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DE102016211355A1 - Analysis system and method for performing an analysis - Google Patents

Analysis system and method for performing an analysis Download PDF

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DE102016211355A1
DE102016211355A1 DE102016211355.0A DE102016211355A DE102016211355A1 DE 102016211355 A1 DE102016211355 A1 DE 102016211355A1 DE 102016211355 A DE102016211355 A DE 102016211355A DE 102016211355 A1 DE102016211355 A1 DE 102016211355A1
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chamber
analysis system
distribution characteristic
temperature distribution
layer
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Anna Ohlander
Indranil Ronnie Bose
Aman Russom
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Abstract

Ausführungsbeispiele gemäß dem Hauptaspekt beruhen auf der Erkenntnis, dass eine Heizvorrichtung, die eine erste Geometrie aufweist, aufgrund der Wärmeleitfähigkeit an den Flanken der Heizvorrichtung Wärme in die Richtung der Kammer in einer anderen Geometrie abstrahlt. Ausgehend von dieser Erkenntnis ist die Form der Kammer an die Form der Temperaturverteilungscharakteristik und nicht an die Form der Heizvorrichtung angepasst. Ein derartiges Konzept hat vorteilhafte Auswirkungen auf das Temperaturverhalten und vor allem auf die Konstanten und die Gradienten in der Kammer.Embodiments according to the main aspect are based on the finding that a heater having a first geometry radiates heat in the direction of the chamber in a different geometry due to the thermal conductivity at the edges of the heater. Based on this knowledge, the shape of the chamber is adapted to the shape of the temperature distribution characteristic and not to the shape of the heater. Such a concept has advantageous effects on the temperature behavior and especially on the constants and the gradients in the chamber.

Description

Ein Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Analysesystem, das eine Heizvorrichtung aufweist. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Analysekartusche oder tragbare Diagnostiksysteme, die ein Analysesystem aufweisen.One aspect of the invention relates to an analysis system having a heater. Preferred embodiments relate to an analysis cartridge or portable diagnostic systems having an analysis system.

Chiplabors (Lab-on-a-Chip, LoC), Folienlabor (Lab-on-a-Foil), Mikrototalanalysensysteme (micro-total-analysis-systems, μTAS) oder bio-mikroelektromechanische Systeme (Bio-MEMS) sind übliche Namen für solche Systeme, die sich mit der Miniaturisierung chemischer und biologischer Laborprozesse und Versuche im Mikroskalenformat beschäftigen, mit dem Ziel, die Leistungsfähigkeit des Versuchs zu verbessern und seinen Kosten- und Zeitaufwand zu verringern. Diesen Systemen ist gemein, dass sie mit Flüssigkeiten umgehen, da sie allgemein aus einem Satz mikrofluidischer Kanäle und/oder Hohlräume bestehen, die auf einem Substrat integriert sind. Je nach Anwendung erfordern diese Systeme mannigfaltige sonstige Funktionalitäten wie beispielsweise Mischen, Erwärmen und Filtern von Proben und Reagenzien und Detektion spezifischer Analyten oder Endprodukte, um in der Lage zu sein, einen entsprechenden Laborumfang analog nachzubilden. Die verschiedenen Funktionalitäten können dem mikrofluidischen System entweder durch Miniaturisierung und Integration als chipinterne Komponenten bereitgestellt werden oder können als chipexterne Makroskalen-Komponenten getrennt gehalten werden, wobei eine Makro-zu-Mikro-Schnittstelle, die die Funktionalität in das mikrofluidische Bauelement integriert, Vorteile wie beispielsweise eine verbesserte Leistungsfähigkeit und Empfindlichkeit (direkter Kontakt mit der Probe) und eine Verringerung von voluminösen chipexternen Komponenten (wichtig für tragbare Anwendungen, PoC) mit sich bringt, jedoch mit erhöhten Kosten einhergeht, da eine chipinterne Integration zusätzliche Verarbeitungsschritte beinhaltet.Lab-on-a-chip (Lab-on-a-Foil), micro-total-analysis-systems (μTAS), or bio-micro-electro-mechanical (Bio-MEMS) systems are common names for Such systems, which deal with the miniaturization of chemical and biological laboratory processes and experiments in micro scale format, with the aim to improve the efficiency of the experiment and to reduce its cost and time. Common to these systems is that they handle liquids since they generally consist of a set of microfluidic channels and / or cavities integrated on a substrate. Depending on the application, these systems require a variety of other functionalities, such as mixing, heating and filtering of samples and reagents, and detection of specific analytes or final products to be able to analogously model a corresponding range of laboratory equipment. The various functionalities may be provided to the microfluidic system either by miniaturization and integration as on-chip components, or may be kept separate as off-chip macroscale components, with a macro-to-micro interface that integrates functionality into the microfluidic device having advantages such as Improved performance and sensitivity (direct contact with the sample) and reduction of bulky off-chip components (important for portable applications, PoC), but at an increased cost, because on-chip integration involves additional processing steps.

Um Verunreinigungsrisiken zu vermeiden, sind mikrofluidische Systeme oft wegwerfbare Einwegsysteme mit dem Erfordernis geringer Material- und Herstellungskosten, und somit werden Kunststoffe und Polymere gegenüber dem klassischen MEMS-Material Silikon bevorzugt. Mikrospritzguss ist die aktuelle hochmoderne Herstellungstechnologie für eine Massenproduktion dieser Systeme. Trotz der Möglichkeit, Millionen von mikrofluidischen Kunststoffsubstraten mit hohem Durchsatz herzustellen, weist das Verfahren Schwierigkeiten beim Integrieren von Funktionalitäten auf. Das spritzgegossene mikrofluidische Systems allgemein durch ein Lösungsmittel- oder thermisches Bonden hergestellt, was oft mit Elektroden und Biomolekülen, die integriert werden sollen, nicht vereinbar ist. Eine Verwendung von Kunststofffolien und eine Rolle-zu-Rolle-Herstellung ist ein attraktives alternatives Massenproduktionsverfahren, da eine Integration derartiger Elemente durch die Verwendung von laminierungsbasierten Prozessen und druckempfindlichen Klebebändern ohne Weiteres und mit hohem Durchsatz erfolgt. Dies ermöglicht, dass verschiedene Materialien in einem Mischen-und-Abgleichen-Lösungsansatz (Mischbetriebs-Lösungsansatz, mix-and-match approach) miteinander gebondet werden können und jede Komponente des Systems unter für sie optimalen Bedingungen hergestellt werden kann.To avoid contamination risks, microfluidic systems are often disposable disposable systems requiring low material and manufacturing costs, and thus plastics and polymers are preferred over the classic MEMS silicone material. Micro injection molding is the current state-of-the-art manufacturing technology for mass production of these systems. Despite the ability to produce millions of high throughput microfluidic plastic substrates, the process has difficulty integrating functionalities. The injection molded microfluidic system is generally made by solvent or thermal bonding, which is often incompatible with electrodes and biomolecules to be integrated. Use of plastic films and roll-to-roll production is an attractive alternative mass production process because integration of such elements through the use of lamination-based processes and pressure-sensitive adhesive tapes is readily accomplished with high throughput. This allows various materials to be bonded together in a mix-and-match approach, and any component of the system can be manufactured under optimal conditions.

Eine exakte Temperatursteuerung bei mikrofluidischen Systemen ist oft eine essenziell wichtige Funktionalität, da viele biochemische Reaktionen von spezifischen Temperaturen abhängen. Beispielsweise erfordern ein Zellwachstum und eine Zellvermehrung bei einem Zellkultivierungsversuch konstant 37°C. Bei einem Experiment einer DNA-Hybridisierung hybridisieren Target- und Analytstrang nur unter einer Inkubation bei 37°C. Ferner verwenden viele DNA-Amplifikationsprotokolle spezifische Temperaturen, um die verschiedenen Schritte in der Amplifikationskette zu steuern. Die schleifenvermittelte isotherme Amplifikation (LAMP, loop mediated isothermal amplification) wird bei konstant 60–65°C durchgeführt. Die Rolling-Circle-Amplifikation (RCA) erfordert einen bei 95°C erfolgenden Denaturierungsschritt, bevor eine Verlängerung bei 30°C durchgeführt wird, und schließlich verwendet die Polymerase-Kettenreaktion (PCR – polymerase chain reaction) ein Durchlaufen zyklischer Vorgänge zwischen ~63°C, ~72°C und ~95°C für eine exponentielle Amplifikation der Vorlage-DNA. Um eine präzise Temperatursteuerung und hohe Erwärmungs- und Abkühlraten zu erhalten, weist eine Integration von Mikroskalen-Heizvorrichtungen im Vergleich zu externen Makroskalen-Heizvorrichtungen aufgrund des direkten thermischen Kontakts mit der Mikrofluidik eine bessere Leistungsfähigkeit auf.Precise temperature control in microfluidic systems is often an essential functionality, as many biochemical reactions depend on specific temperatures. For example, cell growth and proliferation in a cell culture experiment require a constant 37 ° C. In an experiment of DNA hybridization, the target and analyte strand hybridize only under incubation at 37 ° C. Furthermore, many DNA amplification protocols use specific temperatures to control the various steps in the amplification chain. Loop-mediated isothermal amplification (LAMP) is performed at a constant 60-65 ° C. Rolling circle amplification (RCA) requires a denaturation step at 95 ° C before extension at 30 ° C, and finally, the polymerase chain reaction (PCR) uses cyclic events between ~ 63 ° C, ~ 72 ° C and ~ 95 ° C for exponential amplification of the template DNA. In order to obtain precise temperature control and high heating and cooling rates, integration of micro-scale heaters has improved performance compared to external macroscale heaters due to direct thermal contact with the microfluidics.

Wir haben bereits die Detektion von SNPs (Einzelnukleotid-Polymorphismen, single nucleotide polymorphisms) anhand einer Schmelzkurvenanalyse an DNA-Mikroarrays demonstriert, die unter Verwendung von semitransparenten Kupfergitter-Heizvorrichtungen, die auf Kunststofffolie strukturiert sind, integriert sind [1], [2], [3], [4]. Es hat sich herausgestellt, dass die Mikroheizvorrichtung an der Stelle der Analyse eine robuste und homogene Temperatur bereitstellt, mittels Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt werden kann (geringe Kosten) und eine Energiezufuhr von 2 V erfordert (weshalb sie tragbar ist).We have already demonstrated the detection of SNPs (single nucleotide polymorphisms) by melting curve analysis on DNA microarrays integrated using semitransparent copper grid heaters patterned on plastic film [1], [2], [3], [4]. It has been found that the microheater provides a robust and homogeneous temperature at the point of analysis, can be made roll-to-roll (low cost) and requires 2V power input (which is why it is portable).

Ein herkömmliches Chiplabor ist in 9a gezeigt. 9a zeigt ein Analysesystem 10* (auch als Chiplabor bezeichnet), das eine Heizvorrichtung 12*, z. B. eine Kupferheizvorrichtung auf einer Folie und eine Kammer 14* zum Verarbeiten von Analyten aufweist. Die Kammer kann beispielsweise ein DNA-Mikroarray sein, wie durch die Vergrößerung der Kammer 14* gezeigt ist. Zum Transportieren der Analyte, hier der DNA aufweisenden Analyte, in die Kammer 14* muss die Schicht der Kammer 14* eventuell einen oder mehrere mikrofluidische Kanäle 14mf* aufweisen. Die Kammer 14* ist in einer Schicht gebildet, die neben der die Heizvorrichtung 12* aufweisenden Schicht liegt. Beispielsweise können Schicht der Kammer 14* und die Schicht der Heizvorrichtung 12* anhand einer strukturierten doppelseitigen Klebefolie 14a* aneinander befestigt sein. Zusätzlich kann die Schicht der Kammer 14* durch eine Folienabdeckung (aus PET/Acryl/PEN) 14c* bedeckt sein, die auf einer Seite der Kammer angeordnet ist, die der die Heizvorrichtung 12* aufweisenden Schicht gegenüberliegt.A conventional chip lab is in 9a shown. 9a shows an analysis system 10 * (also called chip lab), which is a heating device 12 * , z. B. a copper heater on a foil and a chamber 14 * for processing analytes. The chamber may be, for example, a DNA microarray, such as by enlarging the chamber 14 * is shown. For transporting the analytes, here the DNA having analytes, into the chamber 14 * must be the layer of the chamber 14 * possibly one or more microfluidic channels 14mf * exhibit. The chamber 14 * is formed in a layer next to the the heater 12 * having layer. For example, layer of the chamber 14 * and the layer of the heater 12 * using a structured double-sided adhesive film 14a * be attached to each other. In addition, the layer of the chamber 14 * through a foil cover (made of PET / acrylic / PEN) 14c * be covered, which is arranged on one side of the chamber, that of the heating device 12 * facing layer.

Das Analysesystem 10* hat den Zweck, eine Detektion von SNPs anhand einer Schmelzkurvenanalyse durchzuführen. Eine Schmelzkurvenanalyse ist eine Beurteilung einer Dissoziationscharakteristik einer doppelstrangigen DNA während des Erwärmens. Mit steigender Temperatur beginnt sich der Doppelstrang aufzuspalten, was zu einem Anstieg der Absorbanzintensität, Hyperchromie, führt. Die Temperatur, bei der 50% einer DNA denaturiert wird, ist als Schmelzpunkt bekannt. Die gewonnenen Informationen können zum Interpretieren des Vorliegens und der Identität des SNP verwendet werden.The analysis system 10 * The purpose is to perform a detection of SNPs using a melting curve analysis. Melting curve analysis is an evaluation of a dissociation characteristic of a double-stranded DNA during heating. As the temperature increases, the duplex begins to split, resulting in an increase in absorbance intensity, hyperchromia. The temperature at which 50% of a DNA is denatured is known as the melting point. The information obtained can be used to interpret the presence and identity of the SNP.

