Die vorliegende Erfindung betrifft ein Testelement zur optischen Analyse einer Flüssigkeitsprobe mit einem Substrat und einer mikrofluidischen Kanalstruktur, die von dem Substrat und einer Deckschicht umschlossen ist. Die Kanalstruktur weist eine Messkammer mit einer Einlassöffnung für die Flüssigkeitsprobe auf.
In diagnostischen Tests (In-Vitro-Diagnostik) werden mikrofluidische Elemente zum Analysieren einer Flüssigkeitsprobe und zum Durchmischen einer Flüssigkeit mit einem Reagenz eingesetzt. Körperflüssigkeiten werden auf einen darin enthaltenen Analyten für medizinische Zwecke untersucht. Dazu wird die Flüssigkeit mit einem Reagenz, beispielsweise einem flüssigen Reagenz, durchmischt. Liegt das Reagenz als Feststoff vor, wird es durch die Flüssigkeit aufgelöst und homogenisiert.
Bekannt ist es, derartige Messkammern als Detektionsküvetten auszubilden. Diese werden bevorzugt in rotierenden Testelementen oder Zentrifugaltestträgern (Disks) eingesetzt. In den fluidischen Strukturen der Testelemente werden die notwendigen Verfahrensschritte ausgeführt, um die erforderlichen Reaktionen zum Nachweis eines Analyten in einer Flüssigkeit auszuführen. Zentrifugaltestträger, die um eine Rotationsachse rotieren, sind beispielsweise aus der
Sowohl rotierende wie auch nicht rotierende Testträger oder Testelemente weisen jeweils eine mikrofluidische Kanalstruktur zur Aufnahme einer Flüssigkeitsprobe auf. Die Kanalstrukturen umfassen oft mehrere Kammern, um auch aufwendige und mehrstufige Testführungen ("Testprotokolle") durchführen zu können. Derartige Testträger haben in der Regel wenigstens eine, häufig auch mehrere fluidische Kanalstrukturen, so dass mehrere Tests parallel durchgeführt werden können.
Die zur Untersuchung notwendigen Reagenzien werden bei sogenannten trockenchemischen Testelementen zunächst in flüssiger Form in die Reagenzkammer eingebracht und dort getrocknet. Zur Auflösung der Reagenzien ist es üblich, sie durch die Flüssigkeitsprobe aufzulösen. Nach dem Auflösen und einem Durchmischen zur Herstellung einer homogenen Flüssigkeitsprobe wird die gemischte Flüssigkeit über weitere Kanäle aus der Reagenz- und Mischkammer in eine Analyse- oder Messkammer geleitet. Hier findet die Auswertung der Flüssigkeitsprobe statt, um einen bestimmten Analyten in der Probe zu detektieren und zu bestimmen.
Die Probenflüssigkeit reagiert mit dem Reagenz in dem Testelement, was zu einer Änderung einer Messgröße führt, die mit dem gesuchten Analyten in einem eindeutigen Zusammenhang steht. Diese Änderung der Messgröße wird in dem Testträger selbst gemessen. Neben elektrochemischen Auswerteverfahren sind optische Auswerteverfahren gebräuchlich, bei denen eine Farbänderung oder eine andere optisch messbare Größe detektiert wird.
Die Testträger und fluidischen Elemente bestehen deshalb aus einem Trägermaterial, üblicherweise aus einem Substrat aus Kunststoffmaterial, welches im Falle optischer Auswerteverfahren zumindest im Bereich der Messkammer zumindest teilweise transparent oder opak ist. Geeignete Materialien sind beispielsweise COC (Cyclo-Olefin-Copolymer) oder Kunststoffe wie PMMA, Polycarbonat, Polystyrol oder Polyimid.
Die Testelemente weisen eine Kanalstruktur auf, die von dem Substrat und einem Deckel oder einer Deckschicht umschlossen ist. Die Kanalstruktur, die aus einer Aufeinanderfolge mehrerer Kanalabschnitte und erweiterten Kammern besteht, wird durch Strukturierung des Substrats bzw. Trägermaterials definiert.
Die gesteuerte Bewegung der Probenflüssigkeit in den mikrofluidischen Testelementen erfolgt durch das Erzeugen einer externen Kraft, die auf die Flüssigkeit wirkt. Diese Kraft kann durch Bewegung des Testelements, beispielsweise durch Rotation um eine Rotationsachse oder durch eine translatorische Bewegung erzeugt werden. Bei ruhendem Testelement können Steuerungskräfte beispielsweise durch das Einleiten von Druckluft in die Kanalstruktur oder durch hydrostatische Kräfte erzeugt werden. Daneben können auch Kapillarkräfte wirken, die in Abhängigkeit von den verwendeten Strukturen ebenfalls zur Steuerung eingesetzt werden können.
Der Nachweis von Analyten in der Flüssigkeit kann mit immunologischen Nachweismethoden erfolgen. Auch andere Nachweismethoden zur Detektion von Inhaltsstoffen in einer Flüssigkeitsprobe können analog anwendbar sein. Die Nachweisreaktion kann auch an einer Festphase stattfinden, an der die zum Nachweis notwendigen Reagenzien immobilisiert vorliegen. Bei immunologischen Nachweismethoden können beispielsweise Fänger-Antikörper an der Oberfläche der entsprechenden Messkammer immobilisiert sein.
