WO2020020617A1 - Arrangement for recognising the presence of pathogens - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to the field of identification of pathogens or the selective detection of germs, and in particular to an arrangement for recognizing the presence of pathogens, for example bacteria,
- Fungi Fungi, protozoa, parasites or parasitic molecules, especially viruses, viroids, transposons or prions.
- Antibiotic resistance can be reduced.
- the highest possible sensitivity of the process i.e. the presence of the bacterium / pathogen should be possible even at low concentrations.
- the highest possible specificity of the process i.e. the correct detection of the absence of the target bacterium / pathogen.
- Identification time typically at least 24 hours
- PCR test Polymerase chain reaction (PCR test) or real-time PCR
- Detection limit 10 cells (e.g. E. coli) to 105 cells (S. aureus) per mL artificial (enriched) blood
- the arrangement according to the invention for detecting the presence of pathogens has, on a surface of a flat substrate, locally defined a multivariate surface structure with differing sizes, geometries and / or orientations of 2 to 3-dimensional structural elements, the individual structural elements having a latex dimension have in the range 10 nm to 50 pm.
- the detectors are connected to an electronic evaluation unit, which is used to evaluate the intensities of the scattered, reflected or transmitted electromagnetic radiation, which are detected with the detectors in a spatially and spatially resolved manner, and which is formed by scattering, absorption, Raman scattering or fluorescence processes.
- 2- to 3-dimensional structural elements can advantageously be formed as depressions or bulges in the surface of the substrate by means of laser structuring, in particular direct laser interference structuring and / or laser-induced self-organized, periodic surface structuring.
- 2- to 3-dimensional structural elements can be formed in a point, line shape with different dimensions.
- line-shaped 2 to 3-dimensional structural elements can have different widths and / or lengths and different orientations on the surface of the substrate.
- 2- to 3-dimensional structural elements can be designed with a multivariate surface topography.
- 2- to 3-dimensional structural elements can be formed continuously or discontinuously changing in size, shape and / or orientation starting from at least one outer edge of the substrate surface, whereby a gradual change in size, orientation and / or geometry over the surface of the substrate can be reached.
- the substrate On the surface of the substrate, there can also be a plurality of surface areas on the substrate, each of which is formed with the same three-dimensional structural elements and different 2 to 3-dimensional structural elements are formed in the individual surface areas.
- differently structured surface areas can be used and at least one surface area for a certain type of pathogen has better cultivation or settlement conditions than other surface areas and an increased concentration of pathogens of this type of pathogen can be achieved in this surface area.
- a plurality of detectors which are designed for spatially resolved spectral detection of electromagnetic radiation within a wavelength interval should be arranged in a row or in a row and column arrangement , The detectors are then connected to the electronic evaluation unit and arranged such that electromagnetic radiation emitted by a radiation source is directed onto the surface of the substrate and electromagnetic radiation reflected, scattered or transmitted through the substrate strikes the detectors.
- the surface of the substrate should be irradiated with a laser beam which is emitted by a laser beam source, so that specific Raman or fluorescent radiation is generated on surfaces of existing pathogens ,
- the generated Raman or fluorescence radiation is based on a spectrally and spatially resolved detection Solution of this radiation trained detector array directed.
- the detectors of the detector array are designed for spatially and spectrally resolved detection of the electromagnetic radiation reflected or scattered by the pathogens.
- An optical filter or a beam splitter is arranged between the surface of the substrate and the detector array and is designed such that electromagnetic radiation with the wavelength of the laser beam does not strike the detectors of the detector array.
- At least the detectors of the detector array are connected to an electronic evaluation unit.
- the electronic evaluation unit is designed to evaluate the spatially and spectrally resolved intensities of the Raman or fluorescent radiation detected by the detectors of the detector array and to carry out a data analysis to determine the distribution of the spatially and spectrally resolved intensities representing the pathogens on the surface of the substrate.
- the basic idea is to use surfaces with a surface structuring tailored to a bacterium / pathogen in the micrometer range (structure sizes 10 nm - 50 pm)
- the customized surface topography serves to optimize the absorption or adhesion behavior of pathogens on the surface, so that a selective coupling between surface shape and
- Pathogen attachment is made possible.
- a specifically optimized, multivariate surface topology can drastically increase the variance of the adsorption and adhesion of the pathogens and thus the sensitivity and selectivity of the pathogenic detection method used, which enables significantly reduced measurement times.
- the structured test substrates are fundamentally realizable as (low-priced) consumables.
- the production of the customized, defined and versatile surface topographies with the three-dimensional structural elements can be done, for example, using a direct laser interference method (direct laser
- Interference Patterning - DLIP can be realized.
- the range of realizable surface structures can be selected by choosing the DLIP setup (e.g.
- B. Switching between 2- and 3-beam interference, changing the polarization of the individual partial beams; Process strategy) can be freely selected, as has been explained for example in DE 10 2018 200 036, and the disclosure content of which is referred to in full.
- line, point and cross structures can be used directly on substrate surfaces that will be used later, e.g. B. Realize metals.
- Other surface topographies generated by laser processes e.g. laser-induced periodic surface structuring, i.e. laser-induced periodic surface structures - LIPSS
- laser-induced periodic surface structures - LIPSS can also be used for a targeted setting of the surface pathogen response.
- the multivariate surface structures with the three-dimensional structural elements should enable a topography-dependent - and thus locally determined - specific adhesion behavior of the pathogens to be detected.
- the topography of a surface of a substrate supports or inhibits the growth of certain pathogens / bacteria.
- Hyperspectral imaging enables the qualitative / quantitative areal identification of pathogens / bacteria based on their specific spectral signatures.
- FIG. 2 shows a specific surface topography (monostructure) and associated HSI signals of the adhered bacterial strains.
- a light signal is generated after the interaction with the sample (pathogenic microorganisms attached to the surface of the substrate) detected spectrally and laterally resolved.
- the evaluation of the respective spectrum can provide information about sample properties (here, for example, the basic presence of pathogens / bacteria and their classification) or the reaching or exceeding of a minimum number of pathogens / bacteria become.
- sample properties here, for example, the basic presence of pathogens / bacteria and their classification
- the absorption or reflection behavior can be evaluated classically, but also fluorescence behavior and Raman scattering can be used.
- the measurement time required for this is in the range of seconds to a few minutes (depending on the substrate surface size, the lateral and spectral resolution, exposure / accumulation time).
- the HSI detection sensitivity can be drastically increased again in Raman / fluorescence mode in combination with the applied microstructures (prerequisite: sufficiently small peaks on the surfaces) by using the so-called Surface Enhanced Raman Spectroscopy Effect (SERS).
- SERS Surface Enhanced Raman Spectroscopy Effect
- the identification specificity of the pathogen measurement system can be significantly strengthened by using multivariate surface regions (so-called segments), as shown in FIG. 3.
