EP4713657A1 - Vorrichtung für die durchführung von biochemischen untersuchungen an proben - Google Patents

Vorrichtung für die durchführung von biochemischen untersuchungen an proben

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EP4713657A1
EP4713657A1 EP24730621.0A EP24730621A EP4713657A1 EP 4713657 A1 EP4713657 A1 EP 4713657A1 EP 24730621 A EP24730621 A EP 24730621A EP 4713657 A1 EP4713657 A1 EP 4713657A1
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EP
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electromagnetic radiation
detectors
cavities
openings
emitted
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EP24730621.0A
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Norbert Danz
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Durchführung von biochemischen Untersuchungen an Proben beschrieben, die biologische Moleküle als Analyten sowie Rezeptoren mit hoher Bindungsaffinität für die Analyten, an die ein lumineszierendes Molekül gebunden ist, enthalten. Die Vorrichtung umfasst ein Substrat (1), an dessen Oberfläche mehrere Kavitäten, in denen eine Probe enthalten ist, diskret zueinander angeordnet sind. Oberhalb der Öffnungen der Kavitäten (3) sind Detektoren (5) in einer Arrayanordnung angeordnet, die zur Erfassung von Lumineszenzstrahlung von den in den Proben enthaltenen lumineszierenden Molekülen innerhalb mindestens eines ersten und eines zweiten Wellenlängenintervalls ausgestaltet sind. An die Detektoren (5) ist eine elektronische Auswerteeinheit angeschlossen oder anschließbar, die ausgebildet ist, die Anteile an mit den Detektoren (5) detektierter Lumineszenzstrahlung des ersten und des zweiten Wellenlängenintervalls zu erfassen und ins Verhältnis zu setzen, so dass der Anteil an an Rezeptoren gebundenen biologischen Molekülen in den einzelnen Proben zueinander bestimmbar ist. Zwischen den Öffnungen der Kavitäten und den Detektoren (5) ist ein optisches Übertragungselement (7) angeordnet, in dem den Öffnungen der Kavitäten (3) zugeordnet kanalförmige Durchbrechungen (7.1) ausgebildet sind.

Description

Vorrichtung für die Durchführung von biochemischen Untersuchungen an Proben Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Durchführung von biochemischen Untersuchungen an Proben. In den Proben sind biologische Moleküle jeweils als Analyt und außerdem Rezeptoren mit hoher Bindungsaffinität für diese biologischen Moleküle enthalten. An die Rezeptoren ist jeweils mindestens ein Molekül gebunden, das elektromagnetische Strahlung innerhalb eines bestimmten ersten Wellenlängenintervalls emittiert. Dabei kann ausgenutzt werden, dass bei für eine Lumineszenz geeigneten Molekülen, mit denen elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenintervall emittiert wird, nach einer Bindung an einen in der Probe enthaltenen Rezeptors infolge von Lumineszenz elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlän- genintervall, das sich vom ersten Wellenlängenintervall unterscheidet, emittiert wird. So kann man beispielsweise an einer Probe erst infolge Lumineszenz emittierte Strahlung des ersten Wellenlängenintervalls, beispielsweise aus dem Wellenlängenbereich des blauen Lichts erfassen. Nach Ablauf einer Inkubationszeit, innerhalb der Rezeptoren mit lumineszierenden Molekülen an Analyten eine Bindung mit einem jeweiligen Rezeptor eingehen, kann je nach Anzahl so gebundener biologischen Moleküle auch elektromagnetische Strahlung aus dem zweiten Wellenlängenintervall erfasst werden, der zum Beispiel im Bereich des roten Lichts liegen kann. Mit den erfassten Anteilen an elektromagnetischer Strahlung aus den unterschiedlichen Wellenlängenintervallen kann man Schlüsse auf das Vorhandensein von Analyten in der jeweiligen Probe, beispielsweise auf das Vorhandensein bestimmter Antikörper und ggf. dies sogar quantifiziert ziehen. Dabei kann jeweils ein Analyt fest an einen Rezeptor gebunden sein, so dass diese Bindung auch erhalten bleiben kann, wenn ein im ersten Wellenlängenintervall lumineszierendes Molekül mit dem Rezeptor an einen Analyten gebunden worden ist.
