DE102022213874A1

DE102022213874A1 - Probenkartusche für die Durchführung eines Analyseprozesses mittels einer Fluoreszenz-Analyse

Info

Publication number: DE102022213874A1
Application number: DE102022213874.0A
Authority: DE
Inventors: Marcella Engler; Ludwig Gutzweiler; Markus Linsenmann; Frank Schwemmer
Original assignee: Dermagnostix GmbH
Current assignee: Dermagnostix De GmbH
Priority date: 2022-12-19
Filing date: 2022-12-19
Publication date: 2024-06-20

Abstract

Eine Probenkartusche (4) für die Durchführung eines Analyseprozesses mittels einer Fluoreszenz-Analyse weist eine Trägerplatte (20) auf, in die von einer ersten Flachseite (28) her eine mikrofluidische Kanal- und Kammerstruktur (22) eingebracht ist. Die Trägerplatte (20) weist dabei einen Auslesebereich (32) auf, in dem wenigstens eine Prozesskammer (30) angeordnet ist. Die Probenkartusche (4) weist außerdem eine Verschlussschicht (34) auf, die im bestimmungsgemäßen Endfertigungszustand der Probenkartusche (4) die Kanal- und Kammerstruktur (22) auf der ersten Flachseite (28) verschließt. Ferner weist die Probenkartusche (4) eine intransparente Schicht (42) auf, die den Auslesebereich (32) auf einer Wärmeeintragsseite (28), die durch die erste Flachseite oder eine dieser gegenüberliegenden zweite Seite der Trägerplatte (20) gebildet ist, zumindest teilweise abdeckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Probenkartusche für die Durchführung eines Analyseprozesses mittels einer Fluoreszenz-Analyse, insbesondere unter Nutzung einer Polymerase-Kettenreaktion.
Analyseprozesse werden im medizinischen Bereich häufig unter Nutzung sogenannter Probenkartuschen, die eine insbesondere mikrofluidische Kanal- und Kammerstruktur aufweisen, durchgeführt. Meist kommen sie zum Einsatz, um Erbgut, meist in Form von DNA (Desoxyribonukleinsäure oder englisch: desoxyribonucleic acid) oder RNA (Ribonukleinsäure bzw. ribonucleic acid), - neben wissenschaftlichen Erbgutanalysen und dergleichen - zur Untersuchung auf vorliegende Krankheiten zu analysieren oder zum Nachweis von Krankheitserregern überhaupt zu detektieren. Dazu müssen ausgehend von einer Probe - z. B. einem Abstrich, einer Blutprobe oder dergleichen - spezifische Bereiche darin enthaltenen Erbguts (DNA oder RNA) vervielfältigt werden. Im Fall des Nachweises oder der Analyse von RNA in einer Probe (z. B. zum Nachweis eines Virus) wird diese zunächst durch die sogenannte „reverse transcription“ in DNA umgeschrieben und anschließend vervielfältigt.
Zur Vervielfältigung der DNA wird üblicherweise die sogenannte Polymerase-Kettenreaktion (kurz: PCR) in einem flüssigen Reaktionsansatz angewendet. Die DNA liegt typischerweise in Form einer Doppelhelix-Struktur, bestehend aus zwei komplementären DNA-Einzelsträngen, vor. Bei der PCR wird die DNA zunächst durch eine erhöhte Temperatur des flüssigen Reaktionsansatzes zwischen typischerweise 90-96 Grad Celsius in zwei Einzelstränge aufgetrennt („Denaturierungs-Phase“).
Anschließend wird die Temperatur wieder gesenkt („Annealing-Phase“, typischerweise in einen Bereich von 50-70 °C), um eine spezifische Anlagerung von sogenannten Primer-Molekülen an die Einzelstränge zu ermöglichen. Die Primer-Moleküle sind komplementäre, kurze DNA-Stränge, die an einer definierten Stelle an den Einzelsträngen der DNA anbinden. Die Primer-Moleküle (auch kurz: „Primer“) dienen als Startpunkt für ein Enzym, der sogenannten Polymerase, das in der sogenannten Elongations-Phase die Grundbausteine („dNTPs“) komplementär zur vorliegenden DNA-Sequenz des Einzelstranges auffüllt. Dabei entsteht ausgehend von dem Primer Molekül wieder eine doppelsträngige DNA. Die Elongation wird typischerweise bei der gleichen Temperatur wie bei der Annealing-Phase oder bei einer leicht erhöhten Temperatur, typischerweise zwischen 65 und 75 °C, durchgeführt. Nach der Elongation wird die Temperatur wieder für die Denaturierungsphase erhöht.
