DE102018218046A1 - Filtervorrichtung für ein Optikmodul für ein Chiplabor-Analysegerät, Optikmodul für ein Chiplabor-Analysegerät und Verfahren zum Betreiben eines Optikmoduls für ein Chiplabor-Analysegerät - Google Patents

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Tino Frank
Genrich Siris
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung (130) für ein Optikmodul für ein Chiplabor-Analysegerät. Das Optikmodul weist einen Lichtpfad auf. Die Filtervorrichtung (130) umfasst ein Trägerelement (205), einen Filterträger (210) und eine Antriebseinrichtung (215). Das Trägerelement (205) ist in dem Optikmodul (100) anordenbar. Der Filterträger (210) ist beweglich an dem Trägerelement (205) angeordnet. Zudem weist der Filterträger (210) einen ersten Filterbereich (220) und einen zweiten Filterbereich (225) auf. Die Antriebseinrichtung (215) ist dazu ausgebildet, den Filterträger (210) zwischen einer ersten Stellung, in der der erste Filterbereich (220) in dem Lichtpfad angeordnet ist, und einer zweiten Stellung, in der der zweite Filterbereich (225) in dem Lichtpfad angeordnet ist, zu bewegen.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.
  • In-vitro Diagnostik (IVD) ist ein Feld von Medizinprodukten, die aus humanen Proben spezifische Größen wie eine Konzentration eines Moleküls, ein Vorhandensein einer bestimmten DNA Sequenz oder eine Zusammensetzung von Blut messen, um eine Diagnose und Behandlungsentscheidung zuzulassen. Dies kann in einer Verkettung von mehreren Laborschritten erfolgen, wobei die Probe so aufbereitet werden kann, dass die Zielgröße störungsfrei messbar ist. Dabei können verschiedene Labormethoden mit einem jeweils für die Methode geeigneten Gerät angewandt werden. In Analysegeräten zur patientennahen Labordiagnostik, sogenannten point-of-care Geräten, können solche in-vitro Diagnostik Tests in einem Gerät abgebildet werden, um die Anzahl manueller Schritte vom Benutzer zu reduzieren. Dabei kann die Probe bzw. das Sample in eine Einwegkartusche eingegeben werden. Nach einer Eingabe der Kartusche in das Analysegerät kann der Diagnosetest vollautomatisch abgearbeitet werden. Zum Durchführen von fluoreszenzbasierten Detektionsverfahren kann das Analysegerät optische oder opto-mechanische Elemente aufweisen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Filtervorrichtung für ein Optikmodul für ein Chiplabor-Analysegerät, ein Optikmodul für ein Chiplabor-Analysegerät und ein Verfahren zum Betreiben eines Optikmoduls für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
  • Vorteilhafterweise kann die Filtervorrichtung als eine opto-mechanische Vorrichtung für ein Chiplabor-Analysegerät verwendet werden. Ein elektrisch angetriebener Filterträger der Filtervorrichtung ermöglicht einen schnellen Filterwechsel, was in Bezug auf diagnostische Verfahren vorteilhaft ist. Der Aufbau der Filtervorrichtung ermöglicht eine Implementierung verschiedener optischer Detektionsverfahren, was vorteilhaft für vielseitige Einsatzmöglichkeiten des Chiplabor-Analysegeräts ist. Vorteilhafterweise ermöglicht die Filtervorrichtung zudem eine besonders kompakte Bauweise.
  • Es wird eine Filtervorrichtung für ein Optikmodul für ein Chiplabor-Analysegerät vorgestellt. Das Optikmodul weist einen Lichtpfad auf. Die Filtervorrichtung umfasst ein Trägerelement, einen Filterträger und eine Antriebseinrichtung. Das Trägerelement ist in dem Optikmodul anordenbar. Der Filterträger ist beweglich an dem Trägerelement angeordnet. Zudem weist der Filterträger einen ersten Filterbereich und einen zweiten Filterbereich auf. Die Antriebseinrichtung ist dazu ausgebildet, den Filterträger zwischen einer ersten Stellung, in der der erste Filterbereich in dem Lichtpfad angeordnet ist, und einer zweiten Stellung, in der der zweite Filterbereich in dem Lichtpfad angeordnet ist, zu bewegen.
  • Bei dem Chiplabor-Analysegerät kann es sich um ein Gerät zum Durchführen eines diagnostischen Verfahrens handeln, bei dem eine Chiplabor-Kartusche analysiert wird, die auch als Chiplabors oder mikrofluidisches System, bezeichnet werden kann. Das Optikmodul kann zur optischen Diagnostik verwendet werden, beispielsweise um eine Vervielfältigung von DNA mittels einer Fluoreszenzmessung nach jedem Polymerase-Kettenreaktions-Zyklus zu beobachten, oder für ein anderes fluorenzbasiertes Detektionsverfahren wie die Schmelzkurvenanalyse. Bei dem Lichtpfad des Optikmoduls kann es sich um einen Anregungslichtpfad oder eine Detektionslichtpfad handeln. Der Anregungslichtpfad kann von einer Lichtquelle zu der Chiplabor-Kartusche führen. Der Detektionslichtpfad kann von der Chiplabor-Kartusche zu einem Bildsensor führen. Die Filtervorrichtung kann verwendet werden, um das den Lichtpfad folgende Licht zu filtern. Vorteilhafterweise können zeitlich nacheinander unterschiedliche Filterbereiche der Filtervorrichtung in den Lichtpfad positioniert werden. Dadurch können zeitlich nacheinander unterschiedliche Wellenlängen des Lichts ausgefiltert oder durchgelassen werden. An dem ersten und zweiten Filterbereich des Filterträgers sind zwei unterschiedliche Filter, beispielsweise ein Farbfilter und ein Schwarzfilter, anordenbar. Auch kann an einer der Filterbereiche kein Filter angerordnet sein, so dass eine Leerposition realisiert wird. Bei einem Farbfilter kann zumindest ein Wellenlängenbereich des Lichts an dem entsprechenden Filterbereich herausgefiltert werden. Bei einem Schwarzfilter kann das Licht an dem entsprechenden Filterbereich vollständig absorbiert werden. Bei einer Leerposition kann das Licht den entsprechenden Filterbereich ungefiltert passieren. Die Antriebseinrichtung kann beispielsweise elektrisch sein und dazu ausgebildet sein, Positionen der Filterbereiche zu verändern. Dazu kann die Antriebseinrichtung den Filterträger zum Einnehmen der ersten und der zweiten Stellung beispielsweise linear verschieben oder drehen, um einen oder mehrere der Filterbereiche in einem Lichtpfad anzuordnen.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der erste Filterbereich als ein optischer Filter oder als eine Leerposition ausgeformt sein. Zusätzlich oder alternativ kann der zweite Filterbereich als optischer Filter oder als Leerposition ausgeformt sein. Zudem kann der Filterträger auch weitere Filterbereiche aufweisen, die auch als optische Filter oder Leerposition ausgeformt sein können. Das Ausformen einer Leerposition ist vorteilhaft, um eine Chemolumineszenz-Detektion zu ermöglichen.
  • Die Antriebseinrichtung kann gemäß einer Ausführungsform als Riemenantrieb mit einem Zahnriemen und einem Elektromotor ausgeführt sein. Der Elektromotor kann beispielsweise als Schrittmotor ausgeführt sein. Zum Bewegen des Filterträgers kann der Zahnriemen beispielsweise mit einer Antriebsrolle verbunden sein, die durch den Elektromotor angetrieben wird. Für einen straffen Zug des Zahnriemens können Spannrollen verwendet werden. Durch einen solchen Antrieb des Filterträgers ist ein Wechseln der Stellung der Filterbereiche und damit ein Filterwechsel besonders schnell möglich, beispielsweise in einer Zeit von weniger als einer halben Sekunde.