Allen Testträgern liegt das Problem zugrunde, dass vor der Messung die Probenflüssigkeit mit den gewünschten Reagenzien möglichst homogen vermischt werden soll. Gleichzeitig sollen die Testelemente und verwendeten mikrofluidischen Kanalstrukturen immer kompakter werden, um auf einem Testträger möglichst mehrere parallele Kanalstrukturen zu realisieren.
Gelöst wird die vorliegende Aufgabe durch ein mikrofluidisches Testelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Analysesystem zur optischen Analyse einer Flüssigkeitsprobe mit den Merkmalen des Anspruchs 13 und durch ein Verfahren zur optischen Analyse mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
Das erfindungsgemäße mikrofluidische Testelement zur optischen Analyse einer Flüssigkeitsprobe umfasst ein Substrat mit einer mikrofluidischen Kanalstruktur, die von dem Substrat und einer Deckschicht oder einem Deckel umschlossen ist. Das Substrat besteht aus einem Kunststoffmaterial, das bevorzugt transparent oder derart opak ist, dass eine optische Detektion eines Analyten in der Flüssigkeitsprobe erfolgen kann. Vorzugsweise ist das Substrat ein abformbares Kunststoffmaterial. Dieses ist einfach und preiswert herzustellen und erlaubt, die gewünschten Strukturen (Kanalstrukturen) mit hoher Präzision herzustellen. Als geeignete Abformverfahren sind beispielsweise Spritzgießverfahren, Heißprägen oder andere Verfahren möglich, um ein einstückiges Formteil herzustellen. Alternativ können Material abtragende Verfahren wie beispielsweise Fräsen eingesetzt werden.
Die Kanalstruktur des Testelements umfasst eine multifunktionale Messkammer mit zumindest einer Einlassöffnung, an der sich ein Zuflusskanal, der ebenfalls Teil der Kanalstruktur ist, anschließt. Bevorzugt ist die Messkammer in Strömungsrichtung der Flüssigkeit am Ende der Kanalstruktur angeordnet.
Das Testelement hat eine erste Ebene, die der Deckschicht zugewandt ist. Vorzugsweise erstreckt sich die erste Ebene parallel zur Oberfläche des Substrats und parallel zur Deckschicht. In der ersten Ebene erfolgt die optische Analyse der Flüssigkeitsprobe zur Bestimmung eines darin enthaltenen Analyten. Das Testelement weist eine zweite Ebene auf, die sich so an die erste Ebene anschließt, dass die erste Ebene zwischen der Deckschicht und der zweiten Ebene angeordnet ist.
Die Messkammer umfasst einen Messraum und einen Mischraum, wobei der Messraum von dem Teil der Messkammer gebildet wird, der sich durch die erste Ebene erstreckt. Der Mischraum der Messkammer wird von dem Teil der Messkammer gebildet, der sich in der zweiten Ebene erstreckt. Vorzugsweise sind der Messraum und der Mischraum derart zueinander angeordnet, dass sie senkrecht zur Deckschicht miteinander fluchten. Der in der zweiten Ebene angeordnete Mischraum der Messkammer weist einen Boden auf, der derart strukturiert ist, dass er abgerundet ist. Durch den Messraum der Messkammer wird das für die optische Analyse der Flüssigkeitsprobe verwendete Licht entlang einer optischen Achse geleitet. Das Licht wird dabei bevorzugt parallel zur Deckschicht bzw. zur Oberfläche des Substrats durch die erste Ebene geführt. Somit wird der Teil der Flüssigkeit optisch analysiert, der sich in dem Messraum der Messkammer befindet. Der im Mischraum angeordnete Teil der Flüssigkeit wird nicht analysiert. Es ist deshalb notwendig, dass eine homogene Durchmischung der gesamten Flüssigkeit stattfindet. Die Durchmischung der Flüssigkeitsprobe erfolgt nicht ausschließlich in dem hier geometrisch definierten Mischraum, sondern auch im benachbarten Messraum, welche im Bezug auf die Mischfunktionalität einen einheitlichen Raum bilden.
Die erfindungsgemäße Messkammer weist den Vorteil auf, dass in ihr nicht nur die optische Messung erfolgt. Vielmehr übernimmt die Messkammer noch weitere Funktionen, die zur Detektion von Inhaltsstoffen in Flüssigkeiten erforderlich sind. Diese Funktionen können beispielsweise das Mischen und Durchmischen von Flüssigkeiten oder das Auflösen von Reagenzien in Flüssigkeiten sein. Die angepasste geometrische Struktur der Messkammer mit einem abgerundeten Boden des Mischraums erlaubt ein zuverlässiges Mischen der Flüssigkeiten. Es ist daher nicht zwingend notwendig, innerhalb der Kanalstruktur weitere Kammern vorzusehen, in denen Reagenzien angelöst oder Flüssigkeiten miteinander derart vermischt werden, dass sie in homogener Form vorliegen. Die Zusammenlegung der Funktionen Messen und Mischen in der Messkammer in Form einer multifunktionalen Messkammer führt zu deutlichen Platzeinsparungen auf dem Testelement.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Messkammer ein Reagenz zum Nachweis eines gesuchten Analyten der Flüssigkeitsprobe angeordnet. Bevorzugt liegt das Reagenz in fester Form vor. In der Regel ist es eingetrocknet. Zum Einbringen der Reagenzien in dem Mischraum wird entweder die Deckschicht von dem Substrat entfernt oder das Einfüllen des flüssigen Reagenz erfolgt bereits während der Herstellung in die noch offene mikrofluidische Kanalstruktur ohne Deckschicht.