Dieses Zyklieren der Temperatur im flüssigen Reaktionsansatz zwischen den zwei bis drei Temperaturbereichen wird „PCR-Thermocycling“ genannt und typischerweise in 10 bis 50 Zyklen wiederholt. In jedem Zyklus wird der spezifische DNA-Bereich vervielfältigt. Typischerweise wird das Thermocycling des flüssigen Reaktionsansatzes in einem Reaktionsgefäß durch die Kontrolle der äußeren Temperatur umgesetzt. Das Reaktionsgefäß befindet sich dabei z. B. in einem Thermoblock, in dem das PCR-Thermocycling durch Heizen und Kühlen eines sich mit dem Reaktionsgefäß in thermischen Kontakt befindlichen Festkörpers umgesetzt wird, um dabei Wärme der Flüssigkeit zu- und wieder aus dieser abzuführen. Alternative Heiz- und Kühlkonzepte zur Umsetzung des PCR-Thermocyclings sind unter anderem die Temperaturkontrolle von Fluiden (insbesondere Luft und Wasser), welche das Reaktionsgefäß umströmen sowie strahlungsbasierte Konzepte, z. B. durch Einbringung von Wärme durch IR-Strahlung oder Laserstrahlung.
Bei Einsatz einer vorstehend genannten Probenkartusche mit mikrofluidischen Kanälen und Kammern wird diese Probenkartusche häufig während des Analyseprozesses rotiert (zentrifugiert), unter anderem um Probenflüssigkeit durch die Kanäle und Kammern zu pumpen. Im Fall eines solchen rotationsbasierten Analyseprozesses wird als Reaktionsgefäß für das PCR-Thermocycling bspw. eine Kammer in der vorstehend genannten Probenkartusche eingesetzt und entsprechend aufgeheizt. Meist ist eine solche Probenkartusche etwa scheibenartig ausgebildet.
Um nun feststellen zu können, ob die spezifischen Bereiche (DNA-Sequenzen) in der jeweiligen Probe überhaupt und/oder in einer analytisch relevanten Menge vorliegen, wird häufig eine Fluoreszenz-Analyse durchgeführt. Dazu werden zumindest in dem Reaktionsgefäß (bzw. der entsprechenden Kammer) sogenannte Fluoreszenzmarker beigefügt, die mit der spezifischen, vervielfältigten DNA-Sequenz koppeln und im gekoppelten Zustand - insbesondere bei Anregung durch Bestrahlung mit einer vorgegebenen Wellenlänge, vorzugsweise einem vorgegebenen Wellenlängenbereich - fluoreszieren. Die durch diese Fluoreszenz abgestrahlte Lichtmenge wird mittels eines Sensors erfasst und mit einem Schwellwert verglichen. Überschreitet die erfasste Lichtmenge den Schwellwert, wird davon ausgegangen, dass die vorstehend beschriebenen spezifischen Bereiche des Erbguts (DNA-Sequenzen) in der Probe vorliegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebene Fluoreszenz-Analyse möglichst robust zu gestalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Probenkartusche mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Des Weiteren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Analysesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Weitere vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
Die erfindungsgemäße Probenkartusche ist für die Durchführung eines Analyseprozesses mittels einer Fluoreszenz-Analyse, wobei bei dem Analyseprozess bspw. eine Polymerase-Kettenreaktion („PCR“) erfolgt, eingerichtet und vorgesehen. Dazu weist die Probenkartusche eine Trägerplatte auf, in die von einer ersten Flachseite her eine mikrofluidische Kanal- und Kammerstruktur (d. h. insbesondere Kanäle und Kammern) eingebracht ist. Die Trägerplatte weist dabei einen Auslesebereich auf, in dem wenigstens eine Prozesskammer (die vorzugsweise ein Reaktionsgefäß der eingangs beschriebenen Art bildet) angeordnet ist. Des Weiteren weist die Probenkartusche eine Verschlussschicht auf, die im bestimmungsgemäßen Endfertigungszustand der Probenkartusche die Kanäle und Kammern auf der ersten Flachseite verschließt. Außerdem weist die Probenkartusche eine intransparente Schicht auf, die den Auslesebereich auf einer Wärmeeintragsseite, die durch die erste Flachseite oder eine dieser gegenüberliegende zweite Seite der Trägerplatte gebildet ist, zumindest teilweise abdeckt.
Vorzugsweise ist die Trägerplatte und/oder die Verschlussschicht zumindest in dem Auslesebereich transparent.
Das erfindungsgemäße Analysesystem für die Durchführung des Analyseprozesses (mittels der Fluoreszenz-Analyse, bspw. im Rahmen einer PCR-Analyse, weist neben zumindest einer Probenkartusche der vorstehend beschriebenen Art ein Analysegerät auf, mittels dessen der Analyseprozess durchgeführt wird. Das Analysegerät weist eine Trägervorrichtung auf, die zur Halterung der Probenkartusche eingerichtet und vorgesehen ist. Das Analysegerät weist optional auch eine Heizvorrichtung mit einer Heizfläche auf. Die Heizfläche ist dabei an der Trägervorrichtung angeordnet. Im bestimmungsgemäßen Einsatzzustand liegt die Prozesskartusche auf einer Kontaktfläche der Trägervorrichtung, insbesondere an der Heizfläche, mit der Wärmeeintragsseite im Auslesebereich auf. Anders ausgedrückt wird die Probenkartusche bestimmungsgemäß derart auf die Trägerfolie aufgelegt, dass der Auslesebereich, und somit die darin angeordnete Prozesskammer, wärmeeintragsseitig an der Kontakt- oder Heizfläche anliegt. Insbesondere liegt also die vorstehend beschriebene intransparente Schicht zwischen der Kontakt- oder Heizfläche und dem Auslesebereich, konkret also der Prozesskammer.