- segments multivariate surface regions
- the evaluation of the pathogens adsorbed on the surface enables the identification of both individual pathogens and combinations of different pathogens. Due to the defined multivariant structured surface, the evaluation can be carried out in different ways:
- pathogens / bacteria can be clearly assigned, since there is a direct connection between pathogen / bacterial adherence and the present
- Structural elements is formed, is present.
- An alternative approach consists in realizing a continuous, multivariate distribution of three-dimensional structural elements on the surface by continuously varying the DLIP structural parameters (see FIG. 5).
- the surface of the substrate can be qualitatively / quantitatively examined using HSI and a multivariant adhesion behavior of pathogens / bacteria can be detected.
- Machine learning / deep learning methods can be used to identify specific pathogen signatures early and accurately.
- the invention can be transferred to other pathogens through software-based evaluation (models) such as machine learning / deep learning
- Figure 1 4 examples of surfaces of substrates with different
- FIG. 2 shows an example of a surface of a substrate which is populated differently with several pathogens, with diagrams which illustrate the relationship between measurement signals which are recorded in a spatially and spatially resolved manner for three different types of bacteria as examples of pathogens.
- Figure 3 shows an example of one divided into six surface areas A-F
- Figure 4 shows in the surface areas A-F colonization characteristic for three different types of bacteria, as examples of pathogens to be recognized, depending on the different surface topography in each of the surface areas A-F and
- FIG. 5 shows a surface of a substrate with a continuous structural variance due to a continuous variation of the DLIP structural parameters, which, due to the continuous change of the 2 to 3-dimensional structural elements over the entire surface of the substrate, results in an area-specific adhesion behavior of Bak that can be detected qualitatively / quantitatively by HSI leads as an example of pathogens.
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Abstract
The invention relates to an arrangement for recognising the presence of pathogens on a surface of a planar substrate, wherein a surface of the substrate has, locally defined, a multivariate surface structure having sizes, geometries and/or orientations, which deviate from one another, of 2- to 3-dimensional structural elements, the individual structural elements having a lateral dimension in the range from 10 nm to 50 μm. The arrangement comprises a light source for irradiating the 2- to 3-dimensionally structured surfaces and a plurality of detectors, for spatially and spectrally resolved detection of the electromagnetic radiation scattered, reflected and/or transmitted to the 2- to 3-dimensionally structured surface. The detectors are connected to an electronic evaluation unit which is designed for evaluation of intensities, which are spatially and spectrally-resolved by the detectors, of the scattered, reflected, transmitted electromagnetic radiation which is formed by scattering, absorption, Raman scattering or fluorescence processes. An electronic storage device is present, in which prediction models based on spectra of known pathogens on the same 2- to 3-dimensional structural elements are stored, and these models can be used by means of the electronic evaluation unit for classification and thus for verification of the presence of at least one specific pathogen on the 2- to 3-dimensional structured surface.
Description
ANORDNUNG ZUR ERKENNUNG DES VORHANDENSEINS VON PATHOGENEN ARRANGEMENT FOR DETECTING THE EXISTENCE OF PATHOGENS
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Identifikation von Pathogenen bzw. des selektiven Detektierens von Keimen und dabei insbesondere eine Anordnung zur Erkennung des Vorhandenseins von Pathogenen, beispielsweise Bakterien,The invention relates to the field of identification of pathogens or the selective detection of germs, and in particular to an arrangement for recognizing the presence of pathogens, for example bacteria,
Pilzen, Protozoen, Parasiten oder parasitären Molekülen, insbesondere Viren, Viroiden, Transposons oder Prionen. Fungi, protozoa, parasites or parasitic molecules, especially viruses, viroids, transposons or prions.
Das Thema Prävention durch effiziente Diagnostik ist in der Forschungsstrate- gie verankert. Den rasant steigenden Mehrausgaben im Gesundheitssystem durch ca. 10 T€ pro nosokomialer, d.h. im Krankenhaus erworbener Infektio nen (=7 Mrd.€/a in Europa) aber auch volkswirtschaftliche Kosten von bis zu 3 Mrd.€/a in Deutschland durch die saisonale Grippe müssen effektive Lösun gen entgegengestellt werden. Derzeit gibt es auf dem Markt wenig effiziente und aussagekräftige Schnelltests, welche gegenüber herkömmlichen Labor tests eine vergleichbare bzw. hinreichende Zuverlässigkeit erreichen und
gleichzeitig jedoch denen sowohl zeitlich als auch kostentechnisch (deutlich) überlegen sind (Labortests derzeit ~50-150€/Labortest). Prevention through efficient diagnostics is anchored in the research strategy. The rapidly increasing additional expenditure in the health care system due to approx. 10 T € per nosocomial, ie infections acquired in the hospital (= 7 billion € / a in Europe), but also economic costs of up to 3 billion € / a in Germany due to the seasonal Flu must be countered by effective solutions. At the moment there are little efficient and meaningful rapid tests on the market, which achieve a comparable or sufficient reliability compared to conventional laboratory tests at the same time, however, they are (clearly) superior in terms of both time and costs (laboratory tests currently ~ 50-150 € / laboratory test).
Das sichere, schnelle und kostengünstige Identifizieren von Bakterien oder anderen Pathogenen ist heutzutage eine der wichtigsten Voraussetzungen für eine schnelle und sichere Behandlung von Infektionen. Wurde z. B. ein Bakte rium identifiziert, kann eine adäquate Behandlung mit optimalen Antibiotika abgeleitet und in Folge die Wahrscheinlichkeit für das Entwickeln von The safe, quick and inexpensive identification of bacteria or other pathogens is one of the most important prerequisites for fast and safe treatment of infections today. Has z. B. a bacterium identified, an adequate treatment with optimal antibiotics can be derived and consequently the likelihood of developing
Antibiotikaresistenzen reduziert werden. Antibiotic resistance can be reduced.
Wesentliche Herausforderungen beim Identifizieren von Bakterien sind:The main challenges in identifying bacteria are:
• Eine möglichst hohe Sensitivität des Verfahrens, d.h. die Präsenz des Bakteriums/Pathogens sollte auch bei kleinen Konzentrationen mög lich sein. Eine möglichst hohe Spezifität des Verfahrens, d.h. der richti ge Nachweis des Nichtvorhandenseins des Zielbakteriums/Pathogens.The highest possible sensitivity of the process, i.e. the presence of the bacterium / pathogen should be possible even at low concentrations. The highest possible specificity of the process, i.e. the correct detection of the absence of the target bacterium / pathogen.