Da die Reagenzien typischerweise ein stark benetzendes Verhalten aufweisen, wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass der Mischraum der Messkammer derart gestaltet sein muss, dass zum einen die Vorlage und Eintrocknung der Reagenzien möglich ist, zum anderen ein gutes Resuspendieren und Homogenisieren der getrockneten Reagenzien erfolgen kann. Daneben muss das Durchmischen von Flüssigkeiten schnell und mit hoher Güte stattfinden.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass eine Messkammer mit verrundetem Boden des Mischraums nicht nur vorteilhaft für das Durchmischen bzw. Resuspendieren der Reagenzien ist. Die Vermeidung von scharfen Kanten und Ecken verhindert, dass die in flüssiger Phase vorgelegten Reagenzien bedingt durch hohe Kapillarkräfte an Ecken der Messkammer die Kavität verlassen und somit teilweise für die Reaktion verloren gehen. Insbesondere auf Kunststoffoberflächen zeigen viele einzutrocknende Reagenzien ein stark benetzendes Verhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Messraum der Messkammer deshalb einen abgerundeten oberen Rand.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Mischraum weitere strukturelle Elemente umfassen, um ein Durchmischen zu beschleunigen. Dies können beispielsweise Barrieren, Erhöhungen und Vertiefungen oder ähnliche geometrische Gestaltungen sein. Die zusätzlichen Barrieren sollen sich ebenfalls ohne Kanten an die Oberfläche des Mischraums angliedern, damit eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Reagenz während der Eintrocknung erfolgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Boden des Mischraums ein Kugelsegment, bevorzugt eine Halbkugel. Vorzugsweise ist der Boden des Mischraums kugelsegmentförmig oder halbkugelförmig ausgebildet. Der Boden des Mischraums kann einen ovalen, ellipsenförmigen oder teilkreisförmigen Querschnitt aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Messkammer derart ausgebildet, dass die eingetrockneten Reagenzien lediglich im Mischraum der Messkammer angeordnet sind. Sie erreichen aufgrund der Formgebung der Messkammer trotz ihres stark benetzenden Verhaltens nicht den Messraum der Messkammer. Durch den zweiteiligen geschichteten Aufbau des Testelements mit einer oberen ersten Ebene, die auch Detektionsebene genannt wird und in der die Messung des Analyten erfolgt, und einer darunter liegenden zweiten Ebene, in der die Strukturen zur Eintrocknung und zum Mischen der Flüssigkeit vorhanden sind, findet eine klare Trennung zwischen dem Messen auf der einen Seite und dem Mischen sowie Eintrocknen und Anlösen der Reagenzien auf der anderen Seite statt. Die Eintrocknungsstrukturen sind in Vertiefungen innerhalb der Messkammer integriert, die außerhalb des Messstrahlengangs des Lichts zur optischen Messung angeordnet sind. Störungen der Messung, beispielsweise durch eingetrocknete Reagenzien, werden so zuverlässig vermieden.
Das erfindungsgemäße Konzept des Testelements stellt somit eine Messkammer zur Verfügung, in der mehrere Funktionen integriert sind. Da die Messkammer vorzugsweise am Endpunkt des Strömungswegs der Flüssigkeit angeordnet ist, erfolgt ein Vermischen der Flüssigkeit mit den Reagenzien zeitlich vor und/oder während der Messung. Volumen- und Reagenzienverluste auf dem Weg durch die Kanalstruktur in die Messkammer werden vermieden. Die Kanalstruktur ist sehr kompakt, da mehrere Funktionen in der Messkammer vereint sind, so dass mehrere Kanalstrukturen auf einem Testelement integriert bzw. parallelisiert werden können. Durch die Integration von zusätzlichen Strukturen in dem Mischraum kann die Homogenisierung der Reagenzien mit dem flüssigen Medium weiter beschleunigt und verbessert werden. Darüber hinaus können in der Messkammer vorteilhafterweise angepasste Entlüftungsstrukturen vorgesehen sein. Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Messkammer sogenannte Fail-Safe-Untersuchungen mit ein und demselben Messgerät, da der optische Strahlengang nicht gestört wird. Ein mögliches Fail-Safe-Feature wäre beispielsweise die Überprüfung der korrekten und vollständigen Befüllung der Messkammer durch zeitlich gestaffelte Bestimmung der Absorption oder einer anderen optischen Größe vor, während und nach Ablauf des Befüllungsprozesses der Messkammer mit Flüssigkeit.
Des Weiteren ist es möglich, Messungen schon während des Resuspendierens der eingetrockneten Reagenzien durchzuführen, so dass das Mischverhalten von unterschiedlichen Flüssigkeiten in der Messkammer beobachtet werden kann. Die erfindungsgemäße Messkammer ermöglicht auch eine kontinuierliche oder semi-kontinuierliche in Intervallen erfolgende Messung.
In der erfindungsgemäßen Messkammer erfolgt die optische Messung in der ersten Ebene in dem Messraum der Kammer entlang einer optischen Achse. Als optische Achse wird eine gerade Linie verstanden, entlang der der Lichtstrahl zur optischen Analyse verläuft. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Lichtstrahl derart durch den Messraum gelenkt, dass er mit der Längsachse des Messraums fluchtet. Als Längsachse wird die größte Abmessung des Messraums der Messkammer senkrecht zur Flächennormalen der Deckschicht bezeichnet. Die Längsachse verläuft folglich im Wesentlichen parallel zur ersten Ebene des Testelements. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Messkammer eine Messküvette (auch Detektionsküvette genannt) mit zwei gegenüberliegenden parallelen Wänden, die senkrecht zur Deckschicht und zur optischen Achse ausgerichtet sind. Das Licht kann hiermit mit möglichst wenig Streuung in den Messraum eintreten und an der gegenüberliegenden Seitenwand wieder heraustreten. Bevorzugt bilden der Messraum und der Mischraum gemeinsam die Mess- bzw. Detektionsküvette.