Der Einsatz der vorstehend beschriebenen intransparenten Schicht, die den Auslesebereich überdeckt oder abdeckt, hat dabei den Vorteil, dass Verunreinigungen, die sich im fortlaufenden Betrieb regelmäßig auf der Kontakt- oder Heizfläche niederschlagen, sich nicht auf die Fluoreszenz-Analyse auswirken. Derartige Verunreinigungen, beispielsweise Staub, können nämlich ein die Fluoreszenz-Analyse störendes Fluoreszenz-Verhalten zumindest in einem ähnlichen Wellenlängenbereich aufweisen wie die zur Fluoreszenz-Analyse dienende Fluoreszenz entsprechender (Fluoreszenz-) Marker innerhalb der Prozesskammer. Die intransparente Schicht bewirkt dabei mit vergleichsweise einfachen Mitteln, dass solche Verunreinigungen „ausgeblendet“ werden können und somit deren Einfluss unterbunden oder zumindest verringert wird.
Da das Analysesystem die gleichen körperlichen Merkmale aufweist wie die vorstehend beschriebene Probenkartusche, kommen dem Analysesystem die gleichen Vorteile wie letzterer zu.
Unter mikrofluidischen Kanälen und Kammern ist hier und im Folgenden insbesondere zu verstehen, dass diese Kanäle und Kammern Abmessungen quer zur einer Längserstreckung (also eine Breite und Tiefe) von wenigen Mikrometern, bspw. zwischen 4 und 50 Mikrometer, im Hinblick auf Kammern auch bis zu mehreren hundert Mikrometer, im Fall von größeren Kammern optional auch von einigen Millimetern (bspw. etwa 10 Millimeter) aufweisen können.
In einer zweckmäßigen Ausführung bildet die erste Flachseite der Trägerplatte die Wärmeeintragsseite. Die intransparente Schicht ist in diesem Fall optional Teil der Verschlussschicht. Die Trägerplatte ist dabei außerdem zumindest in dem Auslesebereich transparent. Diese Ausführung hat insbesondere den Vorteil, dass die erste Flachseite und somit die Wärmeeintragsseite der Trägerplatte grundsätzlich flach - abgesehen von den durch die Kanäle und Kammern gebildeten Vertiefungen - ausgebildet ist, wohingegen die zweite Seite (auch als Ausleseseite bezeichnet) fertigungstechnisch bedingt (bspw. aufgrund eines Kunststoffspritzgießprozesses, eines Kunststoff-Heißpräge- oder eines Thermoformprozesses) zumindest im Bereich der Kammern regelmäßig Erhebungen aufweist. Über die grundsätzlich flache Wärmeeintragsseite kann somit ein besserer (d. h. insbesondere großflächigerer) Kontakt zur Kontakt- oder Heizfläche gebildet werden.
In einer bevorzugten Ausführung ist die intransparente Schicht nur lokal ausgebildet. Anders ausgedrückt erstreckt sich diese nicht über die gesamte Fläche der Verschlussschicht. Vorzugsweise ist die flächige Erstreckung der intransparenten Schicht dabei derart gewählt, dass diese nur den Auslesebereich der Trägerplatte abdeckt oder diesen nur geringfügig (beispielsweise mit einer um 20 Prozent gegenüber der Fläche des Auslesebereichs vergrößerten Fläche) überdeckt. Alternativ ist die Verschlussschicht in Teilstücke unterteilt, wobei jedes Teilstück jeweils einer von vorzugsweise mehreren Prozesskammern zugewiesen ist und diese wärmeeintragsseitig bedeckt. Vorzugsweise ist die Verschlussschicht ansonsten transparent ausgebildet. Dadurch wird eine Qualitätskontrolle der Probenkartusche im bestimmungsgemäßen Endfertigungszustand auch von der Wärmeeintragsseite her ermöglicht.
In einer zweckmäßigen Ausführung ist die Verschlussschicht durch eine, optional mehrlagige, (insbesondere Kunststoff aufweisende) Siegelfolie gebildet, die im bestimmungsgemäßen Endfertigungszustand an die Trägerplatte thermisch angebunden, insbesondere heißgesiegelt, ist.
In einer optionalen Ausführung handelt es sich bei der intransparenten Schicht um eine Folie. Beispielsweise kann diese intransparente Folie durch eine Aluminiumfolie (oder eine vergleichbare Metallfolie) oder eine eingefärbte Kunststofffolie gebildet sein. Diese ist beispielsweise auf die Verschlussschicht, insbesondere die Siegelfolie aufgeklebt, aufgeprägt oder dergleichen.
