z. B. einem einzelnen „Bild“) erreicht werden, oder sie können in einer Weise erfolgen, wobei die ORCS-Abschnitte 20A, 20B unabhängig voneinander abgefragt und detektiert werden. Wie oben angegeben, erfolgen die Abfrage und die Detektion der ORCS-Abschnitte 20A, 20B vorzugsweise gleichzeitig, aber es ist nicht erforderlich, dass sie gleichzeitig erfolgen.
Sobald die Reaktion den Abschlusspunkt erreicht hat, werden die von den Lichtdetektoren 54 erzeugten Signale an die Verarbeitungseinheit 56 übermittelt. Die Verarbeitungseinheit 56, die in einer Speichervorrichtung gespeicherte Anweisungen (oder Logik) beinhaltet, verarbeitet die Lichtdetektorsignale unter Verwendung der gespeicherten Anweisungen und erzeugt Information bezüglich der Zielanalyten (oder einer Veränderung in der chemischen Umgebung) in der Probe; z. B. das Vorhandensein oder die Abwesenheit der Analyten und/oder quantitative Informationen bezüglich der Zielanalyten usw.
Die Anweisungen beinhalten einen direkten oder indirekten Vergleich der Lichtsignale, die von einem Abschnitt des Probenbereichs 34, 38 detektiert werden, der einem bestimmten ORCS 20 zugeordnet ist (d. h. der einem ersten Abschnitt 20A des im Probenbereich 34 angeordneten ORCS 20 zugeordneten Lichtsignale) und der Lichtsignale, die von einem Abschnitt des Kalibrierungsbereichs 38 detektiert werden, der demselben ORCS 20 zugeordnet ist (d. h. der einem zweiten Abschnitt 20B des im Kalibrierungsbereich 38 angeordneten ORCS 20 zugeordneten Lichtsignalen). Wie oben erwähnt, enthält das Kalibrierungsfluid eine bekannte oder feststellbare Konzentration des Zielanalyten und erzeugt daher ein optisches Rückmeldungssignal, welches diese Konzentration des Zielanalyten anzeigt. Das optische Rückmeldungssignal, das dem Kalibrierungsfluid und dem zweiten Abschnitt 20B des ORCS 20 zugeordnet ist, kann daher dazu verwendet werden, die Reaktion des ORCS 20 (und damit der in dem Sensor 20 angeordneten Optoden) mit dem Zielanalyten zu bestätigen und/oder quantitative Informationen bezüglich des Zielanalyten bereitzustellen. Auf ähnliche Weise kann das optische Rückmeldungssignal, das dem Probenfluid und dem ersten Abschnitt 20A des ORCS 20 zugeordnet ist, verwendet werden, um das Vorhandensein oder die Abwesenheit eines Zielanalyten in der Probe zu bestimmen und/oder quantitative Informationen bezüglich des Zielanalyten in der Probe bereitzustellen. Der Vergleich der optischen Rückmeldungssignale, die von dem zweiten Abschnitt 20B des ORCS 20, der in dem Kalibrierungsbereich 38 angeordnet ist, detektiert werden, mit optischen Rückmeldungssignalen, die von dem ersten Abschnitt 20A des ORCS 20, der in dem Probenbereich 34 angeordnet ist, detektiert werden, kann verwendet werden, um die Analyse zu kalibrieren und/oder um quantifizierbare Informationen bereitzustellen. Wenn beispielsweise die Beziehung zwischen der Analytkonzentration des Kalibrierungsfluids und der Größe des optischen ORCS-Rückmeldungssignals bekannt ist (z. B. eine Beziehung, die mathematisch beschrieben werden kann), können die zuvor genannten Signale dann verwendet werden, um die Werte der optischen Rückmeldungssignale zu quantifizieren, die im Probenbereich bestimmt wurden. Dieser Ansatz kann als Einzelpunktansatz bezeichnet werden. Als ein weiteres Beispiel kann in einem Fall, in dem zwei oder mehr Kalibrierungsfluide, im Allgemeinen mit mindestens einem mit einer höheren Konzentration als der erwartete Zielanalyt-Konzentrationsbereich und mindestens einem mit einer niedrigeren als der erwartete Zielanalyt-Konzentrationsbereich, verwendet werden, die optische ORCS-Rückmeldung auf die Konzentration des Analyten in Kalibratorfluiden verwendet werden, um eine Rückmeldungskurve zu erstellen, wobei die Rückmeldung auf die Analytkonzentration für einen beliebigen Punkt zwischen den zwei oder mehr Kalibratorwerten berechnet werden kann. Dies kann als ein Mehrpunktansatz bezeichnet werden. Die Analysevorrichtung 50 kann dann diese Information direkt an den Benutzer übermitteln (z.B.: über einen Anzeigebildschirm) und/oder kann diese Information zur Betrachtung an einen entfernten Ort übertragen.