Prinzipiell lässt sich das erfindungsgemäße Testelement in Testträgern jeglicher Art einsetzen. Beispielsweise können diese Testelemente in teststreifenähnlichen fluidischen Vorrichtungen Verwendung finden. Sie können aber auch in Detektionskassetten mit Kanalstrukturen integriert sein. Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Testelement als Zentrifugaltestträger eingesetzt, das um eine Rotationsachse rotiert. Durch Rotation des Testelements erfolgt eine gesteuerte Bewegung der Flüssigkeit. Durch abwechselndes Beschleunigen und Verzögern der Rotation (dem sogenannten shake-mode, wie er beispielsweise in
Insbesondere bei komplexen fluidischen Systemen, wie sie häufig auf Zentrifugaltestträgern und rotierenden Testelementen eingesetzt werden, lässt sich die zu analysierende Flüssigkeitsmenge oft nicht zuverlässig steuern. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass immer wieder Schwankungen der Füllhöhe der Messkammer auftreten. In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Messkammer deshalb einen Vorraum, in dem die Einlassöffnung angeordnet ist. Der Vorraum ist in der ersten Ebene des Testelements angeordnet, wobei seine Höhe höchstens so groß ist wie die Höhe der ersten Ebene senkrecht zur Deckschicht. Der Vorraum ist von dem Messraum und dem Mischraum, also der Messküvette der Messkammer, getrennt, jedoch besteht eine Fluidverbindung zwischen ihnen. Auf diese Weise kann überflüssige Flüssigkeit in dem Vorraum aufgefangen und gelagert werden. Das im Messraum zu untersuchende Flüssigkeitsvolumen kann somit auch bei "Überfüllung" der Messküvette bzw. der Messkammer konstant gehalten werden.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass bei dem Auflösen der Trockenreagenzien in der Messkammer teilweise Luftblasen und Schaum gebildet werden. Diese Blasenbildung verfälscht das Analyseergebnis und ist störend für die optische Messung. Bevorzugt weist die Messkammer eine Entlüftungsöffnung auf, die in einen Entlüftungskanal mündet. Durch den Entlüftungskanal kann Luft aus der Messkammer entweichen. Vorzugsweise ist die Entlüftungsöffnung im Vorraum der Messkammer angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Messkammer zwischen dem Messraum und der Einlassöffnung ein Plateau mit einem zwischen dem Plateau und der Deckschicht gebildeten Plateaubereich auf. Die Höhe des Plateaubereichs senkrecht zur Deckschicht ist geringer als die Höhe des Messraums der Messkammer. Das Plateau ist in der ersten Ebene des Testelements angeordnet. Besonders bevorzugt ist das Plateau zwischen dem Vorraum und dem Messraum der Messkammer angeordnet. Das Plateau ermöglicht es, dass Luft zu der Entlüftungsöffnung gelangt, ohne dass Flüssigkeit in die Einlassöffnung zurückfließt. Auf diese Weise ist es möglich, dass sich gebildete Luftblasen aus dem Messraum in den Vorraum geleitet werden. Der Messraum wird dadurch frei von Luftblasen. Somit wird eine zuverlässige Messung innerhalb des Messraums sichergestellt.
Bei einem rotierenden Testelement ist der Vorraum so angeordnet, dass sein Abstand zur Rotationsachse geringer ist als der Abstand des Messraums der Messkammer zur Rotationsachse. Auf diese Weise wird bei Rotation des Testelements die Flüssigkeit, die eine höhere Dichte im Vergleich zur Luft hat, in dem rotationsachsenfernen Messraum gedrängt, während die "leichtere" Luft in den rotationsachsennäheren Vorraum gelangt. Die Begriffe "rotationsachsenfern" und "rotationsachsenferner" bzw. "rotationsachsennah" bzw. "rotationsachsennäher" weisen die relative Position eines Elements im Vergleich zum anderen Element in Bezug auf die Rotationsachse auf. Ein rotationsachsenfernes Element weist folglich einen größeren Abstand zur Rotationsachse auf als ein anderes Element, ein rotationsachsennahes oder rotationsachsennäheres Element einen geringeren Abstand zur Rotationsachse als ein anderes Element.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Analysesystem zur optischen Analyse einer Flüssigkeitsprobe gelöst, das ein Analysegerät und ein Testelement umfasst. Das erfindungsgemäße Analysegerät hat eine Halterung zum Halten des Testelements und eine Mess- und Auswerteeinrichtung. Es umfasst einen optischen Sender zum Aussenden von Licht sowie einen optischen Empfänger zum Empfangen von Licht. Das erfindungsgemäße Testelement zur optischen Analyse hat ein Substrat und eine mikrofluidische Kanalstruktur, die von dem Substrat und einer Deckschicht umschlossen ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Halterung des Analysegeräts um eine Rotationsachse rotierbar. Das in der Halterung gehaltene Testelement rotiert um die Rotationsachse der Analysegeräthalterung. Vorzugsweise ist die Rotationsachse derart angeordnet, dass sie sich durch das gehaltene Testelement erstreckt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Analysesystem derart ausgebildet, dass die optische Analyse einer Flüssigkeitsprobe während der Rotation des Testelements erfolgt. Das Aussenden des Lichts erfolgt hierbei getaktet. Der Lichtsender des Analysegeräts sendet immer dann Licht aus, wenn das Testelement in einer Position angeordnet ist, in der das ausgesendete Licht entlang der optischen Achse durch den Messraum der Messkammer gelangt, bis es an dem optischen Empfänger empfangen und mittels der Mess- und Auswerteeinheit ausgewertet werden kann.