In einer zweckmäßigen Ausführung handelt es sich bei der transparenten Schicht jedoch um eine aus einem formlosen Zwischenmaterial gebildete und applizierte Schicht. Unter „formlosem Material“ wird hier und im Folgenden insbesondere verstanden, dass dieses Material zumindest im Zustand bei der Applikation nicht formgebunden, insbesondere nicht als massives Bauteil, vorliegt.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die intransparente Schicht insbesondere mittels eines Druckverfahrens oder eines Beschichtungsverfahrens, insbesondere eines Bedampfungsverfahrens, appliziert. Als Druckverfahren kommt dabei beispielsweise ein Tintenstrahldruck, ein Tampondruck, ein Siebdruck, ein Flexodruck, ein Thermotransferdruck oder dergleichen zum Einsatz. Als Beschichtungsverfahren kommen bspw. Plasmabeschichtungsverfahren, Lackierverfahren, Vakuumbeschichtungsverfahren, Besprühen und dergleichen zum Einsatz. Als Bedampfungsverfahren kommen beispielsweise bekannte Verfahren wie PVD (physical vapor depositioning), CVD (chemical vapor despositioning) oder auch „Sputtern“ zum Einsatz.
In einer weiteren Alternative kann die intransparente Schicht auch durch eine Oberflächenmodifizierung, insbesondere mittels einer Laser-Oberflächenumwandlung oder auch einem Einprägen von Mikrostrukturen ausgebildet sein.
Vorzugsweise weist die intransparente Schicht eine homogene und insbesondere geschlossene Fläche auf. Optional kann die intransparente Schicht aber auch ein Muster, bspw. ein Punkt- oder Streifenraster aufweisen und somit eine inhomogene Farb- und/oder Transparenzverteilung.
Grundsätzlich kann die intransparente Schicht insbesondere im Fall der mehrlagigen Siegelfolie auch als Zwischenschicht dieser Siegelfolie ausgebildet sein. Beispielsweise kann die intransparente Schicht dabei durch lokales Bedrucken einer Lage der Siegelfolie erfolgen, bevor die Siegelschicht aus mehreren Lagen lamintiert oder kaschiert wird.
Um jedoch eine möglichst hohe Flexibilität in Bezug auf eine Positionierung der intransparenten Schicht auf der Verschlussschicht oder der Trägerplatte, sowie insbesondere auch in Relation zur Position des Auslesebereichs, zu ermöglichen, ist die intransparente Schicht in einer zweckmäßigen Ausführung jedoch auf einer Außenseite, insbesondere auf einer der Trägerplatte abgewandten Außenseite der Verschlussschicht, angeordnet. Im Fall der Anordnung auf der Verschlussschicht kann letztere auch erst nach deren Anordnung auf der Trägerplatte mit der intransparenten Schicht versehen, insbesondere bedruckt, werden.
In einer zweckmäßigen Ausführung ist die intransparente Schicht, insbesondere deren Material, derart gewählt, dass diese im visuellen Spektralbereich, insbesondere zumindest im Wellenlängenbereich der Anregung während der Fluoreszenz-Analyse, (zumindest teilweise, vorzugsweise aber innerhalb technisch üblicher Grenzen vollständig) absorbiert oder diffus reflektiert. Eine Absorption hat dabei den Vorteil, dass die bei der Fluoreszenz-Analyse eingebrachte Strahlung (die zur Anregung der Fluoreszenz dient) die mittels eines entsprechenden Sensors des Analysegeräts erfasste Lichtmenge nicht oder lediglich zu einem vernachlässigbaren Maß beeinflusst. Eine diffuse Reflexion oder Streuung hat den Vorteil, dass zumindest näherungsweise unabhängig von einem Einstrahlwinkel der eingebrachten Strahlung stets eine konstante reflektierte Lichtmenge aufgrund von Reflexion zu erwarten ist.
In einer alternativen Ausführung ist die intransparente Schicht, konkret deren Material derart gewählt, dass diese im visuellen Spektralbereich reflektiert, d. h. insbesondere spiegelnd wirkt. Anders ausgedrückt reflektiert die intransparente Schicht somit die zur Anregung eingebrachte Strahlung zurück in die Prozesskammer. Dadurch kann eine erhöhte Lichtausbeute erreicht werden, da auch reflektierte Strahlung die gegebenenfalls vorhandenen Fluoreszenzmarker zur Fluoreszenz anregen kann und somit die Wahrscheinlichkeit, vorhandene Fluoreszenzmarker anzuregen, erhöht ist.
Ferner kann die intransparente Schicht aber auch aus (bei Anregung durch die eingebrachte Strahlung) fluoreszierendem Material gebildet sein. Dies würde zu einem konstanten und somit auf einfache Weise im Rahmen der Fluoreszenz-Analyse berücksichtigbarem Beitrag führen.
