WO2021122980A1 - Aufnahmeeinheit zum aufnehmen eines fluids, verfahren und vorrichtung zum herstellen einer aufnahmeeinheit, verfahren und vorrichtung zum betreiben einer aufnahmeeinheit und aufnahmeeinrichtung - Google Patents

Aufnahmeeinheit zum aufnehmen eines fluids, verfahren und vorrichtung zum herstellen einer aufnahmeeinheit, verfahren und vorrichtung zum betreiben einer aufnahmeeinheit und aufnahmeeinrichtung Download PDF

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Definitions

  • the Microcavity and / or using an additive which has been introduced into the microcavity - a carryover or discharge of reagents stored in the microcavity, for example, during filling can be reduced to less than 10% of the amount held in the microcavity, for example.
  • DNA target-specific primers and / or probes can be stored upstream in the at least one microcavity in order to carry out at least one specific detection reaction therein.
  • the receiving unit has several microcavities in which at least two different detection reactions for detecting at least two different targets can be carried out.
  • highly complex molecular diagnostic tests which address a large number of different targets with a large number of different detection reactions, can be carried out in the recording unit.
  • detection reactions with a reduced multiplex performance can be used in order to carry out verifications in the single plex format in the individual fluid partitions in the microcavities (geometric multiplexing).
  • isothermal DNA detection reactions independent of one another can be carried out in the microcavities, which on the one hand have a high reaction rate and on the other hand only a low multiplex compatibility (for example due to undesired interactions between primers and / or probes).
  • a receiving unit with a plurality of cavities can be used in a particularly advantageous manner in order to carry out rapid DNA highly multiplex tests therein using isothermal detection reactions in the single plex format.
  • there is a multiplex pre-amplification in particular by means of polymerase chain reactions, in order to increase the sensitivity of the sample analysis.
  • the detection time for multiplex pre-amplification and the singleplex detection of several DNA targets in the recording unit is less than 60 minutes, the detection time for the singleplex detection of several DNA targets in the recording unit is less than 30 minutes.
  • the receiving device can for example be manufactured inexpensively from a polymer material such as polycarbonate (PC), polypropylene (PP), polyethylene (PE), cycloolefin copolymer (COP, COC), polymethyl methacrylate (PMMA), polydimethylsiloxane (PDMS) or thermoplastic elastomers (TPE) such as polyurethane (TPU) or styrene block copolymer (TPS) or a combination of polymer materials and are manufactured by high-throughput processes such as injection molding, thermoforming, stamping and / or using of joining technologies such as laser transmission welding.
  • a polymer material such as polycarbonate (PC), polypropylene (PP), polyethylene (PE), cycloolefin copolymer (COP, COC), polymethyl methacrylate (PMMA), polydimethylsiloxane (PDMS) or thermoplastic elastomers (TPE) such as polyurethane (TPU) or styrene block copo
  • a surface quality of the receiving surface and / or the microcavities can optionally be changed in such a way that it becomes hydrophilic, for example by using it as a silicon nitride surface or as a silicon oxide surface and / or as a silane layer, for example is formed as a polyethylene glycol-silane layer.
  • reagents are introduced into the microcavity (s) of the receiving unit.
  • the method can include a step of dividing, in which, for example, the receiving element can be divided. The dividing can be achieved in particular by introducing predetermined breaking points in the receiving surface of the receiving element, which is advantageously carried out together with the introduction of the microcavities, and then mechanically breaking them.
  • the approach presented here also creates a device which is designed to carry out, control or implement the steps of a variant of one of the methods presented here in corresponding devices.
  • the object on which the invention is based can also be achieved quickly and efficiently by means of this embodiment variant of the invention in the form of a device.
  • a device can be understood to mean an electrical device that processes sensor signals and outputs control and / or data signals as a function thereof.
  • the device can have an interface which can be designed in terms of hardware and / or software.
  • the interfaces can, for example, be part of a so-called system ASIC which contains a wide variety of functions of the device.
  • the interfaces are separate, integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces can be software modules that are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.
  • the receiving unit 105 has a receiving element 125 with a receiving surface 130 with a hydrophilic surface quality and at least one microcavity 135 which is arranged in the receiving element 125 on the receiving surface 130 and is shaped to receive the fluid.
  • the receiving element 125 is formed from a silicon substrate, for example.
  • the receiving surface 130 is designed, for example, at least partially as a silicon nitride layer, silicon oxide layer and / or as a silane layer, for example as a polyethylene glycol-silane layer, which, for example, facilitates penetration of the fluid into the microcavity 135.
  • the approach presented here describes wetting properties of the receiving surface 130, for example made of silicon nitride, silicon oxide or a hydrophilic silane layer, in particular a polyethylene glycol silane layer, the microcavities 135 (for example with polyethylene glycol as a dried additive and primers and probes for a molecular DNA Detection reaction as a dried reagent and / or a silicon oxide layer, silicon nitride layer or a silane layer as hydrophilic surface) and for example a flow cell made of polymer, for example made of polycarbonate.
  • the receiving surface 130 for example made of silicon nitride, silicon oxide or a hydrophilic silane layer, in particular a polyethylene glycol silane layer
  • the microcavities 135 for example with polyethylene glycol as a dried additive and primers and probes for a molecular DNA Detection reaction as a dried reagent and / or a silicon oxide layer, silicon nitride layer or a silane layer as hydro
  • the receiving unit 105 thus has the microcavities 135, 150, which are used to form microfluidic compartments.
  • the microcavities 135, 150 have almost vertical side walls, in particular at an interface with a side of the receiving unit 105 that comes into contact with the fluid, and in particular have upstream reagents 200 and a limited aspect ratio, for example to prevent undesired inclusion of air in the microcavities 135, 150 during the filling of the microcavities 135, 150 with the fluid and to enable a complete filling of the microcavities 135, 150 with the fluid.
  • 9d shows the sigmoidal signal curve of the microcavity “G4”, which indicates a positive detection of the ABL template DNA in the sample liquid by means of the polymerase chain reaction.
  • the chamber (115) having suitable dimensions such as 7mm x 7mm x 1mm (volume ⁇ 50mI):

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aufnahmeeinheit (105) zum Aufnehmen eines Fluids, wobei die Aufnahmeeinheit (105) ein Aufnahmeelement (125) mit einer Aufnahmefläche (130) und zumindest einer Mikrokavität (135) aufweist, die in dem Aufnahmeelement (125) an der Aufnahmefläche (130) angeordnet ist und ausgeformt ist, um das Fluid aufzunehmen. Die Aufnahmefläche (130) weist ferner in zumindest einem an die zumindest eine Mikrokavität (135) angrenzenden Teilbereich eine hydrophile Oberflächenbeschaffenheit auf.

Description

Beschreibung
Titel
Aufnahmeeinheit zum Aufnehmen eines Fluids, Verfahren und Vorrichtung zum
Herstellen einer Aufnahmeeinheit, Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Aufnahmeeinheit und Aufnahmeeinrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einer Aufnahmeeinheit zum Aufnehmen eines Fluids, einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Herstellen einer Aufnahmeeinheit, einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Betreiben einer Aufnahmeeinheit sowie von einer Aufnahmeeinrichtung nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Für molekulardiagnostische Tests an einem sogenannten Point-of-Care eignen sich insbesondere mikrofluidische Analysesysteme, sogenannte Lab-on-Chips, welche eine vollautomatisierte Analyse von Patientenproben ermöglichen. Komplexe Tests benötigen häufig eine Durchführung von mehreren, voneinander unabhängigen Nachweisreaktionen, um unterschiedliche Targets in einer zu untersuchenden Probe zu adressieren.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine verbesserte Aufnahmeeinheit, verbesserte Verfahren, weiterhin verbesserte Vorrichtungen, die diese Verfahren verwenden, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Durch den hier vorgestellten Ansatz wird eine gegenüber dem Stand der Technik zuverlässigere Befüllung von Mikrokavitäten in Kombination mit einer einfachen Einbringung sowie Vorlagerung von in den Mikrokavitäten eingetrockneten Reagenzien ermöglicht sowie eine Gefahr der Verschleppung von in den Mikrokavitäten vorgelagerten Reagenzien bei der kontrollierten Befüllung der Mikrokavitäten mit einem Fluid, beispielsweise einer Probenflüssigkeit vermieden. Ebenfalls wird ein Quersprechen von in den mit einem Fluid gefüllten Mikrokavitäten stattfindenden Reaktionen durch eine Versiegelung mit einem zweiten Fluid, d. h. einer geeigneten Siegelflüssigkeit der mit Probenflüssigkeit befüllten Mikrokavitäten unterbunden, beispielsweise um in den Mikrokavitäten unterschiedliche voneinander unabhängige Amplifikationsreaktionen beispielsweise zum Nachweis verschiedener DNA-Targets durchzuführen.
Es wird eine Aufnahmeeinheit zum Aufnehmen eines Fluids vorgestellt, die ein Aufnahmeelement mit einer Aufnahmefläche, die zumindest eine Mikrokavität aufweist, die in dem Aufnahmeelement an der Aufnahmefläche angeordnet ist und ausgeformt ist, um das Fluid aufzunehmen und die eine zumindest in einem an die zumindest eine Mikrokavität angrenzenden Teilbereich der Aufnahmefläche eine hydrophile Oberflächenbeschaffenheit aufweist.
Die Aufnahmeeinheit kann beispielsweise in einer Aufnahmeeinrichtung eingesetzt werden, die ausgebildet ist, um beispielsweise Proben zu testen. Das Fluid kann beispielsweise als eine Flüssigkeit, wie beispielsweise eine Probenflüssigkeit realisiert sein. Bei der Probenflüssigkeit kann es sich beispielsweise um eine wässrige Lösung, beispielsweise gewonnen aus einer biologischen Substanz, beispielsweise humanen Ursprungs, wie einer Körperflüssigkeit, eines Abstrichs, eines Sekrets, Sputum, einer Gewebeprobe oder einer Vorrichtung mit angebundenem Probenmaterial handeln. In der Probenflüssigkeit befinden sich beispielsweise Spezies von medizinischer, klinischer, diagnostischer oder therapeutischer Relevanz wie beispielsweise Bakterien, Viren, Zellen, zirkulierende Tumorzellen, zellfreie DNA, Proteine oder andere Biomarker oder insbesondere Bestandteile aus den genannten Objekten. Beispielsweise handelt es sich bei der Probenflüssigkeit um einen Mastermix oder Bestandteile davon, beispielsweise für die Durchführung wenigstens einer Amplifikationsreaktion in dem Aufnahmeelement beispielsweise für einen DNA- Nachweis auf molekularer Ebene wie beispielsweise einer isothermalen Amplifikationsreaktion oder einer Polymerase-Kettenreaktion. Das Aufnahmeelement ist insbesondere als ein Probenträger ausgeformt, dessen Aufnahmefläche beispielsweise zumindest in einem an die wenigstens eine Mikrokavität angrenzenden Teilbereich hydrophil beschaffen ist. Die Mikrokavität, die in der Aufnahmefläche angeordnet ist, kann beispielsweise auch als Kavität oder Ausnehmung bezeichnet werden, insbesondere die sich als Kavität mit einer Dimension im Sub-Millimeter-Bereich auszeichnet. Die Mikrokavität kann dem entsprechend einen Hohlraum aufweisen, um das Fluid aufnehmen zu können. Ferner kann die Mikrokavität über eine Oberflächenbeschaffenheit verfügen, die inert ist und eine hohe Biokompatibilität aufweist, um darin beispielsweise eine molekulare DNA-Nachweisreaktion wie beispielsweise eine isothermale Amplifikationsreaktion oder eine Polymerase- Kettenreaktionen durchzuführen. Für die Funktionalität der Vorrichtung, insbesondere für das Überschichten der in den Mikrokavitäten vorliegenden wässrigen Phase mit einer zweiten nicht mischbaren Phase sind beispielsweise Kapillar- und Oberflächenkräfte von Bedeutung. Für große makroskopische Kavitäten kann diese Funktionalität nicht garantiert werden.