Die optische Analyse einer Flüssigkeitsprobe erfolgt automatisiert oder semiautomatisiert mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zunächst wird ein erfindungsgemäßes Testelement zur Verfügung gestellt, bevorzugt eines mit den Merkmalen des Anspruchs 1. In einem weiteren Schritt wird die zu untersuchende Flüssigkeitsprobe durch die Einlassöffnung in die Messkammer einströmen gelassen. Sodann erfolgt das Füllen des Mischraums und des Messraums der Messkammer und ein Bereitstellen eines Reagenz, das im Mischraum der Messkammer enthalten ist. Das Reagenz ist bevorzugt eingetrocknet. Im nächsten Schritt wird die Flüssigkeitsprobe mit dem Reagenz homogen vermischt. Alternativ, wenn kein Reagenz in dem Mischraum enthalten ist, erfolgt ein homogenes Verteilen und Mischen der Flüssigkeitsprobe in dem Messraum und dem Mischraum. Optional ist es auch möglich, zwei Flüssigkeiten miteinander homogen zu vermischen.
In einem weiteren Schritt wird Licht zur optischen Analyse der Flüssigkeitsprobe in das Testelement geleitet. Das Licht wird dabei im Wesentlichen parallel zur Deckschicht des Testelements durch die erste Ebene geführt, so dass es den Messraum der Messkammer entlang einer optischen Achse durchläuft. Dabei wird das Licht durch die im Messraum enthaltene Flüssigkeitsprobe geführt.
In einem weiteren Schritt wird das Licht aus dem Testelement ausgekoppelt, so dass es aus dem Testelement heraustritt. Daran schließt sich das Empfangen und Auswerten des Lichts mittels einer Mess- und Auswerteeinrichtung eines Analysegeräts an. Die Art der optischen Messung, bei der der Messlichtstrahl in einer Ebene im Wesentlichen parallel zur Oberseite des Testelements durch den Messraum geführt wird, wird als "In-plane-detection" bezeichnet.
Das homogene Vermischen der Flüssigkeitsprobe, die bevorzugt eine Körperflüssigkeit wie beispielsweise Blut oder Plasma ist, mit einem Reagenz erfolgt also in der gleichen Messkammer wie das Messen und Analysieren der gemischten Flüssigkeit. Es ist nicht notwendig, die Flüssigkeit nach dem Mischen in eine andere Kammer zu transportieren. Dies hat den Vorteil, dass die Messung schneller erfolgen kann; auch geht keine Flüssigkeit durch das Befeuchten von weiteren mikrofluidischen Kanalstrukturen während eines Flüssigkeitstransports verloren.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens findet das Aussenden des Lichts mittels eines optischen Senders senkrecht zur Deckschicht des Testelements statt. Mittels einer ersten Umlenkeinrichtung wird das Licht so umgelenkt, dass es parallel zur Deckschicht durch die erste Ebene geführt wird. Nach dem Durchlaufen des Messraums mit der Flüssigkeitsprobe erfolgt das erneute Umlenken des Lichts senkrecht zur Deckschicht mittels einer weiteren Umlenkeinrichtung derart, dass das Licht von einem optischen Empfänger des Analysegeräts empfangen werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verfahren mittels eines Analysegeräts automatisiert durchgeführt, wobei zunächst das Testelement in einer Halterung des Analysegeräts gehalten wird. Die Steuerung der Bewegung der Flüssigkeitsprobe in dem Testelement erfolgt durch Rotieren des Testelements um eine Rotationsachse, die der Rotationsachse der Halterung des Testelements entspricht. Das Einleiten der Flüssigkeitsprobe in die Messkammer wird also durch die Rotation des Testelements hervorgerufen. Dabei ist es auch möglich, das Testelement in einem "shake-mode" zu betreiben, bei dem es alternierend beschleunigt und gebremst wird.
Bevorzugt erfolgt das Aussenden und Empfangen des Lichts während der Rotation des Testelements. Die optische Analyse der Flüssigkeitsprobe erfolgt also während sich das Testelement in der Halterung des Analysegeräts dreht. Vorzugsweise wird das Licht dabei getaktet ausgesendet, beispielsweise mittels eines Stroboskops.
In einer besonderen Ausführungsform umfasst die Messkammer des Testelements einen Vorraum. Während des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die Steuerung der Flüssigkeit die in der Messkammer enthaltene Luft in den Vorraum verdrängt, sodass der Messraum und der Mischraum der Messkammer mit der gewünschten Flüssigkeitsmenge gefüllt sind. Überschüssige Flüssigkeit wird gemäß einem solchen Verfahren aus dem Messraum und dem Mischraum in den Vorraum geleitet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten besonderen Ausführungsformen näher erläutert. Die dort dargestellten Besonderheiten können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Zur Verdeutlichung und Erläuterung der Erfindung wird das Testelement anhand eines rotierenden Testelements beschrieben, wobei alle beschriebenen Merkmale und Besonderheiten, soweit sie sich nicht explizit auf ein rotierendes Testelement beziehen, auch bei nicht rotierenden, translatorisch bewegten oder stationären, nicht bewegten Testelementen Anwendung finden können. Die anhand des beschriebenen Beispiels gemachten Ausführungen stellen keine Einschränkung der durch die Ansprüche in ihrer Allgemeinheit definierten Erfindung dar.
