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DE102023204533B4 - Procedures for conducting biochemical tests on samples - Google Patents

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DE102023204533B4
DE102023204533B4 DE102023204533.8A DE102023204533A DE102023204533B4 DE 102023204533 B4 DE102023204533 B4 DE 102023204533B4 DE 102023204533 A DE102023204533 A DE 102023204533A DE 102023204533 B4 DE102023204533 B4 DE 102023204533B4
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electromagnetic radiation
detectors
cavities
openings
emitted
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Norbert Danz
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Abstract

Verfahren für die Durchführung von biochemischen Untersuchungen an Proben, in denen biologische Moleküle als Analyten und außerdem Rezeptoren mit hoher Bindungsaffinität für diese biologischen Moleküle, an die jeweils mindestens ein Molekül, das infolge eines Enzyms elektromagnetische Strahlung in Form von Lumineszenz innerhalb eines ersten Wellenlängenintervalls emittiert, nach Ablauf einer Inkubationszeit gebunden wird, enthalten sind,
bei dem an einer Oberfläche eines Substrats (1) mehrere Kavitäten (3) diskret zueinander angeordnet sind und in den Kavitäten (3) jeweils eine Probe enthalten ist, und
oberhalb der Öffnungen der Kavitäten (3) mehrere Detektoren (5), mit denen die Erfassung elektromagnetischer Strahlung infolge von Lumineszenz von in den Proben enthaltenen lumineszierenden Molekülen, die innerhalb mindestens eines ersten und eines zweiten Wellenlängenintervalls der emittierten elektromagnetischen Strahlung in einer Arrayanordnung angeordnet sind, erfolgt, und
an die Detektoren (5) eine elektronische Auswerteeinheit angeschlossen oder anschließbar ist, mit der die Anteile an mit den Detektoren (5) detektierter infolge Lumineszenz emittierter elektromagnetischer Strahlung des ersten und des zweiten Wellenlängenintervalls erfasst und ins Verhältnis gesetzt werden, so dass der Anteil an an Rezeptoren gebundenen biologischen Molekülen in den einzelnen Proben zueinander bestimmt wird, und
zwischen den Öffnungen der Kavitäten (3) und den Detektoren (5) ein optisches Übertragungselement (7) angeordnet ist, in dem den Öffnungen der Kavitäten (3) zugeordnet kanalförmige Durchbrechungen (7.1) ausgebildet sind, durch die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung aus den Proben auf die Detektoren (5) gerichtet wird.

Figure DE102023204533B4_0000
Method for carrying out biochemical investigations on samples containing biological molecules as analytes and also receptors with high binding affinity for these biological molecules, to each of which at least one molecule which, as a result of an enzyme, emits electromagnetic radiation in the form of luminescence within a first wavelength interval is bound after an incubation period,
in which several cavities (3) are arranged discretely to one another on a surface of a substrate (1), and each of the cavities (3) contains a sample, and
above the openings of the cavities (3) a plurality of detectors (5) with which the detection of electromagnetic radiation as a result of luminescence of luminescent molecules contained in the samples, which are arranged in an array arrangement within at least a first and a second wavelength interval of the emitted electromagnetic radiation, takes place, and
an electronic evaluation unit is connected or connectable to the detectors (5), with which the proportions of electromagnetic radiation of the first and second wavelength intervals emitted as a result of luminescence detected by the detectors (5) are recorded and compared, so that the proportion of receptor-bound biological molecules in the individual samples is determined relative to one another, and
an optical transmission element (7) is arranged between the openings of the cavities (3) and the detectors (5), in which channel-shaped openings (7.1) are formed which are associated with the openings of the cavities (3), through which electromagnetic waves emitted as a result of luminescence Radiation from the samples is directed onto the detectors (5).
Figure DE102023204533B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Durchführung von biochemischen Untersuchungen an Proben. In den Proben sind biologische Moleküle jeweils als Analyt und außerdem Rezeptoren mit hoher Bindungsaffinität für diese biologischen Moleküle enthalten. An die Rezeptoren ist jeweils mindestens ein Molekül gebunden, das elektromagnetische Strahlung innerhalb eines bestimmten ersten Wellenlängenintervalls emittiert. Dabei kann ausgenutzt werden, dass bei für eine Lumineszenz geeigneten Molekülen, mit denen elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenintervall emittiert wird, nach einer Bindung an einen in der Probe enthaltenen Rezeptors infolge von Lumineszenz elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenintervall, das sich vom ersten Wellenlängenintervall unterscheidet, emittiert wird. So kann man beispielsweise an einer Probe erst infolge Lumineszenz emittierte Strahlung des ersten Wellenlängenintervalls, beispielsweise aus dem Wellenlängenbereich des blauen Lichts erfassen. Nach Ablauf einer Inkubationszeit, innerhalb der Rezeptoren mit lumineszierenden Molekülen an Analyten eine Bindung mit einem jeweiligen Rezeptor eingehen, kann je nach Anzahl so gebundener biologischen Moleküle auch elektromagnetische Strahlung aus dem zweiten Wellenlängenintervall erfasst werden, der zum Beispiel im Bereich des roten Lichts liegen kann. Mit den erfassten Anteilen an elektromagnetischer Strahlung aus den unterschiedlichen Wellenlängenintervallen kann man Schlüsse auf das Vorhandensein von Analyten in der jeweiligen Probe, beispielsweise auf das Vorhandensein bestimmter Antikörper und ggf. dies sogar quantifiziert ziehen. Dabei kann jeweils ein Analyt fest an einen Rezeptor gebunden sein, so dass diese Bindung auch erhalten bleiben kann, wenn ein im ersten Wellenlängenintervall lumineszierendes Molekül mit dem Rezeptor an einen Analyten gebunden worden ist.The invention relates to a method for conducting biochemical analyses on samples. The samples contain biological molecules as analytes and also receptors with a high binding affinity for these biological molecules. At least one molecule is bound to each receptor, emitting electromagnetic radiation within a specific first wavelength interval. This can exploit the fact that molecules suitable for luminescence, which emit electromagnetic radiation in a first wavelength interval, emit electromagnetic radiation in a second wavelength interval, which differs from the first wavelength interval, upon binding to a receptor contained in the sample, as a result of luminescence. For example, radiation in the first wavelength interval, for example from the wavelength range of blue light, that is only emitted from a sample as a result of luminescence can be detected. After an incubation period, during which receptors with luminescent molecules bind to analytes, electromagnetic radiation from the second wavelength interval, which may be in the red light range, for example, can also be detected, depending on the number of biological molecules bound in this way. The detected proportions of electromagnetic radiation from the different wavelength intervals can be used to draw conclusions about the presence of analytes in the respective sample, for example, the presence of certain antibodies, and this can even be quantified. In this case, an analyte can be firmly bound to a receptor, so that this bond can be maintained even if a molecule luminescent in the first wavelength interval has bound to an analyte with the receptor.