Die Erfindung ist vor allem für biomedizinische Anwendungen, also Nachweise auf der Basis von Antigen-Antikörper-Reaktionen, geeignet. Derartige Nachweise können in der humanmedizinischen Diagnostik, Veterinärmedizin, Lebensmittelanalytik, Biotechnologie u.v.a.m. eingesetzt werden. Wahrscheinlich gehen die potenziellen Anwendungsgebiete noch darüber hinaus. Technisch wird angestrebt, ein solches System mit einem dedizierten Bildsensor aufzubauen. Die Messergebnisse können beispielsweise via USB mittels PC oder auch Smartphone ausgelesen und ausgewertet werden.
Gegenstand dieser Erfindung ist auch der Nachweis von Analyten bzw. „Ana- lyt-Molekülen" in einer bevorzugt wässrigen Probe für die medizinische / diagnostische Sensorik. Dabei sollen bestimmte, in der Probe enthaltene Moleküle (i.d.R. Eiweiße oder auch Nicotinamid Adenin Dinucleide oder NADPH/NADP+ oder Nicotinamid Adenin Dinucleide in phosphorilierter Form NADH/NAD+) durch ihre Bindung an einen entsprechenden Antikörper nachgewiesen werden. Antikörper können spezielle synthetisches Proteine sein, die die unten beschriebenen Funktionen erfüllen. Die prinzipiellen Arten der Nachweisreaktion sowie die notwendigen synthetischen Sensorproteine sind bekannt und z.B. von in Q. Yu, L. Xu et al., „Semisynthetic sensor proteins enable metabolic assays at the point of care", Science 361, (2018), S 1122-1126 veröffentlicht. Es wird auf den Inhalt dieser Publikation Bezug genommen. Wichtig dafür sind die folgenden Fakten: + Die jeweilige zu untersuchende Probe wird mit den Nachweisreagenzien gemischt, die Messung erfolgt dann nach einer Zeitspanne („Inku- bationsszeit") von wenigen Minuten.
+ Dabei wird in der Lösung durch ein Enzym Lumineszenz erzeugt. Die Farbe/Wellenlänge(n) der Lumineszenz ist - aufgrund des speziellen Designs der zum Nachweis verwendeten Sensorproteine - von der Konzentration der jeweiligen Analyt-Moleküle in der Probe abhängig.
+ Demzufolge kann bei der Messung einzig die Farbe der emittierten elektromagnetischen Strahlung in mindestens zwei vorgegebenen Wellenlängenbereichen des Lumineszenz-Lichts gemessen werden. Dabei erfolgt eine Prüfung dahingehend, dass das Verhältnis der Intensitäten in beiden Wellenlängenbereichen vor und nach einer Bindung von Analyt an Rezeptoren ausgewertet wird.
+ Diese Messungen können in Laborgeräten (Spektrometern oder Photometern) durchgeführt werden, die das von der Probe emittierte Spektrum an infolge Lumineszenz emittierter elektromagnetischer Strahlung mit guter Wellenlängenauflösung detektieren können. Dieser Ansatz ist nicht auf Anwendungen vor Ort (am s.g. Point-of-Care) übertragbar.
+ Nach dem Stand der Technik wurden die zu untersuchenden Proben auf ein Filterpapier pipettiert, um die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung mittels einer Spiegelreflexamera zu erkennen. Die Auswertung erfolgt dabei durch nachträgliche Analyse der Farbinformation in den Aufnahmen der Kamera. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass eine Farbbestimmung mittels eines kommerziellen rgb-Bildsensors möglich und ausreichend ist.