Es zeigen:
Das Analysegerät 2 umfasst erfindungsgemäß einen optischen Sender 8, einen optischen Empfänger 9 und eine Mess- und Auswerteeinrichtung 10. Der optische Sender umfasst beispielsweise eine LED oder eine andere Lichtquelle. Er sendet Licht oder eine andere elektromagnetische Strahlung aus. Das ausgesendete Licht kann im sichtbaren oder nicht sichtbaren Bereich liegen und Röntgenstrahlen oder andere elektromagnetische Strahlung einschließen. Im weiteren wird ohne Einschränkung der Begriff "Licht" verwendet. Das Licht wird derart geführt, dass es durch das Testelement geleitet wird bis es schließlich zu dem optischen Empfänger 9 gelangt. Der Empfänger 9 kann eine Photodiode sei. Das am Empfänger 9 detektierte Signal wird mittels der Mess- und Auswerteeinrichtung 10 ausgewertet, so dass ein Analyt bzw. dessen Konzentration in einer Flüssigkeit in dem Testelement 3 bestimmt werden kann.
Die Kanalstruktur 11 ist von dem Substrat 12 und einem in den Figuren nicht dargestellten Deckel oder einer Deckschicht umschlossen. Am Ende der Kanalstruktur 11 ist eine Messkammer 13 angeordnet, die einen Messraum 14, einen Mischraum 15 und ein Plateau 16 umfasst. Der Mischraum 15 und der Messraum 14 sind hier gemeinsam in Form eines Rugbyballs (Rotationsellipsoid) ausgebildet und weisen einen ovalen Querschnitt auf. Die Messkammer 13 hat zwei Einlassöffnungen 17, die mit Kanälen 18 verbunden sind, die wiederum in weiteren Kammern 19 der Kanalstruktur enden. Die Messkammer 13 umfasst eine Entlüftungsöffnung 20, die mit einem Entlüftungskanal 21 verbunden ist und durch den in der Messkammer 13 enthaltene Luft entweichen kann.
Die Messkammer 13 des erfindungsgemäßen Testelements 3 ist bevorzugt so gestaltet, dass ihr Messraum 14 im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist, wobei die Boden- und Deckelfläche des zylinderförmigen Raums im Wesentlichen parallel zur Deckschichtebene sind. Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung des Messraums 14 in Form eines Doppelzylinders 22 mit zwei nebeneinander angeordneten Zylindern 22a, 22b. Die Zylinder 22a, 22b überlappen sich teilweise (
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Testelement 3 zwei optische Umlenkeinrichtungen 23, mittels denen auf das Testelement einfallendes Licht derart umgelenkt wird, dass das Licht parallel zur Deckschicht bzw. Oberfläche 12a des Substrats durch den Messraum 14 der Messkammer 13 leitet und mittels der dem Messraum 14 optisch nachgeschalteten Umlenkeinrichtung aus dem Testelement auf den Empfänger 9 gelenkt wird. Die
Die außerhalb der Messküvette optional zusätzlich vorhandenen Umlenkeinrichtungen 42 lenken Licht - im Gegensatz zu den Umlenkeinrichtungen 23-nicht durch den Messraum 14 der Messkammer 13, sondern durch Bereiche außerhalb der Messkammer 13, beispielsweise durch das Substrat des Testelements 3. Diese zusätzlichen Umlenkeinrichtungen 42 können insbesondere zu Referenzmessungen verwendet werden, beispielsweise indem deren Messwerte mit den zur Analytbestimmung verwendeten Messwerten (welche über die Umlenkeinrichtungen 23 erhalten werden) in Beziehung gesetzt werden, um hiermit mögliche gerätebedingte Schwankungen im Messsystem zu berücksichtigen und auszugleichen. Alternativ kann eine Referenzmessung beispielsweise auch dadurch erfolgen, dass vor der Befüllung der Messkammer 13 zunächst ein Messwert der unbefüllten Messkammer 13 ermittelt wird, welcher als Referenzwert für eine Analytbestimmung mit gefüllter Messkammer 13 eingesetzt wird.
Die beiden Testelemente 3 gemäß den
Die Messkammer 13 hat eine Messküvette 28, die von dem Messraum 14, der sich in einer erste Ebene 24 des Testelements 3 erstreckt, und dem Mischraum 15, der unterhalb des Messraums 14 in einer zweiten Ebene 25 des Testelements angeordnet ist, gebildet wird. Der Messraum 14 ist also der in der ersten Ebene 24 angeordnete Teil der Messküvette 28. Der Mischraum 15 schließt sich unterhalb des Messraums 14 an und ist der Teil der Messküvette, der sich in die zweite Ebene 25 erstreckt. Der Messraum 14 und der Mischraum 15 sind derart untereinander angeordnet, dass der gemeinsame Raum der Messküvette 28 gebildet wird und sich eine Flüssigkeit in beiden Räumen bewegen kann.
Die Messküvette 28 weist folglich an ihrem unteren Ende in der zweiten Ebene 25 des Testelements 3 einen abgerundeten Boden 39 auf, der der Boden 39 des Mischraums 15 ist.