Die Aufnahmeeinheit weist gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform eine Mehrzahl von weiteren Mikrokavitäten auf, die in dem Aufnahmeelement an der Aufnahmefläche angeordnet sein können und ausgeformt sein können, um das Fluid aufzunehmen. Dabei können die Mikrokavität und die Mehrzahl von weiteren Mikrokavitäten in einem Anordnungsbereich, insbesondere einem quadratischen, kreisrunden, rechteckigen oder ovalen Bereich der Aufnahmefläche, insbesondere mit einem vorgegebenen Abstand zum Rand der Aufnahmefläche angeordnet sein, insbesondere nach einem hexagonalen, quadratischen oder rechteckigen Schema, wobei insbesondere zwischen der Mikrokavität und der Mehrzahl von weiteren Mikrokavitäten die Aufnahmefläche eine hydrophile Oberflächenbeschaffenheit aufweist. Durch einen vorgegebenen Abstand der äußeren Begrenzung des Anordnungsbereichs zum Rand der Aufnahmefläche, d. h. der Außenkante der Aufnahmeeinheit kann der äußere Bereich, der sog. Abstandsbereich beispielsweise für ein Handling der Aufnahmeeinheit mit einem Bestückungsautomat (Pick-and-Place-Roboter) bei der Fertigung genutzt werden, ohne dass der Bestückungsautomat (Pick-and-Place-Roboter) mit dem für die Funktionalität der Aufnahmeeinheit insbesondere relevanten Anordnungsbereich der Mikrokavitäten in Berührung kommt und dort zu einer möglichen Kontamination der Oberfläche oder der Mikrokavitäten führen kann. Durch eine Anordnung der Mikrokavitäten nach einem hexagonalen Schema kann eine besonders hohe Flächendichte der Mikrokavitäten bei einem konstanten Abstand zwischen benachbarten Mikrokavitäten erreicht werden. Durch eine Anordnung der Kavitäten in einem quadratischen oder rechteckigen Schema kann eine besonders einfache Zuordnung der Kavitäten erfolgen. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Aufnahmeeinheit weitere, insbesondere auch außerhalb des Anordnungsbereichs der Kavitäten an die Aufnahmefläche angrenzende Strukturen auf, die einer Zuordnung oder Referenzierung der Mikrokavitäten dienen. Dabei handelt es sich beispielsweise um Justagemarken für die standardisierte Einbringung von Reagenzien in die Mikrokavitäten mittels eines Array-Spotting-Systems, beispielsweise eines Piezo- basierten Feindispensierungssystems oder für die Zuordnung der Kavitäten in einem optischen Auslesegerät, welches beispielsweise von den Nachweisreaktionen in den Mikrokavitäten der Aufnahmeeinheit ausgehende Fluoreszenzsignale detektiert. Denkbar ist ferner auch, dass in die unterschiedlichen Mikrokavitäten unterschiedliche Reagenzien eingebracht oder vorgehalten werden, sodass beispielsweise unterschiedliche Nachweisreaktionen in den Mikrokavitäten ausgeführt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Mikrokavität zumindest eine im Wesentlichen senkrecht zu der Aufnahmefläche ausgerichtete Seitenwand aufweisen. Günstigerweise können auch alle Seitenwände der Mikrokavität im Wesentlichen senkrecht zu der Aufnahmefläche ausgerichtet sein. Dadurch wird beispielsweise eine besonders einfache Fertigung des Aufnahmeelements möglich. Die im Wesentlichen senkrecht ausgerichtete(n) Seitenwand/Seitenwände können beispielsweise zu der Aufnahmefläche einen Winkel von 80° bis 100° aufweisen. Vorteilhafterweise kann dadurch - in Kombination mit einem vorgegebenen geeigneten Aspektverhältnis der Mikrokavität und/oder unter Verwendung eines Additivs, welches in die Mikrokavität eingebracht wurde - eine Verschleppung bzw. ein Austrag von beispielsweise in der Mikrokavität vorgelagerten Reagenzien während einer Befüllung beispielsweise auf kleiner als 10% der in der Mikrokavität vorgehaltenen Menge reduziert werden. Insbesondere können beispielsweise DNA-Target-spezifische Primer und/oder Sonden in der wenigstens einen Mikrokavität vorgelagert werden, um darin wenigstens eine spezifische Nachweisreaktion durchzuführen.
Gemäß einer Ausführungsform enthält eine Mikrokavität zumindest ein vorgelagertes Reagens und/oder Additiv. Unter einem „Reagens“ kann eine Substanz verstanden werden, welche zur Durchführung einer spezifischen Reaktion in der Mikrokavität verwendet wird. Unter einem „Additiv“ hingegen kann eine Substanz verstanden werden, die im Allgemeinen in mehreren Kavitäten vorhanden ist und eine Befüllung der Mikrokavität und/oder eine geringere Verschleppung von vorgelagertem Reagens ermöglicht. Das „Additiv“ ist demnach insbesondere für die fluidische Funktionalität entscheidend, während das „Reagens“ insbesondere für die genaue Nachweisreaktion entscheidend ist. Vorteilhafterweise kann insbesondere durch die Vorlagerung eines Additivs in der Mikrokavität bei der Benetzung und Befüllung der Mikrokavität mit der Probenflüssigkeit ein unerwünschter Einschluss von Luft in der Mikrokavität und insbesondere am Boden der Mikrokavität vermieden werden. Ferner kann durch das wenigstens eine vorgelagerte Reagens eine vorbestimmte gewünschte Reaktion mit dem Fluid, d. h. insbesondere einer Probenflüssigkeit und insbesondere bestimmten Bestandteilen der Probenflüssigkeit, sogenannten Targets bewirkt werden, sodass die Probenflüssigkeit auf das Vorhandensein von bestimmten Merkmalen hin untersucht werden kann.
In besonders vorteilhafter Weise verfügt die Aufnahmeeinheit über mehrere Mikrokavitäten, in denen wenigstens zwei verschiedene Nachweisreaktionen zum Nachweis wenigstens zweier verschiedener Targets durchgeführt werden können. Auf diese Weise können hochkomplexe molekulardiagnostische Tests, die mit einer Vielzahl verschiedener Nachweisreaktionen eine Vielzahl verschiedener Targets adressieren, in der Aufnahmeeinheit durchgeführt werden. Insbesondere ist dabei von Vorteil, dass auch Nachweisreaktionen mit einer verringerten Multiplex-Performance eingesetzt werden können, um in den einzelnen Fluid-Partitionen in den Mikrokavitäten Nachweise im Singleplex- Format durchzuführen (geometrisches Multiplexing). In besonders vorteilhafter Weise können in den Mikrokavitäten voneinander unabhängige isothermale DNA-Nachweisreaktionen durchgeführt werden, die einerseits eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit und andererseits jedoch nur eine geringe Multiplex- Kompatibilität (beispielsweise durch unerwünschte Wechselwirkungen zwischen Primern und/oder Sonden) aufweisen können. Auf diese Weise kann eine Aufnahmeeinheit mit mehreren Kavitäten in besonders vorteilhafter Weise eingesetzt werden, um darin schnelle DNA-Hochmultiplex-Test unter Verwendung von isothermalen Nachweisreaktionen im Singleplex- Format durchzuführen. Insbesondere erfolgt vor dem Array-basierten Nachweis im Singleplex- Format eine Multiplex-Voramplifikation, insbesondere durch Polymerase- Kettenreaktionen, um die Sensitivität der Probenanalyse zu erhöhen. Insbesondere beträgt die Nachweiszeit für Multiplex-Voramplifikation und dem Singleplex-Nachweis mehrerer DNA-Targets in der Aufnahmeeinheit dabei weniger als 60 Minuten, die Nachweiszeit für den Singleplex-Nachweis mehrerer DNA-Targets in der Aufnahmeeinheit weniger als 30 Minuten.
Zusammenfassend ist mittels der erfindungsgemäßen Aufnahmeeinheit eine sehr einfache und schnelle Untersuchung der Probenflüssigkeit auf eine Vielzahl unterschiedlicher Targets in einer einzelnen Vorrichtung möglich, insbesondere auch unter Verwendung von Nachweisreaktionen mit einer eingeschränkten Multiplex- Fähigkeit. In vorteilhafter Weise ist durch die Verwendung der Aufnahmeeinheit ebenfalls eine einfache Anpassung von Multiplex-Tests, d. h. insbesondere das Hinzufügen einer Nachweisreaktion zu einem Multiplex-Test möglich, da die Nachweisreaktionen in den Mikrokavitäten der Aufnahmeeinheit unabhängig voneinander erfolgen und dementsprechend keine signifikanten Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen in den mehreren Mikrokavitäten eingesetzten Primern und Sonden auftreten können.
Die Aufnahmefläche kann zumindest teilweise als eine Silizium-Nitrid-Schicht und/oder Silizium-Oxid-Schicht und/oder als eine Silanschicht, beispielsweise als eine Polyethylenglykol-Silanschicht ausgebildet sein. Vorteilhafterweise kann durch die Hydrophilität der Aufnahmefläche ein Eindringen des Fluids in die wenigstens eine Mikrokavität ermöglicht oder deutlich verbessert werden, wobei eine solche Art der Aufnahmefläche mit technisch einfachen und kostengünstigen sowie ausgereiften Verfahren hergestellt werden kann. Ferner kann - durch das verbesserte Eindringen des Fluids in die Mikrokavität, insbesondere in Kombination mit einer Vorlagerung von wenigstens eines Reagens in der Mikrokavität, insbesondere eines Additivs, und/oder durch eine hydrophile Beschichtung der Mikrokavität - das Aufnahmeelement in Kombination mit einer mikrofluidischen Vorrichtung eingesetzt werden, um eine vollautomatisierte Einbringung des Fluids in die zumindest eine Mikrokavität der Aufnahmeeinheit zu ermöglichen.