+ Es ist auch bekannt, ein Smartphone als Detektor zu nutzen, und die Kamera dieses Smartphones durch eine Zusatzlinse mit „Blackbox" (Abschirmung von Umgebungslicht) auszustatten. Dort wird bisher jedoch nur die Intensität der infolge Lumineszenz emittierten elektromagnetischen Strahlung nicht deren Wellenlängen genutzt. + Anstelle der Detektion der Biolumineszenz als Intensitätssignal können derartige Nachweise z.B. mit nahe an der Probe angeordneten Detektoren (wie z.B. Fotodioden, Avalanche-Fotodioden, Fotomultiplier) erfolgen. Dazu können zwei Fotomultiplier als empfindliche Detektoren in Verbindung mit zwei unterschiedlichen Spektralfiltern ange- wendet werden. Dadurch ist auch die Detektion eines Farbverhältnisses (unabhängig von der Helligkeit der Lumineszenz) als Messsignal möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, Möglichkeiten für eine wellenlängenaufgelöste Bestimmung zur Detektion an Proben anzugeben, mit denen Biolumineszenz mit einem sehr einfachen, kleinen Hardwaresystem schnell und mit ausreichend hoher Messgenauigkeit detektiert und einfach und in kurzer Zeit ausgewertet werden kann, wobei die Verluste an infolge Lumineszenz emittierter elektromagnetischer Strahlung, die von Proben ausgeht und die nicht mit geeigneten Detektoren erfasst werden kann, minimiert werden sollen.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind an einer Oberfläche eines Substrats mehrere Kavitäten diskret zueinander angeordnet. In den Kavitäten ist jeweils eine Probe enthalten. Die Proben können gleich oder auch unterschiedlich sein.
Oberhalb der Öffnungen der Kavitäten sind mehrere Detektoren, die zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung von infolge Lumineszenz von den in den Proben enthaltenen lumineszierenden Molekülen innerhalb mindestens eines ersten und eines zweiten Wellenlängenintervalls der emittierten elektromagnetischen Strahlung in einer Arrayanordnung angeordnet. Bevorzugt können Sie in einer Reihen- und Spaltenanordnung ein Array bilden. Das Substrat sollte aus einem die infolge Lumineszenz der in den jeweiligen Proben enthaltenen Moleküle emittierte elektromagnetische Strahlung zumindest zu 90 % streuenden Material gebildet sein, so dass der größte Teil der emittierten elektromagnetischen Strahlung das Substrat nicht durchdringen und für eine Detektion nicht verloren gehen kann.
Die Wandung der Kavitäten kann aber auch mit einer die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung reflektierenden Beschichtung beschichtet sein, um den gleichen Effekt zu erreichen.
An die Detektoren ist eine elektronische Auswerteeinheit angeschlossen oder anschließbar, die ausgebildet ist, die Anteile an mit den Detektoren detektier- ter infolge Lumineszenz emittierter elektromagnetischer Strahlung des ersten und des zweiten Wellenlängenintervalls zu erfassen und ins Verhältnis zueinander zu setzen, so dass der Anteil an einen Rezeptor gebundenen biologischen Molekülen in den einzelnen Proben bestimmbar ist.
Vorteilhaft kann zwischen den Öffnungen der Kavitäten und den Detektoren ein optisches Übertragungselement angeordnet sein, in dem den Öffnungen der Kavitäten zugeordnet kanalförmige Durchbrechungen ausgebildet sind, durch die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung aus den Proben auf die Detektoren auftrifft. Die Durchbrechungen bilden hohle Kanäle durch die emittierte elektromagnetische Strahlung ausgehend von den jeweiligen Proben in Richtung der Detektoren gelangen kann.
Zwischen dem optischen Übertragungselement oder einer Abdeckung, hinter der in Strahlungsrichtung der emittierten elektromagnetischen Strahlung die Detektoren angeordnet sind, und einem Deckel mit dem die Öffnungen der Kavitäten verschlossen sind, kann eine Immersionsschicht bevorzugt mit einer Flüssigkeit oder Gel ausgebildet sein.
Günstig ist es auch wenn die Wandung der kanalförmige Durchbrechungen mit einer die emittierte elektromagnetische Strahlung reflektierenden Beschichtung versehen oder das optische Übertragungselement aus einem die emittierte elektromagnetische Strahlung zu mindestens 50 % reflektierenden Material gebildet ist.