• Eine möglichst niedrige untere analytisch Nachweisgrenze sowie die Trennschärfe des eingesetzten Verfahrens, die unmittelbar Sensitivität und Selektivität beeinflussen. • The lowest possible analytical detection limit and the selectivity of the method used, which directly affect sensitivity and selectivity.
• Eine geringe Querempfindlichkeit gegenüber möglichen„Kontaminati onen" (z. B. auch die Vermischung von lebenden und toten Spezies) • A low cross-sensitivity to possible "contaminations" (e.g. also the mixing of living and dead species)
• Die Realisierung einer hohen Analysegeschwindigkeit und/oder Durch satz des genutzten Verfahrens. • The realization of a high analysis speed and / or throughput of the method used.
Es gibt eine Vielzahl von bekannten Detektionsverfahren, welche dem Identi fizieren von Pathogenen bzw. Keimen dienen: There are a large number of known detection methods which serve to identify pathogens or germs:
1. Biochemische Charakterisierung, Agglutinationstest, Kultivierung von Mikroben mit anschließender morphologischen bzw. physiologischen Charakterisierung 1. Biochemical characterization, agglutination test, cultivation of microbes with subsequent morphological or physiological characterization
Identifikationszeit: typischerweise mindestens 24 h Identification time: typically at least 24 hours
2. Polymerase-Kettenreaktion (PCR-Test) bzw. Real-Time PCR 2. Polymerase chain reaction (PCR test) or real-time PCR
Identifikationszeit: mehrere Stunden Identification time: several hours
Nachweisgrenze für Gram-positive bzw. -negative Mikroorganis men in Blut: ca. 104 - 107 pro mL Detection limit for Gram-positive or negative microorganisms in blood: approx. 10 4 - 10 7 per mL
3. Fluoreszenz-basierte Kapillar-Elektrophorese 3. Fluorescence-based capillary electrophoresis
PCR-Single Strand conformation polymorphism (SSCP) Protokoll
Identifikationszeit: ~ 7 h PCR single strand conformation polymorphism (SSCP) protocol Identification time: ~ 7 h
4. Blutkreislaufsinfektionen - Fluorescent in situ hybridization (FISH) -4. Bloodstream infections - Fluorescent in situ hybridization (FISH) -
Identifikationszeit: 2 - 3 h Identification time: 2 - 3 h
5. Schnelle Identifizierung von Pathogenen mittels Kombination von PCR Verstärkung und Mikroarraydetektion 5. Rapid identification of pathogens using a combination of PCR amplification and microarray detection
Identifikationszeit: ca. 6 h Identification time: approx. 6 hours
Detektionslimit: 10 Zellen (z.B. E. coli) bis 105 Zellen (S. aureus) pro mL künstlichem (angereichertem) Blut Detection limit: 10 cells (e.g. E. coli) to 105 cells (S. aureus) per mL artificial (enriched) blood
Die wesentlichen Nachteile der genannten Methoden sind: The main disadvantages of the methods mentioned are:
1. Lange Identifikationszeiten > 30 Minuten und/oder 1. Long identification times> 30 minutes and / or
2. Ungenügende Nachweisspezifität und/oder 2. Insufficient detection specificity and / or
3. Geringe Nachweissensitivität 3. Low detection sensitivity
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für einen sicheren Nach weis des Vorhandenseins bestimmter Pathogene anzugeben, wobei der für einen Nachweis erforderliche Zeitbedarf reduziert sein soll. It is therefore an object of the invention to provide possibilities for a safe detection of the presence of certain pathogens, the time required for detection to be reduced.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter bildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeich- neten Merkmalen realisiert werden. According to the invention, this object is achieved with an arrangement which has the features of claim 1. Advantageous refinements and developments of the invention can be realized with features designated in the subordinate claims.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Erkennung des Vorhandenseins von Pathogenen weist auf einer Oberfläche eines flächigen Substrats lokal defi niert eine multivariate Oberflächenstruktur mit voneinander abweichenden Größen, Geometrien und/oder Ausrichtungen von 2- bis 3-dimensionalen Strukturelementen aufweist, wobei die einzelnen Strukturelemente eine late rale Ausdehnung im Bereich 10 nm bis 50 pm aufweisen. The arrangement according to the invention for detecting the presence of pathogens has, on a surface of a flat substrate, locally defined a multivariate surface structure with differing sizes, geometries and / or orientations of 2 to 3-dimensional structural elements, the individual structural elements having a latex dimension have in the range 10 nm to 50 pm.
Außerdem ist eine Lichtquelle zur Bestrahlung der 2- bis 3-dimensional struk turierten Oberfläche sowie mehrere Detektoren, die zur orts- und spektral aufgelösten Erfassung der an der 2- bis 3-dimensional strukturierten Oberflä che gestreuten, reflektierten und/oder transmittierten elektromagnetischen
Strahlung vorhanden. In addition, there is a light source for irradiating the 2 to 3-dimensional structured surface and several detectors for the spatially and spectrally resolved detection of the surface scattered, reflected and / or transmitted on the 2 to 3-dimensional structured surface Radiation present.
Die Detektoren sind mit einer elektronischen Auswerteeinheit verbunden, die zur Auswertung der mit den Detektoren orts- und spektralaufgelöst erfassten Intensitäten der gestreuten, reflektierten, oder transmittierten elektromag netischen Strahlung, welche durch Streu-, Absorptions-, Ramanstreuungs- oder Fluoreszenzprozesse ausgebildet ist. The detectors are connected to an electronic evaluation unit, which is used to evaluate the intensities of the scattered, reflected or transmitted electromagnetic radiation, which are detected with the detectors in a spatially and spatially resolved manner, and which is formed by scattering, absorption, Raman scattering or fluorescence processes.
Es ist ein elektronischer Speicher vorhanden, in dem Vorhersagemodelle auf Basis von Spektren bekannter Pathogene auf eben diesen 2- bis 3- dimensionalen Strukturelementen gespeichert sind, die mittels der elektroni schen Auswerteeinheit für eine Klassifizierung und somit für den Nachweis des Vorhandenseins mindestens eines bestimmten Pathogens auf der 2- bis 3- dimensional strukturierten Oberfläche nutzbar sind.. There is an electronic memory in which prediction models based on spectra of known pathogens are stored on these two to three-dimensional structural elements, which are used for classification and thus for the detection of the presence of at least one specific pathogen by means of the electronic evaluation unit the 2 to 3-dimensional structured surface can be used ..