In 9b sind mehrere Schmelzkurven gezeigt. Üblicherweise sind die Schmelzkurven als Diagramme aufgetragen, die die Abhängigkeit zwischen einer Fluoreszenz und einer Temperatur, bei der die Fluoreszenz stattfindet, zeigen. Die gezeigten Schmelzkurven gehören zu zwei Gruppen, nämlich zu einer ersten Gruppe, die mit 20m* markiert ist und Übereinstimmungen zeigt, und zu einer zweiten Gruppe, die mit 20mm* markiert ist und Nichtübereinstimmungen zeigt. Um derartige Schmelzkurven 20m* und 20mm* zu detektieren, wird die Temperatur des Analyten ziemlich präzise erhöht, wobei der Analyt z. B. unter Verwendung eines optischen Detektors bezüglich seiner Fluoreszenz oder bezüglich eines anderen optischen Effekts wie beispielsweise Kolorimetrie oder Chemolumineszenz überwacht wird.In 9b Several melting curves are shown. Usually, the melting curves are plotted as graphs showing the dependence between fluorescence and a temperature at which fluorescence occurs. The melting curves shown belong to two groups, namely to a first group with 20m * is marked and matches, and to a second group with 20mm * is marked and shows mismatches. To such melting curves 20m * and 20mm * to detect the temperature of the analyte is increased fairly precisely, the analyte z. B. is monitored using an optical detector with respect to its fluorescence or with respect to another optical effect such as colorimetry or chemiluminescence.

Wie bezüglich des Diagramms der 9b zu sehen ist, das die Schmelzkurvenanalyse veranschaulicht, besteht das Erfordernis einer ziemlich genauen Temperaturanpassung.As for the diagram of the 9b As can be seen, which illustrates the melting curve analysis, there is a need for fairly accurate temperature matching.

Lösungsansätze gemäß dem Stand der Technik, z. B. der oben erörterte Lösungsansatz des Analysesystems 10*, sind oft nachteilig bezüglich der Konstanten der Temperatur in der Kammer oder bezüglich der Gradienten über die lateralen Abmessungen der Kammer hinweg. Ein weiterer häufiger Nachteil liegt bezüglich des optischen Detektors und seiner Fähigkeit, den optischen Effekt genau zu überwachen, vor. Ferner verursacht das Analysesystem oft hohe Herstellungskosten. Deshalb besteht ein Erfordernis eines verbesserten Lösungsansatzes.Solution approaches according to the prior art, for. B. the above-discussed solution approach of the analysis system 10 * , are often detrimental to the temperature constant in the chamber or to the gradients across the lateral dimensions of the chamber. Another common disadvantage is the optical detector and its ability to accurately monitor the optical effect. Furthermore, the analysis system often causes high manufacturing costs. Therefore, there is a need for an improved approach.

Hauptaspektkey aspect

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Konzept zum Verbessern des Temperaturverhaltens in der Kammer bereitzustellen.An object of the present invention is to provide a concept for improving the temperature behavior in the chamber.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand unabhängiger Patentansprüche gelöst.This object is solved by the subject matter of independent claims.

Ausführungsbeispiele, die zu dem Hauptaspekt gehören, liefern ein Analysesystem zum Analysieren eines Analyten. Das Analysesystem weist eine Kammer und eine Heizvorrichtung, z. B. eine (Kupfer-)Gitter-Heizvorrichtung, auf, die in eine Schicht integriert ist und eine zweidimensionale Geometrie, z. B. ein Quadrat, aufweist. Die Schicht ist neben der Kammer angeordnet. Die Heizvorrichtung ist dazu konfiguriert, gemäß einer zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik, die eine Form, z. B. eine ovale Form, aufweist, Wärme an die Kammer abzugeben. Eine laterale Form und/oder laterale Größe der Kammer sind an die Form und Größe der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik angepasst. Folglich kann die Kammer eine Größe aufweisen, die mit der Größe der Temperaturverteilungscharakteristik vergleichbar ist, und kann dieselbe Form, z. B. eine ovale Form, aufweisen.Embodiments pertaining to the main aspect provide an analysis system for analyzing an analyte. The analysis system comprises a chamber and a heating device, e.g. B. a (copper) grid heater, which is integrated into a layer and a two-dimensional geometry, for. As a square has. The layer is arranged next to the chamber. The heater is configured to have a shape according to a two-dimensional temperature distribution characteristic, e.g. As an oval shape, has to deliver heat to the chamber. A lateral shape and / or lateral size of the chamber are adapted to the shape and size of the two-dimensional temperature distribution characteristic. Consequently, the chamber may have a size comparable to the size of the temperature distribution characteristic, and may have the same shape, e.g. B. an oval shape.

Ausführungsbeispiele gemäß dem Hauptaspekt beruhen auf der Erkenntnis, dass eine Heizvorrichtung, die eine erste Geometrie aufweist, aufgrund der Wärmeleitfähigkeit an den Flanken der Heizvorrichtung Wärme in die Richtung der Kammer in einer anderen Geometrie abstrahlt. Ausgehend von dieser Erkenntnis ist die Form der Kammer an die Form der Temperaturverteilungscharakteristik und nicht an die Form der Heizvorrichtung angepasst. Ein derartiges Konzept hat vorteilhafte Auswirkungen auf das Temperaturverhalten und vor allem auf die Konstanten und die Gradienten in der Kammer.Embodiments according to the main aspect are based on the finding that a heater having a first geometry radiates heat in the direction of the chamber in a different geometry due to the thermal conductivity at the edges of the heater. Based on this knowledge, the shape of the chamber is adapted to the shape of the temperature distribution characteristic and not to the shape of the heater. Such a concept has advantageous effects on the temperature behavior and especially on the constants and the gradients in the chamber.

Gemäß Ausführungsbeispielen ist das Seitenverhältnis der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik vergleichbar oder im Wesentlichen identisch mit einem Seitenverhältnis der Kammer. Zusätzlich oder alternativ dazu ist die laterale Form dieser Kammer vergleichbar oder im Wesentlichen identisch mit der Form der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik. In diesem Kontext bedeutet „im Wesentlichen”, dass eine Nichtübereinstimmung von ±20% akzeptabel ist, beispielsweise falls das Seitenverhältnis der Temperaturverteilungscharakteristik 20% kleiner oder größer als die Kammer ist.According to embodiments, the aspect ratio of the two-dimensional Temperature distribution characteristic comparable or substantially identical to an aspect ratio of the chamber. Additionally or alternatively, the lateral shape of this chamber is comparable or substantially identical to the shape of the two-dimensional temperature distribution characteristic. In this context, "substantially" means that a mismatch of ± 20% is acceptable, for example, if the aspect ratio of the temperature distribution characteristic is 20% smaller or larger than the chamber.

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können die Größe der Kammer und der Temperaturverteilungscharakteristik vergleichbar oder im Wesentlichen identisch sein. Hier kann eine Unterscheidung für unterschiedliche Fälle erfolgen. Gemäß einem ersten Fall ist die Kammer 10% bis 30% kleiner als die Temperaturverteilungscharakteristik. Dieser Fall ermöglicht einen sehr kleinen Gradienten von der Mitte bis zum Rand, wodurch sich eine fast homogene Verteilung über die gesamte Kammer hinweg ergibt. Bei einem zweiten Fall ist die Temperaturverteilungscharakteristik innerhalb einer Toleranz von ±20% identisch mit der Kammer. Ein dritter Fall, gemäß dem die Kammer 10% bis 30% größer ist als die Temperaturverteilungscharakteristik, ermöglicht einen hohen Gradienten von der Mitte bis zum Rand. Der Gradient des zweiten Falles liegt in der Mitte zwischen dem ersten und dem zweiten Fall.According to further embodiments, the size of the chamber and the temperature distribution characteristic may be comparable or substantially identical. Here a distinction can be made for different cases. According to a first case, the chamber is 10% to 30% smaller than the temperature distribution characteristic. This case allows a very small gradient from the center to the edge, resulting in an almost homogeneous distribution over the entire chamber. In a second case, the temperature distribution characteristic is within a tolerance of ± 20% identical to the chamber. A third case, according to which the chamber is 10% to 30% larger than the temperature distribution characteristic, allows a high gradient from the center to the edge. The gradient of the second case lies midway between the first and second cases.

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist die Kammer für eine Polymerase-Kettenreaktion konfiguriert, wobei die Kammer größer ist als die zweidimensionale Temperaturverteilungscharakteristik, so dass ein Temperaturgradient von der Mitte bis zur Randregion der Kammer eine Zirkulation eines Fluids in der Kammer bewirkt. Ausgehend hiervon kann nicht nur die Zirkulation des Fluids erzielt werden, sondern es kann auch ein Entgasen eines Klebstoffmaterials in der Schicht der Kammer vermieden oder verringert werden.In other embodiments, the chamber is configured for a polymerase chain reaction wherein the chamber is greater than the two-dimensional temperature distribution characteristic so that a temperature gradient from the center to the edge region of the chamber causes circulation of fluid in the chamber. From this not only the circulation of the fluid can be achieved, but also a degassing of an adhesive material in the layer of the chamber can be avoided or reduced.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel liefert ein Analysesystem zum Analysieren eines Analyten. Das System weist eine Polymerase-Kettenreaktion-Kammer und eine Heizvorrichtung auf, die in eine neben der Kammer befindliche Schicht integriert ist und eine zweidimensionale Geometrie aufweist, wobei die Heizvorrichtung dazu konfiguriert ist, gemäß einer zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik, die eine Form aufweist, Wärme an die Kammer abzugeben, wobei eine laterale Form oder laterale Größe der Kammer derart ausgewählt ist, dass ein Temperaturgradient von der Mitte bis zur Randregion der Kammer eine Zirkulation eines Fluids in der Kammer bewirkt.Another embodiment provides an analysis system for analyzing an analyte. The system includes a polymerase chain reaction chamber and a heater integrated into a chamber adjacent the chamber and having a two-dimensional geometry, wherein the heater is configured to apply heat to the body in accordance with a two-dimensional temperature distribution characteristic having a shape Chamber, wherein a lateral shape or lateral size of the chamber is selected such that a temperature gradient from the center to the edge region of the chamber causes a circulation of a fluid in the chamber.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Kammer durch eine oder mehrere Polymerfolien gebildet und/oder weist ein Polymer mit geringer Wärmeleitfähigkeit auf. Dies hat den Vorteil, dass ein rascher zyklischer Temperaturwechsel erzielt wird, ohne die Komplexität des gesamten Systems zu erhöhen. In diesem Fall ist zu beachten, dass gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen die Heizvorrichtung als Dünnfilmheizvorrichtung implementiert und als Schicht auf der Hauptoberfläche der Kammer angeordnet ist.According to a further embodiment, the chamber is formed by one or more polymer films and / or has a polymer with low thermal conductivity. This has the advantage that a rapid cyclic temperature change is achieved without increasing the complexity of the entire system. In this case, it should be noted that according to preferred embodiments, the heater is implemented as a thin-film heater and disposed as a layer on the main surface of the chamber.

Zweiter AspektSecond aspect

Ein Ausführungsbeispiel gemäß einem weiteren Aspekt stellt ein Analysesystem zum Analysieren eines Analyten bereits. Das Analysesystem weist zumindest eine Kammer zum Verarbeiten des Analyten und ein temperatursteuerbares Element wie beispielsweise ein temperatursteuerbares Ventil sowie eine Steuerschicht auf. In der Steuerschicht ist eine Heizvorrichtung zum Erwärmen der zumindest einen Kammer sowie eine weitere, mit dem temperatursteuerbaren Element gekoppelte Heizvorrichtung implementiert. Die Heizvorrichtung zum Erwärmen der zumindest einen Kammer weist den Zweck auf, die Verarbeitung in der Kammer zu unterstützen oder die Verarbeitung zu ermöglichen, wohingegen die weitere Heizvorrichtung, die mit dem temperatursteuerbaren Element gekoppelt ist, dazu konfiguriert ist, das temperatursteuerbare Element durch Erwärmen desselben zu steuern. Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen werden die Heizvorrichtung und die Heizvorrichtung durch eine gemeinsame Heizschicht gebildet.An embodiment according to another aspect already provides an analysis system for analyzing an analyte. The analysis system has at least one chamber for processing the analyte and a temperature-controllable element such as a temperature-controllable valve and a control layer. In the control layer, a heating device for heating the at least one chamber and a further, coupled to the temperature-controllable element heater is implemented. The heating device for heating the at least one chamber has the purpose of assisting processing in the chamber or enabling processing, whereas the further heating device coupled to the temperature-controllable element is configured to supply the temperature-controllable element by heating it Taxes. According to preferred embodiments, the heating device and the heating device are formed by a common heating layer.

Ausführungsbeispiele eines weiteren Aspekts beruhen auf der Erkenntnis, dass nahezu alle oder alle Elemente als temperatursteuerbare Elemente implementiert werden können, so dass keine weiteren Elemente zum Steuern des Chiplabors implementiert werden müssen. Dies ist bezüglich der Komplexität des Analysesystems vorteilhaft.Embodiments of a further aspect are based on the recognition that almost all or all elements can be implemented as temperature-controllable elements, so that no further elements for controlling the chip laboratory have to be implemented. This is advantageous in terms of the complexity of the analysis system.

Gemäß Ausführungsbeispielen kann zumindest eine Kammer für eine Zellauflösung, DNA-Amplifikation, schnelle DNA-Hybridisierung und Target-Detektion bis hin zu einer Signalbasisschicht und/oder Polymerase-Kettenreaktion konfiguriert sein. Das temperatursteuerbare Element kann beispielsweise ein temperatursteuerbares Ventil sein, z. B. ein Ventil, das einen Wachspfropfen aufweist, der dazu konfiguriert ist, entweder offen oder geschlossen zu sein, indem er die Umgebungstemperatur steuert.According to embodiments, at least one chamber may be configured for cell dissolution, DNA amplification, rapid DNA hybridization and target detection to a signal base layer and / or polymerase chain reaction. The temperature-controllable element may for example be a temperature-controllable valve, z. A valve having a wax plug configured to be either open or closed by controlling the ambient temperature.