  • Die Filtervorrichtung kann gemäß einer Ausführungsform auch einen Sensor aufweisen, der ausgebildet ist, um ein eine Positionierung des Filterträgers repräsentierendes Sensorsignal bereitzustellen. Der Sensor kann beispielsweise als Hall-Sensor oder als photoelektrischer Sensor ausgeführt sein. Ein photoelektrischer Sensor kann ein in der Messtechnik bekanntes Durchlichtverfahren oder Auflichtverfahren umsetzen. Der Sensor kann ausgebildet sein, die Stellung der Filterbereiche des Filterträgers oder eine Bewegung des Filterträgers zu erfassen. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine exakte Überwachung der Position des Filterträgers und damit der Filterbereiche und von in den Filterbereichen angeordneten Filtern. Das Sensorsignal kann beispielsweise zum Steuern der Antriebseinrichtung, der Lichtquelle und/oder des Bildsensors verwendet werden.
  • Der Filterträger kann gemäß einer Ausführungsform als linear beweglicher Filterschieber oder als drehbares Filterrad ausgeführt sein. Die Ausführung als linear beweglicher Filterschieber, auch Slider genannt, ermöglicht vorteilhafterweise minimierte Verfahrwege des Filterträgers beim Bewegen des Filterträgers gegenüber dem Trägerelement, um die Stellung der Filterbereiche einzustellen. Die Ausführung als Filterrad ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die Filtervorrichtung in einem Anregungslichtpfad zur Fluoreszenzanregung angeordnet ist.
  • Wenn der Filterträger als linear beweglicher Filterschieber ausgeführt ist, kann die Filtervorrichtung einen weiteren Filterschieber aufweisen. Der weitere Filterschieber kann beweglich an dem Trägerelement angeordnet sein. Zudem kann der weitere Filterschieber einen weiteren ersten Filterbereich und einen weiteren zweiten Filterbereich aufweisen. Die Antriebseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, den weiteren Filterschieber zwischen einer weiteren ersten Stellung, in der der weitere erste Filterbereich in dem Lichtpfad angeordnet ist, und einer weiteren zweiten Stellung, in der der weitere zweite Filterbereich in dem Lichtpfad angeordnet ist, zu bewegen. Der Filterschieber und der weitere Filterschieber können teilweise überlappend angeordnet sein, was vorteilhaft in Bezug auf eine kompakte Bauweise ist.
  • Das Optikmodul für das Chiplabor-Analysegerät kann einen weiteren Lichtpfad aufweisen. In diesem Fall kann gemäß einer Ausführungsform in der ersten Stellung des Filterschiebers der erste Filterbereich in dem Lichtpfad und der zweite Filterbereich in dem weiteren Lichtpfad angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann in der weiteren ersten Stellung des weiteren Filterschiebers der weitere erste Filterbereich in dem Lichtpfad und der weitere zweite Filterbereich in dem weiteren Lichtpfad angeordnet sein. Zudem kann je nach Anordnung der Filterbereiche auf dem Filterschieber und dem weiteren Filterschieber in der ersten Stellung des Filterschiebers der erste Filterbereich in dem Lichtpfad und der zweite Filterbereich in dem weiteren Lichtpfad oder außerhalb des Lichtpfads und außerhalb des weiteren Lichtpfads angeordnet sein. Ferner kann in der zweiten Stellung des Filterschiebers der zweite Filterbereich in dem Lichtpfad und der erste Filterbereich in dem weiteren Lichtpfad oder außerhalb der Lichtpfade angeordnet sein. Vorteilhafterweise ist es somit möglich, mehrere Lichtpfade separat optisch zu beeinflussen.
  • Auch können der Filterschieber und der weitere Filterschieber gemäß einer Ausführungsform zumindest abschnittsweise übereinanderliegend angeordnet und gegeneinander translatorisch verschiebbar sein. Dazu können der Filterschieber und der weitere Filterschieber beispielsweise translatorisch auf kugelgelagerten Schienen gleitend angeordnet sein. Diese Anordnung ist in Bezug auf einen schnellen Filterwechsel von an den Filterbereichen angeordneten Filtern und in Bezug auf eine möglichst geringe Breite der Filtervorrichtung von Vorteil.
  • Wenn das Optikmodul einen weiteren Lichtpfad aufweist, und der Filterträger als Filterrad ausgeführt ist, kann die Filtervorrichtung gemäß einer Ausführungsform ein weiteres Filterrad aufweisen. Das weitere Filterrad kann drehbar an dem Trägerelement angeordnet sein. Zudem kann das weitere Filterrad einen weiteren ersten Filterbereich und einen weiteren zweiten Filterbereich aufweisen. Die Antriebseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, das weitere Filterrad zwischen einer weiteren ersten Stellung, in der der weitere erste Filterbereich in dem weiteren Lichtpfad angeordnet ist, und einer weiteren zweiten Stellung, in der der weitere zweite Filterbereich in dem weitere Lichtpfad angeordnet ist, zu bewegen. Die Ausführung eines weiteren Filterrads ist vorteilhaft, wenn die Filtervorrichtung in dem Anregungslichtpfad zur Fluoreszenzanregung angeordnet ist, beispielsweise wenn in dem Optikmodul eine Kartusche mit mehreren Kammern aufgenommen ist, die separat angeregt werden.
  • Umfasst die Filtervorrichtung gemäß einer Ausführungsform das Filterrad und das weitere Filterrad, so können die Filterräder nebeneinanderliegend angeordnet und synchron drehbar sein. Diese Ausführung ermöglicht einen schnellen und gleichmäßigen Filterwechsel, was vorteilhafter bei einer optischen Anregung mehrere Bereiche gleichzeitig ist.
  • Mit diesem Ansatz wird zudem ein Optikmodul für ein Chiplabor-Analysegerät vorgestellt. Das Optikmodul umfasst eine Lichtquelle, einen Aufnahmebereich für eine Chiplabor-Kartusche, einen Bildsensor eine Ausführungsform einer ersten Filtervorrichtung und einer Ausführungsform einer zweiten Filtervorrichtung. Die erste Filtervorrichtung ist in einem Anregungslichtpfad zwischen der Lichtquelle und dem Aufnahmebereich angeordnet. Die zweite Filtervorrichtung ist in einem Detektionslichtpfad zwischen dem Aufnahmebereich und dem Bildsensor angeordnet.
  • Das Optikmodul kann beispielsweise für eine Fluoreszenz-Anregung in mehreren Fluoreszenzwellenbereichen in einer oder mehreren Bereichen oder Kammern einer in dem Aufnahmebereich aufgenommenen Chiplabor-Kartusche verwendet werden. Zudem kann das Optikmodul für eine Fluoreszenz-Detektion in mehreren Fluoreszenzwellenbereichen über einen Bildbereich verwendet werden. Vorteilhafterweise ist es dabei möglich, einen schnellen Filterwechsel in beispielsweise einer halben Sekunde zu ermöglichen.
  • Wenn in dem Aufnahmebereich eine Chiplabor-Kartusche aufgenommen ist, kann die Fluoreszenz-Anregung mittels einer weißen Leuchtdiode als Lichtquelle erfolgen. Die Leuchtdiode kann beispielsweise temperaturstabilisiert und mittels einer Kontroll-Photodiode intensitätsüberwacht sein. Ein ausgesendeter Lichtpfad kann als Anregungslichtpfad bezeichnet werden. Der Anregungslichtpfad kann in Richtung der ersten Filtervorrichtung gelenkt sein, die erste Filtervorrichtung kann beispielsweise den Filterträger in Form des Filterrads umfassen. Durch die erste Filtervorrichtung kann der Anregungslichtpfad zu einem anzuregenden Bereich der Chiplabor-Kartusche gelenkt werden, und an der Chiplabor-Kartusche reflektieren oder fluoreszieren. Das abstrahlende Licht kann als Detektionspfad zu der zweiten Filtervorrichtung gelenkt werden, die beispielsweise als Filterträger den Filterschieber umfassen kann. Von dort wird der Detektionslichtpfad in Richtung des Bildsensors geleitet. Der Bildsensor kann beispielsweise eine Makrolinse umfassen.