2- bis 3-dimensionale Strukturelemente können vorteilhaft als Vertiefungen oder Aufwölbungen in der Oberfläche des Substrats mittels Laserstrukturie rung, insbesondere direkter Laser-Interferenz-Strukturierung und/oder laser induzierter selbstorganisierter, periodischer Oberflächenstrukturierung aus gebildet sein. 2- bis 3-dimensionale Strukturelemente können punkt-, linien förmig mit unterschiedlichen Dimensionierungen ausgebildet sein. Insbeson dere linienförmige 2- bis 3-dimensionale Strukturelemente können unter schiedliche Breiten und/oder Längen sowie unterschiedliche Ausrichtungen auf der Oberfläche des Substrats aufweisen. 2- to 3-dimensional structural elements can advantageously be formed as depressions or bulges in the surface of the substrate by means of laser structuring, in particular direct laser interference structuring and / or laser-induced self-organized, periodic surface structuring. 2- to 3-dimensional structural elements can be formed in a point, line shape with different dimensions. In particular, line-shaped 2 to 3-dimensional structural elements can have different widths and / or lengths and different orientations on the surface of the substrate.
Damit kann ausgenutzt werden, dass bestimmte Pathogene in für sie beson ders geeignet strukturierten Oberflächenbereichen bessere Kultivierungsbe dingungen nutzen können und sich dort eine besonders günstige lokal defi nierte Besiedlung mit dem jeweiligen Pathogen erreichen lässt. Dadurch kann die Konzentration bzw. die Anzahl einzelner Pathogene in bevorzugten Berei chen gezielt erhöht oder erniedrigt werden, was sich in einer verbesserten Selektivität bei der Erfassung des Vorhandenseins des jeweiligen Pathogens vorteilhaft auswirken kann. This makes it possible to exploit the fact that certain pathogens can use better cultivation conditions in surface areas that are particularly suitable for them, and that particularly favorable locally defined colonization with the respective pathogen can be achieved there. As a result, the concentration or the number of individual pathogens in specific areas can be increased or decreased in a targeted manner, which can have an advantageous effect on improved selectivity when determining the presence of the respective pathogen.
2- bis 3-dimensionale Strukturelemente mit können mit einer multivariaten Oberflächentopographie ausgebildet sein.
2- bis 3-dimensionale Strukturelemente können ausgehend von mindestens einem äußeren Rand der Substratoberfläche sich kontinuierlich oder diskonti nuierlich in ihrer Größe, Form und/oder Ausrichtung verändernd ausgebildet worden sein, wodurch eine gradierte Veränderung der Größe, Ausrichtung und/oder Geometrie über die Oberfläche des Substrats erreichen lässt. 2- to 3-dimensional structural elements can be designed with a multivariate surface topography. 2- to 3-dimensional structural elements can be formed continuously or discontinuously changing in size, shape and / or orientation starting from at least one outer edge of the substrate surface, whereby a gradual change in size, orientation and / or geometry over the surface of the substrate can be reached.
Auf der Oberfläche des Substrats können auch mehrere Oberflächenbereiche am Substrat vorhanden sein, die mit jeweils gleichen dreidimensionalen Struk turelementen ausgebildet sind und dabei unterschiedliche 2- bis 3- dimensionale Strukturelemente in den einzelnen Oberflächenbereichen aus gebildet sind. So können jeweils zueinander unterschiedlich strukturierte Oberflächenbereiche genutzt werden und dadurch mindestens ein Oberflä chenbereich für eine bestimmte Pathogenart bessere Kultivierungs- oder Be siedlungsbedingungen aufweist, als andere Oberflächenbereiche und sich in diesem Oberflächenbereich eine erhöhte Konzentration von Pathogenen die ser Pathogenart erreichen lässt. On the surface of the substrate, there can also be a plurality of surface areas on the substrate, each of which is formed with the same three-dimensional structural elements and different 2 to 3-dimensional structural elements are formed in the individual surface areas. In this way, differently structured surface areas can be used and at least one surface area for a certain type of pathogen has better cultivation or settlement conditions than other surface areas and an increased concentration of pathogens of this type of pathogen can be achieved in this surface area.
Insbesondere um die Intensität reflektierter, gestreuter oder transmittierter elektromagnetischer Strahlung zur Bestimmung mindestens eines Pathogens ortsaufgelöst zu erfassen, sollten mehrere Detektoren, die zur ortsaufgelösten spektralen Erfassung elektromagnetischer Strahlung innerhalb eines Wellen längenintervalls ausgebildet sind, in einer Reihen oder einer Reihen- und Spal tenanordnung angeordnet sein. Die Detektoren sind dann mit der elektroni schen Auswerteeinheit verbunden und so angeordnet, dass von einer Strah lungsquelle emittierte elektromagnetische Strahlung auf die Oberfläche des Substrats gerichtet und von der Oberfläche reflektierte, gestreute oder durch das Substrat hindurch transmittierte elektromagnetische Strahlung auf die Detektoren auftrifft. In particular, in order to detect the intensity of reflected, scattered or transmitted electromagnetic radiation for determining at least one pathogen in a spatially resolved manner, a plurality of detectors which are designed for spatially resolved spectral detection of electromagnetic radiation within a wavelength interval should be arranged in a row or in a row and column arrangement , The detectors are then connected to the electronic evaluation unit and arranged such that electromagnetic radiation emitted by a radiation source is directed onto the surface of the substrate and electromagnetic radiation reflected, scattered or transmitted through the substrate strikes the detectors.
Wird für die Erkennung mindestens eines Pathogens Raman- oder Fluores zenzstrahlung genutzt, sollte die Oberfläche des Substrats mit einem Laser strahl, der von einer Laserstrahlquelle emittiert wird, bestrahlt werden, so dass an Oberflächen von vorhandenen Pathogenen eine Generierung spezifi scher Raman- oder Fluoreszenzstrahlung erfolgt. Die generierte Raman- oder Fluoreszenzstrahlung ist dabei auf ein zur spektral- und ortsaufgelösten Erfas-
sung dieser Strahlung ausgebildetes Detektorarray gerichtet. If Raman or fluorescent radiation is used for the detection of at least one pathogen, the surface of the substrate should be irradiated with a laser beam which is emitted by a laser beam source, so that specific Raman or fluorescent radiation is generated on surfaces of existing pathogens , The generated Raman or fluorescence radiation is based on a spectrally and spatially resolved detection Solution of this radiation trained detector array directed.
Die Detektoren des Detektorarrays sind dabei zur orts- und spektralaufgelös ten Erfassung der von den Pathogenen reflektierten oder gestreuten elektro magnetischen Strahlung ausgebildet. The detectors of the detector array are designed for spatially and spectrally resolved detection of the electromagnetic radiation reflected or scattered by the pathogens.