Da die temperatursteuerbaren Elemente und die verschiedenen Kammern für die verschiedenen Funktionen üblicherweise unterschiedliche Betriebstemperaturen aufweisen, kann die Größe der Heizvorrichtungen in der gemeinsamen Schicht je nach weiteren Ausführungsbeispielen variieren.Since the temperature-controllable elements and the various chambers for the various functions usually have different operating temperatures, the size of the heaters in the common layer may vary depending on further embodiments.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel stellt eine Analysekartusche bereit, die Stifte aufweist, die mit einer Lesevorrichtung, die die Analyse steuert und/oder auswertet, und einem Analysesystem zu verbinden sind. Hier sind die Stifte mit der Heizvorrichtung und der weiteren Heizvorrichtung der Steuerschicht derart verbunden, dass die Analysekartusche extern gesteuert werden kann.Another embodiment provides an analysis cartridge having pens to be connected to a reading device that controls and / or evaluates the analysis and an analysis system. Here, the pins are connected to the heater and the further heater of the control layer so that the analysis cartridge can be externally controlled.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel liefert ein Verfahren zum Steuern eines Analysesystems unter Verwendung der gemeinsamen Heizschicht.Another embodiment provides a method of controlling an analysis system using the common heating layer.

Dritter Aspekt Third aspect

Ein Ausführungsbeispiel dieses Nebenaspekts der Erfindung stellt ein Analysesystem zum Analysieren eines Analyten bereit. Das Analysesystem weist zumindest eine Kammer, eine semitransparente Heizvorrichtung und einen optischen Detektor auf, der in eine neben der Kammer befindliche Schicht integriert ist, um von der Kammer kommendes Licht zu erfassen. Der optische Detektor ist dazu konfiguriert, ein Signal auszugeben, das ein Transmissionsverhalten (Durchlässigkeitsverhalten) durch die Kammer hindurch angibt oder das eine optische Aktivität des Analyten angibt.An embodiment of this ancillary aspect of the invention provides an analysis system for analyzing an analyte. The analysis system comprises at least one chamber, a semitransparent heater and an optical detector integrated in a layer adjacent to the chamber for detecting light from the chamber. The optical detector is configured to output a signal indicative of transmission behavior (permeability behavior) through the chamber or indicative of an optical activity of the analyte.

Ausführungsbeispiele gemäß einem weiteren Aspekt beruhen auf der Erkenntnis, dass die Integration einer Kammer und einer semitransparenten Heizvorrichtung auf zwei unterschiedlichen Seiten der Kammer ein Analysesystem ermöglichen, das eine hohe Funktionalität, eine hohe Detektionsgenauigkeit und geringe Herstellungskosten aufweist. Dieses Konzept weist zusätzlich Vorteile bezüglich der Nutzbarkeit auf, da die Analysekartusche nicht bezüglich eines externen optischen Detektors positioniert oder ausgerichtet werden muss.Embodiments according to another aspect are based on the recognition that the integration of a chamber and a semi-transparent heater on two different sides of the chamber enable an analysis system that has high functionality, high detection accuracy, and low manufacturing cost. This concept also has usability advantages because the analysis cartridge need not be positioned or aligned with respect to an external optical detector.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine Lichtquelle auf einer Seite der Heizvorrichtung, d. h. gegenüber dem optischen Detektor, angeordnet sein. Aufgrund der Herstellung des Detektors und der Lichtquelle direkt auf dem mikrofluidischen System wird ermöglicht, die Sensibilität zu erhöhen, indem ein Lichtverlust durch kürzere Lichtwege und eine verringerte Anzahl von Lichtstreuungsgrenzflächen verringert wird. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Lichtquelle in Kombination mit einem optischen Filter verwendet werden, das dazu konfiguriert ist, eine Lichtquelle in einen Hintergrund mit homogen verteilter Ausleuchtung umzuwandeln. Hier kann auch eine Frequenzänderung derart durchgeführt werden, dass eine Lichtfrequenz mit einem Absorptionsspektrum des optischen Detektors übereinstimmt.According to another embodiment, a light source on one side of the heater, i. H. be arranged opposite the optical detector. Due to the manufacture of the detector and the light source directly on the microfluidic system, it is possible to increase the sensitivity by reducing light loss through shorter light paths and a reduced number of light scattering interfaces. According to another embodiment, the light source may be used in combination with an optical filter configured to convert a light source to a background with homogeneously distributed illumination. Here also a frequency change can be carried out such that a light frequency coincides with an absorption spectrum of the optical detector.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Analysesystem mit einem Prozessor gekoppelt sein, oder einen Prozessor aufweisen, der es ermöglicht, das Lichtdurchlässigkeitsverhalten und/oder die optische Aktivität des Analyten zu analysieren. Eine Lichtdurchlässigkeit durch die Kammer hindurch, die eine niedrige Absorption aufweist, gibt den Fall an, gemäß dem keine Reaktion erfolgt ist, eine Lichtdurchlässigkeit durch die Kammer hindurch, die eine hohe Absorption aufweist, gibt den Fall an, gemäß dem eine Reaktion erfolgt ist. Eine Fluoreszenz, Chemolumineszenz oder Kolorimetrie des Analyten gibt den Fall einer im Gang befindlichen biochemischen Reaktion an.According to a further embodiment, the analysis system can be coupled to a processor, or have a processor that makes it possible to analyze the light transmission behavior and / or the optical activity of the analyte. A light transmittance through the chamber having a low absorption indicates the case where no reaction has occurred, a light transmittance through the chamber having a high absorption indicates the case where a reaction has occurred. Fluorescence, chemiluminescence or colorimetry of the analyte indicates the case of an on-going biochemical reaction.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel liefert ein Verfahren zum Analysieren eines Analyten unter Verwendung des oben charakterisierten Chiplabors, wobei das Signal, das das Lichtdurchlässigkeitsverhalten und/oder die optische Aktivität des Analyten angibt, gemäß der obigen Erörterung verarbeitet wird.Another embodiment provides a method for analyzing an analyte using the above-characterized chip lab, wherein the signal indicative of the light transmission behavior and / or optical activity of the analyte is processed according to the discussion above.

Alle obigen Ausführungsbeispiele gemäß den obigen Aspekten beziehen sich auf ein Analysesystem, das Heizvorrichtungen verwendet. Ausgehend hiervon ist es klar, dass die oben beschriebenen Technologien gemäß Aspekten nicht miteinander vereinbar sind, sondern auch auf vorbestimmte Weise kombiniert werden müssen. Deshalb liefern weitere Ausführungsbeispiele ein Ausführungsbeispiel, das Merkmale zumindest zweier Aspekte aufweist.All the above embodiments according to the above aspects relate to an analysis system using heaters. From this it is clear that the technologies described above are incompatible in aspects, but must also be combined in a predetermined way. Therefore, further embodiments provide an embodiment having features of at least two aspects.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel liefert eine Analysekartusche, die ein Analysesystem und Stifte aufweist, die mit einer Lesevorrichtung, die die Analyse steuert und auswertet, zu verbinden sind. Hier sind die Stifte mit dem optischen Detektor derart verbunden, dass ein externer Zugriff auf den Detektor ermöglicht wird.Another embodiment provides an analysis cartridge having an analysis system and pens to be connected to a reading device that controls and evaluates the analysis. Here, the pins are connected to the optical detector so as to allow external access to the detector.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel stellt ein graphisch darstellbares Diagnostiksystem bereit, das ein Analysesystem gemäß einem der obigen Ausführungsbeispiele und als Leistungsversorgung eine Batterie aufweist. Hier genügt eine kleine Batterie, da die Heizvorrichtungen zum Erwärmen der Kammern und zum Steuern der Elemente direkt neben der Kammer oder den temperatursteuerbaren Elementen angeordnet sind, so dass der Leistungsverbrauch derselben ziemlich niedrig ist.Another embodiment provides a graphically displayable diagnostic system that includes an analysis system according to any of the above embodiments and a battery for powering. Here, a small battery suffices since the heaters are arranged to heat the chambers and to control the elements directly adjacent to the chamber or temperature-controllable elements, so that the power consumption thereof is quite low.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anschließend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, bei denen:Embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings, in which:

1 ein Blockdiagramm einer Grundimplementierung eines Analysesystems des Hauptaspekts zeigt; 1 shows a block diagram of a basic implementation of an analysis system of the main aspect;

2a2f Diagramme zum Beschreiben des Hintergrundes der Ausführungsbeispiele gemäß dem Aspekt der 1 zeigen; 2a - 2f Diagrams for describing the background of the embodiments according to the aspect of 1 demonstrate;

3 ein Blockdiagramm einer Grundimplementierung eines Analysesystems gemäß einem weiteren Nebenaspekt zeigt; 3 shows a block diagram of a basic implementation of an analysis system according to another subsidiary aspect;

4 ein Blockdiagramm einer verbesserten Implementierung des Analysesystems gemäß dem Nebenaspekt der 3 zeigt; 4 a block diagram of an improved implementation of the analysis system according to the secondary aspect of 3 shows;

5 ein Blockdiagramm einer Grundimplementierung eines Analysesystems gemäß einem weiteren Nebenaspekt zeigt; 5 shows a block diagram of a basic implementation of an analysis system according to another subsidiary aspect;

6 ein Blockdiagramm einer verbesserten Implementierung des Analysesystems gemäß dem Aspekt der 5 zeigt; 6 a block diagram of an improved implementation of the analysis system according to the aspect of 5 shows;

7a7c drei verschiedene Blockdiagramme zum Veranschaulichen des optischen Transmissionsverhaltens in der Kammer für drei unterschiedliche Fälle gemäß dem Aspekt der 5 zeigen; 7a - 7c three different block diagrams illustrating the optical transmission behavior in the chamber for three different cases according to the aspect of 5 demonstrate;

8a8g eine weitere verbesserte Implementierung eines Analysesystems gemäß dem Aspekt der 5 veranschaulichen; und 8a - 8g a further improved implementation of an analysis system according to the aspect of 5 illustrate; and

9a, 9b auf eine herkömmliche Implementierung eines Analysesystems Bezug nehmen. 9a . 9b refer to a conventional implementation of an analysis system.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anschließend unter Bezugnahme auf die Figuren ausführlich erläutert, wobei Elemente oder Strukturen, die eine ähnliche oder identische Funktion aufweisen, mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Somit sind deren Beschreibungen austauschbar und sollten jeweils aufeiander anwendbar sein.Hereinafter, embodiments of the present invention will be explained in detail with reference to the figures, wherein elements or structures having a similar or identical function are provided with identical reference numerals. Thus, their descriptions are interchangeable and should be applicable to each other.

1 Ansicht A zeigt eine Querschnittsansicht eines Analysesystems 10 zum Analysieren eines Analyten 13 gemäß dem Hauptaspekt und zeigt in einer Ansicht B eine Draufsicht auf das Analysesystem 10. Das Analysesystem 10 weist eine Kammer 14 auf, die in eine Schicht, die z. B. Polymerfolien aufweist, eingebettet sein kann. Diese optionale Schicht ist mit dem Bezugszeichen 14l bezeichnet. Außerdem weist das Analysesystem 10 eine Heizvorrichtung 12 auf, die in eine Schicht 12l integriert ist, die sich neben der Kammer 14 oder neben der Schicht 14l der Kammer 14 befindet. 1 View A shows a cross-sectional view of an analysis system 10 for analyzing an analyte 13 according to the main aspect and shows in a view B a plan view of the analysis system 10 , The analysis system 10 has a chamber 14 on, in a layer z. B. polymer films may be embedded. This optional layer is denoted by the reference numeral 14l designated. In addition, the analysis system points 10 a heater 12 on that in a layer 12l integrated, located next to the chamber 14 or next to the shift 14l the chamber 14 located.

Die Funktionalität des gezeigten Analysesystems 10 erfüllt die Funktionalität, die oben unter Bezugnahme auf das herkömmliche Analysesystem der 9 beschrieben wurde.The functionality of the analysis system shown 10 fulfills the functionality described above with reference to the conventional analysis system of the 9 has been described.

Wie in Bezug auf 1b zu erkennen ist, weist die Heizvorrichtung 12, z. B. eine Kupfergitter-Heizvorrichtung, eine zweidimensionale Geometrie, z. B. ein Quadrat, auf. Das Quadrat der Gitter-Heizvorrichtung 12 ist parallel zu der Schicht 12l, d. h. parallel zu der Schicht 14l, angeordnet. Das ebene Element ist mit flachen, breiten Wärmesenke-Kontaktanschlussflächen derart entworfen, dass es Wärme senkrecht zu der Ebene und nicht zu den Seiten hin ausstrahlt, die Heizvorrichtung 12 strahlt oder gibt Wärme an die Kammer 14 und ihre Schicht 14l ab. Deshalb erstreckt sich eine Temperaturverteilungscharakteristik der Vorrichtung 12 in die Richtung hin zu der Kammer 14.As for 1b can be seen, the heater has 12 , z. B. a copper grid heater, a two-dimensional geometry, z. As a square, on. The square of the grid heater 12 is parallel to the layer 12l ie parallel to the layer 14l arranged. The planar element is designed with flat, wide heat sink contact pads such that it radiates heat perpendicular to the plane and not to the sides, the heater 12 emits or gives heat to the chamber 14 and her shift 14l from. Therefore, a temperature distribution characteristic of the device extends 12 in the direction of the chamber 14 ,

Infolge dieser zweidimensionalen Geometrie der Heizvorrichtung 12 ist auch die Form der mit dem Bezugszeichen 12tc bezeichneten Temperaturverteilungscharakteristik zweidimensional. Jedoch unterscheidet sich die Form der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik 12tc von der zweidimensionalen Geometrie der Heizvorrichtung 12. Hier weist die zweidimensionale Temperaturverteilungscharakteristik 12tc eine ovale Form auf. Der Hintergrund für diese runde Form 12tc besteht darin, dass sich die Wärmeabgabe in der Mitte konzentriert und zu den Grenzbereichen hin verringert ist. In diesem Kontext ist zu beachten, dass die Grenze oder die Form der Temperaturverteilungscharakteristik 12tc keinen scharfen Übergang aufweist; sie ist eher als sanfter Übergang definiert. Jedoch nimmt die Übergangsbandbreite innerhalb dieser Übergangsregion überdurchschnittlich ab, so dass die Form der Temperaturverteilungscharakteristik 12tc klar definiert werden kann.As a result of this two-dimensional geometry of the heater 12 is also the shape of the reference number 12TC designated temperature distribution characteristic two-dimensional. However, the shape of the two-dimensional temperature distribution characteristic is different 12TC from the two-dimensional geometry of the heater 12 , Here, the two-dimensional temperature distribution characteristic 12TC an oval shape. The background for this round shape 12TC is that the heat dissipation concentrates in the middle and is reduced towards the boundary areas. In this context, it should be noted that the limit or shape of the temperature distribution characteristic 12TC has no sharp transition; it is defined as a smooth transition. However, the transition bandwidth within this transition region decreases more than average, so that the shape of the temperature distribution characteristic 12TC can be clearly defined.