Für einen zweiten Analysetyp kann die Analysevorrichtung 50 so konfiguriert sein, dass sie den Bildgebungsteil der Analysen an mehreren Zeitpunkten (z. B. periodisch) durchführt, nachdem das Probenfluid und das Kalibrierungsfluid in die jeweiligen Bereiche 34, 38 der Analysekammer 10 eingeführt wurden; z. B. in der oben beschriebenen Weise. Die konkrete Anzahl von Bildern, die aufgenommen werden, kann basierend auf den vorliegenden Analysen ausgewählt werden und kann auch von den erfassten optischen Rückmeldungsdaten abhängen. Der Typ des/der evaluierten Analyten, der Typ der evaluierten Probe eines biologischen Fluids und der Typ der durchgeführten Analyse (z.B.: eine kinetische Analyse oder eine prädiktive Endpunktberechnungsanalyse) können alle in die Anzahl der aufgenommenen Bilder, in die Geschwindigkeit, mit der die Bilder aufgenommen werden usw. eingehen. Die Analysevorrichtung 50 (z. B. die Verarbeitungseinheit 56) kann so konfiguriert sein, dass sie die Bildgebungsvariablen evaluiert und die geeigneten Bildgebungsvariablen für die vorliegenden Analysen auswählt. Wie oben angegeben, wird in bevorzugten Ausführungsformen das Abfragelicht gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig auf die Analysebereiche sowohl des Probenbereichs 34 als auch des Kalibrierungsbereichs 38 appliziert, und erfolgt das Detektieren des Lichts, das von den Analysebereichen sowohl des Probenbereichs 34 als auch des Kalibrierungsbereichs 38 emittiert oder von diesen transmittiert (oder aus diesen reflektiert) wird, gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig. Obwohl es bevorzugt ist, dass alle Ablesungen zur selben Zeit vorgenommen werden, ist es nicht ausdrücklich erforderlich, dass die Datenerfassung von jedem Bereich tatsächlich gleichzeitig erfolgt, solange die tatsächliche Zeit von der Initiierung der Analyse bis zu der Messzeit aufgezeichnet wird und in die Berechnungen eingeht.
Die optischen Rückmeldungssignale, die von den Lichtdetektoren 54 erzeugt werden, können periodisch an die Verarbeitungseinheit 56 übermittelt werden oder können gepuffert und kollektiv an die Verarbeitungseinheit 56 übermittelt werden, oder es kann eine Kombination davon sein. Ebenso kann jeder Datensatz periodischer optischer Rückmeldungssignale periodisch durch die Verarbeitungseinheit 56 analysiert werden, oder können die Datensätze periodischer optischer Rückmeldungssignale gepuffert und gemeinsam von der Verarbeitungseinheit 56 analysiert werden, oder es kann eine Kombination davon sein. Die Verarbeitungseinheit 56, die Anweisungen (oder Logik) beinhaltet, die in einer Speichervorrichtung gespeichert sind, verarbeitet die Lichtdetektorsignale unter Verwendung der gespeicherten Anweisungen und erzeugt Informationen bezüglich der Zielanalyten (oder Charakteristiken der chemischen Umgebung) in der Probe; z. B. das Vorhandensein oder die Abwesenheit der Analyten und/oder quantitative Informationen bezüglich der Zielanalyten usw. Die Analysevorrichtung 50 kann dann diese Informationen direkt an den Benutzer übermitteln (z. B. über eine Anzeigevorrichtung 60) und/oder kann diese Information zur Ansicht an einen entfernten Ort übertragen.