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform das Aufnahmeelement und/oder die Aufnahmeeinheit aus einem Siliziumsubstrat ausgebildet sein. Das Siliziumsubstrat kann beispielsweise als ein Silizium-Wafer realisiert sein. Dadurch können beispielsweise Materialkosten bei beispielsweise einer Fertigung gesenkt werden, da derartige Substrate bereits in der Halbleitertechnologie verwendet werden und somit für die Fertigung des hier vorgestellten Ansatzes auf Fertigungsverfahren der Halbleitertechnologie zurückgegriffen werden kann. Insbesondere können durch die Prozessierung eines Silizium-Wafer mehrere Aufnahmeeinheiten parallel gefertigt werden. Ferner kann im Rahmen des unten beschriebenen Verfahrens zum Herstellen der Aufnahmeeinheit simultan zu dem Ätzen der Mikrokavitäten eine Einbringung von Sollbruchstellen in das Siliziumsubstrat erfolgen. Auf diese Weise ist durch ein mechanisches Brechen des Siliziumsubstrats eine besonders einfache und kostengünstige Vereinzelung des Siliziumsubstrats in mehrere Aufnahmeeinheiten und damit eine kostengünstige Herstellung der Aufnahmeeinheiten möglich. Ferner kann durch eine Verwendung von Silizium als Substratmaterial für die Aufnahmeeinheit insbesondere eine besonders homogene und schnelle Temperierung der Mikrokavitäten erreicht werden, da Silizium eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Auf diese Weise ist eine hohe Vergleichbarkeit und eine schnelle Durchführbarkeit der einzelnen Nachweisreaktionen gegeben.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Aufnahmeeinheit eine weitere Mehrzahl von Mikrokavitäten aufweisen, die in dem Aufnahmeelement an der Aufnahmefläche angeordnet sein können und ausgeformt sein können, um das Fluid aufzunehmen, wobei die weitere Mehrzahl von Mikrokavitäten in einem weiteren Anordnungsbereich, insbesondere einem quadratischen, kreisrunden, rechteckigen oder ovalen Bereich der Aufnahmefläche, insbesondere mit einem vorgegebenen Abstand zum Rand der Aufnahmefläche, insbesondere nach einem hexagonalen, quadratischen oder rechteckigen Schema angeordnet sein können. Dabei kann zwischen dem Anordnungsbereich und dem weiteren Anordnungsbereich ein Abstandsbereich angeordnet sein, in dem keine Mikrokavitäten vorgesehen sind. Hierbei können wieder mehrere Gruppen von Mikrokavitäten zur Durchführung eines Multiplex-Tests verwendet werden, beispielsweise wenn die einzelnen Mikrokavitäten mit unterschiedlichen darin vorgehaltenen Reagenzien bereitgestellt werden. Vorteilhafterweise kann dadurch beispielsweise eine Mehrzahl von Tests zeitgleich durchgeführt werden, indem in der weiteren Mehrzahl von Mikrokavitäten beispielsweise weitere Reagenzien vorgelagert sind.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Abstandsbereich eine Breite aufweisen, die beispielsweise zumindest dem Doppelten des minimalen Abstandes benachbarter Mikrokavitäten des Anordnungsbereichs oder dem weiteren Anordnungsbereich entsprechen kann. Vorteilhafterweise können die Anordnungsbereiche dadurch deutlich erkennbar voneinander unterschieden werden, sodass eine Auswertung der einzelnen Gruppen von Mikrokavitäten erleichtert wird. Ferner begünstigt der Abstandsbereich ein Handling der Chips nach der Vereinzelung der Aufnahmeeinheit.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die Mikrokavitäten oder Gruppen von Mikrokavitäten unterschiedliche Abmessungen und/oder unterschiedliche Volumina auf. Durch unterschiedliche Volumina an Probenflüssigkeit in den einzelnen Mikrokavitäten, d. h. Reaktionskompartimenten liegen in den verschieden großen Kompartimenten statistisch betrachtet unterschiedliche Anzahlen an Target-Einheiten, beispielsweise DNA-Kopien vor. Für Nachweisreaktionen mit einer hohen Sensitivität können dementsprechend kleinere Reaktionskompartimente, für Nachweisreaktionen mit einer niedrigen Sensitivität hingegen größere Reaktionskompartimente verwendet werden, um einen zuverlässigen Nachweis unterschiedlicher Targets in der Probenflüssigkeit unter der Verwendung spezifischer Nachweisreaktionen mit unterschiedlicher Nachweischarakteristik zu erzielen. Außerdem kann bei Verwendung einer digitalen Nachweis-Methodik auf diese Weise ein größerer Quantifizierungsbereich erzielt werden.
Die Aufnahmefläche kann gemäß einer Ausführungsform ein optisch erkennbares Merkmal aufweisen, das eine relativ zu der Anordnung der zumindest einen Mikrokavität vordefinierte Position aufweisen kann, insbesondere wobei das optisch erkennbare Merkmal eine vorbestimmte Beschaffenheit bezüglich seiner Größe und/oder optischer Eigenschaften aufweisen kann. Vorteilhafterweise kann dadurch eine automatisierte Lesbarkeit verbessert werden, beispielsweise da Referenzpunkte markiert werden können.
Ferner wird eine Aufnahmeeinrichtung vorgestellt, die eine Aufnahmeeinheit in einer der vorangehend vorgestellten Varianten, ein Gehäuse zum Aufnehmen der Aufnahmeeinheit, eine Kammer zum Einbringen wenigstens eines Fluid, beispielsweise einer Probenflüssigkeit in wenigstens eine Mikrokavität der Aufnahmeeinheit und optional zum darauffolgenden Einbringen eines zweiten Fluid, d. h. einer Versiegelungsflüssigkeit, welche nicht oder nur geringfügig mit der Probenflüssigkeit mischbar ist und eine Überschichtung/ Versiegelung der in den Mikrokavitäten der Aufnahmeeinrichtung eingeschlossenen Probenflüssigkeit erlaubt, sowie zumindest einen Kanal aufweist, der ausgebildet ist, um die Probenflüssigkeit den Mikrokavitäten der Aufnahmeeinheit zuzuführen und anschließend die Mikrokavitäten mit der Versiegelungsflüssigkeit zu überschichten und/oder um eine Entlüftung zu ermöglichen und/oder um überschüssige Proben- und Versiegelungsflüssigkeit abzuführen.
Das Gehäuse kann beispielsweise ausgeformt sein, um die Aufnahmeeinheit und die Probenflüssigkeit vor Umwelteinflüssen zu schützen und/oder umgekehrt um eine Kontamination der Umwelt durch die Probenflüssigkeit zu verhindern. Der Kanal kann beispielsweise rohrförmig oder schlauchförmig realisiert sein und beispielsweise einen nahezu rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die Aufnahmeeinrichtung kann beispielsweise kostengünstig aus einem Polymer- Material gefertigt sein wie beispielsweise Polycarbonat (PC), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Cycloolefin-Copolymer (COP, COC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polydimethylsiloxan (PDMS) oder thermoplastischen Elastomeren (TPE) wie Polyurethan (TPU) oder Styrol- Blockcopolymer (TPS) oder einer Kombination aus Polymer-Materialien und hergestellt werden durch Hochdurchsatzverfahren wie beispielsweise Spritzgießen, Thermoformen, Stanzen und/oder unter Verwendung von Fügetechnologien wie beispielsweise Laserdurchstrahl-Schweißen.
Optional kann die Aufnahmeeinrichtung eine Pumpeinrichtung aufweisen, die ausgebildet sein kann, um das wenigstens eine Fluid, beispielsweise die Probenflüssigkeit und/oder die Versiegelungsflüssigkeit durch den Kanal zu pumpen. Vorteilhafterweise kann dadurch eine vollautomatisierte mikrofluidische Prozessierung ermöglicht werden. Die Pumpeinrichtung kann beispielsweise über ein pneumatisches Interface von einer Prozessierungseinheit angesteuert werden. Die Pumpeinrichtung basiert insbesondere auf einer elastischen Membran, welche in die Aufnahmeeinrichtung integriert ist und durch Anlegen eines Über- oder Unterdrucks in Ausnehmungen innerhalb der Aufnahmeeinrichtung ausgelenkt werden kann, wobei eine kontrollierte Verdrängung der Proben- oder Versiegelungsflüssigkeit erzielt werden kann. Auf diese Weise können mikrofluidische Elemente wie Pumpkammern und Ventile realisiert werden. Durch eine geeignete sequentielle Aktuation mehrerer Elemente der Pumpeinrichtung kann ein kontrollierter Transport der Proben- und Versiegelungsflüssigkeit erzielt werden, insbesondere unter Verwendung peristaltischer Pumpmechanismen. Ferner verfügt die Aufnahmeeinrichtung insbesondere über wenigstens eine Öffnung zur Eingabe der Probe und optional über eine weitere Öffnung, welche als Entlüftung dient. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Aufnahmeeinrichtung weitere Ausnehmungen zur Vorlagerung von flüssigen oder festen Reagenzien auf und ein mikrofluidisches Netzwerk, welches zur Prozessierung der Reagenzien innerhalb der Aufnahmeeinrichtung dient.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen einer Aufnahmeeinheit in einer der zuvor vorgestellten Varianten vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens und einen Schritt des Einbringens umfasst. Im Schritt des Bereitstellens wird die Aufnahmefläche des Aufnahmeelementes bereitgestellt. Im Schritt des Einbringens wird die zumindest eine Mikrokavität in die Aufnahmefläche zum Aufnehmen des Fluids eingebracht, um die Aufnahmeeinheit herzustellen.
Alternativ oder zusätzlich kann ferner auch im Schritt des Einbringens in einem Teilschritt eine Fotolack-Schichl/ ein Photoresist aufgebracht und/oder ein Lithographie-Teilschritt vorgesehen sein sowie eine Strukturierung unter Verwendung eines reaktiven lonentiefenätzens (Bosch- Prozess) zur Einbringung der Mikrokavitäten (und/oder weiteren optisch detektierbaren Merkmale) erfolgen. Der Fotolack kann beispielsweise aufgeschleudert werden und in dem Lithographie-Schritt belichtet werden, bevor überschüssiges Material entfernt werden kann. Nach dem Einbringen der wenigstens einen Mikrokavität kann das Aufnahmeelement beispielsweise derart behandelt werden, dass beispielsweise überschüssiger Fotolack entfernt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch in einem optionalen Schritt eine Beschichtung der Aufnahmefläche und/oder der Mikrokavitäten erfolgen, um eine hydrophile Oberflächenbeschaffenheit der Aufnahmefläche und/oder Mikrokavitäten herzustellen.
In dem Verfahren kann also optional eine Oberflächenbeschaffenheit der Aufnahmefläche und/oder der Mikrokavitäten derart verändert werden, dass sie hydrophil wird, indem sie beispielsweise als eine Silizium-Nitrid-Oberfläche oder als eine Silizium-Oxid-Oberfläche und/oder als eine Silanschicht, beispielsweise als eine Polyethylenglykol-Silanschicht ausgeformt ist. Besonders günstig ist es, wenn alternativ oder zusätzlich in einem weiteren optionalen Schritt ein Einbringen von Reagenzien in die Mikrokavität(en) der Aufnahmeeinheit erfolgt. Optional kann das Verfahren einen Schritt des Teilens umfassen, in dem beispielsweise das Aufnahmeelement geteilt werden kann. Das Teilen kann insbesondere durch ein Einbringen von Sollbruchstellen in die Aufnahmefläche des Aufnahmeelements, welches in vorteilhafter Weise zusammen mit dem Einbringen der Mikrokavitäten erfolgt, und ein anschließendes mechanisches Brechen erzielt werden.
Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben einer Aufnahmeeinheit in einer der vorangehend genannten Varianten vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Befüllens und Versiegeins, einen Schritt des Durchführens und einen Schritt des Auswertens umfasst. Im Schritt des Befüllens und Versiegeins wird wenigstens eine Mikrokavität zunächst mit einer Probenflüssigkeit befüllt und anschließend mit einer Versiegelungsflüssigkeit als zweitem Fluid überschichtet, sodass in der wenigstens einen Mikrokavität eine Partition der Probenflüssigkeit als fluidisches Reaktionskompartiment vorliegt. Bei der Versiegelungsflüssigkeit handelt es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit mit einer geringen Wasserlöslichkeit, um eine unerwünschte Durchmischung mit der Probenflüssigkeit zu unterbinden und/oder einer geringen Viskosität, um eine hohe Mobilität, d. h. eine gute Abführung von beispielsweise bei einer thermischen Prozessierung der Vorrichtung sich bildenden Gasblasen zu erzielen und/oder einer geringen Wärmeleitfähigkeit, um die auftretenden parasitären Wärmeverluste bei einer Temperierung möglichst gering zu halten und/oder einer geringen Wärmekapazität, um die zu prozessierende thermische Masse - beispielsweise bei der Durchführung einer Polymerase-Kettenreaktion - möglichst klein zu halten und/oder mit enthaltenen Surfactants, um die Grenzfläche zu der Probenflüssigkeit zu stabilisieren. Bei der Versiegelungsflüssigkeit handelt es sich beispielsweise um einen fluorierten Kohlenwasserstoff.