Auf der Basis dieser Kenntnis können die Form und Größe der Kammer 14 an die zweidimensionale Temperaturverteilungscharakteristik 12tc angepasst werden, um die gewünschten Konstanten der Temperatur in der Kammer 14 zu erzielen oder um den gewünschten Temperaturgradienten von der Mitte bis zur Seite der Kammer 14 zu erzielen. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Kammer 14 eine ovale Form auf, d. h. eine Form, die mit der Form der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik 12tc vergleichbar ist. Alternativ dazu kann die Form der Kammer 14 hexagonal sein oder kann im Vergleich zu der Form der Temperaturverteilungscharakteristik 12tc eine beliebige sonstige Form aufweisen. Man beachte, dass die obige Beschreibung bezüglich der Form der Kammer 14 auf die zweidimensionale Form in der Region der Schicht 14l Bezug nimmt, d. h. parallel zu der Temperaturverteilungscharakteristik 12tc.On the basis of this knowledge, the shape and size of the chamber 14 to the two-dimensional temperature distribution characteristic 12TC be adjusted to the desired constants of the temperature in the chamber 14 or to achieve the desired temperature gradient from the center to the side of the chamber 14 to achieve. In this embodiment, the chamber 14 an oval shape, that is, a shape having the shape of the two-dimensional temperature distribution characteristic 12TC is comparable. Alternatively, the shape of the chamber 14 hexagonal or can be compared to the shape of the temperature distribution characteristic 12TC have any other shape. Note that the above description regarding the shape of the chamber 14 on the two-dimensional shape in the region of the layer 14l Reference, ie parallel to the temperature distribution characteristic 12TC ,

Bezüglich der Größe der Kammer 14 sollte man beachten, dass die Größe in dem zweidimensionalen Bereich im Wesentlichen mit der Größe der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik 12tc übereinstimmt. Hier bedeutet im Wesentlichen, dass die Kammer kleiner, z. B. 30% kleiner, genauso groß wie oder größer, z. B. 30% größer, als die Temperaturverteilungscharakteristik 12tc sein kann. Die genaue Abhängigkeit zwischen den zwei Größen hängt von dem gewünschten Temperaturgradienten ab.Regarding the size of the chamber 14 It should be noted that the size in the two-dimensional area substantially coincides with the size of the two-dimensional temperature distribution characteristic 12TC matches. Here essentially means that the chamber is smaller, z. B. 30% smaller, the same size as or larger, z. B. 30% larger than the temperature distribution characteristic 12TC can be. The exact dependence between the two sizes depends on the desired temperature gradient.

Es gibt verschiedene Verfahren zum Vergleichen der zwei Größen, beispielsweise kann das Quadrat der Temperaturverteilungscharakteristik 12tc mit dem Vorsprung der Kammer 14 zu der Ebene 14l verglichen werden. Alternativ dazu kann die Nichtübereinstimmung zwischen den Grenzen verglichen werden. Um die Ähnlichkeit (mathematische Ähnlichkeit) der zweidimensionalen Temperaturcharakteristik 12tc und der Form der Kammer 14 in der zweidimensionalen Ebene zu vergleichen, kann das Seitenverhältnis der zwei vergleichbaren Elemente genommen werden. Beispielsweise ähneln sich die zwei Elemente 14 und 12tc, wobei das Seitenverhältnis maximal um den Faktor 1,5 differiert. Ein weiteres Verfahren besteht darin, die Ausrichtung (x, y) der Grenzen der zwei Elemente 14 und 12tc zu vergleichen.There are various methods for comparing the two quantities, for example, the square of the temperature distribution characteristic 12TC with the projection of the chamber 14 to the plane 14l be compared. Alternatively, the mismatch between the boundaries can be compared. To the similarity (mathematical similarity) of the two-dimensional temperature characteristic 12TC and the shape of the chamber 14 in the two-dimensional plane, the aspect ratio of the two comparable elements can be taken. For example, the two elements are similar 14 and 12TC , wherein the aspect ratio differs by a maximum of a factor of 1.5. Another method is to align (x, y) the boundaries of the two elements 14 and 12TC to compare.

Gemäß Ausführungsbeispielen wird die Kammer 14 durch Polymerfilme gebildet, um eine präzise thermische Steuerung und einen raschen zyklischen Temperaturwechsel zu ermöglichen. Beispielsweise kann ein Polymer mit geringer Wärmeleitfähigkeit (im Vergleich zu Silikon, 40 Zyklen in sechs Minuten) verwendet werden.According to embodiments, the chamber 14 formed by polymer films to allow precise thermal control and rapid cyclic temperature cycling. For example, a polymer with low thermal conductivity (compared to silicone, 40 cycles in six minutes) can be used.

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist das Analysesystem 10 ein folienbasiertes mikrofluidisches PCR-Modul, an das eine Dünnfilm(Kupfergitter)-Vorrichtung für MikroPCR 12 angelegt wurde. Und PCR wurde wie in 2a gezeigt durchgeführt. Die hohe PCR-Effizienz ist in 2b veranschaulicht.According to further embodiments, the analysis system 10 a film-based microfluidic PCR module to which a thin film (copper grid) device for MikroPCR 12 was created. And PCR was like in 2a shown performed. The high PCR efficiency is in 2 B illustrated.

2b zeigt ein Diagramm von Ergebnissen einer Nach-qPCR-Analyse für vier Chips, die anhand eines folienbasierten μPCR-Systems amplifiziert sind. 2 B shows a diagram of results of a post-qPCR analysis for four chips, which are amplified using a film-based μPCR system.

Da die drei verschiedenen Schritte bei dem PCR-Zyklus (Aufschmelzen, Verlängerung und Denaturierung) jeweils durch eine spezifische Temperatur initiiert werden, ist es wesentlich, die Probe während des gesamten Versuchs einer möglichst homogenen und genauen Temperatur auszusetzen. Bei dem PCR-System wird der Heißpunkt einer (Gitterkupfer-)Heizvorrichtung dazu verwendet, die Form der PCR-Kammer zu definieren. Indem die Größe der MikroPCR-Kammer variiert wird, können Kammern mit entweder konstanter Temperatur oder unterschiedlichen konstanten Gradienten erzielt werden.Since the three different steps in the PCR cycle (melting, extension and denaturation) are each initiated by a specific temperature, it is essential to expose the sample throughout the experiment to the most homogeneous and accurate temperature possible. In the PCR system, the hot spot of a (grid copper) heater is used to define the shape of the PCR chamber. By varying the size of the MikroPCR chamber, chambers of either constant temperature or different constant gradients can be achieved.

2c zeigt einen Heißpunkt 12tc' in einer Gitter-Heizvorrichtung 12' von 4 × 6 mm. Der erzeugte Heißpunkt 12tc' in einer Gitter-Heizvorrichtung von 4 × 6 mm mit einer Leitung von 30 μm und einem Raum von 300 μm, wie dies mit thermochromen Flüssigkristallen (TLC – thermochromic liquid crystals) überwacht wird, weist eine Bandbreite im Bereich von 60° bis 65°C auf. Hier ist der Heißpunkt 12tc' oval. 2c shows a hot spot 12TC ' in a grid heater 12 ' of 4 × 6 mm. The generated hot spot 12TC ' in a 4 × 6 mm grid heater with a 30 μm line and a 300 μm space, as monitored by thermochromic liquid crystals (TLC), has a bandwidth in the range of 60 ° to 65 ° C on. Here is the hot spot 12TC ' oval.

Ausgehend von dieser Heizvorrichtung 12' ermöglichen drei verschiedene Größen der PCR-Kammer 14'a, 14'b und 14'c von der Mitte bis zum Rand unterschiedliche Temperaturgradienten, wie durch 2d veranschaulicht ist.Starting from this heater 12 ' allow three different sizes of PCR chamber 14'a . 14'b and 14'c from the middle to the edge different temperature gradients, such as through 2d is illustrated.

2d veranschaulicht drei Entwürfe (Entwurf A, Entwurf B und Entwurf C), die den Kammern 14'a, 14'b und 14'c entsprechen. Die drei Entwürfe A, B und C unterscheiden sich bezüglich ihrer Größe voneinander. Alle Kammern 14'a, 14'b und 14'c sind oval, wobei jede Kammer einen Einlass und einen Auslass aufweist. Die Kammer gemäß dem Entwurf A weist eine Breite von 3,2 mm auf, d. h. 0,8 mm weniger als die Breite der Heizvorrichtung 12'. Der Entwurf B weist eine Breite der Kammer 14'b von 4 mm auf, d. h. gleich der Breite der Heizvorrichtung 12'. Der Entwurf C stellt eine Kammer 14'c bereit, die eine Breite von 4,8 mm aufweist, d. h. größer als die Heizvorrichtung 12'. 2d illustrates three designs (draft A, draft B and draft C), the chambers 14'a . 14'b and 14'c correspond. The three designs A, B and C differ in size from each other. All chambers 14'a . 14'b and 14'c are oval, each chamber having an inlet and an outlet. The chamber according to design A has a width of 3.2 mm, ie 0.8 mm less than the width of the heater 12 ' , The design B has a width of the chamber 14'b of 4 mm, ie equal to the width of the heater 12 ' , The draft C represents a chamber 14'c ready, which has a width of 4.8 mm, ie larger than the heater 12 ' ,

Für jeden Entwurf A, B und C wird der resultierende Temperaturgradient von der Mitte bis zu den Rändern durch 2e gezeigt, wobei jede Kammer mit TLC gefüllt ist, die einen Temperaturbereich von 60° bis 65°C aufweisen.For each design A, B and C, the resulting temperature gradient is from the center to the edges 2e shown, each chamber is filled with TLC, which have a temperature range of 60 ° to 65 ° C.

Eine Analyse der Temperaturverteilung für die drei verschiedenen Entwürfe A, B und C zeigt, dass der Gradient für den Entwurf A ziemlich klein ist, hier 1° bis 1,5°C von der Mitte bis zum Rand, wohingegen der Gradient des Entwurfs C ziemlich groß ist, d. h. 3° bis 4°C von der Mitte bis zum Rand. Der Entwurf B weist einen Gradienten 2° bis 3°C von der Mitte bis zum Rand auf.An analysis of the temperature distribution for the three different designs A, B and C shows that the gradient for design A is quite small, here 1 ° to 1.5 ° C from the center to the edge, whereas the gradient of design C is quite is big, d. H. 3 ° to 4 ° C from the middle to the edge. The design B has a gradient of 2 ° to 3 ° C from the center to the edge.

Ein Inkontaktbringen mit einem homogenen oder leichten Gradienten kann je nach der Art des PCR-Versuchs eine vorteilhafte Auswirkung aufweisen. Eine homogene Temperatur kann eine unspezifische Primerbindung bei manchen PCR-Versuchen verhindern, wohingegen ein Gradient mehrerer Grade einen Fluss in der Probenflüssigkeit zwischen kalten und warmen Regionen bewirken kann und einen Rühreffekt aufweisen kann, der einen Austausch zwischen den chemischen Komponenten in dem Fluid befördert.Contacting with a homogeneous or light gradient may have a beneficial effect, depending on the nature of the PCR experiment. A homogeneous temperature may prevent nonspecific primer binding in some PCR assays, whereas a multiple grade gradient may cause flow in the sample fluid between cold and warm regions and may have a stirring effect that promotes an exchange between the chemical components in the fluid.

Herausforderungen bei MikroPCR bestehen in einem Erzielen einer präzisen thermischen Steuerung und einem raschen zyklischen Temperaturwechsel bei einem Polymer mit geringer Wärmeleitfähigkeit. Ähnliche Ergebnisse werden in letzter Zeit mit polymerbasierten Systemen erzielt, die jedoch ziemlich komplexe Aufbauten erfordern, einschließlich Reservoiren mit flüssigem Stickstoff und Luftschläuchen, was zu einem umfangreichen Instrumentarium und erhöhten Kosten führt. Eine Verwendung von Kunststofffolien als Substrat für eine microPCR-Kammer verringert die thermisch wirksame Masse des Materials mit geringer Wärmeleitfähigkeit und ermöglicht eine schnelle Anpassung an Außenkräfte wie beispielsweise aufgebrachte Wärme oder eine niedrige Umgebungstemperatur. Auf diese Weise ermöglicht die folienbasierte PCR-Kammer eine hohe Rampenbildungs- und Abkühlrate ohne das Erfordernis zusätzlicher Außenkräfte. Beispielsweise wurde anhand einer einfachen Konvektionseinrichtung eine Abkühlrate von ~4°C/Sek. (d. h. 95 bis 63°C in ~8 Sekunden) erzielt (2f).Challenges at MikroPCR are achieving precise thermal control and rapid cyclic temperature cycling for a low thermal conductivity polymer. Similar results have recently been achieved with polymer-based systems, which, however, require rather complex constructions, including liquid nitrogen reservoirs and air hoses, resulting in extensive instrumentation and increased costs. Use of plastic films as a substrate for a microPCR chamber reduces the thermal mass of the low thermal conductivity material and allows for rapid adaptation to external forces such as applied heat or a low ambient temperature. In this way, the film-based PCR chamber allows a high ramping and cooling rate without the need for additional external forces. For example, using a simple convection device, a cooling rate of ~ 4 ° C / sec. (ie 95 to 63 ° C in ~ 8 seconds) ( 2f ).

Ferner erfordert die verwendete Heizvorrichtung lediglich eine Versorgung mit 2 V mit einem maximalen Stromstärkevorgabepegel von 150 mA, was bedeutet, dass sie durch eine kleine Batterie mit Leistung versorgt werden könnte. Durch diesen μPCR-Chipentwurf ermöglichen wir einen einfachen Aufbau, der für eine Integration in tragbare Molekulardiagnostiksysteme geeignet ist.Further, the heater used requires only a 2V supply with a maximum current setpoint level of 150mA, meaning that it could be powered by a small battery. With this μPCR chip design, we enable a simple design suitable for integration into portable molecular diagnostics systems.