Die Erfindung ist vor allem für biomedizinische Anwendungen, also Nachweise auf der Basis von Antigen-Antikörper-Reaktionen, geeignet. Derartige Nachweise können in der humanmedizinischen Diagnostik, Veterinärmedizin, Lebensmittelanalytik, Biotechnologie u.v.a.m. eingesetzt werden. Wahrscheinlich gehen die potenziellen Anwendungsgebiete noch darüber hinaus. Technisch wird angestrebt, ein solches System mit einem dedizierten Bildsensor aufzubauen. Die Messergebnisse können beispielsweise via USB mittels PC oder auch Smartphone ausgelesen und ausgewertet werden.The invention is particularly suitable for biomedical applications, i.e., detection based on antigen-antibody reactions. Such detection methods can be used in human medical diagnostics, veterinary medicine, food analysis, biotechnology, and much more. The potential areas of application likely extend even further. Technically, the goal is to build such a system with a dedicated image sensor. The measurement results can be read and evaluated via USB using a PC or smartphone, for example.

Gegenstand dieser Erfindung ist auch der Nachweis von Analyten bzw. „Analyt-Molekülen“ in einer bevorzugt wässrigen Probe für die medizinische / diagnostische Sensorik. Dabei sollen bestimmte, in der Probe enthaltene Moleküle (i.d.R. Eiweiße oder auch Nicotinamid Adenin Dinucleide oder NADPH/NADP+ oder Nicotinamid Adenin Dinucleide in phosphorilierter Form NADH/NAD+) durch ihre Bindung an einen entsprechenden Antikörper nachgewiesen werden. Antikörper können spezielle synthetisches Proteine sein, die die unten beschriebenen Funktionen erfüllen. Die prinzipiellen Arten der Nachweisreaktion sowie die notwendigen synthetischen Sensorproteine sind bekannt und z.B. von in Q. Yu, L. Xu et al., „Semisynthetic sensor proteins enable metabolic assays at the point of care“, Science 361, (2018), S 1122-1126 veröffentlicht. Es wird auf den Inhalt dieser Publikation Bezug genommen. Wichtig dafür sind die folgenden Fakten:

  • + Die jeweilige zu untersuchende Probe wird mit den Nachweisreagenzien gemischt, die Messung erfolgt dann nach einer Zeitspanne („Inkubationsszeit“) von wenigen Minuten.
  • + Dabei wird in der Lösung durch ein Enzym Lumineszenz erzeugt. Die Farbe/Wellenlänge(n) der Lumineszenz ist - aufgrund des speziellen Designs der zum Nachweis verwendeten Sensorproteine - von der
  • Konzentration der jeweiligen Analyt-Moleküle in der Probe abhängig. + Demzufolge kann bei der Messung einzig die Farbe der emittierten elektromagnetischen Strahlung in mindestens zwei vorgegebenen Wellenlängenbereichen des Lumineszenz-Lichts gemessen werden. Dabei erfolgt eine Prüfung dahingehend, dass das Verhältnis der Intensitäten in beiden Wellenlängenbereichen vor und nach einer Bindung von Analyt an Rezeptoren ausgewertet wird.
    • + Diese Messungen können in Laborgeräten (Spektrometern oder Photometern) durchgeführt werden, die das von der Probe emittierte Spektrum an infolge Lumineszenz emittierter elektromagnetischer Strahlung mit guter Wellenlängenauflösung detektieren können. Dieser Ansatz ist nicht auf Anwendungen vor Ort (am s.g. Point-of-Care) übertragbar.
    • + Nach dem Stand der Technik wurden die zu untersuchenden Proben auf ein Filterpapier pipettiert, um die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung mittels einer SpiegelreflexKamera zu erkennen. Die Auswertung erfolgt dabei durch nachträgliche Analyse der Farbinformation in den Aufnahmen der Kamera. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass eine Farbbestimmung mittels eines kommerziellen rgb-Bildsensors möglich und ausreichend ist.
    • + Es ist auch bekannt, ein Smartphone als Detektor zu nutzen, und die Kamera dieses Smartphones durch eine Zusatzlinse mit „Blackbox“ (Abschirmung von Umgebungslicht) auszustatten. Dort wird bisher jedoch nur die Intensität der infolge Lumineszenz emittierten elektromagnetischen Strahlung nicht deren Wellenlängen genutzt.
    • + Anstelle der Detektion der Biolumineszenz als Intensitätssignal können derartige Nachweise z.B. mit nahe an der Probe angeordneten Detektoren (wie z.B. Fotodioden, Avalanche-Fotodioden, Fotomultiplier) erfolgen. Dazu können zwei Fotomultiplier als empfindliche Detektoren in Verbindung mit zwei unterschiedlichen Spektralfiltern angewendet werden. Dadurch ist auch die Detektion eines Farbverhältnisses (unabhängig von der Helligkeit der Lumineszenz) als Messsignal möglich.
The subject of this invention is also the detection of analytes or "analyte molecules" in a preferably aqueous sample for medical/diagnostic sensor technology. Certain molecules contained in the sample (usually proteins or nicotinamide adenine dinucleide or NADPH/NADP+ or nicotinamide adenine dinucleide in phosphorylated form NADH/NAD+) are to be detected by their binding to a corresponding antibody. Antibodies can be special synthetic proteins that fulfill the functions described below. The basic types of detection reactions as well as the necessary synthetic sensor proteins are known and, for example, Q. Yu, L. Xu et al., “Semisynthetic sensor proteins enable metabolic assays at the point of care,” Science 361, (2018), pp 1122-1126 Published. Reference is made to the contents of this publication. The following facts are important:
  • + The sample to be examined is mixed with the detection reagents, and the measurement is then carried out after a period (“incubation time”) of a few minutes.
  • + An enzyme generates luminescence in the solution. The color/wavelength(s) of the luminescence depends on the
  • The concentration of the respective analyte molecules in the sample depends on this. Therefore, the measurement can only measure the color of the emitted electromagnetic radiation in at least two specified wavelength ranges of luminescence light. This test involves evaluating the ratio of the intensities in both wavelength ranges before and after the analyte binds to receptors.
    • + These measurements can be performed using laboratory instruments (spectrometers or photometers) that can detect the spectrum of electromagnetic radiation emitted by the sample due to luminescence with good wavelength resolution. This approach is not transferable to on-site applications (at the so-called point-of-care).
    • + According to the state of the art, the samples to be examined were pipetted onto filter paper to detect the electromagnetic radiation emitted by luminescence using a single-lens reflex camera. The evaluation is performed by subsequent analysis of the color information in the camera images. From this, it can be concluded that color determination using a commercial RGB image sensor is possible and sufficient.
    • + It is also known to use a smartphone as a detector and to replace the camera of this smartphone with an additional lens with a “black box” (shielding from ambient light) from However, so far only the intensity of the electromagnetic radiation emitted as a result of luminescence has been used, not its wavelengths.
    • + Instead of detecting bioluminescence as an intensity signal, such detection can be performed using detectors positioned close to the sample (e.g., photodiodes, avalanche photodiodes, photomultipliers). Two photomultipliers can be used as sensitive detectors in conjunction with two different spectral filters. This also allows the detection of a color ratio (independent of the brightness of the luminescence) as a measurement signal.

So sind aus WO 01/350079 A1 Fluoremeter mit Lichtquellen, die eine geringe Wärme erzeugen bekannt.So are WO 01/350079 A1 Fluoremeters with light sources that generate low heat are known.