  • Es wird auch ein Verfahren zum Betreiben einer Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Optikmoduls für ein Chiplabor-Analysegerät vorgestellt. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Bereitstellens eines ersten Einstellsignals, einen Schritt des Bereitstellens eines zweiten Einstellsignals, einen Schritt des Bereitstellens eines ersten Filterwechselsignals und einen Schritt des Bereitstellens eines zweiten Filterwechselsignals. Das erste Einstellsignals ist ausgebildet, um den Filterträger der ersten Filtervorrichtung in einer einem Analysemodus zugeordnete Stellung einzustellen. Bei der dem Analysemodus zugeordneten Stellung kann es sich beispielsweise um die erste Stellung oder um die zweite Stellung des Filterträgers handeln. Das zweite Einstellsignals ist ausgebildet, um den Filterträger der zweiten Filtervorrichtung in einer dem Analysemodus zugeordnete Stellung einzustellen. Das erste Filterwechselsignal ist ausgebildet, um den Filterträger der ersten Filtervorrichtung in einer einem weiteren Analysemodus zugeordnete Stellung einzustellen. Das zweite Filterwechselsignal ist ausgebildet, um den Filterträger der zweiten Filtervorrichtung in einer dem weiteren Analysemodus zugeordnete Stellung einzustellen. Dabei kann beispielsweise die dem weiteren Analysemodus zugeordnete Stellung des Filterträgers der ersten Filtervorrichtung, der dem Analysemodus zugeordnete Stellung des Filterträgers der ersten Filtervorrichtung entsprechen, in diesem Fall wird die eingestellte Stellung des Filterträgers nicht geändert.
  • Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Optikmoduls für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 2 bis 4 je eine schematische Darstellung einer Filtervorrichtung für ein Optikmodul für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 5 eine schematische Darstellung einer Baugruppe mit einer Filtervorrichtung für ein Optikmodul für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 6 eine schematische Darstellung einer Filtervorrichtung für ein Optikmodul für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 7 eine schematische Darstellung eines Teils eines Optikmoduls für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 8 eine schematische Darstellung eines Teils einer Filtervorrichtung für ein Optikmodul für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 9 eine schematische Darstellung eines Teils eines Optikmoduls für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 10 eine schematische Darstellung eines Chiplabor-Analysegeräts mit einem Optikmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 11 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Optikmoduls für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 12 eine schematische Darstellung einer Verwendung eines Optikmoduls für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
    • 13 eine schematische Darstellung einer Verwendung eines Chiplabor-Analysegeräts mit einem Optikmodul 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.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Optikmoduls 100 für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Optikmodul 100 umfasst eine Lichtquelle 105, einen Aufnahmebereich 110 für eine Chiplabor-Kartusche 115, einen Bildsensor 120, eine erste Filtervorrichtung 125 und eine zweite Filtervorrichtung 130. Die erste Filtervorrichtung 125 ist in einem Anregungslichtpfad 135 zwischen der Lichtquelle 105 und dem Aufnahmebereich 110 angeordnet. Die zweite Filtervorrichtung 130 ist in einem Detektionslichtpfad 140 zwischen dem Aufnahmebereich 110 und dem Bildsensor 120 angeordnet.
  • Das Optikmodul 100 kann auch als Fluoreszenz-Optikbaugruppe oder als optofluidischen Analytikplattform für in-vitro Diagnostik bezeichnet werden. In dem Aufnahmebereich 110 ist beispielhaft eine Chiplabor-Kartusche 115 angeordnet. Die Lichtquelle 105 ist beispielsweise als weiße Leuchtdiode ausgeführt. Mittels eines Leitkegels 145 als Lichtleiter (Light guide) wird das von der Lichtquelle 105 ausgestrahlte Licht zu der ersten Filtervorrichtung 130 geleitet, und dann zu einem Anregungsbereich auf der Chiplabor-Kartusche 115. Die Chiplabor-Kartusche 115 weist eine Kammer mit einer Reaktionsflüssigkeit auf. Beispielsweise findet in der Kammer, die dem Anregungsbereich entspricht, in der Reaktionsflüssigkeit eine Fluoreszenzanregung statt. Das emittierte Fluorenzlicht wird dann entlang eines Detektionslichtpfada 140 zu der zweiten Filtervorrichtung 130 geleitet und mittels einer optionalen Makrolinse 150 auf dem Bildsensor 120 abgebildet.
  • In der zweiten Filtervorrichtung 130 ist optional ein Farbfilter angeordnet, der ausgebildet ist, eine entsprechende Detektionswellenlänge zu filtern. Auf diese Weise können zu detektierende Wellenlängen die Filtervorrichtung 130 passieren. Das Optikmodul kann auch mehrere Lichtquellen 105 aufweisen. Die erste Filtervorrichtung 125 und die zweite Filtervorrichtung 130 sind in diesem Fall entsprechend ausgeformt, um Licht mehrerer Lichtpfade zu filtern bzw. zu leiten. An den Filtervorrichtungen 125, 130 sind beispielsweise monochromatische Filter angeordnet.
  • Der Bildsensor 120 ist beispielsweise als CMOS Detektor ausführbar, mit einem größeren Aufnahmefeld als der einen oder mehreren Lichtquellen 105 abgedeckt wird. Das hier gezeigte Optikmodul 100 ist für Kontrollen, Initialtests und verschiedene Detektionsmethoden sowie für verschiedene Aufnahmemodi und Kombinationen von verschiedenen Aufnahmemodi einsetzbar, was anhand nachfolgender Figuren detaillierter beschrieben ist. Vorteilhafterweise ist es dadurch möglich, trotz einer kompakten Bauweise des Optikmoduls 100 verschiedene Detektionsmethoden zu implementieren. Durch den modularen Aufbau bietet das Optikmodul 100 bei klardefinierten Designregeln und Schnittstellenvorgaben eine hohe Implementationsvariation. Zudem ist es vorteilhafterweise möglich, Rückkoppelungssysteme und dynamischen Schrittabläufe zu implementieren. Je nach Aufbau des Optikmoduls 100, beispielsweise mit mehreren Lichtquellen 105 und entsprechend ausgeformten Filtervorrichtungen 125, 130 ist es zudem möglich, Prozesse parallel zu fahren und aufzuzeichnen. Dazu werden beispielsweise verschiedene Kontrollaufnahmen in demselben oder einem anderen Aufnahmemodus gemacht, bevor das eigentliche Signal gemessen wird. So kann eine Kontrolle ein räumlich aufgelöstes Bild sein, während die eigentliche Messung ein gemittelter Wert ist. Bei Irregularitäten kann der Detektionsmodus gewechselt werden, um Fehler direkt zu beurteilen, wie anhand von 13 beschrieben.
  • Das hier gezeigte Optikmodul 100 ist in Verbindung mit dem Chiplabor-Analysegerät für eine Ausführung einer Messmethode wie einer Polymerase-Kettenreaktion (PCR), einer Fluoreszenzmessung oder einer pH-Messung einsetzbar, insbesondere zur Auswertung verschiedener biochemischer Diagnosemethoden, die mittels eines mikrofluidischen Systems wie der hier beispielhaft gezeigten Chiplabor-Kartusche 115, auch als Chiplabor oder Lab-on-Chip bezeichnet, fluidisch prozessiert und analysiert werden. Das Optikmodul 100 ist beispielsweise verwendbar, um eine quantitative PCR (qPCR) oder auch real-time qPCR durchzuführen, bei der eine Vervielfältigung der DNA mittels einer Fluoreszenz-Messung nach jedem PCR-Zyklus beobachtet wird. Zur Detektion und Quantifizierung der PCR-Produkte werden DNA-Farbstoffe verwendet. Ein weiteres Fluoreszenz-basiertes Verfahren ist die Schmelzkurvenanalyse, bei welcher der DNA-Doppelstrang bei einer DNA-Sequenz spezifischen Temperatur aufgeschmolzen wird. Dabei wird ein Fluoreszenzfarbstoff freigesetzt und eine Änderung des Fluoreszenzsignals ist detektierbar. Die Temperatur wird dabei schrittweise in zehntel Grad-Schritten in Bereichen zum Beispiel zwischen 20 - 95 °C durchgefahren und nach jedem Temperaturschritt bzw. während der Temperaurerhöhung soll die Fluoreszenz gemessen werden. Durch die Verwendung von verschiedenen Farbstoffen werden Multiplex-Tests zur Detektion verschiedener DNA-Sequenzen (sowohl bei qPCR als auch Schmelzkurve oder anderen Fluoreszenzbasierten Detektionsverfahren) ermöglicht. Mittels des hier gezeigten Optikmoduls 100 ist es vorteilhafterweise möglich, die Fluoreszenz von verschiedenen Farbstoffen in kurzer Zeit, beispielsweise innerhalb von wenigen Sekunden, auf kleinstem Bauraum auszulesen.