Unter Bezugnahme auf 3 wird ein weiterer Aspekt ausführlich erläutert. 3 zeigt ein Analysesystem 10', das die Kammer 14 und ein weiteres Element 15, z. B. ein Ventil, das neben der Kammer angeordnet ist, aufweist. Das Element 15 ist ein temperatursteuerbares Element. Beide Elemente 14 und 15 sind in der Schicht 14l angeordnet. In einer zweiten Schicht 12l, die auf der Schicht 14l angeordnet ist, ist eine Mehrzahl von Heizvorrichtungen, nämlich die Heizvorrichtung 12 und die Heizvorrichtung 12c, angeordnet. Die Heizvorrichtung 12 gehört zu der Kammer 14, wobei der Entwurf der Heizvorrichtung, oder genauer gesagt, der Entwurf der Kammer 14, so implementiert werden kann, wie oben unter Bezugnahme auf 1 erörtert wurde. Die Heizvorrichtung 12c gehört zu dem temperatursteuerbaren Element 15, d. h. die Heizvorrichtung 12c ist derart in der Schicht 12l angeordnet, dass die Heizvorrichtung 12c und das temperatursteuerbare Element 15 zueinander ausgerichtet sind.With reference to 3 another aspect is explained in detail. 3 shows an analysis system 10 ' that the chamber 14 and another element 15 , z. B. a valve which is arranged adjacent to the chamber has. The element 15 is a temperature controllable element. Both elements 14 and 15 are in the layer 14l arranged. In a second shift 12l on the shift 14l is arranged, is a plurality of heating devices, namely the heater 12 and the heater 12c arranged. The heater 12 belongs to the chamber 14 , where the design of the heater, or more precisely, the design of the chamber 14 , can be implemented as described above with reference to 1 was discussed. The heater 12c belongs to the temperature-controllable element 15 ie the heater 12c is so in the layer 12l arranged that the heater 12c and the temperature-controllable element 15 aligned with each other.

Das temperatursteuerbare Element 15, z. B. ein Ventil mit einem Wachspfropfen, kann durch die unter Verwendung der Heizvorrichtung 12c erzeugte Wärme gesteuert werden. Da die Heizvorrichtung 12c in derselben Schicht 12l angeordnet ist, anhand derer die Verarbeitung in der Kammer 14 unterstützt oder gesteuert wird, kann die Schicht 12a als Steuerschicht bezeichnet werden. Aus einem anderen Blickwinkel betrachtet bedeutet dies, dass nahezu jedes Element des Analysesystems 10' unter Verwendung von Heizvorrichtungen gesteuert wird. Somit ist es vorteilhaft, dass die Heizvorrichtungen durch dieselbe Metallschicht gebildet sind, so dass die Komplexität, vor allem die Komplexität bezüglich des Herstellungsaufwands, verringert wird.The temperature-controllable element 15 , z. As a valve with a wax plug can, by using the heater 12c generated heat to be controlled. As the heater 12c in the same layer 12l is arranged, by means of which the processing in the chamber 14 supported or controlled, the layer can 12a be referred to as tax layer. Viewed from a different angle, this means that almost every element of the analysis system 10 ' controlled by using heaters. Thus, it is advantageous that the heaters are formed by the same metal layer, so that the complexity, in particular the complexity in terms of manufacturing cost, is reduced.

Da die Kammer 14 üblicherweise eine andere Temperatur erfordert als das temperatursteuerbare Element 15, können die Heizvorrichtungen 12 und 12c bezüglich ihrer Größe, oder allgemein bezüglich ihrer Heizleistung, unterschiedlich sein.Because the chamber 14 usually requires a different temperature than the temperature-controllable element 15 , the heaters can 12 and 12c be different in terms of their size, or generally with respect to their heating power.

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das Analysesystem 10' eine Mehrzahl von Kammern aufweisen, z. B. wären für verschiedene Zwecke auch verschiedene Heizvorrichtungen in der Schicht 12l angeordnet. Dieses Ausführungsbeispiel, das ein vollständig integriertes mikrofluidisches Probe-zu-Ansprechverhalten-System für Nukleinsäuretests ermöglicht, erfordert eine Manipulation von Mikrovolumina an Fluiden in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten. Beispielsweise beinhaltet eine Detektion eines spezifischen Pathogens durch seine DNA in der Blutprobe eines Patienten ein Aussortieren des Pathogens aus den vielfältigen Komponenten des Vollbluts (Filtration/Zellsortierungsmechanismus), ein Aufbrechen der Zellmembran, um DNA zu extrahieren (Zellauflösung), eine Amplifikation der DNA und eine Detektion. Dies erfordert mannigfaltige Funktionalitäten wie beispielsweise Auflösen und Mischen von Reagenzien, Filtern von Lösungen und Inkubation von Proben. Das Handhaben der Prozesse in sequenzieller Reihenfolge erfordert allgemein ferner Ventilmechanismen und Abfallentsorgung. Vielfältige Lösungsansätze zum Ermöglichen jedes Versuchsschritts sind möglich. Beispielsweise kann eine Zellmembran (Lyse) aufgebrochen werden, indem sie hohen Temperaturen, starken Tensiden oder Ultraschallwellen ausgesetzt wird, die alle in ein mikrofluidisches Format integriert werden können. Wie zuvor beschrieben wurde, hat eine Integration von Funktionalitäten jedoch den Preis erhöhter Herstellungskosten.According to further embodiments, the analysis system 10 ' have a plurality of chambers, for. For example, different heaters would be in the layer for different purposes 12l arranged. This embodiment, which enables a fully integrated microfluidic sample-to-response system for nucleic acid assays, requires manipulation of microvolumes of fluids in several consecutive steps. For example, detection of a specific pathogen by its DNA in a patient's blood sample involves sorting out the pathogen from the various components of the whole blood (filtration / cell sorting mechanism), disrupting the cell membrane to extract DNA (cell dissolution), amplifying the DNA, and a detection. This requires a variety of functionalities, such as dissolving and mixing reagents, filtering solutions, and incubating samples. Handling the processes in sequential order also generally requires valve mechanisms and waste disposal. A variety of approaches to enabling each trial step are possible. For example, a cell membrane (lysis) can be disrupted by exposure to high temperatures, strong surfactants, or ultrasonic waves, all of which can be integrated into a microfluidic format. However, as previously described, integration of functionalities has the cost of increased manufacturing costs.

Ein schematisches Prinzip einer derartigen Analyse, die mehrere sequenzielle Schritte aufweist, ist durch 4a veranschaulicht. Die Implementierung in einem Labor 10'', das einen mikrofluidischen Schnitt verwendet, ist durch 4b und 4c veranschaulicht. 4b zeigt eine Seitenansicht, wobei 4c eine Draufsicht auf das Analysesystem 10'' zeigt. Das Analysesystem 10'' weist eine Mehrzahl von Reaktionskammern 14, 14''b, 14''d und 14''f auf, die durch Kanäle oder, genauer gesagt, durch steuerbare Kanäle verbunden sind, die unter Verwendung von temperatursteuerbaren Elementen, die nachstehend erörtert werden, steuerbar sind. Zum Steuern der temperatursteuerbaren Elemente und zum Erwärmen der Kammern 14 bis 14''f ist eine Steuerschicht 12''l, die eine Mehrzahl von Heizvorrichtungen 12''a bis 12''f aufweist, in das Analysesystem 10'' integriert.A schematic principle of such an analysis, which has several sequential steps, is through 4a illustrated. The implementation in a laboratory 10 '' that uses a microfluidic cut is through 4b and 4c illustrated. 4b shows a side view, wherein 4c a plan view of the analysis system 10 '' shows. The analysis system 10 '' has a plurality of reaction chambers 14 . 14''b . 14''d and 14''f which are connected by channels or, more specifically, by controllable channels which are controllable using temperature-controllable elements which will be discussed below. To control the temperature-controllable elements and to heat the chambers 14 to 14''f is a tax layer 12''l containing a plurality of heaters 12''a to 12''f has, in the analysis system 10 '' integrated.

Die Elemente 12''a bis 12''f sind Dünnfilm-Kupferheizvorrichtungen, die mit den Heizvorrichtungen, wie sie oben bezüglich des Hauptaspekts erörtert wurden vergleichbar sind. Das Element 12''b in Kombination mit der Kammer 14''b ermöglicht eine Zellauflösung, das Element 12''d in Kombination mit der Kammer 14''d eine DNA-Amplifikation mittels PCR, das Element 12''f in Kombination mit der Kammer 14''f ermöglicht eine schnelle Target-Detektion unter Verwendung einer DNA-Hybridisierung und/oder Schmelzkurvenanalyse für eine SNP-Detektion. Die Elemente 12''a, 12''c und 12''e stellen Wärme bereit, um den wärmeinduzierten Ventilmechanismen 15''a, 15''c und 15''e zu steuern. Die Elemente 15''a mit 15''c und 15''e, die zwischen den Kammern 14 und 14''b, 14''b und 14''d sowie zwischen 14''d und 14''f angeordnet sind, haben den Zweck, die laterale Strömung zwischen den verschiedenen Reaktionskammern 14, 14''b, 14''d und 14''f zu steuern. Wärmeinduzierte Ventil 15''a bis 15''e könnten als Ventile implementiert sein, die einen Wachspfropfen, z. B. einen irreversiblen Wachspfropfen, aufweisen, der unter Verwendung der Heizvorrichtungen 12''b bis 12''e geschmolzen werden kann. Alternativ dazu können die wärmeinduzierten Ventile 15''a bis 15''e Ausdehnungs-/Kompressionselemente aufweisen, die beispielsweise anhand von wärmeempfindlichen Polymeren hergestellt sind.The Elements 12''a to 12''f are thin film copper heaters comparable to the heaters discussed above with respect to the main aspect. The element 12''b in combination with the chamber 14''b allows a cell resolution, the element 12''d in combination with the chamber 14''d a DNA amplification by PCR, the element 12''f in combination with the chamber 14''f allows fast targeting Detection using DNA hybridization and / or melting curve analysis for SNP detection. The Elements 12''a . 12''c and 12''e provide heat to the heat-induced valve mechanisms 15''a . 15''c and 15''e to control. The Elements 15''a With 15''c and 15''e between the chambers 14 and 14''b . 14''b and 14''d as well as between 14''d and 14''f are arranged, have the purpose of lateral flow between the different reaction chambers 14 . 14''b . 14''d and 14''f to control. Heat-induced valve 15''a to 15''e could be implemented as valves containing a wax plug, e.g. As an irreversible wax plug, comprising, using the heaters 12''b to 12''e can be melted. Alternatively, the heat-induced valves 15''a to 15''e Have expansion / compression elements, which are made for example on the basis of heat-sensitive polymers.

Der Vorteil des Nur-Wärme-Steuerung-Lösungsansatzes besteht darin, dass die meisten Funktionalitäten in einem einzigen Prozessschritt erzeugt werden können, beispielsweise eine einzige Kupferschicht, die die Komplexität des Herstellungsprozesses immens verringert. Die Lösung könnte ein wahrhaft kostengünstiges Probe-zu-Ansprechverhalten-Diagnostiksystem ermöglichen.The advantage of the heat-only control approach is that most of the functionality can be generated in a single process step, such as a single layer of copper, which greatly reduces the complexity of the manufacturing process. The solution could allow for a truly cost-effective sample-to-response diagnostic system.

Unter Bezugnahme auf 5 wird ein weiterer Aspekt der Erfindung erörtert. 5 zeigt ein Analysesystem 10''', das die Kammer 14, z. B. in der Schicht 14l, aufweist, wobei die Schicht 12l die eine oder die mehreren Heizvorrichtungen für die eine oder die mehreren Kammern 14 aufweist. Zusätzlich weist das Analysesystem 10''' eine Optischer-Detektor-Schicht 20l auf, die einen optischen Detektor 20 aufweist, der dazu angeordnet und konfiguriert ist, von der Kammer 14 kommendes Licht zu detektieren. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die optische Detektionsschicht 20l gegenüber der Heizschicht 12l angeordnet, d. h. derart, dass die Schicht 14l, die die eine oder die mehreren Kammern 14 aufweist, zwischen den zwei Schichten 20l und 12l angeordnet ist. Die Kammer 14 sowie die Heizschicht 12l können gemäß der Erörterung bezüglich des Hauptaspekts und eines Nebenaspekts implementiert sein.With reference to 5 another aspect of the invention is discussed. 5 shows an analysis system 10 ''' that the chamber 14 , z. In the layer 14l , wherein the layer 12l the one or more heaters for the one or more chambers 14 having. In addition, the analysis system points 10 ''' an optical detector layer 20l on, which is an optical detector 20 which is arranged and configured to from the chamber 14 to detect incoming light. According to a preferred embodiment, the optical detection layer 20l opposite the heating layer 12l arranged, ie such that the layer 14l containing the one or more chambers 14 between the two layers 20l and 12l is arranged. The chamber 14 and the heating layer 12l may be implemented according to the discussion of the main aspect and a minor aspect.

Der optische Detektor 20 kann gemäß der Erörterung bezüglich des Hauptaspekts und eines Nebenaspekts implementiert sein.The optical detector 20 may be implemented according to the discussion of the main aspect and a minor aspect.

Der optische Detektor 20 kann ein einfacher optischer Detektor sein, der lichtabhängige Widerstände oder ein CCD-Element aufweist. Der Detektor 20 hat den Zweck zu erfassen, ob eine chemische Reaktion stattgefunden hat, gerade im Gang ist oder noch nicht stattgefunden hat.The optical detector 20 may be a simple optical detector having light dependent resistors or a CCD element. The detector 20 has the purpose of detecting whether a chemical reaction has taken place, is in progress or has not yet taken place.

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das Analysesystem 10''' ein lichtemittierendes Bauelement 21 aufweisen, das vorzugsweise auf der Seite der Heizvorrichtung, d. h. gegenüber der optischen Detektionsschicht 20l, angeordnet ist.According to further embodiments, the analysis system 10 ''' a light emitting device 21 preferably on the side of the heating device, ie opposite the optical detection layer 20l , is arranged.