Wenigstens zwei gegenüberliegende Seitenwände 41 der Messküvette 28 sind in dem Bereich, in dem der zur Analyse verwendete Lichtstrahl in die Messküvette hinein und der Messküvette wieder hinaustritt, im Wesentlichen senkrecht zur Oberseite 12a des Substrats 12 ausgerichtet. Dieser im Wesentlichen senkrechte Bereich der Seitenwände 41 liegt in der ersten Ebene 24 des Testelements. Bevorzugt sind die Seitenwände 41 des Messraums 14 parallel zur Flächennormale der Oberseite des Testelements 3 ausgerichtet.
In einer besonderen Ausführungsform hat die Messküvette 28 die Form eines Doppelzylinders 22 mit zwei sich teilweise überlappenden Zylindern 22a, 22b. Die Zylinder 22a, 22b überlappen sich derart, dass sie ein gemeinsames Messvolumen bilden. Der Boden 39 des Doppelzylinders 22 ist hier mehrfach verrundet. Er wird von zwei sich überlappenden Kugelsegmenten 26 gebildet, wobei die zwischen den Kugelsegmenten 26 gebildete Überlappung 27 ebenfalls verrundet ist (
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die Ausgestaltung der Messküvette 28 der Messkammer 13 als Doppelzylinder 22 für das Mischen der Flüssigkeit besonders vorteilhaft ist. In jedem der Einzelzylinder 22a, 22b bilden sich bei Rotation des Testelements 3 bevorzugt gegenläufige Wirbelströmungen aus. Die Wirbel ermöglichen ein sehr effizientes und schnelles Mischen und Resuspendieren.
Die beiden Zylinder 22a, 22b sind derart angeordnet, dass die von dem Doppelzylinder 22 gebildete Messküvette 28 eine Längsausdehnung aufweist, die entlang einer Längsachse 29 ausgerichtet ist. Die Längsachse 29 fluchtet mit einer optischen Achse 30 der Messkammer 13. Die optische Achse ist der Weg, den das Licht durch die Messkammer 13 durchläuft. Das Licht (Pfeile 40), das von dem optischen Sender 8 des Analysegeräts 2 ausgesendet wird, wird von der Unterseite 33 des Testelements 3 durch das Substrat 12 geleitet, bis es an einer ersten Grenzfläche 31 der ersten Umlenkeinrichtung 23a so umgelenkt wird, dass es parallel zur Oberseite 12a des Substrats 12 bzw. zur hier nicht gezeigten Deckschicht des Testelements 3 verläuft. Nach dem Eintritt durch die Seitenwand 41 und dem Durchlaufen des Messraums 14 in der ersten Ebene 24 des Testelements 3 tritt das Licht an der gegenüberliegenden Seitenwand 41 aus. Das Licht wird an einer zweiten Grenzfläche 32 der zweiten Umlenkeinrichtung 23b erneut derart umgelenkt, dass es an der Unterseite 33 des Testelements austritt und zu dem optischen Empfänger 9 des Analysegeräts 2 gelangt. Der Lichtstrahl (Pfeil 40) zur optischen Analyse durchläuft nur den Messraum 14, nicht jedoch den Mischraum 15, so dass die optische Analyse auch dann nicht beeinflusst wird, wenn sich in dem Mischraum 15 angelagerte Reagenzien nicht vollständig lösen sollten.
Die optische Messung parallel zur Oberseite 12a des Testelements 3 weist den Vorteil auf, dass ein deutlich längerer Lichtweg realisiert werden kann. Die notwendige Länge des Lichtwegs ist abhängig vom Konzentrationsbereich des zu messenden Analyten in der Flüssigkeit. Wollte man dieses mit einer Messung senkrecht zur Oberseite 12 des Testelements 3 realisieren, müsste die Dicke des Testelements 3 deutlich größer sein. Im gezeigten Beispiel ist die Dicke des Testelements ca. 4 mm. Dies würde zu höherem Materialaufwand und zu einer schlechteren Handhabung führen.
Die Messkammer 13 ist derart ausgebildet, dass die Längenausdehnung der Messküvette 28 entlang der Längsachse 29 in Abhängigkeit von der zu messenden Konzentration des Analyten gewählt wird. Im Rahmen der Erfindung hat sich eine Längsausdehnung der Messküvette 28 im Bereich von wenigstens 4 mm bis 8 mm als vorteilhaft erwiesen, insbesondere eine Länge von 6 mm. Abhängig von dem zu untersuchenden Analyten und des gewünschten Konzentrationsbereich des Analyten ist die Längsausdehnung der Messküvette 28 zu gestalten.