Die Konfiguration des ORCS 20 und des Fluidseparators 22 in der Analysekammer 10 der vorliegenden Offenbarung erleichtern die möglichen Analysen erheblich und eliminieren signifikante potentielle Variabilität in den Ergebnissen. In den bevorzugten Ausführungsformen ist ein oder sind mehrere ORCS 20 auf der Oberfläche eines Substrats angeordnet und jeder ORCS 20 ist funktionell in zwei Abschnitte separiert; d. h. einen ersten Abschnitt 20A, der in einem Probenbereich 34 der Analysekammer 10 angeordnet ist, und einen weiteren Abschnitt 20B, der in einem Kalibrierungsbereich 38 der Analysekammer 10 angeordnet ist. Die beiden Sensorabschnitte 20A, 20B (die vorzugsweise gleichzeitig erzeugt wurden, weisen die gleiche Zusammensetzung auf, sind gleich alt und wurden gleichzeitig auf der Substratoberfläche abgeschieden) variieren nur hinsichtlich ihrer Position in Bezug auf den Fluidseparator 22. Infolgedessen ist eine dem ORCS 20 selbst zugeordnete Variabilität zwischen dem Probenbereich 34 und dem Kalibrierungsbereich 38 unzureichend, um die Ergebnisse der vorliegenden Analyse negativ zu beeinflussen. Da die Analyse der Probe eines biologischen Fluids mit den bekannten Eigenschaften des Kalibrierungsfluids verglichen werden kann, müssen die konkreten Parameter des ORCS 20 (z. B. einschließlich der Optodencharakteristik) nicht in engen Toleranzen gehalten werden. Die Konfiguration des ORCS 20 und des Fluidseparators/der Fluidseparatoren 22 in der Analysekammer 10 ermöglicht es auch, dass der Probenbereich 34 und der Kalibrierungsbereich 38 entweder gleichzeitig oder sehr zeitnah analysiert werden können. Daher kann jegliche Variabilität in den Ergebnissen, die durch einen Unterschied hinsichtlich Zeit oder Temperatur zwischen der Analyse des Probenbereichs 34 und der Analyse des Kalibrierungsbereichs 38 beeinträchtigt werden kann, effektiv eliminiert werden. Bestimmte der oben beschriebenen Analysen mit elektronischen Chips nutzen eine Kalibrierungsvorschrift, bei der die ionenspezifischen Elektroden (Ion Specific Electrodes - ISEs) vor der Probenanalyse einem Kalibrierungsfluid ausgesetzt werden. Nach Durchführung der Kalibrierung muss das Kalibrierungsfluid entfernt werden und typischerweise muss die Analysekammer, in der die ISEs untergebracht sind, gewaschen werden, um jegliches restliches Kalibrierungsfluid zu entfernen. Dieser Prozess erfordert ein Volumen, welches das „gebrauchte“ Kalibrierungsfluid sowie das Waschfluid aufnehmen kann. Dieser Prozess, der sequenziell durchgeführt wird, erhöht auch die Zeit, die erforderlich ist, um die Analysen durchzuführen. Zudem gestattet diese sequentielle Abtastung es der Vorrichtung nicht, Typen chemischer Reaktionen zu verwenden, die einige der Reagenzien des Sensors irreversibel verändern.
In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, die Analysevorrichtung zu kalibrieren; um beispielsweise die Auswirkungen des pH-Werts auf die optische Rückmeldungssignalintensität zu bestimmen. Wie oben angegeben, kann die vorliegende Offenbarung einen ORCS 20 beinhalten, der so konfiguriert ist, um Informationen bezüglich des pH-Werts der Probe und/oder des Kalibrierungsfluids bereitzustellen. In einigen Fällen kann es nützlich sein, die Analysevorrichtung zu kalibrieren, um beispielsweise die Leistungscharakteristiken der Analysevorrichtung 50 zu bestimmen. In solchen Fällen kann die Analysevorrichtung 50 unter Verwendung einer einzigen Lösung kalibriert werden, die alle Analyten von Interesse enthält.