Ob das mikrofluidische System die Plattform für einen Zellkultivierungsversuch liefert, ein gewisses Pathogen bei einem diagnostischen Text erfasst oder einen Mikrobioreaktor für die Erzeugung eines Bioprodukts darstellt – das Ergebnis der biochemischen Prozesse muss der Makrowelt qualitativ und/oder quantitativ berichtet werden. Eine Detektion von Analyten und erzeugten Produkten erfolgt allgemein anhand einer massensensitiven, elektrochemischen oder optischen Einrichtung, wodurch optische Detektionsmethoden wie beispielsweise Fluoreszenz, Chemolumineszenz, Kolorimetrie oder Absorbanz bei weitem die üblichsten sind. Eine Integration von chipinternen Lichtquellen und eines Fotodetektors für eine Analytdetektion in mikrofluidischen Systemen bringt abgesehen davon, dass sie das Erfordernis voluminöser optischer Komponenten bei patientennahen Aufbauten verringert, folgende Vorteile mit sich: 1) ein Herstellen des Detektors und der Lichtquelle direkt auf dem mikrofluidischen System könnte eine erhöhte Sensibilität ermöglichen, indem der Lichtverlust durch kürzere Lichtwege und eine verringerte Anzahl von Lichtstreuungsgrenzflächen verringert wird. 2) Die integrierten miniaturisierten Detektoren können zu kondensierten Arrays strukturiert sein, die ein effektives Multiplexieren ermöglichen.Whether the microfluidic system provides the platform for a cell culture experiment, detects a certain pathogen in a diagnostic text, or represents a microbioreactor for the production of a bioproduct - the result of the biochemical processes must be qualitatively and / or quantitatively reported to the macro-world. Detection of analytes and generated products is generally by mass-sensing, electrochemical or optical means, making optical detection methods such as fluorescence, chemiluminescence, colorimetry or absorbance by far the most common. Integration of on-chip light sources and a photodetector for analyte detection in microfluidic systems, in addition to reducing the requirement of bulky optical components in near-patient structures, has the following advantages: 1) to make the detector and light source directly on the microfluidic system allow increased sensitivity by reducing light loss through shorter light paths and a reduced number of light scattering interfaces. 2) The integrated miniaturized detectors can be patterned into condensed arrays that allow effective multiplexing.

Unter Bezugnahme auf 6 wird ein verbessertes Ausführungsbeispiel erörtert. 6 zeigt ein Analysesystem 10'''', das die Optischer-Detektor-Schicht 20l, die Wärmeerzeugungsschicht 12l und die Schicht 14l, die den mikrofluidischen Hohlraum aufweist, aufweist.With reference to 6 An improved embodiment will be discussed. 6 shows an analysis system 10 '''' containing the optical detector layer 20l , the heat generation layer 12l and the layer 14l comprising the microfluidic cavity.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Heizschicht 12a als Schichtstapel implementiert, der ein Foliensubstrat 12f, eine Dünnfilmheizvorrichtung 12 und ein Kapselungsmaterial 12e aufweist. Analog dazu ist die optische Schicht 20l als Schichtstapel implementiert, der ein Foliensubstrat 20f, eine elektrooptisch empfindliche Schicht 20, integrierte Elektroden 20i und ein Kapselungsmaterial 20e aufweist. Bezüglich der Schicht 14l ist zu beachten, dass die Kammer 14 in einer Klebefolie 14f gebildet ist. Von einem anderen Standpunkt aus betrachtet bedeutet dies, dass die semitransparente Dünnfilm-Mikroheizvorrichtung auf einem Foliensubstrat 1 hergestellt ist. Die optische Detektionsschicht ist auf einem Foliensubstrat 2 hergestellt. Die zwei Folien sind auf aufeinandergelegte Weise über einem mikrofluidischen Hohlraum durch eine doppelseitige Klebefolie angeordnet, in die die Kontur eines mikrofluidischen Kanals geschnitten wurde. Die semitransparente Heizvorrichtung ermöglicht, dass die Lichtquelle und der Detektor in einem Transmissionsmodus-Aufbau arbeiten, ohne dass optische Filter oder Linsen benötigt würden. Der mikrofluidische Hohlraum zwischen der Heizvorrichtung und dem Detektor beherbergt das biochemische Ereignis. Der biochemische Prozess kann entweder in flüssiger Form oder in immobilisierter Form entweder auf dem Substrat 1 oder 2 stattfinden.In this embodiment, the heating layer is 12a implemented as a layer stack, which is a film substrate 12f , a thin film heater 12 and an encapsulating material 12e having. Analogous to this is the optical layer 20l implemented as a layer stack, which is a film substrate 20f , an electro-optically sensitive layer 20 , integrated electrodes 20i and an encapsulating material 20e having. Regarding the layer 14l it should be noted that the chamber 14 in an adhesive film 14f is formed. From another point of view, this means that the semitransparent thin-film microheater on a film substrate 1 is made. The optical detection layer is on a film substrate 2 produced. The two films are stacked over a microfluidic cavity through a double-sided adhesive sheet into which the contour of a microfluidic channel has been cut. The semitransparent Heater allows the light source and detector to operate in a transmission mode setup without the need for optical filters or lenses. The microfluidic cavity between the heater and the detector houses the biochemical event. The biochemical process can be either in liquid form or in immobilized form either on the substrate 1 or 2 occur.

Bezüglich der 7a bis 7c werden die drei möglichen Ereignisse, die unter Verwendung des Detektors erfasst werden können, erörtert. Hier zeigen 7a bis 7c ein Analysesystem 10'''', wobei 7a einen Lichtweg von der Lichtquelle 21 zu einem Detektor 20 ohne jegliche biochemische Aktivität in der Kammer 14 zeigt. 7b zeigt einen Lichtweg einer biochemischen Aktivität mit einem blockierenden Effekt auf Licht, das von der Lichtquelle 21 zu einem Detektor 20 gelangt. 7c zeigt einen Lichtweg nach einer chemischen Aktivität, die eine Veränderung der Wellenlänge des von der Lichtquelle 21 zu einem Detektor 20 gelangenden Lichts erzeugt.Regarding the 7a to 7c The three possible events that can be detected using the detector are discussed. Show here 7a to 7c an analysis system 10 '''' , in which 7a a light path from the light source 21 to a detector 20 without any biochemical activity in the chamber 14 shows. 7b shows a light path of biochemical activity with a blocking effect on light coming from the light source 21 to a detector 20 arrives. 7c shows a light path after a chemical activity, which is a change in the wavelength of the light source 21 to a detector 20 reaching light generated.

Wenn in der Kammer kein Ereignis stattgefunden hat, fällt eine konstante Lichtmenge von der Lichtquelle auf den Detektor. Falls in dem mikrofluidischen Hohlraum ein biochemisches Ereignis stattgefunden hat, können je nach Versuchsaufbau zwei Detektionsmechanismen genutzt werden. Entweder erzeugt das biochemische Ereignis ein Produkt, das eine sterische Hinderung für das Licht erzeugt, das von der Lichtquelle kommt und an dem Detektor ankommt, wie bei 7b, wobei eine Verringerung des den Detektor erreichenden Lichts bewirkt wird (Absorbanzmessung), oder es wird eine Veränderung der Wellenlänge des an dem Detektor eintreffenden Lichts, wie bei 7c (Fluoreszenz, Chemolumineszenz oder kolorimetrische Messung) bewirkt. Im Fall eines Versuchs wie bei 7c können optional optische Dünnfilmfilter erzeugt werden, indem das Substrat 1 beschichtet wird (6), oder das Polymermaterial des Substrats 1 kann dahin gehend gewählt werden, dass es optische Filtercharakteristika aufweist, um eine Anregung von Licht der richtigen Wellenlänge für den gewählten Marker zu ermöglichen.If no event has occurred in the chamber, a constant amount of light from the light source falls on the detector. If a biochemical event has taken place in the microfluidic cavity, two detection mechanisms can be used, depending on the experimental setup. Either the biochemical event produces a product that produces steric hindrance to the light that comes from the light source and arrives at the detector, as in FIG 7b , wherein a reduction of the light reaching the detector is effected (absorbance measurement), or it will be a change in the wavelength of the incident light at the detector, as at 7c (Fluorescence, chemiluminescence or colorimetric measurement). In the case of a trial as in 7c Optionally, thin-film optical filters can be created by placing the substrate 1 is coated ( 6 ), or the polymeric material of the substrate 1 can be chosen to have optical filter characteristics to allow excitation of light of the correct wavelength for the selected marker.

Das biochemische Ereignis könnte sein, dass sich eine Zellkultur in lateraler Richtung vermehrt und von der Lichtquelle kommendes Licht blockiert, könnte ein DNA-Hybridisierungsversuch, ein Immunoassay oder ein Amplifikationsprodukt von jeglichen der zuvor beschriebenen DNA-Amplifikationsprotokolle sein. Der Hybridisierungsversuch oder das Amplifikationsprodukt könnte entweder mit Markern für Fluoreszenz, Chemolumineszenz oder kolorimetrische Messung oder mit Markern für Absorbanzmessung (Polymerkügelchen, Goldnanopartikeln, Silbererweiterungsverfahren (silver enhancement methods) gekennzeichnet werden.The biochemical event could be that cell culture proliferates laterally and light from the light source is blocked, could be a DNA hybridization assay, an immunoassay or an amplification product of any of the DNA amplification protocols previously described. The hybridization assay or amplification product could be labeled with either fluorescence, chemoluminescence or colorimetric or fluorescence (polymer bead, gold nanoparticle, silver enhancement) labels.

8a zeigt ein weiteres Analysesystem 10''''' oder im Detail einen elektrooptischen Messaufbau für einen DNA-Hybridisierungsdetektor, der eine Markierung mit Kügelchen (bead labeling) verwendet. Hier weist die Detektorschicht 20l' eine OSC-Schicht (OSC = organic semiconductor layer) 20o, Kohlenstofffinger 20c und eine (PET-)Folie 20f auf. 8a shows another analysis system 10 ''''' or in detail an electro-optical measuring setup for a DNA hybridization detector using a bead labeling. Here is the detector layer 20l ' an OSC layer (OSC = organic semiconductor layer) 20o , Carbon finger 20c and a (PET) film 20f on.

Gegenüber dem Detektor 20l' ist die Lichtquellenschicht 21' angeordnet. Hier ist die Lichtquelle 21 durch eine LED 21l, die z. B. dazu konfiguriert ist, Licht im Bereich von 360 nm auszugeben, und durch einen optischen Abstandshalter 21s, der zwischen der die Kammern 14' aufweisenden Schicht 14l und der LED 21l angeordnet ist, gebildet.Opposite the detector 20l ' is the light source layer 21 ' arranged. Here is the light source 21 through an LED 21l that z. B. is configured to output light in the range of 360 nm, and by an optical spacer 21s that between the chambers 14 ' having layer 14l and the LED 21l is arranged, formed.

Zwischen der Detektorschicht 20l' und der Lichtquellenschicht 21' ist die Schicht 14l' angeordnet, die die Kammern 14 (fluidische Kammer oder Hohlraum 14) aufweist. Diese Schicht 14l' kann auch als Sensorschicht 14l' bezeichnet werden.Between the detector layer 20l ' and the light source layer 21 ' is the layer 14l ' arranged the chambers 14 (fluidic chamber or cavity 14 ) having. This layer 14l ' Can also be used as a sensor layer 14l ' be designated.

Hier weist die Sensorschicht 14l' auch eine (PEN-)Folie 14f auf, die an dem Abstandshalter angeordnet ist und den Hohlraum 14 umschließt. Der Hohlraum 14 hat den Zweck, den Analyten 13 (hier eine DNA + Kügelchen) derart aufzunehmen, dass derselbe unter Verwendung des Detektors 20l' analysiert werden kann.Here is the sensor layer 14l ' also a (PEN) foil 14f on, which is arranged on the spacer and the cavity 14 encloses. The cavity 14 has the purpose of the analyte 13 (here, a DNA + bead) to be taken up by using the detector 20l ' can be analyzed.

Diese Detektion wird unter Bezugnahme auf 8b bis 8g ausführlich erörtert.This detection is described with reference to 8b to 8g discussed in detail.

8b zeigt schematisch den Detektor der 8a in zwei verschiedenen Fällen, nämlich im Fall einer ermittelten Übereinstimmung und im Fall einer Nichtübereinstimmung während der DNA-Detektion oder der Detektion von Hybridisierungsereignissen. Wenn man mit Biotin markierte DNA-Targets und mit Streptavitin beschichtete Polymerkügelchen einer Größe von 1 μm verwendet, ist es möglich, verschiedene Konzentrationen eines DNA-Targets zu erfassen. In dem Fall der Nichtübereinstimmung in der Kammer 14 wurde keine DNA und kein Target-Objekt mit dem DNA-Strang zur Übereinstimmung gebracht. Infolgedessen wird das aus der Lichtquelle 21' emittierte Licht, das die Folie 14f passiert, nicht in der Kammer 14 absorbiert, so dass das emittierte Licht den Detektor 20 nahezu auf nicht-absorbierte Weise erreicht. 8b schematically shows the detector of 8a in two different cases, namely in the case of a detected match and in case of a mismatch during DNA detection or the detection of hybridization events. When using biotin-labeled DNA targets and streptavitin-coated polymer beads of 1 micron size, it is possible to detect various concentrations of a DNA target. In the case of disagreement in the chamber 14 No DNA and no target object were aligned with the DNA strand. As a result, it will be out of the light source 21 ' emitted light, which is the film 14f does not happen in the chamber 14 absorbed so that the emitted light is the detector 20 reached almost in a non-absorbed way.

Im Fall der Übereinstimmung reagiert die mit Streptavitin beschichtete Charge 15, die den komplementären DNA-Strang aufweist, mit dem DNA-Strang. Diese Reaktion kann aufgrund der Tatsache erfasst werden, dass das von der Lichtquelle 21' emittierte Licht den Detektor 20 erreicht, wobei eine hohe Absorption des Lichts eingetreten ist.In the case of correspondence, the streptavitin-coated batch reacts 15 having the complementary DNA strand with the DNA strand. This reaction can be detected due to the fact that the light source 21 ' emitted light the detector 20 achieved, wherein a high absorption of light has occurred.