  • Die Anordnung optischer Filterelemente an den Filtervorrichtungen 125, 130 im Anregungslichtpfad 135 und Detektionslichtpfad 145 einer Fluoreszenzoptik sowie die Ausformung der Filtervorrichtungen 125, 130, die anhand der nachfolgenden 2 bis 5 detaillierter beschrieben ist, ermöglicht vorteilhafterweise, Filterwechsel-Zeiten zwischen zwei Filterelementen von durchschnittlich einer halben Sekunde zu erzielen, sodass Zykluszeiten von unter sechseinhalb Sekunden für vier Farben einschließlich der Bildaufnahmezeiten des Bildsensors 120 möglich sind. Die Fluoreszenz-Detektion erfolgt mittels des Bildsensor 120 beispielsweise über einen großen Detektionsbereich von größer als 20 x 20 Quadratmillimetern. Je nach Aufbau des Optikmoduls erfolgt die Fluoreszenzanregung dabei potentiell in mehreren Kammern der Chiplabor-Kartusche 115 mit jeweils einem Durchmesser von mindestens 2 Millimetern. Eine Breite des Optikmoduls 100 liegt dabei beispielsweise unter 200 Millimeter. Eine Bildanalyse des aufgenommenen Fluoreszenzbilds erfolgt beispielsweise weiterführende durch Bildverarbeitungsalgorithmen. Dabei kann eine Erkennung einer Reagenzkammer zur Positionserkennung der Kammer innerhalb des Bildes und/oder eine Flüssigkeitsplugerkennung und -analyse durchgeführt werden.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Filtervorrichtung 130 für ein Optikmodul für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • Die hier gezeigte Filtervorrichtung 130 ähnelt oder entspricht der anhand von 1 beschriebenen zweiten Filtervorrichtung. Das Optikmodul weist dabei zumindest einen Lichtpfad auf. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Filtervorrichtung 130eine Durchgangsöffnung 201 für einen Lichtpfad und eine optionale weitere Durchgangsöffnung 202 für einen weiteren Lichtpfad auf. Beispielhaft weist die Filtervorrichtung 130 eine Länge von weniger als 250 Millimeter und eine Breite von weniger als 100 Millimeter auf.
  • Die Filtervorrichtung 130 weist ein Trägerelement 205, einen Filterträger 210 und eine Antriebseinrichtung 215 auf. Das Trägerelement 205 ist in dem Optikmodul anordenbar. Der Filterträger 210 ist beweglich an dem Trägerelement 205 angeordnet. Zudem weist der Filterträger 210 zumindest einen ersten Filterbereich 220 und einen zweiten Filterbereich 225 auf, hier weist der Filterträger beispielhaft auch einen dritten Filterbereich 230 auf. Die Antriebseinrichtung 215 ist dazu ausgebildet, den Filterträger 210 zwischen einer ersten Stellung, in der der erste Filterbereich 220 in dem Lichtpfad angeordnet ist, und einer zweiten Stellung, in der der zweite Filterbereich 225 in dem Lichtpfad angeordnet ist, zu bewegen. Wenn der Lichtpfad beispielsweise durch die erste Durchgangsöffnung 201 geleitet wird, ist der Filterträger 210 hier in der ersten Stellung gezeigt.
  • Die Antriebseinrichtung 215 ist gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel als Riemenantrieb mit einem Zahnriemen 235 und einem Elektromotor ausgeführt. Der Elektromotor kann beispielsweise ein Schrittmotor, auch Steppermotor genannt sein. Mittels des Zahnriemens 235 ist es möglich, den Filterträger 210 schnell zu bewegen und exakt zu positionieren. Für einen straffen Zug des Zahnriemens 235, werden weitere Spannrollen 237 verwendet.
  • Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Filterträger 210 als linear beweglicher Filterschieber ausgeführt. Der mittels der Antriebseinrichtung 215 bewegbare Filterträger 210 kann entsprechend entlang eines Abschnitts des Zahnriemens 235 bewegt werden, beispielsweise zum Einstellen der ersten, der zweiten oder einer weiteren Stellung des Filterträgers.
  • Neben dem Filterträger 210 als Filterschieber weist die Filtervorrichtung 130 gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel einen optionalen weiteren Filterschieber 240 auf. Der weitere Filterschieber 240 ist beweglich an dem Trägerelement 205 angeordnet. Auch der weitere Filterschieber 240 weist einen weiteren ersten Filterbereich und einen weiteren zweiten Filterbereich auf. In der hier gezeigten Stellung des Filterträgers 210 als Filterschieber und des weiteren Filterschiebers 240 liegt der weitere erste Filterbereich unter dem ersten Filterbereich 220 und der weitere zweite Filterbereich liegt unter dem zweiten Filterbereich 225. Die Antriebseinrichtung 215 ist dazu ausgebildet, den weiteren Filterschieber 240 zwischen einer weiteren ersten Stellung, in der der weitere erste Filterbereich in dem Lichtpfad angeordnet ist, und einer weiteren zweiten Stellung, in der der weitere zweite Filterbereich in dem Lichtpfad angeordnet ist, zu bewegen.
  • Zudem sind der Filterträger 210 als Filterschieber und der weitere Filterschieber 240 gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel zumindest abschnittsweise übereinanderliegend angeordnet. Außerdem sind der Filterschieber 210 und der weitere Filterschieber 240 gegeneinander translatorisch verschiebbar. Auf diese Weise ist es möglich, je einen der Filterbereiche 220, 225, 230 oder der weiteren Filterbereiche in den Lichtpfad zu verschieben. Zudem ist es möglich, die Filterbereiche 220, 225, 230 mit den weiteren Filterbereichen zu kombinieren. Dabei sind sowohl die Filterbereiche 220, 225, 230 als auch die weiteren Filterbereichen gemäß einem Ausführungsbeispiel als optische Filter oder als Leerposition ausformbar, wodurch beispielsweise auch eine Chemolumineszenz mittels der hier gezeigten Filtervorrichtung 130 in dem Optikmodul eines Chiplabor-Analysegeräts erfassbar ist.
  • Das Optikmodul weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel den weiteren Lichtpfad auf. In der ersten Stellung des Filterschiebers 210 ist der erste Filterbereich 220 in dem durch die Durchgangsöffnung 201 verlaufenden Lichtpfad und der zweite Filterbereich 225 in dem durch die weitere Durchgangsöffnung 202 verlaufenden weiteren Lichtpfad angeordnet. Zusätzlich oder alternativ ist in der weiteren ersten Stellung des weiteren Filterschiebers 240 der weitere erste Filterbereich in dem Lichtpfad und der weitere zweite Filterbereich in dem weiteren Lichtpfad angeordnet.