Der freie Querschnitt der kanalförmigen Durchbrechungen, durch den die emittierte elektromagnetische Strahlung in Richtung Detektoren gerichtet ist, sollte im Bereich der in Richtung Detektoren in Bezug zu dem Bereich, der in Richtung der Öffnung der jeweiligen Kavität weist, vergrößert sein. Dazu können kanalförmige Durchbrechungen kegel- oder pyramidenstumpfförmig ausgebildet sein. Kanalförmige Durchbrechungen können auch gewölbte bzw. gekrümmte Innenwände, die beispielsweise konkav oder konvex geformt sind, aufweisen.
Die Innenwände der kanalförmigen Vertiefungen sollten in einem Winkel ausgerichtet oder gekrümmt (z.B. konkav bzw. konvex) sein, dass für die emittierte elektromagnetische Strahlung Totalreflexion, zumindest aber nahezu Total- reflexion erreicht werden kann. Zumindest sollten 80 % dieser elektromagnetischen Strahlung reflektiert und dann auf die Detektoren gerichtet werden können.
An oder im Bereich der Öffnungen der Kavitäten oder an Eintrittsöffnungen für emittierte elektromagnetische Strahlung der kanalförmigen Durchbrechungen des optischen Übertragungselements kann zur Vermeidung von Totalreflexion jeweils ein mit einer in Richtung Detektoren weisenden Oberfläche, an der die emittierte elektromagnetische Strahlung gebrochen wird, versehenes für die emittierte elektromagnetische Strahlung transparentes Element angeordnet sein. So können Rückreflexionen von Proben emittierter elektromagnetischer Strahlung vermieden werden. Dazu kann die in Richtung Detektoren weisenden Oberfläche des transparenten Elements halbkugelförmig ausgebildet sein.
Das transparente Element kann im Deckel, mit dem die Öffnungen der Kavitäten verschlossen sind, integriert sein.
An der Oberfläche des Substrats, an der die Öffnungen der Kavitäten angeordnet sind, kann mindestens ein Oberflächenbereich vorhanden sein, von dem mit Detektoren eine Detektion zur Durchführung eines Dunkelabgleichs erfolgt. Dazu kann zwischen mindestens zwei Öffnungen von Kavitäten ein ausreichend großer Abstand eingehalten worden sein.
In Figur 1 ist ein einfacher Aufbau einer Vorrichtung für die Durchführung von biochemischen Untersuchungen an Proben, in denen biologische Moleküle, die infolge Lumineszenz elektromagnetische Strahlung innerhalb eines ersten bestimmten Wellenlängenintervalls emittieren und außerdem ein Rezeptor mit hoher Bindungsaffinität für diese lumineszierenden Moleküle, beispielsweise die Luziferase NanoLuc enthalten sind, gezeigt. Im Falle einer Bindung lumineszierender Moleküle mit Rezeptormolekülen an biologische Moleküle des jeweiligen Analyten wird infolge von Lumineszenz elektromagnetische Strahlung innerhalb eines zweiten Wellenlängenintervalls emittiert. Dabei unterscheiden sich die Wellenlängen des ersten vom zweiten Wellenlängenintervall. Von nicht an einen Rezeptor gebundenen Molekülen infolge von Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung weist dahingegen Wellen- längen eines ersten Wellenlängenintervalls auf. Beide unterschiedlichen elektromagnetischen Strahlungen können mit den Detektoren ortsaufgelöst detek- tiert werden.
Herausforderung bei einem solchen System ist die Tatsache, dass nur eine geringe Intensität der infolge Lumineszenz emittierten elektromagnetischen Strahlung zur Verfügung steht, wobei diese mit hoher Effizienz von farbempfindliche Bildsensoren als Detektoren detektiert werden kann. Zweitens kann es ermöglicht werden, möglichst mehrere Bestimmungen an auch verschiedenen Proben gleichzeitig durchzuführen (um z.B. Negativkontrolle, Positivkontrolle und die Detektion der Probe zu erreichen), so dass ein einzelner Detektor (wie z.B. eine farbempfindliche Fotodiode oder ein Spektrometer) nicht ausreichend ist. Bei der Erfindung können kommerziell kostengünstig verfügbare Bildsensoren eingesetzt werden. Dabei ist eine Anpassung der Lumineszenzspektren an die Farbfilter des jeweiligen Detektors (oder umgekehrt auch die Anpassung der Filterspektren auf dem Bildsensor an die Lumineszenzwellenlängen) möglich.