Aufgabe der Erfindung ist es, Möglichkeiten für eine wellenlängenaufgelöste Bestimmung zur Detektion an Proben anzugeben, mit denen Biolumineszenz mit einem sehr einfachen, kleinen Hardwaresystem schnell und mit ausreichend hoher Messgenauigkeit detektiert und einfach und in kurzer Zeit ausgewertet werden kann, wobei die Verluste an infolge Lumineszenz emittierter elektromagnetischer Strahlung, die von Proben ausgeht und die nicht mit geeigneten Detektoren erfasst werden kann, minimiert werden sollen.The object of the invention is to provide possibilities for a wavelength-resolved determination for detection on samples, with which bioluminescence can be detected quickly and with sufficiently high measurement accuracy using a very simple, small hardware system and can be evaluated simply and in a short time, whereby the losses of electromagnetic radiation emitted as a result of luminescence, which emanates from samples and which cannot be detected with suitable detectors, are to be minimized.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind an einer Oberfläche eines Substrats mehrere Kavitäten diskret zueinander angeordnet. In den Kavitäten ist jeweils eine Probe enthalten. Die Proben können gleich oder auch unterschiedlich sein.In the method according to the invention, several cavities are arranged discretely on the surface of a substrate. Each cavity contains a sample. The samples can be identical or different.

Oberhalb der Öffnungen der Kavitäten sind mehrere Detektoren, die zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung infolge von Lumineszenz von den in den Proben enthaltenen lumineszierenden Molekülen innerhalb mindestens eines ersten und eines zweiten Wellenlängenintervalls der emittierten elektromagnetischen Strahlung in einer Arrayanordnung angeordnet. Bevorzugt können Sie in einer Reihen- und Spaltenanordnung ein Array bilden. Das Substrat sollte aus einem die infolge Lumineszenz der in den jeweiligen Proben enthaltenen Moleküle emittierte elektromagnetische Strahlung zumindest zu 90 % streuenden Material gebildet sein, so dass der größte Teil der emittierten elektromagnetischen Strahlung das Substrat nicht durchdringen und für eine Detektion nicht verloren gehen kann.Above the openings of the cavities are several detectors arranged in an array to detect electromagnetic radiation resulting from luminescence from the luminescent molecules contained in the samples within at least a first and a second wavelength interval of the emitted electromagnetic radiation. Preferably, they can form an array in a row and column arrangement. The substrate should be made of a material that scatters at least 90% of the electromagnetic radiation emitted as a result of luminescence from the molecules contained in the respective samples, so that the majority of the emitted electromagnetic radiation cannot penetrate the substrate and is not lost for detection.

Die Wandung der Kavitäten kann aber auch mit einer die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung reflektierenden Beschichtung beschichtet sein, um den gleichen Effekt zu erreichen.However, the walls of the cavities can also be coated with a coating that reflects the electromagnetic radiation emitted as a result of luminescence in order to achieve the same effect.

An die Detektoren ist eine elektronische Auswerteeinheit angeschlossen oder anschließbar, die ausgebildet ist, die Anteile an mit den Detektoren detektierter infolge Lumineszenz emittierter elektromagnetischer Strahlung des ersten und des zweiten Wellenlängenintervalls zu erfassen und ins Verhältnis zueinander zu setzen, so dass der Anteil an einen Rezeptor gebundenen biologischen Molekülen in den einzelnen Proben bestimmbar ist.An electronic evaluation unit is connected or connectable to the detectors, which is designed to detect the proportions of electromagnetic radiation of the first and second wavelength intervals emitted as a result of luminescence and to relate them to one another, so that the proportion of biological molecules bound to a receptor in the individual samples can be determined.

Zwischen den Öffnungen der Kavitäten und den Detektoren ist ein optisches Übertragungselement angeordnet, in dem den Öffnungen der Kavitäten zugeordnet kanalförmige Durchbrechungen ausgebildet sind, durch die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung aus den Proben auf die Detektoren auftrifft. Die Durchbrechungen bilden hohle Kanäle durch die emittierte elektromagnetische Strahlung ausgehend von den jeweiligen Proben in Richtung der Detektoren gelangen kann.An optical transmission element is arranged between the cavity openings and the detectors. Channel-shaped openings are formed in the openings, corresponding to the cavity openings, through which electromagnetic radiation emitted by luminescence from the samples impinges on the detectors. The openings form hollow channels through which the emitted electromagnetic radiation from the respective samples can pass toward the detectors.

Zwischen dem optischen Übertragungselement oder einer Abdeckung, hinter der in Strahlungsrichtung der emittierten elektromagnetischen Strahlung die Detektoren angeordnet sind, und einem Deckel, mit dem die Öffnungen der Kavitäten verschlossen sind, kann eine Immersionsschicht bevorzugt mit einer Flüssigkeit oder Gel ausgebildet sein.An immersion layer, preferably with a liquid or gel, can be formed between the optical transmission element or a cover, behind which the detectors are arranged in the radiation direction of the emitted electromagnetic radiation, and a lid with which the openings of the cavities are closed.