  • In einem montierten Zustand der Filtervorrichtung 130 und des Optikmoduls ist es somit möglich, eine Fluoreszenz-Anregung in mehreren Fluoreszenzwellenbereichen in einer oder mehreren Bereichen oder Kammern einer in dem Optikmodul aufgenommenen Chiplabor-Kartusche durchzuführen, und anschließend eine Fluoreszenz-Detektion in mehreren Fluoreszenzwellenbereichen über einen Bildbereich zu ermöglichen. Filterwechsel von in dem Filterträger oder dem weiteren Filterschieber 240 angeordneten Filtern werden mittels der Antriebseinrichtung in durchschnittlich einer halben Sekunde ermöglicht. Dazu werden der Filterträger 210 als Filterschieber und der weitere Filterschieber 240 translatorisch gegeneinander verschoben, um jeweils einen in einem der Filterbereiche 220, 225, 230 oder der weiteren Filterbereiche aufgenommenen Farbfilter in einen Bildbereich zu schieben, um eine Detektion mittels des Bildsensors des Optikmoduls zu ermöglichen. In jedem Filterschieber 210, 240 ist dabei mindestens ein Farbfilter und eine Leerposition enthalten. Die Filterschieber 210, 240 sind gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgeformt, translatorisch auf kugelgelagerten Schienen zu gleiten. Dies ermöglicht einen wartungsfreien Betrieb der Filterschieber 210, 240 mit mehr als zweieinhalb Millionen Filterwechseln. Die Position der Filterschieber 210, 240 wird mittels eines Sensors erfasst und überwacht. Auf diese Weise werden minimierte Verfahrwege der Filterschieber 210, 240 während eines sequenziellen Verfahrens aller Filterelemente ermöglicht.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Filtervorrichtung 130 für ein Optikmodul für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel. Es ist eine Aufsicht des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels der Filtervorrichtung gezeigt, entsprechend ist auf dem Trägerelement 205 der Filterträger 210 als linear beweglicher Filterschieber angeordnet, und die Filtervorrichtung 130 umfasst den weiteren Filterschieber 240 und die Antriebseinrichtung 215 als Riemenantrieb. Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel werden der Filterschieber 210 und der weitere Filterschieber 240 durch den Zahnriemen 235 mit Elektromotor an einer Antriebsrolle 305, auch pulley genannt, separat angetrieben. Die Position des Filterschiebers 210 und des weiteren Filterschiebers 240 wird dabei gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel mittels eines photoelektrischen Sensors 310 überwacht.
  • Beispielsweise ist der photoelektrische Sensor 310 an einer Seitenwand des Trägerelements 205 angeordnet, wobei unterschiedlichen Positionen der Filterschieber 210, 240 unterschiedliche Abstände zu dem photoelektrische Sensor 310 zugeordnet sind.
  • Zudem ist der erste Filterbereich 220 gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel als ein optischer Filter 315 oder als eine Leerposition 320 ausgeformt. Zusätzlich oder alternativ ist der zweite Filterbereich 225 als ein optischer Filter 315 oder als eine Leerposition 320 ausgeformt. Hier sind beispielhaft der erste Filterbereich 220 und der zweite Filterbereich 225 als optische Filter ausgeformt, und der dritte Filterbereich 230 ist als Leerposition ausgeformt. Zum Ausformen der Leerposition 320 wird beispielsweise eine Filteraussparung freigelassen, und zum Ausformen eines der Filterbereiche 220, 225, 230 als optischer Filter 315 wird an der Filteraussparung der optische Filter 315 angeordnet. Wenn in einem mit dem Optikmodul verbundenen Zustand der Filterschieber 210 so positioniert ist, dass der in dem ersten Filterbereich 220 angeordneter optischer Filter 315, beispielsweise ein Farbfilter, im Bildbereich, also in dem Lichtpfad angeordnet ist, so ist der weitere Filterschieber 240 beispielsweise so angeordnet, dass die Leerposition 320 unterhalb des ersten Filterbereichs 220 liegt. Ist also einer der Filterschieber 210, 240 auf der Position des optischen Filters 315 als Farbfilter im Bildbereich positioniert, so ist der andere Filterschieber 210, 240 in der Stellung der Leerposition. Sind beide Filterschieber 210, 240 auf Leerposition gesetzt und der zu detektierende Bereich der Chiplabor-Kartusche wird nicht durch den Anregungslichtpfad erleuchtet, so kann eine Chemolumineszenz-Detektion, eine selbstleuchtende Reaktion, erfasst werden. Sind beide Filterschieber 210, 240 auf der Leerposition 320 und ist eine andere Anregungswellenlänge im Anregungspfad aktiviert, so kann ein Kontrollbild des gesamten Bildbereichs aufgenommen werden.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Filtervorrichtung 125 für ein Optikmodul für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die hier gezeigte Filtervorrichtung 125 ähnelt oder entspricht der anhand von 1 beschriebenen ersten Filtervorrichtung. Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Filterträger 210 als drehbares Filterrad ausgeführt und wird im folgenden auch als Filterrad 210 bezeichnet. Zudem weist die Filtervorrichtung 125 gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein optionales weiteres Filterrad 405 auf. Das weitere Filterrad 405 weist einen weiteren ersten Filterbereich 410 und einen weiteren zweiten Filterbereich 415 auf. Das Filterrad 210 und das weitere Filterrad 405 weisen hier beispielhaft je einen dritten und einen vierten Filterbereich auf. Die Antriebseinrichtung 215 ist dazu ausgebildet, sowohl das Filterrad 210 als auch das weitere Filterrad 405 zu bewegen. Somit ist die Antriebseinrichtung 215 ausgebildet, um das weitere Filterrad 405 zwischen einer weiteren ersten Stellung, in der der weitere erste Filterbereich 410 in dem weiteren Lichtpfad angeordnet ist, und einer weiteren zweiten Stellung, in der der weitere zweite Filterbereich 415 in dem weitere Lichtpfad angeordnet ist, zu bewegen.
  • Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Filterräder 210, 405 in einer Ebene liegend nebeneinanderliegend angeordnet. Zudem sind das Filterrad 210 und das weitere Filterrad 405 mittels des Zahnriemens 235 der Antriebseinrichtung 215 synchron drehbar.
  • Das Filterrad 210 und das weitere Filterrad 405 weisen gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel je vier Filterbereiche 405, 410 auf, an denen optische Filter als Anregungsfilter angeordnet sind. Zudem weisen die Filterräder 210, 405 je noch eine Schwarzposition auf, um bei Bedarf das Licht der Lichtquelle, beispielsweise einer weiß-emittierenden Anregungs-Leuchtdiode, zu blocken, z.B. um eine Aufnahme von Dunkelbildern oder Rauschenbildern zu ermöglichen, oder um eine Chemolumineszenz-Detektion durchzuführen.
  • Vorteilhafterweise ermöglicht die hier gezeigte Ausformung der Filtervorrichtung 125 eine kompakte Bauweise mit einer Breite von beispielsweise weniger als 200 Millimetern, bei der Möglichkeit, wie hier gezeigt fünf Filterbereiche je Filterrad 210, 405 auszuformen. Möglich ist beispielsweise auch eine Anordnung von sechs Filterpositionen je Filterrad 210, 405 bei zwei Anregungsbereichen auf der Chiplabor-Kartusche mit einem Durchmesser von über 2 Millimetern Durchmesser. Eine Anordnung der hier gezeigten Filtervorrichtung 125 mit der Antriebseinrichtung 215 im Anregungslichtpfad des Optikmoduls ermöglicht vorteilhafterweise einen Filterwechsel von durchschnittlich weniger als einer halben Sekunde.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Baugruppe mit einer Filtervorrichtung 125 für ein Optikmodul für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Baugruppe umfasst neben der Filtervorrichtung 125, die der anhand von 4 beschriebenen Filtervorrichtung ähnelt oder entspricht, zwei an der Filtervorrichtung 125 angeordnete Lichtquellen 105 in Form von Leuchtdioden. Auf einer der Filtervorrichtung 125 zugewandten Seite umfasst jede Lichtquelle 105 einen Lichtleiter (light guide). Die mechanischen Bauteile der hier gezeigten Baugruppe für das Optikmodul sind beispielsweise aus Plastik und Aluminium gefertigt. Auch sind die Bauteile in schwarz oder schwarz eloxiert, um eine Reflexion und ein Eindringen von Licht zu minimieren.
  • Die beiden Lichtquellen 105 sind beispielsweise als weiße Lichtquellen realisierbar, die temperaturstabilisiert und mittels einer Kontroll-Photodiode intensitätsüberwacht sind. Zum Anregen von mehreren Bereichen oder Kammern der Chiplabor-Kartusche sind entsprechend mehrere Lichtquellen 105 und Filterräder 210, 405 nebeneinander angeordnet, hier beispielhaft je zwei. Zum schnellen Filterwechsel werden die Filterräder 210, 405 mittels der Antriebseinrichtung 215 in Form des Riemenantriebs bewegt. Das Licht der weißen Leuchtdioden der Lichtquellen 105 wird optional mittels Lichtleitern zu den Filtern und dem Anregungsbereich auf der Chiplabor-Kartusche hingeleitet.