Mit der Erfindung ist es möglich, die von den Proben infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung nahezu vollständig mit den Detektoren zu erfassen, da Verluste durch Strahlung in andere Richtungen vermieden und stark reduziert werden können. Insbesondere durch die Ausbildung eines Übertragungselements kann auch vermeiden werden, dass es zu größeren Verlusten durch zu große Einfallswinkel der von den jeweiligen Proben emittierten elektromagnetischen Strahlung, die auf die Detektoren auftrifft, kommen kann.
Es können intrinsisch verstärkende Detektoren, wie z.B. Fotomultiplier oder Avalanche Fotodioden genutzt werden. Es sollten mindestens zwei Detektoren pro Messung genutzt werden, was den Aufwand für parallele Messungen (z.B. für die üblichen Positiv- und Negativkontrollen parallel zur eigentlichen Messung) erhöht.
Weiterhin ist eine hohe Versorgungsspannung (>100 V) für diese Art von Detektoren notwendig und die Integration mit Spektralfiltern muss separat erfolgen. Dadurch steigt der Aufwand deutlich, da diese Komponenten z.B. in einer handelsüblichen Farbkamera (im extremen Fall sogar eine Webcam) bereits enthalten und preiswert verfügbar sind, können diese als Detektoren eingesetzt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 In schematischer Form ein Beispiel einer Vorrichtung, die erfindungsgemäß ausgebildet sein kann;
Figur 2 ein Beispiel mit einem zusätzlichen Übertragungselement;
Figur 3 ein Beispiel mit zusätzlichen transparenten Elementen;
Figur 4 ein weiteres Beispiel mit zusätzlichen transparenten Elementen und
Figur 5 Aufsichten auf eine Oberfläche eines Substrats mit den Öffnungen von Kavitäten.
Figur 1 zeigt einen grundlegenden Aufbau einer Vorrichtung. In einem Substrat 1 (vorwiegend aus Kunststoff oder Glas bestehend) sind Kavitäten 3 ausgebildet, in denen die unterschiedlichen Moleküle in bevorzugt wässriger Lösung enthalten sind. In den einzelnen Kavitäten 3 können für eine Detektion gleiche aber auch unterschiedliche Proben enthalten sein. Dabei kann die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung in alle Richtungen (beispielsweise mit Strahlen 10, 11, 11', 12, 13 angedeutet, also den gesamten Raumwinkel von 4 n emittiert werden. Dies beinhaltet a) Emission durch den Deckel 2 (Strahlen 10, 11, 11') in Richtung des Detektors 5 b) Nicht detektierte Emission durch das Substrat 1 (Strahl 13), und c) Emission durch das oder auch in das Substrat 1 z.B. nach Totalreflexion (Strahl 12) an der Grenzfläche zur Luft, so dass eine vollständige Detektion der gesamten emittierten elektromagnetischen Strahlung verhindert wird, da die Detektoren 5 oberhalb der Öffnungen der Kavitäten 3 angeordnet sind. Weiterhin kann angemerkt werden, dass die Detektoren 5, wie der in Figur 1 schematisch dargestellte Bildsensor, immer nur einen begrenztes Winkelspektrum der emittierten elektromagnetischen Strahlung detektieren können. Die Effizienz der Detektion dieser Strahlung nimmt mit steigendem Einfallswinkel ab. Dies begrenzt die Effizienz einer Anordnung, bei, der die Detektoren ohne zusätzliche Elemente direkt an den Proben angeordnet sind.
Dabei ist das Substrat 1 aus einem die von den in den Kavitäten 3 enthaltenen Proben emittierte elektromagnetische Strahlung zu mindestens 95 % streuenden Material gebildet. Dadurch kann eine Emission der infolge Lumineszenz emittierten elektromagnetischen Strahlung durch das Substrat 1 vermieden und es kann eine erhöhte Detektionseffizienz erreicht werden. Die Öffnungen der Kavitäten 3 sind mit einem für die infolge Lumineszenz von den Proben emittierte elektromagnetische Strahlung transparenten Deckel 2 abgedeckt. Die Detektoren 5 sind an einem Träger 4 angeordnet und in Richtung zu den Öffnungen der Kavitäten 3 mit einem Deckglas 6 abgedeckt und geschützt.