In einer optionalen Ausführung ist ein Schwellwert für eine bei der Fluoreszenz-Analyse erfasste Lichtmenge, die auf eine hinreichend hohe Konzentration (insbesondere also auf das Vorhandensein) eines spezifischen Bereichs von Erbgut (bspw. eine DNA-Sequenz) in der zu analysierenden Probe hinweist, in Abhängigkeit von dem Absorptions-, Reflexions- und/oder Fluoreszenz-Verhalten der intransparenten Schicht gewählt. Da bei einer absorbierenden intransparenten Schicht die Lichtausbeute auch bei gleicher Konzentration wie bei einer spiegelnden intransparenten Schicht niedriger ist, kann hier bspw. der Schwellwert auch geringer gewählt sein. Entsprechend umgekehrt kann bei einer spiegelnden intransparenten Schicht die Lichtausbeute derart hoch sein, dass der Schwellwert im Verhältnis heraufgesetzt werden muss. Ein geeigneter Schwellwert kann beispielsweise mittels Vergleichsmessungen ermittelt werden.
Um den Wärmeeintrag seitens der Heizfläche in die Prozesskammer möglichst nicht zu beeinflussen, ist in einer vorteilhaften Ausführung das Material für die intransparente Schicht derart gewählt, dass dieses eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, deren Wert in einem gleichen oder größeren Größenbereich in Bezug auf ein Material der Verschlussschicht oder der Trägerplatte (im Fall der Anordnung der intransparenten Schicht an letzterer) liegt. Ein typischer Wert der Wärmeleitfähigkeit der Verschlussschicht liegt meist im Bereich von 0,15 bis 0,2 W/(mK), so dass der Wert der Wärmeleitfähigkeit des Materials der intransparenten Schicht vorzugsweise ebenfalls wenigstens 0,15 bis 0,2 W/(mK), vorzugsweise mehr als 0,2 W/(mK) (bspw. 0,21 bis 0,5 W/(mK)) aufweisen sollte.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist das Material für die intransparente Schicht derart gewählt, dass die intransparente Schicht eine gleiche oder größere Flexibilität aufweist als die Verschlussschicht. Dadurch wird insbesondere ermöglicht, dass sich die Verschlussschicht auch mit der applizierten intransparenten Schicht flächig an die Heizfläche des Analysegeräts anlegen (anschmiegen) kann, sodass ein guter Wärmeübergang von der Heizfläche auf die Probenkartusche, insbesondere ohne Bildung von isolierenden Lufttaschen, ermöglicht ist.
Vorzugsweise beträgt eine Dicke der intransparenten Schicht zwischen 0,01 und 100 Mikrometer, vorzugweise zwischen 0,1 und 20 Mikrometer.
In einer weiteren optionalen Ausführung weist die intransparente Schicht ein elektrisches Funktionselement auf. Optional ist die intransparente Schicht durch dieses Funktionselement selbst gebildet oder dieses ist in die intransparente Schicht einbettet. Bei dem Funktionselement kann es sich insbesondere um ein Widerstandsheizelement, bspw. in Form einer Heizfolie (bspw. falls das Analysegerät keine Heizfläche aufweist), um eine (insbesondere gedruckte) Induktionsspule oder um eine Elektrode für eine Elektrophorese (bspw. in Form einer metallischen Folie) handeln. Dadurch können also Zusatzfunktionen von der intransparenten Schicht übernommen werden.
Im Rahmen einer, eine eigenständige Erfindung bildenden Ausführung ist die vorstehend beschriebene Schicht nicht intransparent gestaltet, sondern weist Lichtwellenleiter-Eigenschaften auf, die derart gewählt sind, dass der Wellenlängenbereich der eingebrachten Strahlung zur Anregung während der Fluoreszenz-Analyse und/oder ein Wellenlängenbereich der zu erwartenden Fluoreszenz gezielt umgelenkt und so unabhängig von einer potentiellen störenden Fluoreszenz aufgrund von Verunreinigungen eingestrahlt bzw. erfasst werden kann. In diesem Fall kann die Schicht alternativ zur vorstehenden Beschreibung auch auf der der Wärmeeintragsseite abgewandten Seite der Trägerplatte angeordnet sein. Bspw. wird hierzu ein Material gewählt, das für den gewünschten (oder unerwünschten) Wellenlängenbereich einen entsprechenden Brechungsindex aufweist. Optional ist dieses Material zu einer Folie geformt und mit einer Oberflächenstruktur versehen, die dazu führt, dass dieser Wellenlängenbereich in eine vorgegebene Richtung abgelenkt wird.
Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden insbesondere derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
Nachfolgend wird ein/werden Ausführungsbeispiel/e der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 in einer schematischen, teiltransparenten Darstellung ein Analysesystem mit einem Analysegerät und einer Probenkartusche zur Durchführung eines Analyseprozesses mittels einer Fluoreszenz-Analyse,
2 in einer schematischen Explosionsdarstellung die Probenkartusche,
3 in einer schematischen Draufsicht eine Trägervorrichtung des Analysegeräts,
4 in Ansicht gemäß 3 die Trägervorrichtung mit einer darauf angeordneten, teilfertiggestellten Probenkartusche,
5 in einer schematischen Ansicht auf eine Wärmeeintragsseite die Probenkartusche,
6 in Ansicht gemäß 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Probenkartusche, und
7, 8 in einer schematischen Schnittdarstellung jeweils ein Ausführungsbeispiel einer Verschlussschicht der Probenkartusche.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch ein Analysesystem 1 zur Durchführung eines Analyseprozesses mittels einer Fluoreszenz-Analyse, insbesondere im Rahmen eines PCR-Tests. Dazu weist das Analysesystem 1 ein Analysegerät 2 und (wenigstens) eine, mit dem Analysegerät 2 zu verwendende Probenkartusche (kurz: „Kartusche 4“) auf.
Das Analysegerät 2 weist eine Trägervorrichtung 6 auf, die zur Halterung der Kartusche 4 eingerichtet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Trägervorrichtung 6 durch einen Drehteller 8 gebildet, auf dem die Kartusche 4, im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei solcher Kartuschen 4 angeordnet werden können (s. auch 3 und 4). Das Analysegerät 2 weist ferner einen Antrieb 10 für den Drehteller 8, einen Controller 12, eine Heizvorrichtung 14 mit einer (einer jeden Kartusche 4 zugeordneten) Heizplatte 16 (s. 3 und 4) und einen Fluoreszenzdetektor 18 zur Durchführung einer Fluoreszenz-Analyse auf. Der Controller 12 ist mit dem Antrieb 10, der Heizvorrichtung 14 und dem Fluoreszenzdetektor 18 steuerungstechnisch verschaltet. In einem bestimmungsgemäßen Betrieb ist wenigstens eine Kartusche 4 zur Durchführung des Analyseprozesses auf dem Drehteller 8 positioniert und wird mittels des Drehtellers 8 zentrifugiert sowie mittels der Heizvorrichtung 14 lokal erwärmt.
Die Kartusche 4 weist wie in 2 schematisch dargestellt eine scheibenförmige, konkret etwa halbkreis-scheibenförmige, Trägerplatte 20 auf, in die eine mikrofluidische Kanal- und Kammerstruktur 22 eingeformt ist. Die Kanal- und Kammerstruktur 22 ist durch eine Vielzahl von Kanälen 24 und Kammer 26 gebildet, die zumindest teilweise untereinander in fluidischer Verbindung stehen. Die Trägerplatte 20 ist aus transparentem Kunststoff gebildet. Die Kanal- und Kammerstruktur 22 ist dabei von einer ersten Flachseite, im Folgenden als „Wärmeeintragsseite 28“ bezeichnet in die Trägerplatte 20 eingebracht.
Aufgrund der vorstehend genannten Zentrifugation und Erwärmung wird eine Probenflüssigkeit durch die Kanäle 24 und Kammern 26 gepumpt und dabei verschiedenen Prozessschritten unterworfen, konkret mit vorgehaltenen Pufferlösungen verdünnt und mit sogenannten (Fluoreszenz-) Markern sowie Erbgutbausteinen versetzt. Die Kanal- und Kammerstruktur 22 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mehrere Prozesskammern 30 (auch: Reaktionskammern) auf, in die die Probenflüssigkeit final eingeleitet wird und in denen die eigentliche Polymerase-Kettenreaktion erfolgt. Da die Polymerase-Kettenreaktion bekanntermaßen unter Einwirkung von Wärme abläuft, ist die vorstehend genannte Heizplatte 16 derart auf dem Drehteller 8 positioniert, dass die Kartusche 4 im bestimmungsgemäßen Betrieb mit einem Bereich, in dem die Prozesskammern 30 angeordnet sind, auf der Heizplatte 16 aufliegt und letztere diesen Bereich der Kartusche 4 überdeckt. Die Heizplatte 16 bildet also eine Kontakt- und Heizfläche für die Kartusche 4.
Der Fluoreszenzdetektor 18 weist eine nicht näher dargestellte Lichtquelle und einen nicht näher dargestellten Photodetektor auf. Während des Analyseprozesses wird für eine Fluoreszenz-Analyse Licht mit einem vorgegebenen Wellenlängenbereich durch die transparente Trägerplatte 20 in die Prozesskammern 30 gestrahlt. Weist die Probenflüssigkeit spezifische Erbgutbereiche (oder: Abschnitte, Sequenzen) auf, die mit den vorgehaltenen Erbgutbausteinen vervielfältigt werden können und mit denen die Marker koppeln, fluoreszieren letztere unter der Bestrahlung mit dem Licht. Die aufgrund dieser Fluoreszenz vorliegende Strahlung wird wiederum mit dem Photodetektor erfasst (vgl. strichlinierte Pfeile in 1). Der Bereich, in dem die Prozesskammern 30 angeordnet sind, wird deshalb im Folgenden auch als „Auslesebereich 32“ bezeichnet.