Wie für den Durchschnittsfachmann auf dem einschlägigen Gebiet ersichtlich ist, können zahlreiche Modifikationen und Ersetzungen an der oben beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist. Demgemäß ist der vorhergehende Abschnitt dieser Beschreibung in einem veranschaulichenden und nicht in einem beschränkenden Sinn zu verstehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62279451 [0001]

Claims

Verfahren zum Analysieren einer Probe eines biologischen Fluids auf mindestens einen Zielanalyten hin, umfassend: Bereitstellen einer Analysekammer, die mindestens einen sich optisch rückmeldenden chemischen Sensor (Optical Responsive Chemical Sensor - ORCS), der auf einer Substratoberfläche angeordnet ist, einen Probenfluidbereich, einen Kalibrierungsfluidbereich und mindestens einen Fluidseparator aufweist, der den Probenfluidbereich und den Kalibrierungsfluidbereich fluidtechnisch separiert, wobei ein erster Abschnitt des mindestens einen ORCS in dem Probenfluidbereich angeordnet ist und ein zweiter Abschnitt des mindestens einen ORCS in dem Kalibrierungsfluidbereich angeordnet ist; Anordnen mindestens eines Kalibrierungsfluids, das den Zielanalyten in einer bekannten oder feststellbaren Konzentration beinhaltet, in dem Kalibrierungsfluidbereich; Anordnen der Probe eines biologischen Fluids in dem Probenfluidbereich; Verwenden mindestens einer Lichtquelle zum Abfragen des ersten Abschnitts des ORCS und des zweiten Abschnitts des ORCS mit einer oder mehreren vorbestimmten Lichtwellenlängen und Verwenden des mindestens einen Lichtdetektors zum Detektieren einer ersten optischen Rückmeldung von dem ersten Abschnitt des ORCS bei Abfrage und einer zweiten optischen Rückmeldung von dem zweiten Abschnitt des ORCS bei Abfrage; und Verwenden einer Verarbeitungseinheit, die mindestens einen Prozessor aufweist, zum Analysieren der Probe eines biologischen Fluids in Bezug auf den mindestens einen Zielanalyten unter Verwendung der detektierten ersten und der detektierten zweiten optischen Rückmeldung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine ORCS eine Vielzahl von Optoden beinhaltet, die so konfiguriert sind, dass sie sich bei Vorhandensein des Zielanalyten und bei Abfrage durch die eine oder die mehreren vorbestimmten Lichtwellenlängen optisch rückmelden, wobei die Vielzahl von Optoden sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Abschnitt des ORCS im Wesentlichen gleichmäßig verteilt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Optoden jeweils Ionophore, die selektiv mit dem Zielanalyten wechselwirken, Chomoionophore, die sich als eine Funktion der Protonierung optisch rückmelden, und eine Matrix beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste optische Rückmeldung eine Veränderung bei mindestens einem von Fluoreszenzemission, Extinktion oder Reflexionsgrad ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die zweite optische Rückmeldung eine Veränderung bei mindestens einem von Fluoreszenzemission, Extinktion oder Reflexionsgrad ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die erste und die zweite optische Rückmeldung die Optoden beinhalten, die bei Abfrage durch die eine oder die mehreren vorbestimmten Lichtwellenlängen und in Abwesenheit des Zielanalyten Fluoreszenzemissionen bei einer ersten Wellenlänge emittieren, und die Optoden bei Abfrage durch die eine oder die mehreren vorbestimmten Lichtwellenlängen und bei Vorhandensein des Zielanalyten Fluoreszenzemissionen bei einer zweiten Wellenlänge emittieren, wobei sich die zweite Wellenlänge von der ersten Wellenlänge unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Lichtdetektor erste Signale, welche die erste optische Rückmeldung anzeigen, und zweite Signale erzeugt, welche die zweite optische Rückmeldung