Mit einer Vorrichtung, wie Sie in Figur 2 gezeigt ist, kann dem Problem des reduzierten Anteils an infolge Lumineszenz emittierter elektromagnetischer Strahlung, die auf die Detektoren 5 zu deren Detektion auftrifft und ausgewertet werden kann, weiter entgegengewirkt werden. Dabei wird so vorgegangen, dass das Substrat 1 aus einem die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung streuenden Material ausgebildet ist oder die Oberflächen der Kavitäten 3, in denen Proben enthalten sind, mit einer die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung reflektierende Beschichtung versehen sind, so dass jeder in einer Kavität 3 emittierte Strahl 10 - 13 der an infolge Lumineszenz emittierten elektromagnetischen Strahlung nach evtl, mehrfacher Streuung oder Reflexion an der Grenzfläche zwischen Kavität 3 und Substratmaterial die jeweilige Kavität 3 in Richtung der Detektoren 5 verlassen kann.
Mit einem idealen, die Strahlung streuenden Material (keine Absorption, nur Lichtstreuung) kann damit erreicht werden, dass die Strahlen 12 und 13 nur in Richtung der Detektoren 5 emittiert werden. Zwischen dem Substrat 1 mit den in den Kavitäten 3 enthaltenden lumineszie- renden Proben und den Detektoren 5 kann vorteilhaft ein optisches Übertragungselement 7 angeordnet sein, in dem einer jeweiligen Kavität 3 zugeordnet kanalförmige Durchbrechungen 7.1 ausgebildet sind, so dass die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung ausgehend von der jeweiligen Probe durch die entsprechend angeordnete Durchbrechung 7.1 auf Detektoren 5 auftreffen kann. Diese verringern das Winkelspektrum der auf die Detektoren 5 auftreffenden elektromagnetischen Strahlung und vergrößern die beleuchtete Fläche der Detektoren 5. Im idealen Fall arbeiten diese Strukturen Etendue erhaltend, d.h.
A • (n • sin<p)2= const .
Dabei ist A die leuchtende Fläche im Medium mit dem Brechungsindex n, und <p der maximale Beleuchtungswinkel gemessen von der Normalen der Oberfläche A.
Elektromagnetische Strahlung wird in einer Kavität 3 mit der Fläche Acav bei der Brechzahl der wässrigen Lösung in der die Probe enthalten ist von n~1.34 unter Winkeln von max. 90° emittiert; der Austritt der Strahlung aus dem Substrat 1 ist durch die Totalreflexion begrenzt. Damit erhält man bei Eintritt in die Durchbrechungen 7.1 des Übertragungselements 7 mit n~l eine maximale Effizienz von etwa 56 %, wenn ein nichtstreuendes oder nicht mit einer reflektierenden Beschichtung versehenes Substrat 1 eingesetzt wird.
Das Übertragungselement 7 sollte nicht transparent für die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung und dabei die Wandung 7.2 der Durchbrechungen 7.1 mit einer die emittierte elektromagnetische Strahlung reflektierenden Beschichtung versehen sein. Die Durchbrechungen 7.1 können im einfachsten Fall die Form eines Kegelstumpfes, aber auch mit parabolisch gewölbter Wandung ausgebildet sein, wobei es vorteilhaft ist, wenn sich der freie Querschnitt der Durchbrechungen 7.1 durch den die emittierte elektromagnetische Strahlung gerichtet wird, in Richtung Detektoren 5 vergrößert. Diese Effizienz bei der Detektion kann mit einer Vorrichtung nach Figur 3 weiter verbessert werden.
Im Beispiel nach Figur 3 ist zwischen dem Deckel 2 und dem Übertragungselement 7 eine Immersionsschicht 9 mit einer geeigneten Flüssigkeit ausgebil- det. Außerdem sind in Figur 2 und 3 jeweils unten Draufsichten des jeweiligen Substrats 1 mit den Kavitäten 3 in verschiedener Anordnung gezeigt.