  • Die Filtervorrichtung 125 umfasst gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel zudem einen Sensor 510. Der Sensor 510 ist hier beispielhaft als photoelektrischer Sensor ausgeführt. Zudem ist der Sensor 510 dazu ausgebildet, ein eine Positionierung des Filterträgers repräsentierendes Sensorsignal bereitzustellen. Das Sensorsignal kann zum Steuern der Antriebseinrichtung 215 verwenden werden. Außerdem umfasst die Filtervorrichtung 125 den als Filterrad ausgeführten Filterträger 210 und das weitere Filterrad 405, die drehbar an dem Trägerelement 205 angeordnet sind.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Filtervorrichtung 125 für ein Optikmodul für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die hier gezeigte Filtervorrichtung 125 ähnelt oder entspricht den anhand der 4 und 5 beschriebenen Filtervorrichtungen. Der Filterträger 210 als Filterrad und das weitere Filterrad 405 weisen hier beispielhaft je fünf Filterbereiche auf, von denen jeweils einer als sogenannte Schwarzposition zum Blocken von Licht und vier als optische Filter realisiert sind. Die optischen Filter sind hier beispielhaft als Anregungsfarbfilter ausgeführt und auf den Filterrädern 210, 405 zentrisch positioniert und fest in die Filterrädern 210, 405 eingeklebt. Dabei sind die Filterbereiche und damit die Farbfilter in dem Filterträger 210 als Filterrad und dem weiteren Filterrad 405 so positioniert, dass in beiden Feldern jeweils der gleiche Farbfilter positioniert ist und zeitgleich zwei Positionen auf der Chiplabor-Kartusche angeregbar sind. Beispielsweise weisen die Farbfilter die Farben schwarz, grau, rot, orange und blau auf.
  • 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines Optikmoduls für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel. Als Teil des Optikmoduls sind beispielhaft zwei Lichtquellen 105 gezeigt. An jede der Lichtquellen 105 ist ein Lichtleiter 705 angeordnet, der kegelförmig ausgeformt ist. Zudem sind zwei Linsen 710 gezeigt, von denen je eine an einem der Lichtquelle 105 abgewandten Ende jedes Lichtleiters 705 angeordnet ist. Der hier gezeigte Teil des Optikmoduls umfasst auch einen Ausschnitt des Filterträgers 210 als Filterrad und des weiteren Filterrads 405. Die Ausschnitte des Filterträgers 210 als Filterrad und des weiteren Filterrads 405 sind je an einem dem Lichtleiter 705 abgewandten Ende einer der Linsen 710 angeordnet.
  • Das Optikmodul umfasst gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel mehr als eine Lichtquelle 105. Hier sind beispielhaft zwei Leuchtdioden als Lichtquellen 105 parallel angeordnet, mit je einem der trichterförmigen Lichtleiter 705 und einer der Linsen 710. Die Filterräder 210, 405 sind so gesetzt, dass sie mittels Zahnräder miteinander kommunizieren. Ein Motorzahnrad bewegt beide Filterräder 210, 405 simultan, wie anhand der nachfolgenden 8 gezeigt. Diese Subeinheiten werden den Filterrädern 210, 405 nachgeordnet vereint und teilen dieselbe Relay-Linse. Durch die Linse 710 im Trichter des Lichtleiters 705 sind die Strahlgänge allerdings örtlich aufgelöst. Die Subeinheiten sind symmetrisch zueinander, können aber auch asymmetrisch implementiert werden. Die Anordnung der Lichtquellen 105 ergibt sich aus dem Aufbau und der Verzahnung der Filterräder 210, 405.
  • 8 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer Filtervorrichtung 125 für ein Optikmodul für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist die Anordnung des Filterträgers 210 als Filterrad und des weiteren Filterrads 405 aus dem Anhand von 7 beschriebenen Teil der Filtervorrichtung 125 für das Optikmodul. Die Antriebseinrichtung 215 umfasst gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein Motorzahnrad 805. Das Motorzahnrad 805 ist ausgebildet, den Filterträger 210 als Filterrad und das weitere Filterrad 405 zu synchron zu drehen, um die Position der Filterbereiche auf dem Filterträger 210 und dem weiteren Filterrad 405 einzustellen. Dabei greifen Zähne des Motorzahnrads 805 direkt in Zahnkränze der Filterräder 210, 405. Auf diese Weise kann auf eine Zahnriemen verzichtet werden.
  • 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines Optikmoduls für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel. Als Teil des Optikmoduls ist ein Totalsichtfeld 905 einer Kamera bzw. des Bildsensors des Optikmoduls in Kombination mit der Makrolinse gezeigt. Mittels einer Belichtungseinheit, die die Lichtquellen umfasst, die den anhand von vorhergehenden Figuren beschriebenen Lichtquellen ähneln oder entsprechen, werden zwei homogene Spots 910, 911 erzeugt. Die Spots 910, 911 entsprechen Bereichen der in dem Optikmodul aufgenommenen Chiplabor-Kartusche, die mittels der Lichtquellen 105 beleuchtet werden. Die Spots 910, 911 haben eine homogene Ausleuchtung in den angezeigten Spotregionen. Wird in einem Fluoreszenzmodus gearbeitet, sind dort dem Filter entsprechenden Fluorophore sichtbar. Wählt man einen Analysefilter, dann kann durch Streulicht mehr von der Umgebung gesehen werden und auch das ganze Totalsichtfeld 905 beobachtet werden. Zudem zeigen die Spots 910, 911 Gebiete, in denen um quantitative Fluoreszenzmessungen möglich sind. Auch quantitative Absorptionsmessungen sind in dem Bereich möglich. Für Auflichtbilder, wo örtliche Auflösung benötigt wird, kann dieses durch hohe Belichtungszeiten und Streulicht erreicht werden. Der gewünschte Aufnahmebereich, das zu messende Sichtfeld (engl. Region of Interest [ROI]) kann via Software gewählt werden. Der gewünschte Aufnahmebereich bewegt sich theoretisch zwischen einem Pixel und dem Totalsichtfeld 905. Die dynamische Sichtfeldauswahl kann zur Reduzierung der Datenmenge genutzt werden, damit nicht das ganze Sichtfeld 905 gespeichert und als Datenpacket verschickt werden muss. Ein Bild kann softwaretechnisch auch durch eine Kombination von verschiedenen gewünschten Aufnahmebereichen (ROI) aus verschiedenen Aufnahmen konstruiert werden.
  • 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Chiplabor-Analysegeräts 1000 mit einem Optikmodul 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. In dem Chiplabor-Analysegerät 1000 ist eine Chiplabor-Kartusche 115 in Form einer Einwegmikrofluidikeinheit angeordnet. Auf der Chiplabor-Kartusche 115 befinden sich Chemikalien und Fluidikkanäle. In Form festdefinierter Schnittstellen, beispielsweise zwischen dem Optikmodul 100 und der Chiplabor-Kartusche 115 sind Kontroll-, Konditions-, Funktions- und Detektionseinheiten in das Chiplabor-Analysegerät 1000 integriert. Eine zentrale Kontrolleinheit 1005 orchestriert alle anderen Einheiten des Chiplabor-Analysegeräts 1000. Dazu ist die Kontrolleinheit 1005 signalübertragungsfähig mit folgenden Einheiten des Chiplabor-Analysegeräts 1000 verbunden: dem Optikmodul 100, das auch als zentrale Detektionseinheit ausgeformt ist, eine akustische Einheit 1010, die Schallwellen erzeugen oder messen kann, eine Temperatureinheit 1015, ein Nutzerinterface 1020, eine pneumatische Einheit 1025 und eine Bibliothek 1030 mit verschiedenen Softwarestücken, z.B. einem Assay-spezifischen Auswertealgorithmus und einem Datenspeicher. Die Kontrolleinheit 1005 arbeitet ein assayspezifisches Protokoll von vordefinierten Schritten ab. Dabei aktiviert die Kontrolleinheit 1005 die entsprechenden Einheiten in einem zeitlich kontrollierten Ablauf. Dabei sendet die Kontrolleinheit hauptsächlich Befehle aus. Es ist aber auch möglich, dass die Kontrolleinheit 1005 als Antwort Daten empfängt, auswertet, und dann über eine Fortführung im Assayprotkoll entscheidet und das Protokoll dynamisch anpasst.