Günstig ist es auch wenn die Wandung der kanalförmige Durchbrechungen mit einer die emittierte elektromagnetische Strahlung reflektierenden Beschichtung versehen oder das optische Übertragungselement aus einem die emittierte elektromagnetische Strahlung zu mindestens 50 % reflektierenden Material gebildet ist.It is also advantageous if the wall of the channel-shaped openings is provided with a coating that reflects the emitted electromagnetic radiation or if the optical transmission element is made of a material that reflects at least 50% of the emitted electromagnetic radiation.

Der freie Querschnitt der kanalförmigen Durchbrechungen, durch den die emittierte elektromagnetische Strahlung in Richtung der Detektoren gerichtet ist, sollte im Bereich der in Richtung Detektoren in Bezug zu dem Bereich, der in Richtung der Öffnung der jeweiligen Kavität weist, vergrößert sein. Dazu können kanalförmige Durchbrechungen kegel- oder pyramidenstumpfförmig ausgebildet sein. Kanalförmige Durchbrechungen können auch gewölbte bzw. gekrümmte Innenwände, die beispielsweise konkav oder konvex geformt sind, aufweisen.The free cross-section of the channel-shaped openings, through which the emitted electromagnetic radiation is directed toward the detectors, should be larger in the area facing the detectors relative to the area facing the opening of the respective cavity. For this purpose, channel-shaped openings can be shaped like a cone or truncated pyramid. Channel-shaped openings can also have curved or arched inner walls, for example, with a concave or convex shape.

Die Innenwände der kanalförmigen Vertiefungen sollten in einem Winkel ausgerichtet oder gekrümmt (z.B. konkav bzw. konvex) sein, dass für die emittierte elektromagnetische Strahlung Totalreflexion, zumindest aber nahezu Totalreflexion erreicht werden kann. Zumindest sollten 80 % dieser elektromagnetischen Strahlung reflektiert und dann auf die Detektoren gerichtet werden können.The inner walls of the channel-shaped recesses should be aligned at an angle or curved (e.g., concave or convex) so that total reflection, or at least near total reflection, can be achieved for the emitted electromagnetic radiation. At least 80% of this electromagnetic radiation can be reflected and then directed onto the detectors.

An oder im Bereich der Öffnungen der Kavitäten oder an Eintrittsöffnungen für emittierte elektromagnetische Strahlung der kanalförmigen Durchbrechungen des optischen Übertragungselements kann zur Vermeidung von Totalreflexion jeweils ein mit einer in Richtung Detektoren weisenden Oberfläche, an der die emittierte elektromagnetische Strahlung gebrochen wird, versehenes für die emittierte elektromagnetische Strahlung transparentes Element angeordnet sein. So können Rückreflexionen von Proben emittierter elektromagnetischer Strahlung vermieden werden. Dazu kann die in Richtung der Detektoren weisenden Oberfläche des transparenten Elements halbkugelförmig ausgebildet sein.To prevent total internal reflection, a transparent element can be arranged at or in the area of the openings of the cavities or at the inlet openings for emitted electromagnetic radiation of the channel-shaped openings of the optical transmission element. The transparent element has a surface facing the detectors, where the emitted electromagnetic radiation is refracted. This prevents back reflections from samples of emitted electromagnetic radiation. For this purpose, the surface of the transparent element facing the detectors can be hemispherical.

Das transparente Element kann im Deckel, mit dem die Öffnungen der Kavitäten verschlossen sind, integriert sein.The transparent element can be integrated into the lid that closes the openings of the cavities.

An der Oberfläche des Substrats, an der die Öffnungen der Kavitäten angeordnet sind, kann mindestens ein Oberflächenbereich vorhanden sein, von dem mit Detektoren eine Detektion zur Durchführung eines Dunkelabgleichs erfolgt. Dazu kann zwischen mindestens zwei Öffnungen von Kavitäten ein ausreichend großer Abstand eingehalten worden sein.On the surface of the substrate where the cavity openings are located, there may be at least one surface area from which detectors are used to detect the dark spot. For this purpose, a sufficiently large distance may be maintained between at least two cavity openings.