Die Totalreflexion an der Oberfläche des Deckels 2, mit dem die Öffnungen der Kavitäten 3 verschlossen werden können, kann durch das Aufbringen eines optischen für die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung transparenten Elements 8 (s. Figur 4) mit einer in Richtung Detektoren 5 weisenden Oberfläche, an der die emittierte elektromagnetische Strahlung gebrochen wird, die z.B. halbkugelförmig gekrümmt sein kann, und/oder mittels einer Immersionsschicht 9, die zwischen dem optischen Übertragungselement 7 und dem Deckel 2 angeordnet bzw. ausgebildet ist, wie es in Figur 3 gezeigt ist, verhindert werden.
Dadurch kann die o.g. Effizienz theoretisch auf 100 % gesteigert werden. Sie ist nur noch durch die optisch empfindliche Fläche der Detektoren 5 und mögliche Restverluste bei Reflexionen an Deckel 2, optischem Element 8 und optischem Übertragungselement 7 limitiert.
Mit einer derartig ausgebildeten Vorrichtung ist es möglich, mehrere Messungen mit den Detektoren 5 durchzuführen. Der untere Teil der Figuren 2 und 3 zeigt jeweils beispielhaft die Anordnung von fünf bzw. drei derartigen Strukturen vor einer rechteckigen Detektoranordnung von oben gesehen. Das optische Übertragungselement 7 kann dabei fest vor den Detektoren 5 montiert sein. Das Substrat 1 kann mittels Immersionsschicht 9 justiert an dieses System gekoppelt werden.
In der praktischen Anwendung ist die Nutzung von Immersionsflüssigkeiten (im aktuellen Fall würde sogar Wasser verwendet werden können) schwierig. Dies kann dadurch umgangen werden, dass die optische Funktion der transparenten Elements 8 mit dem Substrat 1 bzw. seinem Deckel 2 integriert wird (Figur 4). Dafür gibt es zwei Möglichkeiten: a) Die Kavitäten 3 sind in das die elektromagnetische Strahlung streuende Substrat 1 integriert; das transparente optische Element 8 kann auf dem Deckel 2 angeordnet oder dort ausgebildet sein. Der Deckel 2 kann in Form einer entsprechend ausgebildeten Deckelfolie ausgebil- det sein. Dies erfordert eine justierte Montage des Deckels 2 auf dem Substrat 1, um die korrekte Position der transparenten optischen Elemente 8 in Bezug zu den jeweiligen Kavitäten 3 zu gewährleisten. b) Transparente optische Elemente 8 und Kavitäten 3 können von beiden Seiten in eine Platte als Substrat 1 geprägt und diese am Ende durch eine Streuende Folie/Platte als Deckel 2 verschlossen werden, wie es beispielhaft aus Figur 4 hervorgeht.
Bei den in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Beispielen können die mit den Detektoren 5 erfassten Messsignale einer nicht dargestellten elektronischen Auswerteeinheit zugeführt werden, in der die Auswertung für die einzelnen Proben erfolgen kann.
Wie oben bereits erläutert muss nicht die gesamte Fläche mit den Detektoren zur Detektion von infolge Lumineszenz von den Proben emittierter elektromagnetischer Strahlung für eine Detektion dieser Strahlung genutzt werden.
Um die geringen Intensitäten, der infolge Lumineszenz emittierten elektromagnetischen Strahlung auch sicher mit Detektoren 5 erfassen zu können, sollten Messwerte über längere Zeiträume, beispielsweise im Bereich (100 ms ... 10 s erfasst und bei der Auswertung berücksichtigt werden.