Zwischen der Oberfläche des Substrats und dem Detektorarray ist ein opti sches Filter oder ein Strahlteiler angeordnet, das/der so ausgebildet ist, dass elektromagnetische Strahlung mit der Wellenlänge des Laserstrahls nicht auf die Detektoren des Detektorarrays auftrifft. Dabei sind zumindest die Detek toren des Detektorarrays an eine elektronische Auswerteeinheit angeschlos sen. Die elektronische Auswerteeinheit ist zur Auswertung der orts- und spektralaufgelösten von den Detektoren des Detektorarrays erfassten Intensi täten der Raman- oder Fluoreszenzstrahlung sowie einer Durchführung einer Datenanalyse zur Bestimmung der Verteilung der die Pathogene repräsentie renden orts- und spektralaufgelösten Intensitäten auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet. An optical filter or a beam splitter is arranged between the surface of the substrate and the detector array and is designed such that electromagnetic radiation with the wavelength of the laser beam does not strike the detectors of the detector array. At least the detectors of the detector array are connected to an electronic evaluation unit. The electronic evaluation unit is designed to evaluate the spatially and spectrally resolved intensities of the Raman or fluorescent radiation detected by the detectors of the detector array and to carry out a data analysis to determine the distribution of the spatially and spectrally resolved intensities representing the pathogens on the surface of the substrate.
Der prinzipielle Gedanke besteht in der Nutzung von Oberflächen mit einer für ein Bakterium/ Pathogen maßgeschneiderten Oberflächenstrukturierung im Mikrometerbereich (Strukturgrößen 10 nm - 50 pm), die The basic idea is to use surfaces with a surface structuring tailored to a bacterium / pathogen in the micrometer range (structure sizes 10 nm - 50 pm)
• ein lateral spezifisches Adhäsionsverhalten z. B. eines Zielbakteriums induziert • a laterally specific adhesion behavior z. B. induced a target bacterium
• den Einsatz einer schnellen und empfindlichen Flächensensorik zum Pathogen-/Bakteriennachweis ermöglicht • enables the use of fast and sensitive area sensors for the detection of pathogens / bacteria
• ggf. das Nachweisvermögen der Anordnung drastisch erhöht • if necessary, the evidence of the arrangement increased drastically
Die maßgeschneiderte Oberflächentopographie dient der Optimierung des Absorptions- bzw. Adhäsionsverhalten von Pathogenen auf der Oberfläche, so dass eine selektive Kopplung zwischen Oberflächengestalt und The customized surface topography serves to optimize the absorption or adhesion behavior of pathogens on the surface, so that a selective coupling between surface shape and
Pathogenanhaftung ermöglicht wird. Eine gezielt optimierte, multivariante Oberflächentopologie kann die Varianz der Adsorption und Adhäsion der Pa thogene und somit die Empfindlichkeit und Selektivität des verwendeten pa thogenen Nachweisverfahrens drastisch erhöhen, wodurch signifikant redu zierte Messzeiten ermöglicht werden. Die strukturierten Testsubstrate sind als (niedrigpreisige) Verbrauchsmaterialien grundlegend realisierbar.
Das Herstellen der maßgeschneiderten, definierten und vielseitigen Oberflä chentopographien mit den dreidimensionalen Strukturelementen kann bei spielsweise mittels direktem Laserinterferenzverfahren (Direct Laser Pathogen attachment is made possible. A specifically optimized, multivariate surface topology can drastically increase the variance of the adsorption and adhesion of the pathogens and thus the sensitivity and selectivity of the pathogenic detection method used, which enables significantly reduced measurement times. The structured test substrates are fundamentally realizable as (low-priced) consumables. The production of the customized, defined and versatile surface topographies with the three-dimensional structural elements can be done, for example, using a direct laser interference method (direct laser
Interference Patterning - DLIP) realisiert werden. Die Bandbreite an realisier baren Oberflächenstrukturen kann dabei durch die Wahl des DLIP-Setups (z.Interference Patterning - DLIP) can be realized. The range of realizable surface structures can be selected by choosing the DLIP setup (e.g.
B. Wechsel zwischen 2- und 3-Strahlinterferenz, Änderung der Polarisation der einzelnen Teilstrahlen; Prozessstrategie) frei gewählt werden, wie dies bei spielsweise in DE 10 2018 200 036 erläutert worden ist, und auf deren Offen barungsgehalt vollumfänglich Bezug genommen wird. In Folge lassen sich bei spielsweise Linien-, Punkt- und Kreuzstrukturen direkt auf später verwende ten Substratoberflächen, wie z. B. Metallen realisieren. Auch andere mittels Laserverfahren erzeugte Oberflächentopographien (z. B. laserinduzierte peri odische Oberflächenstrukturierung, d. h. Laser-induced periodic surface structures - LIPSS) können für ein gezieltes Einstellen der Oberflächen- Pathogen-Response genutzt werden. B. Switching between 2- and 3-beam interference, changing the polarization of the individual partial beams; Process strategy) can be freely selected, as has been explained for example in DE 10 2018 200 036, and the disclosure content of which is referred to in full. As a result, for example, line, point and cross structures can be used directly on substrate surfaces that will be used later, e.g. B. Realize metals. Other surface topographies generated by laser processes (e.g. laser-induced periodic surface structuring, i.e. laser-induced periodic surface structures - LIPSS) can also be used for a targeted setting of the surface pathogen response.
Die multivarianten Oberflächenstrukturen mit den dreidimensionalen Struk turelementen, die in einer hinreichenden Strukturvielfalt auf der Substrat oberfläche ausgebildet sind, sollten ein topographieabhängiges- und somit örtlich determiniertes - spezifisches Adhäsionsverhaltens der jeweils nachzu weisenden Pathogene ermöglichen. Die Topographie einer Oberfläche eines Substrates unterstützt oder hemmt das Wachstum bestimmter Pathoge ne/Bakterien. Die mit dem DLIP-Verfahren mögliche Realisierung unterschied licher Strukturen auf einer Analysenfläche und die Kenntnis des für diese Strukturen spezifischen Adhäsionsverhaltens sowie deren lateralen und zeitli chen Ausprägungen kann die Grundlage einer ausgeprägten Sensitivität und Selektivität der Anordnung bilden. The multivariate surface structures with the three-dimensional structural elements, which are formed in a sufficient variety of structures on the substrate surface, should enable a topography-dependent - and thus locally determined - specific adhesion behavior of the pathogens to be detected. The topography of a surface of a substrate supports or inhibits the growth of certain pathogens / bacteria. The realization of different structures on an analysis surface, which is possible with the DLIP method, and the knowledge of the adhesion behavior specific for these structures as well as their lateral and temporal characteristics can form the basis of a pronounced sensitivity and selectivity of the arrangement.
Die Hyperspektrale Bildgebung (Hyperspectral Imaging - HSI) ermöglicht die qualitative/quantitative flächige Identifikation von Pathogenen/Bakterien an hand ihrer spezifischen spektralen Signaturen. Figur 2 zeigt eine spezifische Oberflächentopographie (Monostruktur) und assoziierte HSI-Signale der adhä- rierten Bakterienstämme. Hyperspectral imaging (HSI) enables the qualitative / quantitative areal identification of pathogens / bacteria based on their specific spectral signatures. FIG. 2 shows a specific surface topography (monostructure) and associated HSI signals of the adhered bacterial strains.