In 1 ist ein einfacher Aufbau einer Vorrichtung für die Durchführung von biochemischen Untersuchungen an Proben, in denen biologische Moleküle, die infolge Lumineszenz elektromagnetische Strahlung innerhalb eines ersten bestimmten Wellenlängenintervalls emittieren und außerdem ein Rezeptor mit hoher Bindungsaffinität für diese lumineszierenden Moleküle, beispielsweise die Luziferase NanoLuc enthalten sind, gezeigt. Im Falle einer Bindung lumineszierender Moleküle mit Rezeptormolekülen an biologische Moleküle des jeweiligen Analyten wird infolge von Lumineszenz elektromagnetische Strahlung innerhalb eines zweiten Wellenlängenintervalls emittiert. Dabei unterscheiden sich die Wellenlängen des ersten vom zweiten Wellenlängenintervall. Von nicht an einen Rezeptor gebundenen Molekülen infolge von Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung weist dahingegen Wellenlängen eines ersten Wellenlängenintervalls auf. Beide unterschiedliche elektromagnetischen Strahlungen können mit den Detektoren ortsaufgelöst detektiert werden.In 1 A simple design of a device for conducting biochemical analyses on samples containing biological molecules that emit electromagnetic radiation within a first specific wavelength interval due to luminescence, and also a receptor with high binding affinity for these luminescent molecules, for example the luciferase NanoLuc, is shown. When luminescent molecules bind with receptor molecules to biological molecules of the respective analyte, electromagnetic radiation is emitted within a second wavelength interval due to luminescence. The wavelengths of the first and second wavelength intervals differ. In contrast, electromagnetic radiation emitted by molecules not bound to a receptor as a result of luminescence has wavelengths of a first wavelength interval. Both different electromagnetic radiations can be detected spatially resolved using the detectors.

Herausforderung bei einem solchen System ist die Tatsache, dass nur eine geringe Intensität der infolge Lumineszenz emittierten elektromagnetischen Strahlung zur Verfügung steht, wobei diese mit hoher Effizienz von farbempfindliche Bildsensoren als Detektoren detektiert werden kann. Zweitens kann es ermöglicht werden, möglichst mehrere Bestimmungen an auch verschiedenen Proben gleichzeitig durchzuführen (um z.B. Negativkontrolle, Positivkontrolle und die Detektion der Probe zu erreichen), so dass ein einzelner Detektor (wie z.B. eine farbempfindliche Fotodiode oder ein Spektrometer) nicht ausreichend ist. Bei der Erfindung können kommerziell kostengünstig verfügbare Bildsensoren eingesetzt werden. Dabei ist eine Anpassung der Lumineszenzspektren an die Farbfilter des jeweiligen Detektors (oder umgekehrt auch die Anpassung der Filterspektren auf dem Bildsensor an die Lumineszenzwellenlängen) möglich.The challenge with such a system is the fact that only a low intensity of electromagnetic radiation emitted as a result of luminescence is available, although this can be detected with high efficiency by color-sensitive image sensors as detectors. Secondly, it can be made possible to perform multiple determinations on different samples simultaneously (e.g., to achieve negative control, positive control, and sample detection), so that a single detector (such as a color-sensitive photodiode or a spectrometer) is not sufficient. Commercially available, inexpensive image sensors can be used in the invention. This allows adaptation of the luminescence spectra to the color filters of the respective detector (or, conversely, adaptation of the filter spectra on the image sensor to the luminescence wavelengths).

Mit der Erfindung ist es möglich, die von den Proben infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung nahezu vollständig mit den Detektoren zu erfassen, da Verluste durch Strahlung in andere Richtungen vermieden und stark reduziert werden können. Insbesondere durch die Ausbildung eines Übertragungselements kann auch vermeiden werden, dass es zu größeren Verlusten durch zu große Einfallswinkel der von den jeweiligen Proben emittierten elektromagnetischen Strahlung, die auf die Detektoren auftrifft, kommen kann.The invention makes it possible to almost completely detect the electromagnetic radiation emitted by the samples due to luminescence with the detectors, as losses due to radiation in other directions can be avoided and significantly reduced. In particular, the design of a transmission element also prevents significant losses due to excessively large angles of incidence of the electromagnetic radiation emitted by the respective samples upon reaching the detectors.

Es können intrinsisch verstärkende Detektoren, wie z.B. Fotomultiplier oder Avalanche Fotodioden genutzt werden. Es sollten mindestens zwei Detektoren pro Messung genutzt werden, was den Aufwand für parallele Messungen (z.B. für die üblichen Positiv- und Negativkontrollen parallel zur eigentlichen Messung) erhöht.Intrinsically amplifying detectors, such as photomultipliers or avalanche photodiodes, can be used. At least two detectors should be used per measurement, which increases the effort required for parallel measurements (e.g., for the usual positive and negative controls parallel to the actual measurement).

Weiterhin ist eine hohe Versorgungsspannung (>100 V) für diese Art von Detektoren notwendig und die Integration mit Spektralfiltern muss separat erfolgen. Dadurch steigt der Aufwand deutlich, da aber diese Komponenten z.B. in einer handelsüblichen Farbkamera (im extremen Fall sogar eine Webcam) bereits enthalten und preiswert verfügbar sind, können diese als Detektoren eingesetzt werden.Furthermore, a high supply voltage (>100 V) is required for this type of detector, and integration with spectral filters must be done separately. This significantly increases the complexity, but since these components are already included in a commercially available color camera (or, in extreme cases, even a webcam) and are inexpensive, they can be used as detectors.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below by way of example.