Im Schritt des Durchführens wird zumindest eine Reaktion in der wenigstens einen Mikrokavität durchgeführt, um ein Reaktionsergebnis zu erhalten. Für die Durchführung der zumindest einen Reaktion weist das Aufnahmeelement und insbesondere das in der wenigstens einen Mikrokavität vorliegende Reaktionskompartiment insbesondere eine vorgegebene Temperatur auf, die den Ablauf der Reaktion, beispielsweise einer isothermalen Amplifikationsreaktion ermöglicht. Gegebenenfalls erfolgt im Schritt des Durchführens ein thermisches Zyklieren der Aufnahmevorrichtung, beispielsweise um in dem wenigstens einen Reaktionskompartiment eine Polymerase- Kettenreaktion durchzuführen. Insbesondere wird im Schritt des Durchführens auch ein von dem wenigstens einen Reaktionskompartiment ausgehendes Fluoreszenzsignal erfasst, welches auf das Ablaufen einer Reaktion zurückschließen lässt.
Im Schritt des Auswertens wird das Reaktionsergebnis ausgewertet. Insbesondere erfolgt der Schritt des Auswertens anhand des Fluoreszenzsignals, welches im Schritt des Durchführens erfasst wurde. In vorteilhafter Weise erfolgt ein Auswerten des Reaktionsergebnisses bereits parallel zu der Durchführung der wenigstens einen Reaktion anhand des Fluoreszenzsignalverlaufs und die Durchführung der Reaktion wird gestoppt, sobald das Reaktionsergebnis mit hinreichender Genauigkeit ermittelt werden kann.
Besonders günstig ist ein Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Verfahrens, wobei voneinander unabhängige, insbesondere unterschiedliche Nachweisreaktionen in den Mikrokavitäten durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Schritt einer Multiplex-Voramplifikation des Probenmaterials und ein darauffolgender Nachweis von Targets im Singleplex-Array- Format in einer Variante der hier vorgestellten Aufnahmeeinheit ausgeführt werden.
Varianten der hier vorgestellten Verfahren können beispielsweise in Software und/oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines der hier vorgestellten Verfahren in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einiesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einiesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch die Vorrichtung eine Steuerung eines Verfahrens zum Betreiben einer Aufnahmeeinheit. Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise auf Sensorsignale wie ein Einlesesignal, das eine eingelesene Information repräsentiert, und/oder ein Steuersignal, um die Schritte eines der Verfahren anzusteuern, zugreifen. Die Ansteuerung erfolgt über Aktoren wie eine Einleseeinheit, eine Auswerteeinheit und/oder eine Bereitstelleinheit.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Seitendarstellung einer Aufnahmeeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 2A eine schematische Seitendarstellung einer Aufnahmeeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2B eine schematische Darstellung in Aufsicht auf eine Aufnahmeeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine schematische Seitendarstellung einer Aufnahmeeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 eine schematische Darstellung unterschiedlicher Stadien von Zwischenprodukten eines möglichen Herstellungsprozesses einer
Aufnahmeeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Aufnahmeeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 6A eine perspektivische Darstellung einer Aufnahmeeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 6B eine perspektivische Darstellung einer Aufnahmeeinheit gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 eine Darstellung zur Erläuterung der Vorgehensweise zur Ermittlung von einem in einer Aufnahmeeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel erhaltenen Reaktionsergebnis einer Polymerase- Kettenreaktion;
Fig. 8 eine Darstellung eines in einer Aufnahmeeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel erhaltenen Reaktionsergebnis nach einem Verschleppungstest; Fig. 9 eine Darstellung zur Erläuterung der Vorgehensweise zur Ermittlung von einem in einer Aufnahmeeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel erhaltenen Reaktionsergebnis eines Multiplex-Tests;
Fig. 10 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Aufnahmeeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
Fig. 11 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Seitendarstellung einer Aufnahmeeinrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Aufnahmeeinrichtung 100 ist ausgebildet, um ein Fluid in eine Aufnahmeeinheit 105 einzubringen und/oder um die Aufnahmeeinheit 105 an der Aufnahmefläche 130 zumindest in Teilbereichen davon und insbesondere im Anordnungsbereich der Kavitäten und insbesondere nach einer Einbringung des Fluids in die Aufnahmeeinheit 105 mit einem weiteren Fluid, der sog. Versiegelungsflüssigkeit zu überschichten. Dazu weist die Aufnahmeeinrichtung 100 die Aufnahmeeinheit 105 zum Aufnehmen des Fluids, ein Gehäuse 110 zum Aufnehmen der Aufnahmeeinheit 105, eine Kammer 115, die ausgebildet ist, um das Fluid in die Aufnahmeeinheit 105 einzubringen, und zumindest einen Kanal 120, der ausgebildet ist, um das Fluid der Aufnahmeeinheit 105 zuzuführen und/oder von der Aufnahmeeinheit 105 abzuführen und/oder eine Entlüftung der Kammer 115 und der Mikrokavitäten 135, 150 zu ermöglichen. Optional weist die Aufnahmeeinrichtung 100 eine Pumpeinrichtung auf, die ausgebildet ist, um das Fluid und gegebenenfalls die Versiegelungsflüssigkeit durch den zumindest einen Kanal 120 zu pumpen. Die Aufnahmeeinheit 105 weist ein Aufnahmeelement 125 mit einer Aufnahmefläche 130 mit einer hydrophilen Oberflächenbeschaffenheit und zumindest eine Mikrokavität 135 auf, die in dem Aufnahmeelement 125 an der Aufnahmefläche 130 angeordnet ist und ausgeformt ist, um das Fluid aufzunehmen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Aufnahmeelement 125 beispielsweise aus einem Siliziumsubstrat ausgebildet. Die Aufnahmefläche 130 ist beispielsweise zumindest teilweise als eine Silizium-Nitrid-Schicht, Silizium- Oxid-Schicht und/oder als eine Silanschicht, beispielsweise als eine Polyethylenglykol-Silanschicht ausgebildet, wodurch beispielsweise ein Eindringen des Fluids in die Mikrokavität 135 erleichtert wird. Die Mikrokavität 135 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen senkrecht zu der Aufnahmefläche 130 ausgerichtete Seitenwände 140 auf, die beispielsweise in einem Winkel 145 zwischen 80° und 100° zu dem Aufnahmefläche 130 ausgerichtet sind. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Mikrokavität 135 nahezu zylindrisch ausgeformt. Weiterhin optional weist die Aufnahmeeinheit 105 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von weiteren Mikrokavitäten 150 auf, die in dem Aufnahmeelement 125 an der Aufnahmefläche 130 angeordnet sind und ausgeformt sind, um das Fluid aufzunehmen. Dabei sind die Mikrokavität 135 und die Mehrzahl von weiteren Mikrokavitäten 150 in einem hier nicht dargestellten Anordnungsbereich angeordnet, insbesondere einem quadratischen, kreisrunden, rechteckigen oder ovalen Bereich der Aufnahmefläche, insbesondere mit einem vorgegebenen Abstand zum Rand der Aufnahmefläche, insbesondere nach einem hexagonalen, quadratischen oder rechteckigen Schema, wobei insbesondere zwischen der Mikrokavität 135 und der Mehrzahl von weiteren Mikrokavitäten 150 die Aufnahmefläche 130 eine hydrophile Oberflächenbeschaffenheit aufweist. Weiterhin optional weist die Aufnahmeeinheit 105 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein optisch erkennbares Merkmal 155 auf, das eine relativ zu der Anordnung der zumindest einen Mikrokavität 130 definierte Position aufweist. Das bedeutet, dass das optisch erkennbare Merkmal 155 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine vorbestimmte Beschaffenheit bezüglich Größe und optischer Eigenschaften aufweist.
In anderen Worten wird ein Mikrokavitäten-Array-Chip, das bedeutet die Aufnahmeeinheit 105, für eine Aliquotierung eines Fluids, das auch als Probenflüssigkeit bezeichnet wird, d. h. die Befüllung der Mikrokavitäten 135, 150 in der Aufnahmeeinheit 105 mit der Probenflüssigkeit durch ein Benetzen der Aufnahmefläche 130 mit der Probenflüssigkeit und ein sukzessives Benetzen der Aufnahmefläche 130 mit einer Versiegelungsflüssigkeit, wobei die Probenflüssigkeit zumindest teilweise in den Mikrokavitäten 135, 150 der Aufnahmeeinheit verbleibt, die Durchführung voneinander unabhängiger Reaktionen in den Aliquots, d. h. den in den Mikrokavitäten 135, 150 nach einer Aliquotierung der Probenflüssigkeit vorliegenden Partitionen an Probenflüssigkeit, welche jeweils spezifische in den Mikrokavitäten 135, 150 vorgelagerte Reagenzien enthalten können, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Aufnahmeeinheit 105 vorgestellt. Der hier vorgestellte Ansatz betrifft demnach eine Vorrichtung zur Verteilung einer Probenflüssigkeit auf eine Vielzahl von Kompartimenten, die auch als Mikrokavitäten 135, 150 bezeichnet werden, sowie eine Durchführung einer Vielzahl voneinander unabhängiger Reaktionen in den Mikrokavitäten 135, 150. Insbesondere erfolgt eine Verteilung des Fluids und die Durchführung der Reaktionen beispielsweise automatisiert in einem mikrofluidischen System, das gemäß diesem Ausführungsbeispiel als Aufnahmeeinrichtung 100 bezeichnet ist.
Durch den hier beschriebenen Ansatz wird demnach ebenfalls eine Lösung geschaffen, welche gemäß diesem Ausführungsbeispiel mittels der Aufnahmeeinheit 105 eine einfache Einbringung und Vorlagerung von beispielsweise eingetrockneten Reagenzien in den Mikrokavitäten 135, 150 erlaubt, eine Verschleppung der vorgelagerten Reagenzien während der kontrollierten Verteilung des Fluids auf die Mikrokavitäten 135, 150 hinreichend verringert, ein nur sehr geringes Quersprechen von Reaktionen zwischen den verschiedenen Mikrokavitäten 135, 150 aufweist, eine (automatisierbare) mikrofluidische Aliquotierung des Fluids in den Mikrokavitäten 135, 150 ermöglicht, kostengünstig herstellbar ist und/oder in eine Aufnahmeeinrichtung 100 integrierbar ist, sodass eine vollautomatisierte mikrofluidische Prozessierung erreicht wird.
Die Aufnahmeeinrichtung 100 verfügt gemäß diesem Ausführungsbeispiel insbesondere über die Kammer 115 mit vorteilhafterweise vorbestimmten Abmessungen 160, welche zum Einbringen des Fluids in die Mikrokavitäten 135, 150 und/oder zum Versiegeln der Mikrokavitäten 135, 150 mit einem nicht mit dem Fluid mischbaren zweiten Fluid vorgesehen ist. Die mikrofluidische Kammer 115 verfügt gemäß diesem Ausführungsbeispiel über wenigstens einen Kanal 120, der auch als Zuleitungs- und/oder Ableitungskanal bezeichnet wird und welcher zu einem kontrollierten Zu- bzw. Abführen des Fluids bzw. der Fluide zu der Aufnahmeeinheit 105 vorgesehen ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Aufnahmeeinrichtung 100 umfasst diese ferner ein hier nicht dargestelltes Kanalsystem und/oder eine nicht dargestellte Pumpvorrichtung, um eine vollautomatisierte mikrofluidische Prozessierung der Aufnahmeeinheit 105 zu ermöglichen.