  • Neben einem System wie dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel des Chiplabor-Analysegeräts 100 mit der Kapazität zum Prozessieren einer mikrofluidischen Einheit wie der hier gezeigten Chiplabor-Kartusche 115, ist es möglich, ein skaliertes System mit der gleichen Architektur und der Kapazität mehrere mikrofluidische Einheiten zu prozessieren zu schaffen. Dabei kann jede mikrofluidische Einheit ihre eigene, baugleiche optische Einheit in Form des Optikmoduls 100 bekommen. Alternativ können die mikrofluidischen Einheiten so angeordnet werden, dass das Optikmodul 100 mittels einer motorisierten xy-Stage, also einem in zwei Richtungen beweglichem Gestell, hin und her geschoben wird und seriell Bilder aufgezeichnet werden.
  • 11 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1100 zum Betreiben eines Optikmoduls für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das hier gezeigte Verfahren 1100 ist verwendbar, um ein vorstehend beschriebenes Ausführungsbeispiel des Optikmoduls zu betreiben. Das Verfahren 1110 umfasst einen Schritt 1105 des Bereitstellens eines ersten Einstellsignals, einen Schritt 1110 des Bereitstellens eines zweiten Einstellsignals, einen Schritt 1115 des Bereitstellens eines ersten Filterwechselsignals und einen Schritt 1120 des Bereitstellens eines zweiten Filterwechselsignals. Das erste Einstellsignals im Schritt 1105 ist ausgebildet, um den Filterträger der ersten Filtervorrichtung in einer einem Analysemodus zugeordnete Stellung einzustellen. Bei der dem Analysemodus zugeordneten Stellung kann es sich beispielsweise um die erste Stellung oder um die zweite Stellung des Filterträgers handeln, wie vorstehend anhand der 2 und 3 beschrieben. Das zweite Einstellsignals im Schritt 1110 ist ausgebildet, um den Filterträger der zweiten Filtervorrichtung in einer dem Analysemodus zugeordnete Stellung einzustellen. Das erste Filterwechselsignal im Schritt 1115 ist ausgebildet, um den Filterträger der ersten Filtervorrichtung in einer einem weiteren Analysemodus zugeordnete Stellung einzustellen. Das zweite Filterwechselsignal im Schritt 1120 ist ausgebildet, um den Filterträger der zweiten Filtervorrichtung in einer dem weiteren Analysemodus zugeordnete Stellung einzustellen.
  • Im Folgenden wird anhand von verschiedenen Modi für Bildaufzeichnungen beispielhaft ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens 1100 und damit eine beispielhafte Einstellungs- und Filterwechselmöglichkeit der ersten und zweiten Filtervorrichtung des Optikmoduls erläutert: In einem Analysemodus „blocked“ sind die wird der Lichtpfad aus Richtung der Lichteinheit und in Richtung der Detektionseinheit abgedeckt, entsprechend sind die Filterträger der ersten Filtervorrichtung, auch Filter LED genannt, und der zweiten Filtervorrichtung auch Filter Camera genannt, in einer „Shutter-Stellung“. Der Analysemodus „blocked“ wird beispielsweise verwendet, um ein Rauschen eines CMOS Chips (Salt-and-Pepper-Noise) zu messen. In einem Analysemodus „Auflicht“ wird kein Filter oder ein Analysefilter vor die LED und Kamera gesetzt. Vor den LED können auch verschiedene LED Filter hintereinander aufgenommen werden und entsprechend summiert werden. Im Analysemodus „Auflicht ist in dem beleuchteten Filterbereich des Filterträgers der ersten Filtervorrichtung entsprechend ein Analyse- oder Anregungsfilter angeordnet, und in dem beleuchteten Filterbereich des Filterträgers der zweiten Filtervorrichtung ist ein Analysefilter oder kein Filtereinsatz angeordnet. Für Fluoreszenz werden die entsprechenden Anregungs- und Emissionsfilter gesetzt. In einem Analysemodus „Fluoreszenz“ ist ein Anregungsfilter in dem entsprechenden Filterbereich der ersten Filtervorrichtung und ein Emissionsfilter in dem Filterbereich der zweiten Filtervorrichtung angeordnet. Für eine Chemolumineszenzmessung wird die Lichtquelle geblockt und der Analysefilter eingesetzt. In einem Analysemodus „Chemolumineszenz“ befindet sich in dem entsprechenden Filterbereich der ersten Filtervorrichtung ein „Shutter“, und in dem in dem Filterbereich der zweiten Filtervorrichtung ein Analysefilter oder kein Filtereinsatz. Diese Moden können mit dynamsichen Sichtfeldern (Rol) kombiniert werden.
  • 12 zeigt eine schematische Darstellung einer Verwendung eines Optikmoduls für ein Chiplabor-Analysegerät gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt sind Kombinationen verschiedener Aufnahmemodi mit verschiedenen Sichtfeldern in einem Ablauf des Verfahrens. Der erste Aufnahmemodus 1205 zeigt beispielhaft ein Totalsichtfeld. Dabei kann zum Beispiel eine Lage der mikrofluidischen Einheit, also der Chiplabor-Kartusche, kontrolliert werden. Mit dieser Information kann ein relatives Koordinatensystem für die Chiplabor-Kartusche gelegt werden. Dies ist von Interesse, da durch Fertigung und mechanische Gegebenheiten, jede Chiplabor-Kartusche leicht verschoben in der Analyseeinheit, dem Chiplabor-Analysegerät, liegen kann. Diese Information muss einmalig gemessen werden und ROI für folgende Aufnahmen mit derselben Chiplabor-Kartusche können dynamisch angepasst werden. Mit solch einem Bild kann man auch feststellen, ob in mikrofluidischen Kanälen Fluide vorhanden sind. Ein zweiter Aufnahmemodus 1210 zeigt, wie durch Fluoreszenz ein Assayresultat auslesbar wird. In einem nächsten Schritt, wenn die erste Messmethode des ersten Teiles abgeschlossen ist und das Sample weiter prozessiert wird, kann durch eine Bildaufnahme im Durchlichtmodus, wie anhand eines dritten Aufnahmemodus 1215 gezeigt, kontrolliert werden, ob der Übergang von erster Methode in die zweite erfolgreich von statten gegangen ist, oder ob zum Beispiel Luft ins System gelangt ist oder eine Durchmischung nicht erfolgt ist. Im nächsten Schritt kann dann die zweite Methode mit einem anderen Aufnahmemodus, einem hier gezeigten vierten Aufnahmemodus 1220 aufgenommen werden. In sämtlichen Schritten können verschiedenen Filterpositionen und Sichtfelder mit derselben optischen Einheit, dem Optikmodul, aufgenommen werden. Als Beispiel ist hier ein Assay aufgeführt, in dem in einem ersten Schritt Probenmaterial auf gereinigt wird, eine Amplifikation mittels PCR stattfindet und die Spezifität der PCR Produkte mittels einem DNA-Mikroarray nachgewiesen werden. Neben dem universellen Lagebild kann dabei auch im Hellfeld immer wieder gemessen werden, ob Blasen im Analyten sind. Dann kann eine PCR mittels Fluoreszenz verfolgt werden. Zum Beispiel in Echtzeit oder aber auch mit einer Anfangs- und Endpunktmessung. Der Mikroarray kann dann mittels Chemolumineszenz ausgelesen werden. Mikroarrays, die oft räumlich von PCR Reaktionsgefäßen getrennt sind, können so einfach nach der beschriebenen Anordnung des Analyseeinheitssystems auf einer Chiplabor-Kartusche angeordnet und mittels Kanälen verbunden werden.