Für diese Detektion ungenutzte Teile, in Figur 5 schraffiert dargestellt, sind dabei durch das optische Übertragungselement 7 vor Lichteinfall von außen geschützt und können bei der Datenverarbeitung der mit den Detektoren 5 erfassten Messsignale als Dunkelsignal für einen Dunkelabgleich zur Korrektur genutzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung für die Durchführung von biochemischen Untersuchungen an Proben in denen biologische Moleküle als Analyten und außerdem Rezeptoren mit hoher Bindungsaffinität für diese biologischen Moleküle, an die jeweils mindestens ein Molekül das infolge Lumineszenz elektromagnetische Strahlung innerhalb eines ersten Wellenlängenintervalls emittiert gebunden ist, enthalten sind, bei der an einer Oberfläche eines Substrats (1) mehrere Kavitäten (3) diskret zueinander angeordnet sind und in den Kavitäten (3) jeweils eine Probe enthalten ist und oberhalb der Öffnungen der Kavitäten (3) mehrere Detektoren (5), die zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung von infolge Lumineszenz von den in den Proben enthaltenen lumineszierenden Molekülen innerhalb mindestens eines ersten und eines zweiten Wellenlängenintervalls der emittierten elektromagnetischen Strahlung in einer Arrayanordnung angeordnet sind und an die Detektoren (5) eine elektronische Auswerteeinheit angeschlossen oder anschließbar ist, die ausgebildet ist die Anteile an mit den Detektoren (5) detektierter infolge Lumineszenz emittierter elektromagnetischer Strahlung des ersten und des zweiten Wellenlängenintervalls zu erfassen und ins Verhältnis zu setzen, so dass der Anteil an an Rezeptoren gebundenen biologischen Molekülen in den einzelnen Proben zueinander bestimmbar ist und zwischen den Öffnungen der Kavitäten (3) und den Detektoren (5) ein optisches Übertragungselement (7) angeordnet ist, in dem den Öffnungen der Kavitäten (3) zugeordnet kanalförmige Durchbrechungen (7.1) ausgebildet sind, durch die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung aus den Proben auf die Detektoren (5) auftrifft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) aus einem die infolge Lumineszenz der in den jeweiligen Proben enthaltenen Moleküle emittierte elektromagnetische Strahlung zumindest zu 90 % streuenden Material gebildet oder die Wandung der Kavitäten (3) mit einer die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung reflektierenden Beschichtung beschichtet ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (7.2) der kanalförmige Durchbrechungen (7.1) mit einer die emittierte elektromagnetische Strahlung reflektierenden Beschichtung versehen oder das optische Übertragungselement (7) aus einem die emittierte elektromagnetische Strahlung zu mindestens 50 % reflektierenden Material gebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (7.2) der kanalförmigen Vertiefungen so ausgerichtet oder gekrümmt sind, dass die emittierte elektromagnetische Strahlung vollständig oder zumindest nahezu vollständig dort mit Totalreflexion reflektiert wird.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Querschnitt der kanalförmigen Durchbrechungen (7.1) durch den die emittierte elektromagnetische Strahlung gerichtet wird in Richtung Detektoren (5) gerichtet ist, im Bereich der in Richtung Detektoren (5) in Bezug zu dem Bereich, der in Richtung der Öffnung der jeweiligen Kavität weist, vergrößert ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an oder im Bereich der Öffnungen der Kavitäten (3) oder an Eintrittsöffnungen für emittierte elektromagnetische Strahlung der kanalförmigen Durchbrechungen (7.1) des optischen Übertragungselements (7) zur Vermeidung von Totalreflexion jeweils ein mit einer in Richtung Detektoren (5) weisenden Oberfläche, an der die emittierte elektromagnetische Strahlung gebrochen wird, versehenes für die emittierte elektromagnetische Strahlung transparentes Element (8) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem optischen Übertragungselement (7) oder einer Abdeckung (6), hinter der in Strahlungsrichtung der emittierten elektromagnetischen Strahlung die Detektoren (5) angeordnet sind, und einem Deckel (2) mit dem die Öffnungen der Kavitäten (3) verschlossen sind, eine Immersionsschicht bevorzugt mit einer Flüssigkeit oder einem Gel ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung Detektoren (5) weisenden Oberfläche des Elements (8) halbkugelförmig ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Element (8) im Deckel (2), mit dem die Öffnungen der Kavitäten (3) verschlossen sind, integriert ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Substrats (1) an der die Öffnungen der Kavitäten (3) angeordnet sind, ist mindestens ein Oberflächenbereich vorhanden, von dem mit Detektoren (5) eine Detektion zur Durchführung eines Dunkelabgleichs erfolgt.
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