Die Kartusche 4 weist außerdem auch eine Verschlussschicht auf, konkret eine Siegelfolie 34, mittels derer die Trägerplatte 20 auf ihrer Wärmeeintragsseite 28 verschlossen ist. Die Siegelfolie 34 dient dem fluiddichten Verschluss der Kanäle 24 und Kammern 26, aber auch als flache Kontaktlage zur Heizplatte 16. Auf einer gegenüberliegenden Seite weist die Kartusche 4 eine Deckplatte („Cover 36“, s. 2) auf, das mechanischen Schutz für die Trägerplatte 20 aber auch eine thermische Isolation gegen zu schnelles Abkühlen während des Analyseprozesses bietet. Auf diesem Cover 36 ist meist auch ein Label 38 angeordnet, auf dem bspw. eine Seriennummer der Kartusche 4 und dergleichen aufgedruckt sein kann. Das Cover 36 weist ein Auslesefenster 40 auf, durch das hindurch die Fluoreszenz-Analyse erfolgt und der Auslesebereich 32 einsehbar ist. Die Siegelfolie 34 ist an sich transparent ausgestaltet. Dadurch kann eine Fertigungsendkontrolle vergleichsweise einfach durchgeführt werden.
Da im laufenden Betrieb des Analysegeräts 2 die Heizplatte 16 mit der Zeit Verunreinigungen aufweist, bspw. niedergeschlagenen Staub, Fett etc., kann bei Bestrahlung während der Fluoreszenz-Analyse auch eine störende Fluoreszenz dieser Verunreinigungen auftreten. Diese kann zu falschen Ergebnissen der Fluoreszenz-Analyse führen, was wiederum bei Untersuchungen auf Krankheiten unerwünscht ist (insbesondere zu sogenannten Falsch-Positiv- oder Falsch-Negativ-Ergebnissen). Um einen Einfluss durch solche Verunreinigungen zu unterbinden, weist die Kartusche 4 eine intransparente Schicht 42 auf (s. 5, 6). Diese ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel an der Wärmeeintragsseite 28 angeordnet und derart positioniert, dass diese im Auslesebereich 32 liegt und zumindest die Prozesskammern 30 abdeckt (s. auch 4, hier ist die Kartusche 4 ohne Cover 36 und Laber 38 dargestellt). Diese intransparente Schicht 42 ist also im bestimmungsgemäßen Betrieb zwischen der Heizplatte 16 und der jeweiligen Prozesskammer 30 angeordnet.
In 5 ist dabei ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die intransparente Schicht 42 lokal aber flächig über den Auslesebereich 32 ausgebildet ist. In 6 ist jeder Prozesskammer 30 lokal nur ein „Fleck“ (bspw. ein rechteckförmiger, ovaler oder dergleichen Teil) der intransparenten Schicht 42 zugeordnet. Die intransparente Schicht 42 verhindert, dass durch die jeweilige Prozesskammer 30 störende Fluoreszenz der Verunreinigungen zum Fluoreszenzdetektor 18 gelangen kann.
In einem Ausführungsbeispiel ist die intransparente Schicht 42 als schwarze, absorbierende Tintenstrahldruckschicht ausgebildet. In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die intransparente Schicht 42 als weiße mittels Plasma-Beschichtung aufgetragene Aluminiumschicht, die diffus streuend ist, ausgebildet. Die intransparente Schicht 42 kann durch eine Vielzahl von Druck- und Beschichtungsverfahren aufgebracht werden und aus unterschiedlichen Materialien, wie Metallen, Graphit, Farben etc. gebildet sein. Vorteilhaft ist hierbei ein Material mit einem möglichst geringen thermischen Widerstand, so dass hier keine oder nur eine vernachlässigbare Beeinflussung der Erwärmung durch die Heizplatte 16 ermöglicht wird.
Die Schichtdicke der intransparenten Schicht 42 beträgt in den dargestellten Ausführungsbeispielen zwischen 0,01 und 10 Mikrometer.
In 7 und 8 sind zwei alternative Ausführungsbeispiele der Siegelfolie 34 und der intransparenten Schicht 42 dargestellt. Gemäß 7 ist die intransparente Schicht 42 außenseitig, konkret außenseitig zur Kartusche 4, auf die (mehrlagige) Siegelfolie 34 aufgebracht. Gemäß 8 ist die intransparente Schicht 42 dagegen zwischen zwei Lagen der mehrlagigen Siegelfolie 34 eingebracht.
Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: Analysesystem
2: Analysegerät
4: Kartusche
6: Trägervorrichtung
8: Drehteller
10: Antrieb
12: Controller
14: Heizvorrichtung
16: Heizplatte
18: Fluoreszenzdetektor
20: Trägerplatte
22: Kanal- und Kammerstruktur
24: Kanal
26: Kammer
28: Wärmeeintragsseite
30: Prozesskammer
32: Auslesebereich
34: Siegelfolie
36: Cover
38: Label
40: Auslesefenster
42: intransparente Schicht

Claims

Probenkartusche (4) für die Durchführung eines Analyseprozesses mittels einer Fluoreszenz-Analyse, aufweisend - eine Trägerplatte (20), in die von einer ersten Flachseite (28) her eine mikrofluidische Kanal- und Kammerstruktur (22) eingebracht ist, wobei die Trägerplatte (20) einen Auslesebereich (32) aufweist, in dem wenigstens eine Prozesskammer (30) angeordnet ist, - eine Verschlussschicht (34), die im bestimmungsgemäßen Endfertigungszustand der Probenkartusche (4) die Kanal- und Kammerstruktur (22) auf der ersten Flachseite (28) verschließt, - eine intransparente Schicht (42), die den Auslesebereich (32) auf einer Wärmeeintragsseite (28), die durch die erste Flachseite oder eine dieser gegenüberliegenden zweite Seite der Trägerplatte (20) gebildet ist, zumindest teilweise abdeckt.
Probenkartusche (4) nach Anspruch 1, wobei die erste Flachseite der Trägerplatte (20) die Wärmeeintragsseite (28) bildet, wobei die intransparente Schicht (42) Teil der Verschlussschicht (34) ist, und wobei die Trägerplatte (20) zumindest in dem Auslesebereich (32) transparent ist.
Probenkartusche (4) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die intransparente Schicht (42) nur lokal ausgebildet ist, insbesondere wobei eine flächige Erstreckung der intransparenten Schicht (42) derart gewählt ist, dass diese nur den Auslesebereich (32) abdeckt oder diesen nur geringfügig überdeckt.
Probenkartusche (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei es sich bei der intransparenten Schicht (42) um eine Folie handelt.
Probenkartusche (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei es sich bei der intransparenten Schicht (42) um eine aus einem formlosen Zwischenmaterial applizierte Schicht handelt.
Probenkartusche (4) nach Anspruch 5, wobei die intransparente Schicht (42) mittels eines Druckverfahrens oder eines Beschichtungsverfahrens, insbesondere eines Bedampfungsverfahrens, appliziert ist.
Probenkartusche (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die intransparente Schicht (42) auf einer Außenseite der Verschlussschicht (34), insbesondere auf einer der Trägerplatte (20) abgewandten Außenseite, angeordnet ist.
Probenkartusche (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die intransparente Schicht (42) Strahlung im visuellen Spektralbereich absorbiert oder diffus streut.
Probenkartusche (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die intransparente Schicht (42) Strahlung im visuellen Spektralbereich reflektiert.
Probenkartusche (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Material für die intransparente Schicht (42) derart gewählt ist, dass dieses eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, deren Wert in einem gleichen oder größeren Größenbereich in Bezug auf ein Material der Verschlussschicht (34) oder der Trägerplatte (20) liegt.
Probenkartusche (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei ein Material für die intransparente Schicht (42) derart gewählt ist, dass diese eine gleiche oder größere Flexibilität aufweist als die Verschlussschicht (34).
Probenkartusche (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei eine Dicke der intransparenten Schicht (42) zwischen 0,001 und 100 Mikrometer, vorzugweise zwischen 0,01 und 10 Mikrometer, beträgt.
Probenkartusche (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die intransparente Schicht (42) ein elektrisches Funktionselement, insbesondere ein Widerstandsheizelement, eine Induktionsspule oder eine Elektrode für eine Elektrophorese, aufweist.
Analysesystem für die Durchführung eines Analyseprozesses mittels einer Fluoreszenz-Analyse, aufweisend - eine Probenkartusche (4), umfassend + eine Trägerplatte (20), in die von einer ersten Flachseite (28) her eine mikrofluidische Kanal- und Kammerstruktur (22) eingebracht ist, wobei die Trägerplatte (20) einen Auslesebereich (32) aufweist, in dem wenigstens eine Prozesskammer (30) angeordnet ist, + eine Verschlussschicht (34), die im bestimmungsgemäßen Endfertigungszustand der Probenkartusche (4) die Kanal- und Kammerstruktur (22) auf der ersten Flachseite (28) verschließt, und + eine intransparente Schicht (42), die den Auslesebereich (32) auf einer Wärmeeintragsseite (28), die durch die erste Flachseite oder eine dieser gegenüberliegende zweite Flachseite der Trägerplatte (20) gebildet ist, zumindest teilweise abdeckt, sowie - ein Analysegerät (2) mit einer Trägervorrichtung (6) zur Halterung der Probenkartusche (4), wobei die Trägervorrichtung (6) eine Kontaktfläche, insbesondere eine Heizfläche, aufweist, auf der im bestimmungsgemäßen Einsatzzustand die Prozesskartusche (4) im Auslesebereich (32) mit der Wärmeeintragsseite (28) aufliegt.