anzeigen, und die Verarbeitungseinheit die Probe eines biologischen Fluids unter Verwendung des ersten Signals und des zweiten Signals in Bezug auf den mindestens einen Zielanalyten analysiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Analysekammer Folgendes beinhaltet: einen ersten ORCS, der eine Vielzahl erster Optoden beinhaltet, die für einen ersten Zielanalyten selektiv abtastbar sind, wobei die Vielzahl erster Optoden sowohl in dem ersten als auch dem zweiten Abschnitt des ersten ORCS im Wesentlichen gleichmäßig verteilt ist; und einen zweiten ORCS, der eine Vielzahl zweiter Optoden beinhaltet, die für einen zweiten Zielanalyten selektiv abtastbar sind, wobei die Vielzahl zweiter Optoden sowohl in dem ersten als auch dem zweiten Abschnitt des zweiten ORCS im Wesentlichen gleichmäßig verteilt ist; und wobei der erste Zielanalyt sich in seinem Typ von dem zweiten Zielanalyten unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abfragen und das Detektieren mehrmals durchgeführt werden, bevor eine Reaktion zwischen dem Zielanalyten und dem ORCS das Gleichgewicht erreicht, und das Analysieren eine kinetische Analyse ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abfragen und das Detektieren mehrmals durchgeführt werden, bevor eine Reaktion zwischen dem Zielanalyten und dem ORCS das Gleichgewicht erreicht, und das Analysieren eine prädiktive Endpunktanalyse ist.
Gerät zum Analysieren einer Probe eines biologischen Fluids für mindestens einen Zielanalyten, umfassend: eine Analysekammer, die mindestens einen sich optisch rückmeldenden chemischen Sensor (ORCS), der auf einer Substratoberfläche angeordnet ist, einen Probenfluidbereich, einen Kalibrierungsfluidbereich und mindestens einen Fluidseparator aufweist, der den Probenfluidbereich und den Kalibrierungsfluidbereich fluidtechnisch separiert, wobei ein erster Abschnitt des mindestens einen ORCS in dem Probenfluidbereich angeordnet ist und ein zweiter Abschnitt des ORCS in dem Kalibrierungsfluidbereich angeordnet ist; mindestens eine Lichtquelle und mindestens einen Lichtdetektor; und eine Verarbeitungseinheit, die mindestens einen Prozessor aufweist, wobei die Verarbeitungseinheit mit der mindestens einen Lichtquelle und dem mindestens einen Lichtdetektor in Verbindung steht und mit einer Speichervorrichtung in Verbindung steht, die Anweisungen speichert, wobei die Anweisungen bei Ausführung die Verarbeitungseinheit zu Folgendem veranlassen: Steuern der mindestens einen Lichtquelle zum Abfragen des ersten Abschnitts des ORCS und des zweiten Abschnitts des ORCS mit einer oder mehreren vorbestimmten Lichtwellenlängen, und Steuern des mindestens einen Lichtdetektors zum Detektieren einer ersten optischen Rückmeldung von dem ersten Abschnitt des ORCS bei Abfrage und einer zweiten optischen Rückmeldung von dem zweiten Abschnitt des ORCS bei Abfrage; und Analysieren der Probe eines biologischen Fluids unter Verwendung der detektierten ersten und der detektierten zweiten optischen Rückmeldung.
Gerät nach Anspruch 11, wobei der mindestens eine ORCS eine Vielzahl von Optoden beinhaltet, die so konfiguriert sind, dass sie sich im Vorhandensein des Zielanalyten und bei Abfrage durch die eine oder die mehreren vorbestimmten Lichtwellenlängen optisch rückmelden, wobei die Vielzahl von Optoden sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Abschnitt des ORCS im Wesentlichen gleichmäßig verteilt ist.
Gerät nach Anspruch 12, wobei Optoden jeweils Ionophore, die selektiv mit dem Zielanalyten wechselwirken, Chomoionophore, die sich als eine Funktion der Protonierung optisch rückmelden, und eine Matrix beinhalten.
Gerät nach Anspruch 13, wobei die erste optische Rückmeldung eine Veränderung bei mindestens einem von Fluoreszenzemission, Extinktion oder Reflexionsgrad ist.