8c zeigt das Ansprechverhalten bezüglich einer Markierung von Kügelchen aufgrund vier verschiedener Fälle, in denen Proben A1, A2 und A3 mit einem biotinylierten Target von 1 μm hybridisiert wurden, wohingegen B1, B2 und B3 mit 50 nm und C1, C2 und C3 mit 2,5 nm hybridisiert wurden. Die zwei Nichtübereinstimmungsproben Nichtübereinstimmung1 & Nichtübereinstimmung2 ohne gebundene Kügelchen werden als Kontrollpunkte verwendet. Wie man sehen kann, bewirken die verschiedenen Konzentrationen unterschiedliche optisch erfassbare Effekte, so dass der Detektor 20 zwischen den Konzentrationen unterscheiden kann. 8c Figure 4 shows the response to bead labeling due to four different cases in which samples A1, A2 and A3 were hybridized with a biotinylated 1 μm target, whereas B1, B2 and B3 were 50 nm and C1, C2 and C3 were 2.5 were hybridized. The two mismatch samples mismatch1 & mismatch2 without bound beads are used as control points. As you can see, the different concentrations cause different optically detectable effects, so that the detector 20 can distinguish between the concentrations.

Ein exemplarisches Signal, das zu drei verschiedenen Konzentrationen und einer Nichtübereinstimmung gehört, ist in 8d gezeigt. 8d zeigt das Stromansprechverhalten in der elektrooptischen Detektionsschicht auf verschiedene DNA-Konzentrationen.An exemplary signal that belongs to three different concentrations and one mismatch is in 8d shown. 8d shows the current response in the electro-optical detection layer to different DNA concentrations.

Der obige Aufbau verwendet eine organische Halbleiterschicht (OSC) 20o, z. B. FS102 mit einem Absorptionsmaximum bei 400 nm, und eine LED-Lichtquelle von ~360 nm, 21l. Eine optische Faser ist bei dem Aufbau dazu ausgebildet, die Transmissions- und Autofluoreszenzeigenschaften der Folienschichten 20f und 14f zu nutzen. Die Transmissionsspektren der Schichten 20f und 14f sind in 8e gezeigt. Beispielsweise erreichen für die Autofluoreszenz der Folienschicht (PEN) 14f die Anregungs- und Emissionsspektren von PEN-Filmen ihre Spitze bei 337–356 nm bzw. 425 nm. Indem man eine optische Quelle 21l derart wählt, dass sie zwischen diesen Bereich oder im Allgemeinen zwischen einem Bereich, der von der gewählten Folienschicht abhängig ist, liegt, ist es möglich, ein folienbasiertes optisches Filtersystem zu auszubilden, bei dem die Schicht 14f die Punktquellen-LED-Lichtquelle (~360 nm) in eine homogen verteilte Lichtquelle im Bereich von ~420 nm umwandelt, was mit den Absorptionsspektren der OSC-Schicht 20o (~400 nm) übereinstimmt. Wohingegen die Folienschicht (PET) 20f eine Durchlässigkeit derselben ohne jegliche Veränderung des Lichts ermöglicht.The above structure uses an organic semiconductor layer (OSC) 20o , z. FS102 with an absorption maximum at 400 nm, and an LED light source of ~ 360 nm, 21l , An optical fiber is formed in the structure, the transmission and autofluorescence properties of the film layers 20f and 14f to use. The transmission spectra of the layers 20f and 14f are in 8e shown. For example, for the autofluorescence of the film layer (PEN) 14f The excitation and emission spectra of PEN films peak at 337-356 nm and 425 nm, respectively. By using an optical source 21l such that it lies between this region or generally between a region which depends on the selected film layer, it is possible to form a film-based optical filter system in which the layer 14f converts the point source LED light source (~ 360 nm) into a homogeneously distributed light source in the range of ~ 420 nm, which is consistent with the absorption spectra of the OSC layer 20o (~ 400 nm) matches. Whereas the film layer (PET) 20f permeability of the same without any change in the light.

8f zeigt die Spektren, die die Autofluoreszenzeigenschaft der optischen Schicht 20f und 14f aufgrund der Lichtquelle 21l angeben. 8f Fig. 12 shows the spectra showing the autofluorescence property of the optical layer 20f and 14f due to the light source 21l specify.

Zusätzlich zeigt 8g die Eigenschaft der optischen Folienschicht 14f, in der Lage zu sein, eine Punktlichtquelle wie z. B. eine LED 21l in einen homogen beleuchteten Hintergrund umzuwandeln, der für den in der Kammer 14 implementierten Lichtblockierungsaufbau auf der Basis von Kügelchen geeigneter ist. Wohingegen die Folienschicht 20f auf der Kammer 14 ermöglicht, dass das Licht ungehindert zu der OSC-Schicht 20o hindurch gelangt.Additionally shows 8g the property of the optical film layer 14f to be able to use a point light source such as B. an LED 21l to transform it into a homogeneously illuminated background for the one in the chamber 14 is more suitable on the basis of beads implemented light blocking. Whereas the film layer 20f on the chamber 14 allows the light to pass unhindered to the OSC layer 20o passes through.

Alle oben erörterten Systeme, die zu verschiedenen Aspekten gehören, werden vorzugsweise vollständig auf Folie hergestellt, beispielsweise unter Verwendung einer Rolle-zu-Rolle-Technologie. Da die Detektorschicht und die Heizschicht direkt neben der Kammer angeordnet sind, weisen Ausführungsbeispiele gemäß allen Aspekten einen geringen Leistungsverbrauch auf, so dass sie batteriebetrieben sein können. Deshalb stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel ein tragbares Diagnostiksystem bereit, das eines der oben erörterten Analysesysteme und als Leistungsversorgung eine Batterie aufweist. Die Kombination der Elemente zu einem mikrofluidischen System würde ein Analysemodul für biologische oder chemische Ereignisse ermöglichen, das extrem kostengünstig und tragbar ist.All of the systems discussed above, which belong to different aspects, are preferably made entirely on film, for example using a roll-to-roll technology. Since the detector layer and the heating layer are arranged directly next to the chamber, embodiments in all aspects have a low power consumption, so that they can be battery operated. Therefore, another embodiment provides a portable diagnostic system having one of the analysis systems discussed above and a battery as a power supply. The combination of elements into a microfluidic system would allow a biological or chemical event analysis module that is extremely cost effective and portable.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel liefert eine Analysekartusche, die ein Analysesystem gemäß einem oder mehreren der oben erörterten Aspekte aufweist. Das Analysekartuschensystem weist beispielsweise die Form einer Kreditkarte auf und weist Außenstifte auf, über die das Analysesystem mit einer Lesevorrichtung verbunden werden kann, um die Analyse zu steuern/auszuwerten. Beispielsweise sind die Stifte innen mit der Steuerschicht, d. h. mit den Heizvorrichtungen, oder mit den optischen Detektorelementen verbunden. Die Analysekartusche kann ein Einweg-Element sein, bei dem die Analyseelektronik getrennt sein könnte, d. h. in die Lesevorrichtung integriert. Umgekehrt bedeutet dies, dass alle Aktoren und Sensoren in das Einweg-Element integriert sind, während Elemente, die wiederverwendet werden können, außen angeordnet sind.Another embodiment provides an analysis cartridge having an analysis system according to one or more of the aspects discussed above. For example, the analysis cartridge system is in the form of a credit card and has outside pegs through which the analysis system can be connected to a reader to control / analyze the analysis. For example, the pins are inside with the control layer, i. H. connected to the heaters, or to the optical detector elements. The analysis cartridge may be a disposable element in which the analysis electronics could be separated, i. H. integrated into the reading device. Conversely, this means that all actuators and sensors are integrated into the disposable element, while elements that can be reused are located outside.

Obwohl die obigen Ausführungsbeispiele hauptsächlich im Zusammenhang mit einer Vorrichtung erörtert wurden, ist zu beachten, dass weitere Ausführungsbeispiele entsprechende Verfahren bereitstellen. Deshalb wird gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Verfahren zum Steuern eines Analysesystems bereitgestellt. Dieses Verfahren beginnt bei den bezüglich eines Nebenaspekts erörterten Ausführungsbeispielen und weist die Schritte des Erwärmens zumindest einer Kammer, um das Verarbeiten des Analyten durchzuführen, und des Erwärmens des temperatursteuerbaren Elements zum Steuern desselben auf. Ein weiteres Verfahren bezieht sich auf das Analysieren eines Analyten. Dieses Verfahren beginnt bei den Ausführungsbeispielen gemäß einem Nebenaspekt und weist den Hauptschritt des Analysierens des Signals des optischen Detektors auf, wobei ein Signal, das zu einer erfassten Lichttransmission durch die Kammer, die eine geringe Absorption aufweist, gehört, einen Fall angibt, gemäß dem keine Reaktion erfolgt ist, wobei ein Signal, das zu einer Lichttransmission durch die Kammer, die eine hohe Absorption aufweist, gehört, den Fall angibt, gemäß dem eine Reaktion erfolgt ist. Ein weiteres Signal, das zu einer Fluoreszenz, Chemolumineszenz oder Kolorimetrie oder etwas Anderem gehört, gibt den Fall einer im Gang befindlichen chemischen oder biochemischen Reaktion an.Although the above embodiments have been discussed primarily in the context of a device, it should be understood that other embodiments provide such methods. Therefore, according to another embodiment, a method for controlling an analysis system is provided. This method begins with the embodiments discussed in a minor aspect and includes the steps of heating at least one chamber to perform the processing of the analyte and heating the temperature-controllable element to control the same. Another method relates to analyzing an analyte. This method starts in the embodiments according to a side aspect and includes the main step of analyzing the signal of the optical detector, wherein a signal corresponding to a detected light transmission through the chamber having a low absorption indicates a case in which none Reaction has taken place, wherein a signal that belongs to a light transmission through the chamber, which has a high absorption, indicates the case in which a reaction has taken place. Another signal leading to a fluorescence, Chemiluminescence or colorimetry or otherwise, is the case of a chemical or biochemical reaction in progress.

Es versteht sich, dass die im Zusammenhang mit einer Vorrichtung erörterten Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder ein Bauelement einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung des entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals der entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle Verfahrensschritte können durch eine (oder unter Verwendung einer) Hardware-Vorrichtung wie beispielsweise einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch eine derartige Vorrichtung ausgeführt werden.It is understood that the aspects discussed in connection with a device also represent a description of the corresponding method, wherein a block or a component corresponds to a method step or a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with a method step also represent a description of the corresponding block or feature or feature of the corresponding device. Some or all of the method steps may be performed by (or using) a hardware device such as a microprocessor, a programmable computer or electronic circuit. In some embodiments, some or more of the most important method steps may be performed by such a device.

Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers durchgeführt werden, auf der bzw. auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken (oder zusammenwirken können), dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.Depending on particular implementation requirements, embodiments of the invention may be implemented in hardware or in software. The implementation may be performed using a digital storage medium such as a floppy disk, a DVD, a Blu-ray Disc, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM, or a FLASH memory on which are stored on the electronically readable control signals, which cooperate with a programmable computer system (or can cooperate), that the respective method is performed. Therefore, the digital storage medium can be computer readable.

Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung weisen einen Datenträger auf, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.Some embodiments according to the invention include a data carrier having electronically readable control signals capable of interacting with a programmable computer system to perform one of the methods described herein.

Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.In general, embodiments of the present invention may be implemented as a computer program product having a program code, wherein the program code is operable to perform one of the methods when the computer program product runs on a computer. The program code may for example be stored on a machine-readable carrier.

Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.Other embodiments include the computer program for performing any of the methods described herein, wherein the computer program is stored on a machine-readable medium.

Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.In other words, an embodiment of the method according to the invention is thus a computer program which has a program code for performing one of the methods described herein when the computer program runs on a computer.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das aufgezeichnete Medium sind üblicherweise greifbar bzw. nicht-flüchtig.A further embodiment of the inventive method is thus a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program is recorded for carrying out one of the methods described herein. The data medium, the digital storage medium or the recorded medium are usually tangible or non-volatile.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.A further embodiment of the method according to the invention is thus a data stream or a sequence of signals, which represent the computer program for performing one of the methods described herein. The data stream or the sequence of signals may be configured, for example, to be transferred via a data communication connection, for example via the Internet.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.Another embodiment includes a processing device, such as a computer or a programmable logic device, that is configured or adapted to perform one of the methods described herein.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.Another embodiment includes a computer on which the computer program is installed to perform one of the methods described herein.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen (z. B. elektronisch oder optisch). Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder dergleichen sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms an den Empfänger umfassen.Another embodiment of the invention includes a device or system configured to transmit (eg, electronically or optically) a computer program for performing at least one of the methods described herein to a receiver. The receiver may be, for example, a computer, a mobile device, a storage device or the like. For example, the device or system may include a file server for transmitting the computer program to the receiver.

Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren vorzugsweise seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt.In some embodiments, a programmable logic device (eg, a field programmable gate array) may be used to perform some or all of the functionality of the methods described herein. In some embodiments, a field programmable gate array may cooperate with a microprocessor to perform one of the methods described herein. Generally, the methods are preferably performed by any hardware device.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It will be understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to others of ordinary skill in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the appended claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.