Die Aufnahmeeinheit 105 weist dabei gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Aufnahmefläche 130 auf, die auch als eine plane Oberfläche bezeichnet ist und die über eine Anordnung aus an dem aus einem Substratmaterial ausgeformten Aufnahmeelement 125 eingebrachten Mikrokavitäten 135, 150 verfügt. Dabei verfügt gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Aufnahmefläche 130, insbesondere in einer unmittelbaren Umgebung der Mikrokavitäten 135, 150 über hydrophile Benetzungseigenschaften. Die Mikrokavitäten 135, 150 zeichnen sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel insbesondere aus durch nahezu senkrechte Seitenwände 140, wobei insbesondere die Aufnahmefläche 130 an den Mikrokavitäten 135, 150, bzw. an Öffnungen dieser, einen nahezu 90°-Winkel 145 zu den Seitenwänden 140 der Mikrokavitäten 135, 150 einschließt. In den Mikrokavitäten 135, 150 befindet sich optional insbesondere wenigstens eine vorgelagerte Substanz, die auch als Reagens oder Additiv bezeichnet wird. Die Mikrokavitäten 135, 150 weisen optional eine nahezu zylindrische Form auf, was eine besonders einfache Fertigung der Aufnahmeeinheit 105 erlaubt. Die Anordnung der Mikrokavitäten 135, 150 folgt insbesondere einem quadratischen, hexagonalen oder rechteckigen Schema, um optional eine standardisierte Einbringung von Reagenzien in die Mikrokavitäten zu ermöglichen, insbesondere unter der Verwendung eines Array-Spotting-Systems, insbesondere eines piezo- basierten Feindispensierungssystems. Lediglich optional verfügt die Aufnahmefläche 130 gemäß diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich über das optisch erkennbare Merkmal 155, welches beispielsweise eine definierte Position relativ zu der Anordnung aus Mikrokavitäten (20) hat und eine geeignete Beschaffenheit bezüglich Größe und optischer Eigenschaften aufweist. Das Merkmal 155 ist dadurch insbesondere von einer optisch sensitiven Vorrichtung wie einer Kamera eines Array-Spotting-Systems detektierbar und zu einer definierten, vollautomatisierten Einbringung von Reagenzien in die Anordnung aus Mikrokavitäten 135, 150 einsetzbar. Alternativ oder zusätzlich dazu ist das Merkmal 155 zu einer relativen Positionsbestimmung der Mikrokavitäten 135,
150 einsetzbar, insbesondere in dem Fall, dass eine optische Auswertung von in den Mikrokavitäten 135, 150 durchgeführten Reaktionen erfolgt.
Der hier vorgestellte Ansatz beschreibt zusammengefasst eine Aufnahmeeinheit 105 mit einer Kombination aus einer hydrophil beschaffenen Aufnahmefläche 130, mit der das Fluid zumindest in Teilbereichen zur Befüllung der Mikrokavitäten 135, 150 in Kontakt tritt, zumindest teilweise senkrechte Seitenwände 140 der Mikrokavitäten 135, 150, die insbesondere einer Verschleppung von in den Mikrokavitäten 135, 150 vorgelagerten Reagenzien entgegenwirken, vorgelagerten Reagenzien, welche eine Durchführung von unterschiedlichen, spezifischen Nachweisreaktionen in den Mikrokavitäten 135, 150 erlauben und/oder wenigstens einem vorgelagertem Additiv, wie beispielsweise einer Substanz, welche eine Benetzung und eine vollständige Befüllung der Mikrokavitäten 135, 150 sicherstellt, sodass keine Luft in den Mikrokavitäten 135, 150 eingeschlossen wird, und/oder zu einer Verringerung der Verschleppung von den oben genannten in den Mikrokavitäten 135, 150 vorgelagerten Reagenzien führt und einer Verwendung von Kavitäten 135, 150 mit festem Boden. Das bedeutet keine Durchlöcher, sodass eine Vorlagerung von Reagenzien und/oder wenigstens eines Additivs in den Kavitäten 135, 150 erleichtert wird.
Der hier vorgestellte Ansatz stellt gemäß diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich zu einer mikrofluidischen Funktionalität bezüglich der Befüllung und/oder der Versiegelung der Reaktionskompartimente ein geringes Quersprechen von in den Kompartimenten, das bedeutet Mikrokavitäten 135, 150 durchgeführten Reaktionen sicher. Ferner beschreibt der hier vorgestellte Ansatz Benetzungseigenschaften der Aufnahmefläche 130, beispielsweise aus Silizium- Nitrid, Silizium-Oxid oder einer hydrophilen Silanschicht, insbesondere einer Polyethylenglykol-Silanschicht, der Mikrokavitäten 135 (beispielsweise mit Polyethylenglykol als eingetrocknetes Additiv und Primern und Sonden für eine molekulare DNA-Nachweisreaktion als eingetrocknetes Reagens und/oder einer Silizium-Oxid-Schicht, Silizium-Nitrid-Schicht oder einer Silanschicht als hydrophiler Oberfläche) und beispielsweise einer Flusszelle aus Polymer, beispielsweise aus Polycarbonat.
Alternativ kann beispielsweise ein in einem alternativen, hier nicht beschriebenen Verfahren hergestelltes Bauteil ebenfalls zur Bereitstellung der hier genannten Funktionalitäten eingesetzt werden, wobei in diesem Fall die Aufnahmeeinheit 105 jedoch etwas aufwendiger in der Herstellung mit beispielsweise zwei Lithographie-Schritten ist als die nach dem hier beschriebenen Ansatz hergestellte Aufnahmeeinheit 105.
Für eine Verhinderung bzw. Verringerung des fluidischen Quersprechens zwischen benachbarten Kompartimenten werden nach dem Stand der Technik insbesondere Vorrichtungen verwendet, die eine hydrophobe Oberflächenbeschaffenheit zwischen den Kompartimenten aufweisen. Dies bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass durch die hydrophobe Oberseite die Befüllung der Kompartimente in dem Substrat erschwert wird. Insbesondere werden nach dem Stand der Technik - bei einer hydrophoben Oberseite und einer geringen Größe der Kompartimente, beispielsweise bei einer lateralen Abmessung/ einem Durchmesser der Kompartimente im Sub-Millimeter-Bereich - Kavitäten mit schrägen Seitenwänden oder Durchlöcher oder Ausformungen mit einem geringen Aspekt-Verhältnis verwendet, um eine einfache Befüllung der Kompartimente mit wässrigen Phasen zu ermöglichen. Kavitäten mit schrägen Seitenwänden verfügen jedoch gemessen an ihrer Fläche über ein vergleichsweise geringes Volumen. Dies ist für eine Durchführung von hochmultiplexen Amplifikationsreaktionen - insbesondere bei optischer Auswertung der Reaktionen - nachteilig, da einerseits eine möglichst hohe Flächendichte an parallel ablaufenden Reaktionen gewünscht ist und andererseits - aufgrund des geringen Volumens der Kompartimente - nur ein vergleichsweise schwaches Fluoreszenzsignal erzeugt wird, was bei einer optischen Auswertung zu einem verminderten Signal-zu-Rausch-Verhältnis führt. Auch erschweren Kavitäten mit schrägen Seitenwänden eine Vorlagerung von Reagenzien in diesen, da das sich darin ausbildende Strömungsprofil bei der Befüllung der Kompartimente mit einer Probenflüssigkeit bevorzugt zu einer unerwünschten Verschleppung der vorgelagerten Reagenzien führt. Durchlöcher wiederum bringen den Nachteil mit sich, dass eine Einbringung und Vorlagerung von Reagenzien in den einzelnen Reaktionskompartimenten erschwert wird, da eine Abscheidung der Reagenzien nur an den Seitenwänden der Durchlöcher möglich ist.
Fig. 2A zeigt eine schematische Seitendarstellung einer Aufnahmeeinheit 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die hier dargestellte Aufnahmeeinheit 105 kann der in Fig. 1 beschriebenen Aufnahmeeinheit 105 entsprechen oder ähneln. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Aufnahmeeinheit 105 lediglich vergrößert dargestellt, sodass zumindest ein vorgelagertes Reagens 200 gemäß diesem Ausführungsbeispiel in der Mikrokavität 135 erkennbar ist. Das bedeutet, dass die Aufnahmeeinheit 105 gemäß diesem Ausführungsbeispiel zumindest ein vorgelagertes Reagens aufweist. Weiterhin ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel verdeutlicht dargestellt, dass ein Mittelpunkt der Mikrokavitäten 135, 150 einen gleichen Abstand 205 zu einer benachbarten Mikrokavität 135, 150 aufweist wie ein Mittelpunkt des optisch erkennbaren Elements 155 zu dem Mittelpunkt der jeweils benachbarten Mikrokavität 135,
150.
In anderen Worten wird die Aufnahmeeinheit 105 beschrieben, welche die Verteilung des Fluids auf die Mikrokavitäten 135, 150 und die Durchführung einer Vielzahl voneinander unabhängiger Reaktionen in den Mikrokavitäten 135, 150 ermöglicht, wobei in den Mikrokavitäten 135, 150 eingetrocknete Reagenzien 200 vorgelagert sind. Weiterhin wird ein in einer der nachfolgenden Fig. beschriebenes Verfahren zur Herstellung der Aufnahmeeinheit 105 vorgestellt. Insbesondere erlaubt die Aufnahmeeinheit 105 ein zuverlässiges Einbringen von Reagenzien 200 in die Mikrokavitäten 135, 150, verringert ein Verschleppen der in den Mikrokavitäten 135, 150 vorgelagerten Reagenzien 200 während einer Verteilung des Fluids auf die Mikrokavitäten 135, 150 hinreichend, beispielsweise auf < 10%, weist die Aufnahmeeinrichtung 105 ein nur sehr geringes (< 1 %) Quersprechen von Reaktionen zwischen den verschiedenen Mikrokavitäten 135, 150 nach einer Versiegelung der Mikrokavitäten mit einer geeigneten Versiegelungsflüssigkeit auf, ermöglicht eine automatisierbare mikrofluidische Aliquotierung des Fluids in den Mikrokavitäten 135, 150 und ist in ein mikrofluidisches System, wie der Aufnahmeeinrichtung 100 integrierbar. Die Aufnahmeeinheit 105 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel also die Mikrokavitäten 135, 150 auf, welche für die Ausbildung mikrofluidischer Kompartimente dienen. Die Mikrokavitäten 135, 150 weisen dabei nahezu senkrechte Seitenwände auf, insbesondere an einer Grenzfläche zu einer mit dem Fluid in Kontakt tretenden Seite der Aufnahmeeinheit 105, und verfügen insbesondere über vorgelagerte Reagenzien 200 sowie ein begrenztes Aspekt- Verhältnis, um beispielsweise einen unerwünschten Einschluss von Luft in den Mikrokavitäten 135, 150 bei der Befüllung der Mikrokavitäten 135, 150 mit dem Fluid zu verhindern und eine vollständige Befüllung der Mikrokavitäten 135, 150 mit dem Fluid zu ermöglichen. Die Aufnahmefläche der Aufnahmeeinheit 105, welche mit dem Fluid in Kontakt tritt und über welche die Befüllung der Mikrokavitäten 135, 150 erfolgt, weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine hydrophile Oberflächenbeschaffenheit auf, insbesondere in der unmittelbaren Umgebung der Mikrokavitäten 135, 150, um das Eindringen des Fluids in die Mikrokavitäten 135, 150 zu ermöglichen. Die Aufnahmeeinheit 105 kann in besonders vorteilhafter Weise Teil einer Aufnahmeeinrichtung sein, wie sie in Fig. 1 beschrieben wurde, um beispielsweise eine vollautomatisierte mikrofluidische Prozessierung und gegebenenfalls ein Durchführen von Reaktionen in den Mikrokavitäten 135, 150 zu ermöglichen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird dadurch eine zuverlässige Befüllung durch die hydrophile Oberflächenbeschaffenheit der an die Mikrokavitäten 135, 150 angrenzenden Aufnahmefläche der Aufnahmeeinheit 105, eine Vorlagerung von Reagenzien 200 und/oder eines Additivs in den Mikrokavitäten 135, 150 sowie ein geeignetes Aspekt-Verhältnis der Mikrokavitäten 135, 150 mit dem geeignet beschaffenen Fluid ermöglicht.