Dabei zeigen:

  • 1 In schematischer Form ein Beispiel einer Vorrichtung, die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden kann;
  • 2 ein Beispiel mit einem zusätzlichen Übertragungselement;
  • 3 ein Beispiel mit zusätzlichen transparenten Elementen;
  • 4 ein weiteres Beispiel mit zusätzlichen transparenten Elementen und
  • 5 Aufsichten auf eine Oberfläche eines Substrats mit den Öffnungen von Kavitäten.
Showing:
  • 1 In schematic form, an example of an apparatus which can be used in carrying out the method according to the invention;
  • 2 an example with an additional transmission element;
  • 3 an example with additional transparent elements;
  • 4 another example with additional transparent elements and
  • 5 Top views of a substrate surface with the openings of cavities.

1 zeigt einen grundlegenden Aufbau einer Vorrichtung. In einem Substrat 1 (vorwiegend aus Kunststoff oder Glas bestehend) sind Kavitäten 3 ausgebildet, in denen die unterschiedlichen Moleküle in bevorzugt wässriger Lösung enthalten sind. In den einzelnen Kavitäten 3 können für eine Detektion gleiche, aber auch unterschiedliche Proben enthalten sein. Dabei kann die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung in alle Richtungen (beispielsweise mit Strahlen 10, 11, 11', 12, 13 angedeutet, also den gesamten Raumwinkel von 4 π emittiert werden. Dies beinhaltet

  1. a) Emission durch den Deckel 2 (Strahlen 10, 11, 11') in Richtung des Detektors 5
  2. b) Nicht detektierte Emission durch das Substrat 1 (Strahl 13), und
  3. c) Emission durch das oder auch in das Substrat 1 z.B. nach Totalreflexion (Strahl 12) an der Grenzfläche zur Luft,
so dass eine vollständige Detektion der gesamten emittierten elektromagnetischen Strahlung verhindert wird, da die Detektoren 5 oberhalb der Öffnungen der Kavitäten 3 angeordnet sind. Weiterhin kann angemerkt werden, dass die Detektoren 5, wie der in 1 schematisch dargestellte Bildsensor, immer nur ein begrenztes Winkelspektrum der emittierten elektromagnetischen Strahlung detektieren können. Die Effizienz der Detektion dieser Strahlung nimmt mit steigendem Einfallswinkel ab. Dies begrenzt die Effizienz einer Anordnung, bei der die Detektoren ohne zusätzliche Elemente direkt an den Proben angeordnet sind. 1 shows a basic structure of a device. In a substrate 1 (predominantly made of plastic or glass), cavities 3 are formed in which the different molecules are contained, preferably in an aqueous solution. The individual cavities 3 can contain the same or different samples for detection. The electromagnetic radiation emitted as a result of luminescence can be emitted in all directions (for example, indicated by rays 10, 11, 11', 12, 13), i.e., the entire solid angle of 4 π. This includes
  1. a) Emission through the cover 2 (rays 10, 11, 11') towards the detector 5
  2. b) Undetected emission through substrate 1 (beam 13), and
  3. c) Emission through or into the substrate 1, e.g. after total reflection (ray 12) at the interface to the air,
so that a complete detection of all emitted electromagnetic radiation is prevented, since the detectors 5 are arranged above the openings of the cavities 3. Furthermore, it can be noted that the detectors 5, as in 1 The image sensor shown schematically can only detect a limited angular spectrum of the emitted electromagnetic radiation. The efficiency of detecting this radiation decreases with increasing angle of incidence. This limits the efficiency of an arrangement in which the detectors are arranged directly on the samples without additional elements.

Dabei ist das Substrat 1 aus einem die von den in den Kavitäten 3 enthaltenen Proben emittierte elektromagnetische Strahlung zu mindestens 95 % streuenden Material gebildet. Dadurch kann eine Emission der infolge Lumineszenz emittierten elektromagnetischen Strahlung durch das Substrat 1 vermieden und es kann eine erhöhte Detektionseffizienz erreicht werden. Die Öffnungen der Kavitäten 3 sind mit einem für die infolge Lumineszenz von den Proben emittierte elektromagnetische Strahlung transparenten Deckel 2 abgedeckt. Die Detektoren 5 sind an einem Träger 4 angeordnet und in Richtung zu den Öffnungen der Kavitäten 3 mit einem Deckglas 6 abgedeckt und geschützt.The substrate 1 is made of a material that scatters at least 95% of the electromagnetic radiation emitted by the samples contained in the cavities 3. This prevents the emission of the electromagnetic radiation emitted as a result of luminescence by the substrate 1, and increased detection efficiency can be achieved. The openings of the cavities 3 are covered with a lid 2 that is transparent to the electromagnetic radiation emitted by the samples as a result of luminescence. The detectors 5 are arranged on a carrier 4 and covered and protected by a cover glass 6 in the direction of the openings of the cavities 3.