Gerät nach Anspruch 11, wobei die Analysekammer Folgendes beinhaltet: einen ersten ORCS, der eine Vielzahl erster Optoden beinhaltet, die für einen ersten Zielanalyten selektiv abtastbar sind, wobei die Vielzahl erster Optoden sowohl in dem ersten als auch dem zweiten Abschnitt des ersten ORCS im Wesentlichen gleichmäßig verteilt ist; und einen zweiten ORCS, der eine Vielzahl zweiter Optoden beinhaltet, die für einen zweiten Zielanalyten selektiv abtastbar sind, wobei die Vielzahl zweiter Optoden sowohl in dem ersten als auch dem zweiten Abschnitt des zweiten ORCS im Wesentlichen gleichmäßig verteilt ist; und wobei der erste Zielanalyt sich in seinem Typ von dem zweiten Zielanalyten unterscheidet.
Gerät nach Anspruch 11, wobei die Anweisungen bei Ausführung die Verarbeitungseinheit dazu veranlassen, die mindestens eine Lichtquelle zum Abfragen und den mindestens einen Lichtdetektor zum Detektieren mehrmals, bevor eine Reaktion zwischen dem Zielanalyten und dem ORCS das Gleichgewicht erreicht, zu steuern und eine kinetische Analyse durchzuführen.
Gerät nach Anspruch 11, wobei die Anweisungen bei Ausführung die Verarbeitungseinheit veranlassen, die mindestens eine Lichtquelle zum Abfragen und den mindestens einen Lichtdetektor zum Dektieren mehrmals, bevor eine Reaktion zwischen dem Zielanalyten und dem ORCS das Gleichgewicht erreicht, zu steuern und eine prädiktive Endpunktanalyse durchzuführen.
Analysekammer, umfassend: mindestens einen optisch rückmeldenden chemischen Sensor (ORCS), der auf einer Substratoberfläche angeordnet ist, wobei der ORCS so konfiguriert ist, dass er sich im Vorhandensein eines Zielanalyten und bei Abfrage durch eine oder mehrere vorbestimmte Lichtwellenlängen optisch rückmeldet; einen Probenfluidbereich; einen Kalibrierungsfluidbereich; und mindestens einen Fluidseparator, der den Probenfluidbereich und den Kalibrierungsfluidbereich fluidtechnisch separiert; wobei ein erster Abschnitt des mindestens einen ORCS in dem Probenfluidbereich angeordnet ist und ein zweiter Abschnitt des ORCS in dem Kalibrierungsfluidbereich angeordnet ist.
Analysekammer nach Anspruch 18, wobei der mindestens eine ORCS eine Vielzahl von Optoden beinhaltet, die so konfiguriert sind, dass sie sich bei Vorhandensein des Zielanalyten und bei Abfrage durch die eine oder die mehreren vorbestimmten Lichtwellenlängen optisch rückmelden, wobei die Vielzahl von Optoden sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Abschnitt des ORCS im Wesentlichen gleichmäßig verteilt ist.
Analysekammer nach Anspruch 19, wobei Optoden jeweils Ionophore, die selektiv mit dem Zielanalyten wechselwirken, Chomoionophore, die sich als eine Funktion der Protonierung optisch rückmelden, und eine Matrix beinhalten.
Analysekammer nach Anspruch 18, wobei die Analysekammer Folgendes beinhaltet: einen ersten ORCS, der eine Vielzahl erster Optoden beinhaltet, die für einen ersten Zielanalyten selektiv abtastbar sind, wobei die Vielzahl erster Optoden sowohl in dem ersten als auch dem zweiten Abschnitt des ersten ORCS im Wesentlichen gleichmäßig verteilt ist; und einen zweiten ORCS, der eine Vielzahl zweiter Optoden beinhaltet, die für einen zweiten Zielanalyten selektiv abtastbar sind, wobei die Vielzahl zweiter Optoden sowohl in dem ersten als auch dem zweiten Abschnitt des zweiten ORCS im Wesentlichen gleichmäßig verteilt ist; und wobei der erste Zielanalyt sich in seinem Typ von dem zweiten Zielanalyten unterscheidet.