Weiterhin kann durch die (nahezu) senkrechten Seitenwände der Mikrokavitäten 135, 150 beispielsweise in Kombination mit einem geeigneten Additiv eine Verschleppung der vorgelagerten Reagenzien 200 während der Befüllung mit dem Fluid auf beispielsweise < 10% minimiert werden. Dies ist insbesondere im Vergleich zu Mikrokavitäten 135, 150 mit schrägen Seitenwänden der Fall, deren Geometrie in Verbindung mit dem sich ausbildenden Flussprofil grundsätzlich zu einer stärkeren Verschleppung von in den Mikrokavitäten 135, 150 vorgelagerten Reagenzien 200 führt. Ferner kann mit dem hier vorgestellten Ansatz durch beispielsweise eine Versiegelung der Mikrokavitäten 135, 150, beispielsweise nach Befüllung der Mikrokavitäten 135, 150 mit einem geeigneten, nicht mit dem Fluid mischbaren zweiten Fluid ein nur geringes Quersprechen, beispielsweise < 1%, zwischen benachbarten Reaktionskompartimenten während der Durchführung chemischer Reaktionen in den Mikrokavitäten 135, 150 erzielt werden. Somit können voneinander unabhängige, räumlich getrennte Reaktionen in den Mikrokavitäten 135, 150 durchgeführt werden. Durch das resultierende geometrische Multiplexing kann beispielsweise bei Vorlagerung von geeigneten Target-spezifischen Nachweisreagenzien in den Mikrokavitäten 135, 150 ein Fluid auf eine Vielzahl verschiedener Targets hin untersucht werden. Weiterhin wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel durch die Aufnahmeeinrichtung in besonders vorteilhafter Weise eine vollautomatisierte mikrofluidische Prozessierung ermöglicht. Insbesondere kann die Aufnahmeeinrichtung, die zur Prozessierung der Aufnahmeeinheit 105 eingesetzt wird, kostengünstig aus einem Polymer oder einer Kombination aus Polymer-Materialien hergestellt werden. Auf diese Weise wird die von der Aufnahmeeinheit 105 bereitgestellte Funktionalität in kompakten Lab-on-Chip-Systemen verwirklicht, welche in der molekularen Labordiagnostik eingesetzt werden können.
Fig. 2B zeigt eine schematische Darstellung der Aufsicht einer Aufnahmeeinheit 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Aufnahmeeinheit 105 verfügt über Mikrokavitäten 135, 150, welche in einem kreisförmigen Anordnungsbereich 600 nach einem hexagonalen Schema angeordnet sind. Ferner weist die äußere Begrenzung (markiert durch die gepunktet-gestrichelte Linie) des Anordnungsbereichs 600 der Mikrokavitäten 135, 150 einen vorgegebenen, minimalen Abstand zu dem Rand der Aufnahmefläche der Aufnahmeeinheit 105 auf. Dieser Randbereich kann insbesondere genutzt werden, um ein einfaches Handling der Aufnahmeeinheit 105 mit einem Bestückungsautomat (Pick-and- Place- Roboter) zu ermöglichen und so beispielsweise eine einfache Fertigbarkeit beispielsweise einer oben beschriebenen Aufnahmeeinrichtung 100 zu ermöglichen. Ferner verfügt die Aufnahmeeinheit 105 in diesem Ausführungsbeispiel über optisch erkennbare Merkmale 155, oder anders bezeichnet Referenzmarkierungen, welche beispielsweise für eine eindeutige Zuordnung und/oder symbolische Benennung der Mikrokavitäten 135, 150 verwendet werden können und/oder beispielsweise für eine Positionsbestimmung der Aufnahmeeinheit 105 in Prozessierungsvorrichtungen mit optischen Detektionssystemen eingesetzt werden können, beispielsweise zur Positionsbestimmung in einem Feindispensierungssystem zur automatisierten Einbringung von Reagenzien in die Mikrokavitäten 135, 150 und/oder beispielsweise zur Positionsbestimmung in einer Prozessierungsvorrichtung, welche mittels eines optischen Systems insbesondere zur Detektion von Fluoreszenzsignalen eigesetzt werden kann und welche beispielsweise den Fluoreszenzsignalverlauf von beispielsweise biochemischen Reaktionen in den Mikrokavitäten 135, 150 detektieren kann.
Fig. 3 zeigt eine schematische Seitendarstellung einer Aufnahmeeinheit 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die hier dargestellte Aufnahmeeinheit 105 kann der in Fig. 1 oder 2 beschriebenen Aufnahmeeinheit 105 entsprechen oder ähneln. Lediglich abweichend ist die gemäß diesem Ausführungsbeispiel derart vergrößerte Darstellung, sodass das optisch erkennbare Element nicht abgebildet ist.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung unterschiedlicher Stadien von Zwischenprodukten eines möglichen Herstellungsprozesses 400 einer Aufnahmeeinheit 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Aufnahmeeinheit 105 kann dabei der in einer der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Aufnahmeeinheit 105 entsprechen oder ähneln und ist somit auch in einer Aufnahmeeinrichtung einsetzbar, wie sie in Fig. 1 beschrieben wurde.
Als Substratmaterial dient dabei gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Aufnahmeelement 125 aus Silizium, das auch als Silizium-Wafer bezeichnet wird. Zunächst wird auf der Aufnahmefläche 130 die hydrophile Oberflächenbeschaffenheit auf dem Substratmaterial hergestellt. Dabei handelt es sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel insbesondere um eine Siliziumnitrid- Oberfläche, welche beispielsweise mittels einem Verfahren zur Abscheidung von Siliziumoxid, Siliziumnitrid und poly-Silizium, sowie von Metallen, das auch als Niederdruck-Chemische Gasphasenabscheidung (LPCVD , eng.: low pressure Chemical vapour deposition) bezeichnet wird, auf dem Siliziumsubstrat erzeugbar ist. Insbesondere eignet sich hierbei gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Schichtsystem aus beispielsweise 50 nm S1O2 und 140 nm S13N4 um eine verspannungsarme Si3/V4-Schicht mit guter Anbindung an das Silizium-Substrat herzustellen. Siliziumnitrid eignet sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel als Oberflächenbeschichtung, da es insbesondere hydrophile Benetzungseigenschaften aufweist. Beispielsweise wird nach einer Vorbehandlung mit Hexamethyldisilazan (HMDS) ein Fotolack 405 aufgetragen, der auch als Photoresist bezeichnet wird und welcher als Maske für ein Ätzen der Mikrokavitäten in das Silizium-Substrat dient. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird nach einer Belichtung 410 des Fotolacks 405 für eine Definition der zu ätzenden Strukturen, der Lack entwickelt. Anschließend wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise mittels CF4 -Trockenätzen 415 das S13N4 und S1O2 an den freiliegenden Bereichen 420 entfernt. Beispielsweise mittels reaktivem lonentiefenätzen 425 werden die Mikrokavitäten 135, 150 in das Silizium-Substrat eingebracht. Vorteilhafterweise ist das reaktive lonentiefenätzen 425 für eine Herstellung von Mikrostrukturen mit nahezu senkrechten Seitenwänden prozesstechnisch optimiert. Durch eine Behandlung in beispielsweise einem Sauerstoff- Plasma 430 wird der übrige Fotolack 405 entfernt. Eine Einbringung eines oder mehrerer Reagenzien 200 in die Mikrokavitäten 135 erfolgt gemäß diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise mittels eines Piezo-basierten Feindispensierungssystems oder eines Array- Spotting-Systems. In besonders vorteilhafter Weise kann ein solcher Herstellungsprozess 400 auf Wafer-Level erfolgen, wodurch eine besonders kostengünstige und parallelisierte Herstellung der Aufnahmeeinheit 105 ermöglicht wird. Ein Vereinzeln der parallelisiert hergestellten Aufnahmeeinheiten 105 kann beispielsweise mittels Sägen, Brechen oder einer anderen, beispielsweise laserbasierten Vereinzelungsmethode, wie beispielsweise dem so genannten Mahoh-Dicing, insbesondere nach dem Einbringen der Reagenzien 200 in die Mikrokavitäten 135 erfolgen.
Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Herstellen einer Aufnahmeeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das hier dargestellte Verfahren 500 kann gemäß dem in Fig. 4 beschriebenen Herstellungsprozess 400 acht Teilschritte 502 umfassen und eine Aufnahmeeinheit hersteilen, wie sie in einer der Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde. Das Verfahren 500 umfasst gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Schritt 505 des Bereitstellens der Aufnahmefläche und einen Schritt 510 des Einbringens der wenigstens einen Mikrokavität in die Aufnahmefläche zum Aufnehmen des Fluids, um die Aufnahmeeinheit herzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Schritte 505, 510 und/oder Teilschritte 502 des Verfahrens 500 in einer vorteilhaften Ausführung ausgelassen werden und/oder in geänderter Reihenfolge durchgeführt werden.
Fig. 6A zeigt eine perspektivische Darstellung eines Halbzeugs bei der Herstellung von Aufnahmeeinheiten 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die hier dargestellte Aufnahmeeinheit 105 kann der in einer der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Aufnahmeeinheit 105 entsprechen oder ähneln. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Mehrzahl von weiteren Mikrokavitäten 150 ausgeformt, um das Fluid aufzunehmen. Dabei sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Mikrokavität 135 und die Mehrzahl von weiteren Mikrokavitäten 150 in einem nahezu quadratischen Anordnungsbereich 600 angeordnet, in der Art, dass sie einem quadratischen Schema folgen. Die Aufnahmefläche 130 weist dabei insbesondere zwischen der Mikrokavität 135 und der Mehrzahl von weiteren Mikrokavitäten 150 eine hydrophile Oberflächenbeschaffenheit auf.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird weiterhin deutlich, dass die Aufnahmeeinheit 105 neben der Mikrokavität 135 und der Mehrzahl von weiteren Mikrokavitäten 150 eine weitere Mehrzahl 605 von Mikrokavitäten aufweist, die ausgeformt sind, um das Fluid aufzunehmen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die weitere Mehrzahl 605 von Mikrokavitäten derart in einem weiteren Anordnungsbereich 610 angeordnet, dass sie eine quadratische, rechteckige oder hexagonale Form bilden, insbesondere wobei zwischen dem Anordnungsbereich 600 und dem weiteren Anordnungsbereich 610 ein Abstandsbereich 615 angeordnet ist, in dem keine Mikrokavitäten 135, 150, 605 vorgesehen sind. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der Abstandsbereich 615 eine Breite auf, die beispielsweise zumindest dem Doppelten des minimalen Abstandes benachbarter Mikrokavitäten des Anordnungsbereichs 600 oder dem weiteren Anordnungsbereich 610 entspricht. In anderen Worten ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Darstellung eines prozessierten Silizium-Wafers mit Mikrokavitäten 135, 150, 605 wiedergegeben, beispielsweise nach einer Durchführung des in Fig. 5 beschriebenen Verfahrens zum Herstellen einer Aufnahmeeinheit 105.
Fig. 6B zeigt eine perspektivische Darstellung eines Silizium-Substrats mit eingebrachten Sollbruchstellen zur Bildung mehrerer Aufnahmeeinheiten vor einem Vereinzeln des Substrats. Die Aufnahmeeinheiten weisen jeweils eine Mikrokavität und eine Mehrzahl von weiteren Mikrokavitäten auf, die in einem (nahezu) kreisförmigen Anordnungsbereich nach einem hexagonalen Schema angeordnet sind. Ferner verfügen die Aufnahmeeinheiten jeweils über optisch erkennbare Merkmale beispielsweise zur Einbringung von Reagenzien in die Mikrokavitäten mittels eines Feindispensierungssystems und/oder zur Positionsbestimmung der Aufnahmeeinheit in einem Detektionsgerät und/oder zur eindeutigen Benennung der Mikrokavitäten.