  • 13 zeigt eine schematische Darstellung einer Verwendung eines Chiplabor-Analysegeräts mit einem Optikmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei wird beispielsweise ein Chiplabor-Analysegerät verwendet, wie es anhand von 10 beschrieben ist. Als Beispiel ist hier ein Einsatz des Chiplabor-Analysegeräts für eine dynamische Verlaufskontrolle eines LoC-Assay gezeigt. Dazu wird eine in einem hier gezeigten Aufnahmemodus 1305 aufgenommen. Anschließend erfolgt eine Auswertung, hier durch einen ersten Block 1310 markiert. Wird eine quantitative Messung, z.B. eine Fluoreszenzmessung, vorgenommen, dann wird das Resultat in-situ ausgewertet. Entspricht das Signal dem Assay entsprechend üblichen Werten, so wird der der Versuchsablauf oder die Messung weitergeführt, entsprechend wird auch weiterhin der Aufnahmemodus 1305 ausgeführt. Wird eine Anomalie im gemessenen Wert festgestellt, so wird das Messfeld in einem anderen Analysemodus 1315, z.B. Auflicht statt Fluoreszenz, gemessen, um zu analysieren, was zur Anomalie geführt hat. Es erfolgt eine Abweichungsmessung und ein Abgleich mit bekannten Anomalien, hier durch einen zweiten Block 1320 markiert. Die Abweichungsmessung wird dabei mit einer Bibliothek von möglichen Fehlern abgeglichen. Bei jedem Assay gibt es verschiedene Entstehungsgründe für eine Anomalie. Mit verschiedenen Aufnahmemoden können diese geprüft und analysiert werden. Die Fehleranalyse kann dann mit der Bibliothek abgeglichen werden und eine entsprechende Fehlermeldung kann zurückgegeben werden, hier durch einen dritten Block 1325 „error code“ markiert. Ist der Fehler in der Bibliothek nicht vermerkt, kann dieser auch über Kommunikationsschnittstellen zu einem Plattformanbieter zurückgeschickt, analysiert und als neues Element in die Bibliothek aufgenommen werden. Das Verfahren wird anschließend laut der Fehlermeldung entsprechenden Anweisungen aus der Bibliothek fortgesetzt, was hier durch einen vierten Block 1330 markiert ist.
  • 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.

Claims (12)

  1. Filtervorrichtung (125, 130) für ein Optikmodul (100) für ein Chiplabor-Analysegerät (1000), wobei das Optikmodul (100) einen Lichtpfad aufweist, wobei die Filtervorrichtung (125, 130) folgende Merkmale aufweist: ein Trägerelement (205), das in dem Optikmodul (100) anordenbar ist; einen Filterträger (210), der beweglich an dem Trägerelement (205) angeordnet ist und einen ersten Filterbereich (220) und einen zweiten Filterbereich (225) aufweist; eine Antriebseinrichtung (215), die dazu ausgebildet ist, den Filterträger (210) zwischen einer ersten Stellung, in der der erste Filterbereich (220) in dem Lichtpfad angeordnet ist, und einer zweiten Stellung, in der der zweite Filterbereich (225) in dem Lichtpfad angeordnet ist, zu bewegen.
  2. Filtervorrichtung (125, 130) gemäß Anspruch 1, wobei der erste Filterbereich (220) und/oder der zweite Filterbereich (230) als ein optischer Filter (315) oder als eine Leerposition (320) ausgeformt ist.
  3. Filtervorrichtung (125, 130) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Antriebseinrichtung (215) als Riemenantrieb mit einem Zahnriemen (235) und einem Elektromotor ausgeführt ist.
  4. Filtervorrichtung (125, 130) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Sensor (310; 510), der ausgebildet ist, um ein eine Positionierung des Filterträgers (210) repräsentierendes Sensorsignal bereitzustellen.
  5. Filtervorrichtung (125, 130) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Filterträger (210) als linear beweglicher Filterschieber oder als drehbares Filterrad ausgeführt ist.
  6. Filtervorrichtung (125, 130) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Filterträger (210) als linear bewegliche Filterschieber ausgeführt ist und mit einem weiteren Filterschieber (240), der beweglich an dem Trägerelement (205) angeordnet ist und einen weiteren ersten Filterbereich und einen weiteren zweiten Filterbereich aufweist, wobei die Antriebseinrichtung (215) dazu ausgebildet ist, den weiteren Filterschieber (240) zwischen einer weiteren ersten Stellung, in der der weitere erste Filterbereich in dem Lichtpfad angeordnet ist, und einer weiteren zweiten Stellung, in der der weitere zweite Filterbereich in dem Lichtpfad angeordnet ist, zu bewegen.
  7. Filtervorrichtung (125, 130) gemäß Anspruch 6, wobei das Optikmodul (100) einen weiteren Lichtpfad aufweist, wobei in der ersten Stellung des Filterschiebers der erste Filterbereich (220) in dem Lichtpfad und der zweite Filterbereich (225) in dem weiteren Lichtpfad angeordnet ist und/oder wobei in der weiteren ersten Stellung des weiteren Filterschiebers (240) der weitere erste Filterbereich in dem Lichtpfad und der weitere zweite Filterbereich in dem weiteren Lichtpfad angeordnet ist.
  8. Filtervorrichtung (125, 130) gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der Filterschieber und der weitere Filterschieber (240) zumindest abschnittsweise übereinanderliegend angeordnet und gegeneinander translatorisch verschiebbar sind.
  9. Filtervorrichtung (125, 130) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Optikmodul (100) einen weiteren Lichtpfad aufweist, wobei der Filterträger (210) als Filterrad ausgeführt ist und mit einem weiteren Filterrad (405), das drehbar an dem Trägerelement (205) angeordnet ist und einen weiteren ersten Filterbereich (410) und einen weiteren zweiten Filterbereich (415) aufweist, wobei die Antriebseinrichtung (215) dazu ausgebildet ist, das weitere Filterrad (405) zwischen einer weiteren ersten Stellung, in der der weitere erste Filterbereich (410) in dem weiteren Lichtpfad angeordnet ist, und einer weiteren zweiten Stellung, in der der weitere zweite Filterbereich (415) in dem weitere Lichtpfad angeordnet ist, zu bewegen.
  10. Filtervorrichtung (125, 130) gemäß Anspruch 9, wobei die Filterräder (405) nebeneinanderliegend angeordnet und synchron drehbar sind.
  11. Optikmodul (100) für ein Chiplabor-Analysegerät (1000), wobei das Optikmodul (100) folgende Merkmale aufweist: eine Lichtquelle (105); einen Aufnahmebereich (110) für eine Chiplabor-Kartusche (115); einen Bildsensor (120); eine erste Filtervorrichtung (125) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, die in einem Anregungslichtpfad (135) zwischen der Lichtquelle (105) und dem Aufnahmebereich (110) angeordnet ist; und eine zweite Filtervorrichtung (130) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, die in einem Detektionslichtpfad (140) zwischen dem Aufnahmebereich (110) und dem Bildsensor (120) angeordnet ist.
  12. Verfahren (1100) zum Betreiben eines Optikmoduls (100) für ein Chiplabor-Analysegerät (1000) gemäß Anspruch 11, wobei das Verfahren (1100) folgende Schritte aufweist: Bereitstellen (1105) eines ersten Einstellsignals, das ausgebildet ist, um den Filterträger (210) der ersten Filtervorrichtung (125, 130) in einer einem Analysemodus zugeordnete Stellung einzustellen; Bereitstellen (1110) eines zweiten Einstellsignals, das ausgebildet ist, um den Filterträger (210) der zweiten Filtervorrichtung (125, 130) in einer dem Analysemodus zugeordnete Stellung einzustellen; Bereitstellen (1115) eines ersten Filterwechselsignals, das ausgebildet ist, um den Filterträger (210) der ersten Filtervorrichtung (125, 130) in einer einem weiteren Analysemodus zugeordnete Stellung einzustellen; und Bereitstellen (1120) eines zweiten Filterwechselsignals, das ausgebildet ist, um den Filterträger (210) der zweiten Filtervorrichtung (125, 130) in einer dem weiteren Analysemodus zugeordnete Stellung einzustellen.
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