Dabei wird ein Lichtsignal, nach der Wechselwirkung mit der Probe (an der Oberfläche des Substrats angelagerte pathogene Mikroorganismen), sowohl
spektral als auch lateral aufgelöst detektiert. Für jeden Punkt auf der Probe kann anhand der Auswertung des jeweiligen Spektrums Aussagen über Pro beneigenschaften (hier z. B. das prinzipielle Vorhandensein von Pathoge nen/Bakterien sowie deren Klassifikation) oder auch das Erreichen bzw. Über schreiten einer Mindestanzahl von Pathogenen/Bakterien erhalten werden. Je nach Anregungsmodus können dafür klassisch das Absorptions- oder Reflexi onsverhalten ausgewertet werden, aber auch Fluoreszenzverhalten und Ramanstreuung ausgenutzt werden. Die dazu notwendige Messzeit beläuft sich dabei im Bereich von Sekunden bis wenige Minuten (abhängig von der Substratoberflächengröße, der lateralen und spektralen Auflösung, Belich- tungs- / Akkumulationszeit). A light signal is generated after the interaction with the sample (pathogenic microorganisms attached to the surface of the substrate) detected spectrally and laterally resolved. For each point on the sample, the evaluation of the respective spectrum can provide information about sample properties (here, for example, the basic presence of pathogens / bacteria and their classification) or the reaching or exceeding of a minimum number of pathogens / bacteria become. Depending on the excitation mode, the absorption or reflection behavior can be evaluated classically, but also fluorescence behavior and Raman scattering can be used. The measurement time required for this is in the range of seconds to a few minutes (depending on the substrate surface size, the lateral and spectral resolution, exposure / accumulation time).
Die HSI-Nachweisempfindlichkeit kann insbesondere im Raman/ Fluoreszenz modus in Kombination mit den aufgebrachten Mikrostrukturen (Vorausset zung: hinreichend kleine Spitzen an den Oberflächen) durch Ausnutzen des sogenannten Surface-Enhanced-Raman-Spectroscopy-Effekt (SERS) nochmal drastisch erhöht werden. Damit werden Sensitivität, Spezifizität des Nachwei ses von Pathogenproben im Vergleich zu bisherigen Lösungen signifikant ge steigert. Daraus leitet sich unmittelbar ab, dass ein gesicherter Nachweis von Pathogenen bereits möglich ist, wenn diese lediglich in geringsten Konzentra tionen vorliegen, wodurch schon nach kurzer Messzeiten (wenige Minuten) valide Ergebnisse erhalten werden können. The HSI detection sensitivity can be drastically increased again in Raman / fluorescence mode in combination with the applied microstructures (prerequisite: sufficiently small peaks on the surfaces) by using the so-called Surface Enhanced Raman Spectroscopy Effect (SERS). This significantly increases the sensitivity and specificity of the detection of pathogen samples compared to previous solutions. This immediately leads to the fact that reliable detection of pathogens is already possible if they are only present in the lowest concentrations, which means that valid results can be obtained after only a short measuring time (a few minutes).
Die Identifikationsspezifik des Pathogenmesssystems kann durch Nutzen mul- tivarianter Oberflächenregionen (sog. Segmenten), wie in Figur 3 gezeigt, deutlich verstärkt werden. Das Auswerten der an der Oberfläche adsorbierten Pathogene ermöglicht die Identifikation sowohl von einzelnen Pathogenen als auch Kombinationen unterschiedlicher Pathogene. Aufgrund der definierten multivariant-strukturierten Oberfläche kann die Auswertung dabei unter schiedlich erfolgen: The identification specificity of the pathogen measurement system can be significantly strengthened by using multivariate surface regions (so-called segments), as shown in FIG. 3. The evaluation of the pathogens adsorbed on the surface enables the identification of both individual pathogens and combinations of different pathogens. Due to the defined multivariant structured surface, the evaluation can be carried out in different ways:
Spektral (Signal = ί(l) =„Pathogenklasse(n)") Spectral (signal = ί (l) = "pathogen class (n)")
Spektral in Abhängigkeit von der Zeit Spectral as a function of time
(Signal = f( ,t) =„Pathogenklasse(n)") (Signal = f (, t) = "pathogen class (s)")
Spektral in Abhängigkeit von der Topologie (Signal = ί(l, DLIP- Spectral depending on the topology (signal = ί (l, DLIP-
Parameter) =„Pathogenklasse(n)")Spektral in Abhängigkeit von der
Zeit und Topologie (Signal = ί(l, DUP-Parameter, t) = Parameters) = "pathogen class (s)") spectral depending on the Time and topology (signal = ί (l, DUP parameter, t) =
„Pathogenklasse(n)") "Pathogenklasse (s)")
Durch das Nutzen multivarianter Oberflächenbereiche kann ein eindeutiges Zuordnen von Pathogenen/Bakterien erfolgen, da eine direkte Verbindung zwischen Pathogen-/Bakterienadhärenz und vorliegender By using multivariate surface areas, pathogens / bacteria can be clearly assigned, since there is a direct connection between pathogen / bacterial adherence and the present
Oberflächentopographie, die mit den 2- bis 3-dimensionale Surface topography that matches the 2 to 3 dimensional
Strukturelementen ausgebildet ist, vorliegt. Structural elements is formed, is present.
Ein alternativer Ansatz besteht im Realisieren einer kontinuierlichen, multiva- rianten Verteilung von dreidimensionalen Strukturelementen auf der Oberflä che durch eine kontinuierliche Variation der DLIP-Strukturparameter (siehe Figur 5). In Folge kann die Oberfläche des Substrats flächenspezifisch mittels HSI qualitativ/quantitativ untersucht und ein multivariantes Adhäsionsverhal ten von Pathogenen/Bakterien detektiert werden. Dabei können zielführend Methoden des maschinellen Lernens /Deep Learning eingesetzt werden, um spezifische Pathogensignaturen frühzeitig und zielsicher identifizieren zu kön nen. An alternative approach consists in realizing a continuous, multivariate distribution of three-dimensional structural elements on the surface by continuously varying the DLIP structural parameters (see FIG. 5). As a result, the surface of the substrate can be qualitatively / quantitatively examined using HSI and a multivariant adhesion behavior of pathogens / bacteria can be detected. Machine learning / deep learning methods can be used to identify specific pathogen signatures early and accurately.