Fig. 7 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Vorgehensweise zur Ermittlung von einem in einer Aufnahmeeinheit 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel erhaltenen Reaktionsergebnis 700 einer Polymerase-Kettenreaktion. Ein solches Reaktionsergebnis 700 kann in einer Aufnahmeeinheit 105 erhalten werden, wie sie in einer der zuvor vorgestellten Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde.
In anderen Worten wurde beispielsweise als Probenflüssigkeit, die auch als Fluid bezeichnet ist, ein so genannter PCR-Mastermix eingesetzt, welcher ein Target- Gen mit einer Konzentration von 10 initialen Kopien pro Mikrokavität (25 nl) enthielt. Der PCR-Mastermix enthielt zusätzlich eine Target-spezifische TaqMan- Fluoreszenzsonde (Cy3), die eine Amplifikation des Target-Gens anzeigt.
In Fig. 7a ist in schematischer Weise eine fluoreszenzmikroskopische Aufnahme des auf die Mikrokavitäten der Aufnahmeeinheit 105, die auch als Vorrichtung bezeichnet werden kann, verteilten Fluids illustriert, die während eines Temperatur-Cyclings zur Durchführung der Polymerase- Kettenreaktionen gemacht wurde. Die Mikrokavitäten mit Fluid, in denen bereits eine signifikante Menge des PCR-Produkts generiert worden ist, erscheinen, beispielsweise durch die Spaltung der Fluoreszenzsonde, hell. Die Mikrokavitäten ohne signifikante Menge des PCR-Produkt erscheinen gemäß diesem Ausführungsbeispiel dunkel.
Fig. 7b zeigt einen zu der Mikrokavität „F3“ gehörigen Signalverlauf, welcher einen sigmoidalen Anstieg aufweist, der auf das Ablaufen einer Polymerase- Kettenreaktion in dieser Mikrokavität zurückzuführen ist.
Fig. 7c zeigt normierte sigmoidal gefittete Amplifikationskurven der einzelnen Mikrokavitäten in einem Graphen zusammengefasst. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel zeigen 89 der 96 Mikrokavitäten einen Anstieg des Fluoreszenzsignals bei einem mittleren ci-Wert, das bedeutet PCR-Zyklus am Wendepunkt des sigmoidalen Signalanstiegs, von 31.53 bei einer Standardabweichung von 0.81 Temperatur- Zyklen. 4 Mikrokavitäten zeigen gemäß diesem Ausführungsbeispiel keinen signifikanten Anstieg des Fluoreszenzsignals während 50 Temperatur- Zyklen. Die übrigen 3 Mikrokavitäten weisen einen Anstieg des Fluoreszenzsignals bei ci-Werten >45 Temperatur- Zyklen auf. Fig. 7d verdeutlicht dies anhand eines Histogramms der ci-Werte.
Fig. 7e verdeutlicht dies anhand einer Karte mit einer räumlichen Verteilung der ci-Werte in einer geeigneten Falschfarbendarstellung. Anhand der Fig. 7c, d, e wird deutlich, dass in einem Großteil der Mikrokavitäten (92.71%) eine Amplifikation in einem ci-Wertebereich zwischen 30 und 34 Temperatur- Zyklen erfolgt. Die Schwankung der gemessenen ci-Werte kann teilweise auf die statistische Schwankung der initial in den Mikrokavitäten vorliegenden Kopienzahl zurückgeführt werden. Auf Grundlage einer Binomialverteilung kann bei einer mittleren initialen Kopienzahl von 10 Kopien pro Mikrokavität eine Schwankung zwischen etwa 2 und 16 initialen Kopien pro Mikrokavität, entsprechend etwa den oben genannten 4 PCR-Zyklen angenommen werden.
Die Anzahl der negativen Kavitäten kann hingegen nicht alleine auf die statistische Schwankung der Kopienzahl in den Kavitäten auf Grundlage der Binomialverteilung zurückgeführt werden. Hier spielt die
Amplifikationscharakteristik der Nachweisreaktion, insbesondere die Sensitivität, das Limit-of-Detection, eine entscheidende Rolle. Die Mikrokavitäten mit negativem Signalverlauf sind darauf zurückzuführen, dass bei einer geringen in einer Mikrokavität initial vorliegenden Kopienanzahl nicht immer eine Amplifikation erfolgt. Die Sensitivität der gewählten Nachweisreaktion ist hierfür zu gering. In zusätzlichen Messungen wurde eine statistische Nachweisgrenze der hier verwendeten Reaktion bei einem so genannten Limit-of-Detection von etwa 2.5 initialen Kopien pro Mikrokavität ermittelt. Die Mikrokavitäten mit negativem Signalverlauf zeigen zudem gemäß diesem Ausführungsbeispiel an, dass sich in diesen auch nach Fortschreiten der Amplifikationsreaktion in den benachbarten Mikrokavitäten keine signifikante, mittels einer PCR generierte Kopienzahl befindet. Folglich können diese Mikrokavitäten als Indikator für ein Quersprechen zwischen benachbarten Reaktionskompartimenten herangezogen werden. Insbesondere die 3 Mikrokavitäten, in denen eine verzögerte PCR abläuft, sind hierfür potenziell relevant. Die Verzögerung des sigmoidalen Anstiegs um mehr als 10 PCR-Zyklen kann nämlich gemäß diesem Ausführungsbeispiel nicht auf die initiale statistische Schwankung der Kopienzahlen zurückgeführt werden. Vielmehr handelt es sich hierbei um möglicherweise verzögert-positive oder falsch-positive Amplifikationsreaktionen, die möglicherweise durch das Quersprechen von Amplifikationsreaktionen in benachbarten Mikrokavitäten initiiert worden sind. Auf Grundlage der Tatsache, dass das Array Mikrokavitäten mit negativem Signalverlauf aufweist, sowie der Tatsache, dass der Anstieg der falsch-positiven Reaktionen erst mit einer Verzögerung von 10 PCR-Zyklen erfolgt, kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel gefolgert werden, dass das Quersprechen zwischen Reaktionen, die in benachbarten Mikrokavitäten durchgeführt werden, <
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~
0.1% pro Amplifikationszyklus ist. Das Experiment zeigt also beispielhaft in Übereinstimmung mit weiteren vergleichbaren Tests, dass die Aufnahmeeinheit 105 für eine Durchführung von (geometrisch-) multiplexen Amplifikationsreaktionen ohne ein signifikantes Quersprechen zwischen benachbarten Reaktionskompartimenten, die auch als Mikrokavitäten bezeichnet werden, geeignet ist.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung eines in einer Aufnahmeeinheit 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel erhaltenen Reaktionsergebnis 800 nach einem Verschleppungstest. Ein solches Reaktionsergebnis 800 kann in einer Aufnahmeeinheit 105 erhalten werden, wie sie in einer der zuvor vorgestellten Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird eine Verschleppung von in den Mikrokavitäten vorgelagerten Reagenzien untersucht, die während einer so genannten mikrofluidischen Prozessierung der Aufnahmeeinheit 105, das bedeutet bei einer kontrollierten Befüllung der Mikrokavitäten mit einem Fluid und einer anschließenden kontrollierten Versiegelung der Mikrokavitäten mit einem zweiten Fluid, möglicherweise auftritt. Dazu wurden gemäß diesem Ausführungsbeispiel in (nahezu) jede zweite Mikrokavität in Form eines schachbrettartigen Musters Kopien eines Targets-Gens, beispielsweise ein ABL- Gen, mittels eines Feindispensierungssystems/ Array-Spotting-Systems eingebracht und beispielsweise in getrockneter Form zusammen mit Polyethylenglykol (PEG) als Additiv vorgelagert (siehe Fig. 8a).
Fig. 8b zeigt eine schematische Illustration einer fluoreszenzmikroskopischen Aufnahme, welche während eines Temperatur-Cyclings gemacht wurde. Die Aufnahme erfolgte, nachdem in einigen Mikrokavitäten bereits ein signifikanter Anstieg des Fluoreszenzsignals zu erkennen war, der die Generierung eines PCR-Produkts anzeigt. In den Mikrokavitäten, in denen etwa 100 Kopien Template-DNA des Target-Gens vorgelagert wurden (gemusterte Füllung in Fig. 8a), ist ein stärkeres Fluoreszenzsignal zu beobachten als in den Mikrokavitäten ohne vorgelagerte Template-DNA (keine Füllung in Fig. 8a). Dies weist folglich auf eine selektive Amplifikation und damit eine nur geringe Verschleppung von vorgelagerten Reagenzien während der mikrofluidischen Prozessierung hin.
In Fig. 8c ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich eine räumliche Verteilung der ci-Werte gezeigt. In den Mikrokavitäten, in denen jeweils 100 Kopien an Template-DNA vorgelagert wurden, ist eine zuverlässige Amplifikation bei ci-Werten zwischen 26.8 und 28.8 Temperatur-Zyklen zu beobachten. In den übrigen Mikrokavitäten kann hingegen zumeist keine Amplifikation innerhalb von 50 Temperatur- Zyklen beobachtet werden. Lediglich in 8 Mikrokavitäten erfolgt eine verzögerte Amplifikation mit einer Verzögerung von mehr als 4 Temperatur- Zyklen. Folglich kann die Verschleppung von in den Mikrokavitäten der Aufnahmeeinheit 105 vorgelagerten Reagenzien, welche während der mikrofluidischen Prozessierung der Aufnahmeeinheit 105 auftritt, auf höchstens etwa = 6.25% quantifiziert werden. Somit eignet sich die Aufnahmeeinheit
105 ebenfalls für die Durchführung von multiplexen Amplifikationsreaktionen, bei denen Target-spezifische Reagenzien, wie beispielsweise Primer und Sonden, in den Mikrokavitäten vorgelagert sind.
Fig. 9 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Vorgehensweise zur Ermittlung von einem in einer Aufnahmeeinheit 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel erhaltenen Reaktionsergebnis 900 eines Multiplex-Tests. Ein solches Reaktionsergebnis 900 kann in einer Aufnahmeeinheit 105 erhalten werden, wie sie in einer der zuvor vorgestellten Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Reaktionsergebnis 900 dargestellt, das aus einem Multiplex-Test mit vorgelagerten Primern und Sonden hervorgegangen ist. Hierzu wurden gemäß diesem Ausführungsbeispiel in jeweils 12 Mikrokavitäten der Aufnahmeeinheit 105 Target-spezifische Primer und Sonden vorgelagert, beispielsweise in getrockneter Form zusammen mit Polyethylenglykol als Additiv, welche die beiden Target-Gene „ABL“ und „el3a2“ adressieren. Die Sonden verfügten über Fluorophore entsprechend „Cy3“ und „Cy5“, wie in Fig. 9a skizziert. Als Probenflüssigkeit wurde ein PCR-Mastermix mit einer Konzentration von 100 Kopien ABL-Template-DNA pro Mikrokavität, beispielsweise 25 nl, eingegeben und es erfolgte eine Prozessierung.