Die Messkammer 13 hat zwei Einlassöffnungen 17, durch die Flüssigkeit in die Messkammer eintritt. Zwischen den beiden Einlassöffnungen 17 für die Flüssigkeit ist eine Entlüftungsöffnung 20 angeordnet, durch die Luft aus der Messkammer 13 entweichen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Messkammer 13 einen Vorraum 34, in dem die Einlassöffnung 17 angeordnet ist. Der Vorraum 34 ist in der ersten Ebene 24 des Testelements 3 angeordnet. Die Höhe des Vorraums 34 senkrecht zur Oberseite 12a des Substrats 12 ist bevorzugt geringer als die Höhe der ersten Ebene 24. Die Höhe der ersten Ebene 24 ist die Ausdehnung der ersten Ebene 24 senkrecht zur Oberseite 12a des Substrats 12. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie in
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in der Messkammer 13 ein Plateau 16 zwischen der Einlassöffnung 17 und dem Messraum 14 angeordnet. Zwischen dem Plateau 16 und der in den Figuren nicht gezeigten Deckschicht wird ein Plateaubereich 36 gebildet, dessen Höhe senkrecht zur Oberseite 12a des Testelements 3 geringer ist als die Höhe des Messraums 14 und somit ebenfalls geringer als die Höhe der ersten Ebene 24 des Testelements 3. Bevorzugt ist die Höhe des Plateaubereichs 36 auch geringer als die Höhe des Vorraums 34.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Plateau 16 und dem Messraum 14 eine schräg verlaufende Rampe 37 angeordnet, deren eines Ende, das dem Messraum 14 zugewandt ist, an der Schnittstelle zwischen der ersten Ebene 24 und der zweiten Ebene 25 am Messraum 14 angeordnet ist. Somit ist das eine Ende der Rampe 37 am Übergang zwischen Messraum 14 und Mischraum 15 angeordnet. Bevorzugt sind die Übergänge von der Messküvette 28 zur Rampe 37 sowie der Übergang von der Rampe 37 zu dem Plateau 16 verrundet. Flüssigkeit kann somit nicht durch Kapillarkraft aus der Messküvette 28 entweichen.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform weist die Messkammer 13, insbesondere die Küvette 28, lediglich abgerundete Formen auf. Auch ein oberer Rand 35 des Messraums 14, der einen Übergang zum Plateau 16 bildet, ist verrundet.
Die Rampe 37 erstreckt sich zwischen dem Plateau 16 und dem radial innenliegenden Zylinder 22a der Messküvette 28. Sie ist derart angeordnet, dass das Plateau 16 L-förmig ausgebildet ist. In der vorliegenden Ausführungsform der Messkammer 13 hat das Plateau 16 eine maximale Länge von ca. 6,6 mm und eine maximale Breite am Übergang zum Vorraum 34 von ca. 3,3 mm. Durch die Anordnung der Rampe 37 und die Abrundung der Enden der Rampe 37 wird sichergestellt, dass sich beim Resuspendieren von Trockenreagenzien im Mischraum 15 gebildete Luftblasen aus der Messküvette 28, d. h. aus dem Mischraum 15 und dem Messraum 14 entweichen und in den Vorraum 34 der Messkammer 13 bewegt werden. Die verrundeten Übergänge der Rampe 37 verbessern den Transport von Luftblasen oder von gebildetem Schaum, so dass sichergestellt wird, dass die Messküvette 28 frei von Luftblasen ist. Eine Beeinflussung der Messung oder eine Verfälschung der Messergebnisse durch Blasenbildung im Strahlengang wird vermieden.
Für eine zuverlässige Messung eines Analyten in der Flüssigkeit ist es wichtig, dass die Füllhöhe innerhalb der Messküvette 28 konstant ist. Aufgrund des komplexen fluidischen Systems der Kanalstruktur 11 des rotierenden Testelements 3 kann das zu untersuchende Volumen nicht vollständig konstant gehalten werden. Im Rahmen von Untersuchungen traten vereinzelt Schwankungen der Füllhöhe innerhalb der Messküvette 28 auf. In der bevorzugten Ausführungsform kann ein überschüssiges Flüssigkeitsvolumen aus der Messküvette 28 entweichen. Die überschüssige Flüssigkeit gelangt über die Rampe 37 auf das Plateau 16 und wird in dem Vorraum 34 gesammelt. Die Flüssigkeit bleibt jedoch in der Messkammer 13. Auf diese Weise kann eine leichte Überfüllung der Messküvette 28 kompensiert werden. Zusätzlich ermöglicht der Vorraum 34 eine Befüllung der Messkammer 13 derart, dass Luft innerhalb der Messkammer 13 verbleibt. Hierdurch wird ein Vermischen der Flüssigkeiten verbessert. Gleichzeitig ist die Messküvette 28 jedoch vollständig gefüllt.
Durch die Rotation des Testelements 3 wird die in die Messkammer 13 einströmende Flüssigkeit in die Messküvette 28 gedrängt, die im Vergleich zur Einlassöffnung 17 weiter von der Rotationsachse 7 entfernt ist. Da die Einlassöffnungen 17 am oberen Rand der ersten Ebene 24 angeordnet sind, strömt die Flüssigkeit über den Vorraum 34 hinweg direkt in die Messküvette 28. Aufgrund ihrer geringeren Dichte wird Luft aus der Messküvette 28 in Richtung Vorraum 34 gedrängt und kann durch die Entlüftungsöffnung 20 entweichen.
Vorteilhafterweise erstreckt sich das Plateau 16 in Richtung der Radialkomponente 38 des Testelements 3. Die Radialkomponente 38 ist die von der Rotationsachse 7 zum äußeren Rand des Testelements 3 gerichtete Richtung. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Messkammer 13 derart ausgebildet, dass die Längsachse 29, die mit der optischen Achse 30 fluchtet, mit der Radialkomponente 38 des rotierbaren Testelements 3 einen Winkel einschließt, der zwischen 20 Grad und 40 Grad liegt. Bevorzugt ist ein Winkel von mindestens 25 Grad und höchstens 35 Grad vorgesehen, besonders bevorzugt beträgt der Winkel 30 Grad.
Die Deckschicht des Testelements 3 ist an der Oberseite 12a des Substrats 12 angeordnet. Sie ist in den vorliegenden Figuren jedoch nicht gezeigt. Die Deckschicht kann ebenfalls wie das Substrat 12 selbst transparent oder opak sein. Sie kann auch undurchsichtig sein, da die Ein- und Auskopplung des Lichts durch die Unterseite 33 des Testelements 3 erfolgt.
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