Im Vergleich zum Stand der Technik ergeben sich folgende Vorteile: The advantages compared to the prior art are as follows:
• Erhöhen der Nachweissensitivität • Increase detection sensitivity
• Erhöhen der Nachweisspezifizität • Increase detection specificity
• Verringern der Identifikationszeit von Bakterien/Pathogenen • Reduce the identification time of bacteria / pathogens
• Einfacher Messaufbau • Simple measurement setup
• Preiswerte Testsubstrate • Inexpensive test substrates
• Extrem hohe Flexibilität -> DLIP Parameter, riesiges potenzielles Para- meterfenster • Extremely high flexibility -> DLIP parameters, huge potential parameter window
• Durch softwarebasierte Auswertung (Modelle) wie maschinelles Ler ne/Deep Learning ist die Erfindung auf weitere Pathogene übertragbar • The invention can be transferred to other pathogens through software-based evaluation (models) such as machine learning / deep learning
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft erläutert werden. Dabei zeigen: The invention will be explained by way of example below. Show:
Figur 1 4 Beispiele an Oberflächen von Substraten mit unterschiedlicher Figure 1 4 examples of surfaces of substrates with different
Oberflächenstrukturierung für eine spezifische Besiedlung mit Pa thogenen;
Figur 2 ein Beispiel einer mit mehreren Pathogenen unterschiedlich be siedelten Oberfläche eines Substrates mit Diagrammen, die den Zusammenhang orts- und spektral aufgelöst erfasster Messsignale für drei unterschiedliche Bakterienarten als Beispiele für Pathoge ne verdeutlichen. Surface structuring for a specific settlement with pathogens; FIG. 2 shows an example of a surface of a substrate which is populated differently with several pathogens, with diagrams which illustrate the relationship between measurement signals which are recorded in a spatially and spatially resolved manner for three different types of bacteria as examples of pathogens.
Figur 3 ein Beispiel einer in sechs Oberflächenbereiche A-F aufgeteilten Figure 3 shows an example of one divided into six surface areas A-F
Oberfläche eines mit Pathogenen besiedelten Substrates, bei dem die Oberflächenbereiche A-F mit voneinander unterschiedlicher Oberflächenstrukturierung für ein flexibles und paralleles Erken nen unterschiedlicher Pathogenarten ausgebildet sind, und einem mittig angeordneten Diagramm das unterschiedliche spektrale Verhalten in den einzelnen Oberflächenbereichen A-F sowie im rechts dargestellten Diagramm die in den Oberflächenbereichen A-F unterschiedliche Besiedlungskinetik verdeutlicht ist; Surface of a substrate populated with pathogens, in which the surface areas AF are designed with different surface structuring for flexible and parallel recognition of different types of pathogens, and a diagram arranged in the center shows the different spectral behavior in the individual surface areas AF and in the diagram shown on the right that in the Surface areas AF different settlement kinetics is clarified;
Figur 4 die in den Oberflächenbereichen A-F spezifische Besiedlungscha rakteristik für drei unterschiedliche Bakterienarten, als Beispiele für zu erkennende Pathogene, in Abhängigkeit der jeweils unter schiedlichen Oberflächentopographie in den Oberflächenberei chen A-F und Figure 4 shows in the surface areas A-F colonization characteristic for three different types of bacteria, as examples of pathogens to be recognized, depending on the different surface topography in each of the surface areas A-F and
Figur 5 eine Oberfläche eines Substrats mit kontinuierlicher Strukturva rianz durch eine kontinuierliche Variation der DLIP- Strukturparameter, die infolge der kontinuierlichen Veränderung der 2- bis 3-dimensionale Strukturelemente über die gesamte Oberfläche des Substrats zu einem flächenspezifischen mittels HSI qualitativ/quantitativ nachweisbaren Adhäsionsverhalten von Bak terien als Beispiel für Pathogene führt.
FIG. 5 shows a surface of a substrate with a continuous structural variance due to a continuous variation of the DLIP structural parameters, which, due to the continuous change of the 2 to 3-dimensional structural elements over the entire surface of the substrate, results in an area-specific adhesion behavior of Bak that can be detected qualitatively / quantitatively by HSI leads as an example of pathogens.
Claims
1. Anordnung zur Erkennung des Vorhandenseins von Pathogenen auf einer Oberfläche eines flächigen Substrats, bei der eine Oberfläche des Substrats (1) lokal definiert eine multivariate Oberflächenstruktur mit voneinander abweichenden Größen, Geometrien und/oder Ausrich tungen von 2- bis 3-dimensionalen Strukturelementen aufweist, wobei die einzelnen Strukturelemente eine laterale Ausdehnung im Bereich 10 nm bis 50 pm aufweisen und eine Lichtquelle zur Bestrahlung der 2- bis 3-dimensional strukturier ten Oberfläche sowie mehrere Detektoren, die zur orts- und spektral aufgelösten Erfassung der an der 2- bis 3-dimensional strukturierten Oberfläche gestreuten, reflektierten und/oder transmittierten elekt romagnetischen Strahlung vorhanden sind und die Detektoren mit einer elektronischen Auswerteeinheit verbunden sind, die zur Auswertung von mit den Detektoren orts- und spektral aufgelösten Intensitäten der gestreuten, reflektierten , transmittierten elektromagnetischen Strahlung, welche durch Streu-, Absorptions-, Ramanstreuungs- oder Fluoreszenzprozesse ausgebildet ist, und ein elektronischer Speicher vorhanden ist, in dem Vorhersagemodelle auf Basis von Spektren bekannter Pathogene auf ebendiesen 2- bis 3- dimensionalen Strukturelementen gespeichert sind, die mittels der elektronischen Auswerteeinheit für eine Klassifizierung und somit für den Nachweis des Vorhandenseins mindestens eines bestimmten Pathogens auf der 2- bis 3-dimensional strukturierten Oberfläche nutzbar sind. 1. Arrangement for detecting the presence of pathogens on a surface of a flat substrate, in which a surface of the substrate (1) locally defines a multivariate surface structure with mutually different sizes, geometries and / or alignments of 2 to 3-dimensional structural elements , wherein the individual structural elements have a lateral extent in the range from 10 nm to 50 pm and a light source for irradiating the 2 to 3-dimensionally structured surface and several detectors for the spatially and spectrally resolved detection of the 2 to 3 -dimensionally structured surface scattered, reflected and / or transmitted electromagnetic radiation are present and the detectors are connected to an electronic evaluation unit, which is used to evaluate the spatially and spectrally resolved intensities of the scattered, reflected, transmitted electromagnetic radiation , which is formed by scattering, absorption, Raman scattering or fluorescence processes, and an electronic memory is available, in which prediction models based on spectra of known pathogens are stored on these 2 to 3-dimensional structural elements, which are used by the electronic evaluation unit for a classification and thus can be used for the detection of the presence of at least one specific pathogen on the 2 to 3-dimensional structured surface.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 2- bis 3- dimensionale Strukturelemente als Vertiefungen oder Aufwölbungen
in der Oberfläche des Substrats mittels Laserstrukturierung, insbeson dere direkter Laser-Interferenz-Strukturierung und/oder laserinduzier ter selbstorganisierter, periodischer Oberflächenstrukturierung ausge bildet sind. 2. Arrangement according to claim 1, characterized in that 2 to 3-dimensional structural elements as depressions or bulges are formed in the surface of the substrate by means of laser structuring, in particular direct laser interference structuring and / or laser-induced, self-organized, periodic surface structuring.