Die Fig. 9b, c illustrieren in schematischer Weise zwei Fluoreszenzaufnahmen, die vor und nach einem Thermocycling gemacht wurden. Die gezeigten Darstellungen sind jeweils aus zwei einzelnen fluoreszenzmikroskopischen Aufnahmen zusammengesetzt, die mit den in der horizontalen Musterung dargestellten dem Fluorophor Cy3 und den in der vertikalen Musterung dargestellten dem Fluorophor Cy5 entsprechenden Filtersätzen gemacht wurden. In den Aufnahmen ist keine signifikante Verschleppung von in den Mikrokavitäten vorgelagerten Reagenzien oder ein Quersprechen von Reaktionen, die in benachbarten Mikrokavitäten ablaufen, erkennbar. Lediglich die Mikrokavitäten mit vorgelagerten Primern und Sonden weisen ein deutliches Fluoreszenzsignal auf. Die Aufnahmen bestätigen demnach gemäß diesem Ausführungsbeispiel die vorherigen in Fig. 8 beschriebenen Experimente bezüglich der geringen Verschleppung während der mikrofluidischen Prozessierung und dem vernachlässigbaren Quersprechen zwischen benachbarten Mikrokavitäten der hier vorgestellten Vorrichtung. In Fig. 9d ist der sigmoidale Signalverlauf der Mikrokavität „G4“ gezeigt, der einen positiven Nachweis der ABL-Template-DNA in der Probenflüssigkeit mittels Polymerase- Kettenreaktion anzeigt.
Fig. 9e zeigt eine Karte einer räumlichen Verteilung der ci-Werte. In genau den 12 Mikrokavitäten mit vorgelagerten Primern und Sonden für das ABL-Target- Gen kann eine Amplifikation mit ci-Werten im Bereich zwischen 27.3 und 29.6 beobachtet werden.
Fig. 9f zeigt einen zugehörigen Graphen mit den normierten Amplifikationskurven der zwölf Mikrokavitäten. Zusammenfassend unterstreicht die Messung die hervorragende Eignung der Aufnahmeeinheit 105 für eine Durchführung von geometrisch hochmultiplexen Probenanalysen mittels molekulardiagnostischer Amplifikationsmethoden.
Fig. 10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1000 zum Betreiben einer Aufnahmeeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1000 kann beispielsweise für eine Aufnahmeeinrichtung eingesetzt werden, wie sie in Fig. 1 beschrieben wurde. Das Verfahren 1000 umfasst dabei einen Schritt 1005 des Befüllens und Versiegeins der wenigstens einen Mikrokavität mit einem Fluid bzw. einem zweiten (Versiegelungs-) Fluid, das beispielsweise nicht oder nur sehr wenig mit dem Fluid mischbar ist, einen Schritt 1010 des Durchführens von zumindest einer möglichen Reaktion in der wenigstens einen Mikrokavität, um ein Reaktionsergebnis zu erhalten, und einen Schritt 1015 des Auswertens des Reaktionsergebnisses.
In anderen Worten erfolgt eine Befüllung der Mikrokavitäten der Aufnahmeeinheit mit dem Fluid. Anschließend erfolgt eine Versiegelung der mit dem Fluid zuvor bereits befüllten Mikrokavitäten mit einem zweiten (Versiegelungs-) Fluid, das nicht oder nur sehr geringfügig mit dem Fluid mischbar ist. Insbesondere handelt es sich bei dem zweiten Fluid, das auch als Versiegelungsflüssigkeit bezeichnet wird, um einen fluorierten Kohlenwasserstoff. Weiterhin erfolgt gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Durchführung voneinander unabhängiger Reaktionen, insbesondere von Amplifikationsreaktionen, wie beispielsweise Polymerase- Kettenreaktionen oder isothermalen Amplifikationsreaktionen, beispielsweise zum Nachweis von wenigstens eines Target-Gens in den Mikrokavitäten der Aufnahmeeinheit. Gegebenenfalls werden dazu geeignete Reaktionsbedingungen durch äußere Einwirkung, beispielsweise ein Wärmeeintrag oder eine Wärmeabfuhr, hergestellt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgen die Schritte 1005, 1010, 1015 automatisiert in einer Prozessierungseinheit, die zur Prozessierung der Aufnahmeeinrichtung vorgesehen ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können Schritte des Verfahrens 1000 in einer vorteilhaften Ausführung ausgelassen werden und/oder in geänderter Reihenfolge durchgeführt werden.
Fig. 11 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 1100 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um eines der in den Fig. 5 oder 10 beschriebenen Verfahren durchzuführen oder anzusteuern. Die Vorrichtung 1100 ist ausgebildet, um ein Eingangssignal 1105 beispielsweise mittels einer Einleseeinheit 1110 einzulesen und ein Steuersignal 1115 mittels einer Bereitstelleinheit 1120 bereitzustellen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung optional eine Auswerteeinheit 1125 auf, die ausgebildet ist, um eine von dem Einlesesignal 1105 repräsentierte Information auszuwerten.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Nachfolgend sind beispielhafte Spezifikationen genannt:
Dicke des Aufnahmeelements (125):
100 pm bis 3000 pm, bevorzugt 300 pm bis 1000 pm
Laterale Abmessungen des Aufnahmeelements (125) bzw. der Aufnahmefläche (130): 3 mm x 3 mm bis 30 mm x 30 mm, bevorzugt 5 mm x 5 mm bis 15 mm x 15 mm
Anzahl der Mikrokavität (135) und der weiteren Mikrokavitäten (150):
2 bis 2.000, bevorzugt 50 bis 500
Volumen der Mikrokavität (135):
1 nl bis 100 nl, bevorzugt 5 nl bis 40 nl
Durchmesser der Mikrokavität (135):
100 pm bis 500 pm, bevorzugt 250 pm bis 400 pm
Tiefe der Mikrokavität (135):
100 pm bis 500 pm, bevorzugt 200 pm bis 300 pm
Aspektverhältnis (Verhältnis aus Tiefe und Durchmesser) der Mikrokavität (135): 0,3 bis 1,0 bevorzugt 0,6 bis 0,7
Abstand der Ränder der Mikrokavität (135) und wenigstens einer weiteren an die Mikrokavität (135) angrenzenden Mikrokavität (150):
70 pm bis 300 pm, bevorzugt 100 pm bis 200 pm
Kontaktwinkel von Wasser auf der Aufnahmefläche (130):
<10° bis 75° bevorzugt <10° bis 40°
In den Mikrokavitäten (135, 150) vorgelagerte Reagenzien:
Target-spezifische Primer und Sonden, Template-DNA;
Additiv: Polyethylenglykol (PEG) mit Molekulargewicht von beispielsweise 6000 oder 2000 und einer Konzentration in der Lösung von 2-5% (w/v)
Fluid (Probenflüssigkeit):
Mastermix für eine Amplifikationsreaktion wie eine PCR oder eine isothermale Amplifikationsmethode oder Bestandteile davon, insbesondere Master-Mix ohne Primer und/oder Sonden, welche in den Mikrokavitäten (135, 150) vorliegen
Zweites Fluid (Versiegelungsflüssigkeit): Fluorierter Kohlenwasserstoff, wie 3M Fluorinert FC-40, Fluorinert FC-70, oder Novec 7500
Flussrate zur Befüllung und Versiegelung der Mikrokavitäten (135, 150) der Aufnahmeeinheit (105) in einer Aufnahmeeinrichtung (100) für Mikrokavitäten
(135, 150) mit Durchmesser von 350 mhi und Tiefe von 240 mhi, wobei die Kammer (115) geeignete Abmessungen wie 7mm x 7mm x 1mm (Volumen ~50mI) aufweist:
5 - 10 mI/s

Claims

Ansprüche
1. Aufnahmeeinheit (105) zum Aufnehmen eines Fluids, wobei die Aufnahmeeinheit (105) die folgenden Merkmale aufweist: ein Aufnahmeelement (125) mit einer Aufnahmefläche (130) und zumindest einer Mikrokavität (135), die in dem Aufnahmeelement (125) an der Aufnahmefläche (130) angeordnet ist und ausgeformt ist, um das Fluid aufzunehmen, wobei die Aufnahmefläche (130) in zumindest einem an die zumindest eine Mikrokavität (135) angrenzenden Teilbereich eine hydrophile Oberflächenbeschaffenheit aufweist.
2. Aufnahmeeinheit (105) gemäß Anspruch 1, wobei die Mikrokavität (135) eine im Wesentlichen senkrecht zu der Aufnahmefläche (130) ausgerichtete Seitenwand (140) aufweist.
3. Aufnahmeeinheit (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Aufnahmefläche (130) zumindest teilweise als eine Silizium- Nitrid-Schicht oder Silizium-Oxid-Schicht oder eine Silanschicht ausgebildet ist.
4. Aufnahmeeinheit (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Aufnahmeelement (125) aus einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist.
5. Aufnahmeeinheit (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Mehrzahl von weiteren Mikrokavitäten (150), die in dem Aufnahmeelement (125) an der Aufnahmefläche (130) angeordnet sind und ausgeformt sind, um das Fluid aufzunehmen, wobei die Mikrokavität (135) und die Mehrzahl von weiteren Mikrokavitäten (150) in einem Anordnungsbereich (600) in einer quadratischen, rechteckigen, runden, ovalen, kreisförmigen oder hexagonalen Form ausgerichtet sind, insbesondere wobei zwischen der Mikrokavität (135) und der Mehrzahl von weiteren Mikrokavitäten (150) die Aufnahmefläche (130) eine hydrophile Oberflächenbeschaffenheit aufweist.
6. Aufnahmeeinheit (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Mikrokavität (135) zumindest ein vorgelagertes Reagens (200) und/oder Additiv enthält.
7. Aufnahmeeinheit (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Aufnahmefläche (130) ein optisch erkennbares Merkmal (155) aufweist, das eine relativ zu der Anordnung der zumindest einen Mikrokavität (135) vordefinierte Position aufweist, insbesondere wobei das optisch erkennbare Merkmal (155) eine vorbestimmte Beschaffenheit bezüglich seiner Größe, Form und/oder optischen Eigenschaften aufweist.
8. Aufnahmeeinrichtung (100), wobei die Aufnahmeeinrichtung (100) die folgenden Merkmale aufweist: eine Aufnahmeeinheit (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche; ein Gehäuse (110) zum Aufnehmen der Aufnahmeeinheit (105); eine Kammer (115), die ausgebildet ist, um ein Fluid in die Aufnahmeeinheit (105) einzubringen; und zumindest einen Kanal (120), der ausgebildet ist, um das Fluid der Aufnahmeeinheit (105) zuzuführen und/oder von der Aufnahmeeinheit (105) abzuführen.
9. Verfahren (500) zum Herstellen einer Aufnahmeeinheit (105) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Verfahren (500) die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen (505) der Aufnahmefläche (130) des Aufnahmeelements (125); und
Einbringen (510) der Mikrokavität (135) in die Aufnahmefläche (130) zum Aufnehmen des Fluids, um die Aufnahmeeinheit (105) herzustellen.
10. Verfahren (500) zum Herstellen einer Aufnahmeeinheit (105) gemäß Anspruch 9, wobei im Schritt des Einbringens (510) ein reaktives lonentiefenätzverfahren eingesetzt wird.
11. Verfahren (1000) zum Betreiben einer Aufnahmeeinheit (105) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren (1000) die folgenden Schritte umfasst:
Befüllen (1005) der zumindest einen Mikrokavität (135) mit dem Fluid und Versiegeln der befüllten Mikrokavität (135) mit einem zweiten Fluid;
Durchführen (1010), um zumindest eine Reaktion in der Mikrokavität (135) zu ermöglichen und um ein Reaktionsergebnis (700; 800; 900) zu erhalten; und
Auswerten (1015) des Reaktionsergebnisses (700; 800; 900).
12. Vorrichtung (1100), die eingerichtet ist, um die Schritte (505, 510; 1005, 1010, 1015) eines der Verfahren (500; 1000) gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12 in entsprechenden Einheiten (1110, 1125, 1120) auszuführen und/oder anzusteuern.
13. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, die Schritte eines der Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10 bis 11 auszuführen und/oder anzusteuern.
14. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.
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