Referenzenreferences

  • [1] ”Genotyping of single nucleotide polymorphisms by melting curve analysis using thin film semitransparent heaters integrated in a lab-on-foil system”; Anna Ohlander, Caterina Zilio, Tobias Hammerle, Sergey Zelenin, Gerhard Klink, Marcella Chiari, Karlheinz Bock und Aman Russom; Lab Chip, 2013, 13, 2075 2082 .[1] "Genotyping of single nucleotide polymorphisms by melting curve analysis using thin film semitransparent heaters integrated in a lab-on-foil system"; Anna Ohlander, Caterina Zilio, Tobias Hammerle, Sergey Zelenin, Gerhard Klink, Marcella Chiari, Karlheinz Bock and Aman Russom; Lab Chip, 2013, 13, 2075 2082 ,
  • [2] ”DNA melting curve analysis on semitransparent thin film microheater on fexible Lab-on-Foil substrate”; Anna Ohlander, Tobias Hammerle, Gerhard Klink, Caterina Zilio, Francesco Damin, Marchella Chiari, Aman Russom und Karlheinz Bock; Proceedings of 16th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry und Life Sciences, 28. Oktober–1. November 2012, Okinawa, Japan, Seiten 797–799 .[2] "DNA melting curve analysis on semitransparent thin film microheater on flexible lab-on-foil substrates"; Anna Ohlander, Tobias Hammerle, Gerhard Klink, Caterina Zilio, Francesco Damin, Marchella Chiari, Aman Russom and Karlheinz Bock; Proceedings of 16th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, October 28-1. November 2012, Okinawa, Japan, pages 797-799 ,
  • [3] ”Foil-based DNA melting curve analysis platform for low-cost point-of-care molecular diagnostics”; Anna Ohlander, Stefanie Bauer, Harisha Ramachandraiah, Aman Russom und Karlheinz Bock; Proceedings of 17th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, 27.–31. Oktober 2013, Freiburg, Deutschland, 1770–1772 .[3] "Foil-based DNA melting curve analysis platform for low-cost point-of-care molecular diagnostics"; Anna Ohlander, Stefanie Bauer, Harisha Ramachandraiah, Aman Russom and Karlheinz Bock; Proceedings of 17th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, 27.-31. October 2013, Freiburg, Germany, 1770-1772 ,
  • [4] Eingereichte Patente, die das Gitter-Heizvorrichtungskonzept beinhalten:[4] Submitted patents incorporating the grid heater concept:
  • PCT/EP2013/071952 - PCT / EP2013 / 071952
  • DE 10 2014 221 734.2 - DE 10 2014 221 734.2
  • DE 10 2015 202 353.2 ;- DE 10 2015 202 353.2 ;

Claims (15)

Ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') zum Analysieren eines Analyten (13), das folgende Merkmale aufweist: eine Kammer (14) zum Verarbeiten des Analyten (13); und eine Heizvorrichtung (12, 12', 12''a, 12''b, 12''c, 12''d, 12''e, 12''f), die in eine neben der Kammer (14) befindliche Schicht integriert (12l) ist und eine zweidimensionale Geometrie aufweist, wobei die Heizvorrichtung dazu konfiguriert ist, gemäß einer zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik (12tc, 12tc'), die eine Form aufweist, Wärme an die Kammer abzugeben, die in eine neben der Kammer (14) befindliche Schicht integriert (12l) ist und wobei eine laterale Form oder laterale Größe der Kammer (14) an die Form der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik (12tc, 12tc') angepasst ist.An analysis system ( 10 . 10 ' . 10 '' . 10 ''' . 10 '''' . 10 ''''' ) for analyzing an analyte ( 13 ), comprising: a chamber ( 14 ) for processing the analyte ( 13 ); and a heating device ( 12 . 12 ' . 12''a . 12''b . 12''c . 12''d . 12''e . 12''f ), which is placed in one of the chambers ( 14 ) integrated layer ( 12l ) and has a two-dimensional geometry, wherein the heating device is configured according to a two-dimensional temperature distribution characteristic ( 12TC . 12TC ' ), which has a shape to deliver heat to the chamber, which is in a chamber adjacent to the chamber ( 14 ) integrated layer ( 12l ) and wherein a lateral shape or lateral size of the chamber ( 14 ) to the shape of the two-dimensional temperature distribution characteristic ( 12TC . 12TC ' ) is adjusted. Das Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß Anspruch 1, bei dem ein Seitenverhältnis der Kammer (14) potentiell mit einem Seitenverhältnis der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik (12tc, 12tc') übereinstimmt; und/oder bei dem die laterale Form der Kammer (14) im Wesentlichen mit der Form der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik (12tc, 12tc') übereinstimmt.The analysis system ( 10 . 10 ' . 10 '' . 10 ''' . 10 '''' . 10 ''''' ) according to claim 1, wherein an aspect ratio of the chamber ( 14 ) potentially having an aspect ratio of the two-dimensional temperature distribution characteristic ( 12TC . 12TC ' ) matches; and / or in which the lateral shape of the chamber ( 14 ) substantially with the shape of the two-dimensional temperature distribution characteristic ( 12TC . 12TC ' ) matches. Das Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß Anspruch 2, bei dem das Seitenverhältnis der Kammer (14) innerhalb einer Toleranz von ±20% mit dem Seitenverhältnis der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik (12tc, 12tc') übereinstimmt.The analysis system ( 10 . 10 ' . 10 '' . 10 ''' . 10 '''' . 10 ''''' ) according to claim 2, wherein the aspect ratio of the chamber ( 14 within a tolerance of ± 20% with the aspect ratio of the two-dimensional temperature distribution characteristic ( 12TC . 12TC ' ) matches. Ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die laterale Größe der Kammer (14) im Wesentlichen mit der Größe der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik (12tc, 12tc') übereinstimmt.An analysis system ( 10 . 10 ' . 10 '' . 10 ''' . 10 '''' . 10 ''''' ) according to one of the preceding claims, in which the lateral size of the chamber ( 14 ) substantially with the size of the two-dimensional temperature distribution characteristic ( 12TC . 12TC ' ) matches. Ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß Anspruch 4, bei dem die Kammer (14) bis zu 10% bis 30% kleiner ist als die zweidimensionale Temperaturverteilungscharakteristik (12tc, 12tc'); und/oder bei dem die laterale Größe der Kammer (14) innerhalb einer Toleranz von ±20% gleich der Größe der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik (12tc, 12tc') ist; und/oder bei dem die Kammer (14) 10% bis 30% größer ist als die zweidimensionale Temperaturverteilungscharakteristik (12tc, 12tc').An analysis system ( 10 . 10 ' . 10 '' . 10 ''' . 10 '''' . 10 ''''' ) according to claim 4, wherein the chamber ( 14 ) is up to 10% to 30% smaller than the two-dimensional temperature distribution characteristic ( 12TC . 12TC ' ); and / or where the lateral size of the chamber ( 14 within a tolerance of ± 20% equal to the size of the two-dimensional temperature distribution characteristic ( 12TC . 12TC ' ); and / or where the chamber ( 14 ) Is 10% to 30% larger than the two-dimensional temperature distribution characteristic ( 12TC . 12TC ' ). Ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß Anspruch 4, bei dem die Kammer (14) für eine Polymerase-Kettenreaktion konfiguriert ist und bei dem die Kammer (14) 10% bis 30% größer ist als die zweidimensionale Temperaturverteilungscharakteristik (12tc, 12tc'), so dass ein Temperaturgradient von der Mitte bis zu der Randregion der Kammer eine Zirkulation eines Fluids in der Kammer an der Randregion bewirkt.An analysis system ( 10 . 10 ' . 10 '' . 10 ''' . 10 '''' . 10 ''''' ) according to claim 4, where the chamber ( 14 ) is configured for a polymerase chain reaction and in which the chamber ( 14 ) Is 10% to 30% larger than the two-dimensional temperature distribution characteristic ( 12TC . 12TC ' ) such that a temperature gradient from the center to the edge region of the chamber causes circulation of a fluid in the chamber at the edge region. Ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kammer (14) für eine Polymerase-Kettenreaktion oder eine Mikro-Polymerase-Kettenreaktion konfiguriert ist.An analysis system ( 10 . 10 ' . 10 '' . 10 ''' . 10 '''' . 10 ''''' ) according to one of the preceding claims, in which the chamber ( 14 ) is configured for a polymerase chain reaction or a micro-polymerase chain reaction. Ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kammer (14) durch eine oder mehrere Polymerfolien gebildet ist und/oder ein Polymer mit geringer Wärmeleitfähigkeit aufweist.An analysis system ( 10 . 10 ' . 10 '' . 10 ''' . 10 '''' . 10 ''''' ) according to one of the preceding claims, in which the chamber ( 14 ) is formed by one or more polymer films and / or has a polymer with low thermal conductivity. Ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gitterheizvorrichtung (12, 12', 12''a, 12''b, 12''c, 12''d, 12''e, 12''f) als Dünnfilm-Gitterheizvorrichtung implementiert und auf einer Hauptoberfläche der Kammer (14) angeordnet ist.An analysis system ( 10 . 10 ' . 10 '' . 10 ''' . 10 '''' . 10 ''''' ) according to one of the preceding claims, in which the grid heating device ( 12 . 12 ' . 12''a . 12''b . 12''c . 12''d . 12''e . 12''f ) is implemented as a thin film grid heater and is mounted on a major surface of the chamber (FIG. 14 ) is arranged. Ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Analysesystem ferner ein temperaursteuerbares Element (15, 15''a, 15''c, 15''e) und eine Steuerschicht (12l), in der die Gitterheizvorrichtung (12, 12', 12''a, 12''b, 12''c, 12''d, 12''e, 12''f) zum Erwärmen der Kammer (14) integriert ist, aufweist, um die Verarbeitung durchzuführen, und wobei eine weitere Heizvorrichtung mit dem temperatursteuerbaren Element gekoppelt ist und zum Steuern des temperatursteuerbaren Elements konfiguriert ist.An analysis system ( 10 . 10 ' . 10 '' . 10 ''' . 10 '''' . 10 ''''' ) according to one of the preceding claims, wherein the analysis system further comprises a temperature controllable element ( 15 . 15''a . 15''c . 15''e ) and a tax layer ( 12l ), in which the grid heating device ( 12 . 12 ' . 12''a . 12''b . 12''c . 12''d . 12''e . 12''f ) for heating the chamber ( 14 ), to perform the processing, and wherein another heater is coupled to the temperature-controllable element and configured to control the temperature-controllable element. Ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner einen optischen Detektor (20) aufweist, der in eine neben der Kammer (14) befindliche Schicht integriert ist, um von der Kammer (14) kommendes Licht zu erfassen, und dazu konfiguriert ist, ein Signal auszugeben, das ein Transmissionsverhalten durch die Kammer (14) hindurch angibt oder das eine optische Aktivität des Analyten (13) angibt.An analysis system ( 10 . 10 ' . 10 '' . 10 ''' . 10 '''' . 10 ''''' ) according to any one of the preceding claims, further comprising an optical detector ( 20 ) located in one of the chambers ( 14 ) is integrated to remove from the chamber ( 14 ) and is configured to output a signal indicative of transmission behavior through the chamber (FIG. 14 ) or which indicates an optical activity of the analyte ( 13 ) indicates. Ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Heizvorrichtung als Gitterheizvorrichtung implementiert ist.An analysis system ( 10 . 10 ' . 10 '' . 10 ''' . 10 '''' . 10 ''''' ) according to one of the preceding claims, wherein the heating device is implemented as a grid heater. Ein tragbares Diagnostiksystem, das ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche sowie als Leistungsversorgung eine Batterie aufweist.A portable diagnostic system that includes an analysis system ( 10 . 10 ' . 10 '' . 10 ''' . 10 '''' . 10 ''''' ) according to one of the preceding claims and as a power supply having a battery. Ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') zum Analysieren eines Analyten (13), das folgende Merkmale aufweist: eine Polymerase-Kettenreaktion-Kammer (14) zum Verarbeiten des Analyten (13); und eine Gitterheizvorrichtung (12, 12', 12''a, 12''b, 12''c, 12''d, 12''e, 12''f), die in eine neben der Kammer (14) befindliche Schicht (12l) integriert ist und eine zweidimensionale Geometrie aufweist, wobei die Gitterheizvorrichtung dazu konfiguriert ist, gemäß einer zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik (12tc, 12tc'), die eine Form aufweist, Wärme an die Kammer abzugeben, wobei eine laterale Form oder laterale Größe der Kammer (14) an die Form der zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik (12tc, 12tc') angepasst ist, wobei die Kammer (14) 10% bis 30% größer ist als die zweidimensionale Temperaturverteilungscharakteristik (12tc, 12tc'), so dass ein Temperaturgradient von der Mitte bis zu der Randregion der Kammer eine Zirkulation eines Fluids in der Kammer an der Randregion bewirkt.An analysis system ( 10 . 10 ' . 10 '' . 10 ''' . 10 '''' . 10 ''''' ) for analyzing an analyte ( 13 ) comprising: a polymerase chain reaction chamber ( 14 ) for processing the analyte ( 13 ); and a grid heater ( 12 . 12 ' . 12''a . 12''b . 12''c . 12''d . 12''e . 12''f ), which is placed in one of the chambers ( 14 ) layer ( 12l ) is integrated and has a two-dimensional geometry, wherein the grid heater is configured according to a two-dimensional temperature distribution characteristic ( 12TC . 12TC ' ) having a shape to deliver heat to the chamber, wherein a lateral shape or lateral size of the chamber ( 14 ) to the shape of the two-dimensional temperature distribution characteristic ( 12TC . 12TC ' ), the chamber ( 14 ) Is 10% to 30% larger than the two-dimensional temperature distribution characteristic ( 12TC . 12TC ' ) such that a temperature gradient from the center to the edge region of the chamber causes circulation of a fluid in the chamber at the edge region. Ein Analysesystem (10, 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') zum Analysieren eines Analyten (13), das folgende Merkmale aufweist: eine Rolling-Circle-Amplifikation-Kammer (14) zum Verarbeiten des Analyten (13); und eine Heizvorrichtung (12, 12', 12''a, 12''b, 12''c, 12''d, 12''e, 12''f), die in eine neben der Kammer (14) befindliche Schicht (12l) integriert ist und eine zweidimensionale Geometrie aufweist, wobei die Heizvorrichtung dazu konfiguriert ist, gemäß einer zweidimensionalen Temperaturverteilungscharakteristik (12tc, 12tc'), die eine Form aufweist, Wärme an die Kammer abzugeben, wobei eine laterale Form oder laterale Größe der Kammer (14) derart ausgewählt ist, dass ein Temperaturgradient von der Mitte bis zu der Randregion der Kammer eine Zirkulation eines Fluids in der Kammer an der Randregion bewirkt.An analysis system ( 10 . 10 ' . 10 '' . 10 ''' . 10 '''' . 10 ''''' ) for analyzing an analyte ( 13 ), comprising: a rolling circle amplification chamber ( 14 ) for processing the analyte ( 13 ); and a heating device ( 12 . 12 ' . 12''a . 12''b . 12''c . 12''d . 12''e . 12''f ), which is placed in one of the chambers ( 14 ) layer ( 12l ) is integrated and has a two-dimensional geometry, wherein the heating device is configured according to a two-dimensional temperature distribution characteristic ( 12TC . 12TC ' ) having a shape to deliver heat to the chamber, wherein a lateral shape or lateral size of the chamber ( 14 ) is selected such that a temperature gradient from the center to the edge region of the chamber causes circulation of a fluid in the chamber at the edge region.
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