3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass 2- bis 3-dimensionale Strukturelemente ausgehend von mindestens einem äußeren Rand der Substratoberfläche sich kon tinuierlich oder diskontinuierlich in ihrer Größe, Form und/oder Aus richtung verändernd oder mehrere Oberflächenbereiche am Substrat vorhanden sind, die mit jeweils gleichen 2- bzw. 3-dimensionalen Strukturelementen ausgebil det sind. 3. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that 2- to 3-dimensional structural elements, starting from at least one outer edge of the substrate surface, continuously or discontinuously changing in size, shape and / or direction or several surface areas on the substrate are present, which are each designed with the same 2- or 3-dimensional structural elements.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass mehrere Detektoren, die zur orts- und spektral aufgelösten Analyse elektromagnetischer Strahlung innerhalb eines Wellenlängenintervalls ausgebildet sind, in einer Reihen oder einer Reihen- und Spaltenanordnung angeordnet und 4. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of detectors, which are designed for spatially and spectrally resolved analysis of electromagnetic radiation within a wavelength interval, arranged in a row or a row and column arrangement and
die Detektoren mit der elektronischen Auswerteeinheit verbunden und so angeordnet sind, dass von einer Strahlungsquelle emittierte elektromagnetische Strahlung auf die Oberfläche des Substrats gerichtet und von der Oberfläche re flektierte, gestreute oder durch das Substrat hindurch transmittierte elektromagnetische Strahlung auf die Detektoren auftrifft. the detectors are connected to the electronic evaluation unit and are arranged such that electromagnetic radiation emitted by a radiation source is directed onto the surface of the substrate and electromagnetic radiation reflected, scattered or transmitted through the substrate hits the detectors.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Oberfläche des Substrats mit einem Laserstrahl, der von einer Laserstrahlquelle emittiert wird, bestrahlt ist, so dass durch auf der Substratoberfläche vorhandene Pathogene eine Gene rierung von Raman- oder Fluoreszenzstrahlung erfolgt und die generierte Raman- oder Fluoreszenzstrahlung auf ein zur orts- und spektral aufgelösten Erfassung dieser Strahlung ausgebildetes Detek-
torarray gerichtet ist und 5. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the surface of the substrate is irradiated with a laser beam which is emitted by a laser beam source, so that a generation of Raman or fluorescent radiation takes place by pathogens present on the substrate surface and the generated Raman or fluorescent radiation on a detector designed for the spatially and spectrally resolved detection of this radiation torarray is directed and
Detektoren des Detektorarrays zur orts- und spektral aufgelösten Er fassung von den Pathogenen reflektierten oder gestreuten elektro magnetischen Strahlung ausgebildet sind und zwischen der Oberfläche des Substrats und dem Detektorarray ein op tisches Filter oder ein Strahlteiler angeordnet ist, das/der so ausgebil det ist, dass elektromagnetische Strahlung mit der Wellenlänge des La serstrahls nicht auf die Detektoren des Detektorarrays auftrifft; wobei zumindest die Detektoren des Detektorarrays (4) an eine elektronische Auswerteeinheit angeschlossen sind und die elektronische Auswerteeinheit zur Auswertung von mit den Detek toren des Detektorarrays erfassten orts- und spektralaufgelösten In tensitäten der Raman- oder Fluoreszenzstrahlung sowie die Durchfüh rung einer Datenanalyse unter Berücksichtigung der Verteilung der die Pathogene repräsentierenden orts- und spektralaufgelösten Intensitä ten auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet ist. Detectors of the detector array are designed for spatially and spectrally resolved detection of electromagnetic radiation reflected or scattered by the pathogens, and an optical filter or a beam splitter is arranged between the surface of the substrate and the detector array and is designed in such a way that electromagnetic radiation with the wavelength of the laser beam does not strike the detectors of the detector array; wherein at least the detectors of the detector array (4) are connected to an electronic evaluation unit and the electronic evaluation unit for evaluating spatially and spectrally resolved intensities of the Raman or fluorescence radiation detected with the detectors of the detector array and for carrying out a data analysis taking into account the distribution the spatially and spectrally resolved intensities representing the pathogens are formed on the surface of the substrate.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung, die von einer breit bandigen Strahlungsquelle emittiert wird, auf die Oberfläche des Sub strats mit den Strukturelementen gerichtet ist und dadurch eine für jeweilige Pathogene spezifisch durch Absorption, Brechung und Streu ung beeinflusste reflektierte oder transmittierte elektromagnetische Strahlung mit Detektoren des Detektorarrays erfassbar ist, die mit ei ner elektronischen Auswerteeinheit zur Auswertung der von mit den Detektoren des Detektorarrays erfassten orts- und spektralaufgelösten Intensitäten der reflektierten oder transmittierten Strahlung sowie zur Durchführung einer Datenanalyse unter Berücksichtigung der Vertei lung der die Pathogene repräsentierenden orts- und spektralaufgelös ten Intensitäten auf der Oberfläche des Substrats verbunden ist.
6. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that electromagnetic radiation, which is emitted by a broadband radiation source, is directed to the surface of the sub strate with the structural elements and thereby a specific for respective pathogens by absorption, refraction and scatter Reflected or transmitted electromagnetic radiation influenced by detectors of the detector array can be detected using an electronic evaluation unit for evaluating the spatially and spectrally resolved intensities of the reflected or transmitted radiation detected by the detectors of the detector array and for performing a data analysis taking into account the distribution the spatially and spectrally resolved intensities representing the pathogens are connected on the surface of the substrate.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die elektronische Auswerteeinheit zur Datenanaly se, eine spektrale Auswertung in Abhängigkeit von der Zeit, eine spekt rale Auswertung in Abhängigkeit von der Oberflächentopographie oder eine spektrale Auswertung in Abhängigkeit von der Zeit und der Ober flächentopographie zur Erkennung des Vorhandenseins von Pathoge nen ausgebildet ist.
7. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic evaluation unit for data analysis se, a spectral evaluation depending on the time, a spectral evaluation depending on the surface topography or a spectral evaluation depending on the time and Surface topography for detecting the presence of pathogens is formed.
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121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 19740504 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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NENP | Non-entry into the national phase |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
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