Mit einer Vorrichtung, wie Sie in 2 gezeigt ist, kann dem Problem des reduzierten Anteils an infolge Lumineszenz emittierter elektromagnetischer Strahlung, die auf die Detektoren 5 zu deren Detektion auftrifft und ausgewertet werden kann, weiter entgegengewirkt werden. Dabei wird so vorgegangen, dass das Substrat 1 aus einem die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung streuenden Material ausgebildet ist oder die Oberflächen der Kavitäten 3, in denen Proben enthalten sind, mit einer die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung reflektierenden Beschichtung versehen sind, so dass jeder in einer Kavität 3 emittierte Strahl 10 - 13 der an infolge Lumineszenz emittierten elektromagnetischen Strahlung nach evtl. mehrfacher Streuung oder Reflexion an der Grenzfläche zwischen Kavität 3 und Substratmaterial die jeweilige Kavität 3 in Richtung der Detektoren 5 verlassen kann.With a device like the one in 2 As shown, the problem of the reduced proportion of electromagnetic radiation emitted as a result of luminescence, which impinges on the detectors 5 for detection and can be evaluated, can be further counteracted. The procedure is such that the substrate 1 is formed from a material that scatters the electromagnetic radiation emitted as a result of luminescence, or the surfaces of the cavities 3 containing samples are provided with a coating that reflects the electromagnetic radiation emitted as a result of luminescence, so that each beam 10 - 13 of the electromagnetic radiation emitted as a result of luminescence emitted in a cavity 3 can leave the respective cavity 3 in the direction of the detectors 5 after possibly multiple scattering or reflection at the interface between the cavity 3 and the substrate material.

Mit einem idealen, die Strahlung streuenden Material (keine Absorption, nur Lichtstreuung) kann damit erreicht werden, dass die Strahlen 12 und 13 nur in Richtung der Detektoren 5 emittiert werden.With an ideal radiation-scattering material (no absorption, only light scattering), it can be achieved that the rays 12 and 13 are emitted only in the direction of the detectors 5.

Zwischen dem Substrat 1 mit den in den Kavitäten 3 enthaltenden lumineszierenden Proben und den Detektoren 5 kann vorteilhaft ein optisches Übertragungselement 7 angeordnet sein, in dem einer jeweiligen Kavität 3 zugeordnet kanalförmige Durchbrechungen 7.1 ausgebildet sind, so dass die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung ausgehend von der jeweiligen Probe durch die entsprechend angeordnete Durchbrechung 7.1 auf Detektoren 5 auftreffen kann. Diese verringern das Winkelspektrum der auf die Detektoren 5 auftreffenden elektromagnetischen Strahlung und vergrößern die beleuchtete Fläche der Detektoren 5. Im idealen Fall arbeiten diese Strukturen Etendue erhaltend, d.h. A ( n sin φ ) 2 = c o n s t .

Figure DE102023204533B4_0001
Between the substrate 1 with the luminescent samples contained in the cavities 3 and the detectors 5, an optical transmission element 7 can advantageously be arranged, in which channel-shaped openings 7.1 are formed, assigned to a respective cavity 3, so that the electromagnetic radiation emitted as a result of luminescence, emanating from the respective sample, can impinge on detectors 5 through the correspondingly arranged opening 7.1. These reduce the angular spectrum of the electromagnetic radiation impinging on the detectors 5 and increase the illuminated area of the detectors 5. Ideally, these structures operate in an etendue-preserving manner, i.e. A ( n sin φ ) 2 = c o n s t .
Figure DE102023204533B4_0001

Dabei ist A die leuchtende Fläche im Medium mit dem Brechungsindex n, und φ der maximale Beleuchtungswinkel gemessen von der Normalen der Oberfläche A.Here A is the luminous area in the medium with the refractive index n, and φ is the maximum illumination angle measured from the normal of the surface A.

Elektromagnetische Strahlung wird in einer Kavität 3 mit der Fläche Acav bei der Brechzahl der wässrigen Lösung in der die Probe enthalten ist, von n~1.34 unter Winkeln von max. 90° emittiert; der Austritt der Strahlung aus dem Substrat 1 ist durch die Totalreflexion begrenzt. Damit erhält man bei Eintritt in die Durchbrechungen 7.1 des Übertragungselements 7 mit n∼1 eine maximale Effizienz von etwa 56 %, wenn ein nichtstreuendes oder nicht mit einer reflektierenden Beschichtung versehenes Substrat 1 eingesetzt wird.Electromagnetic radiation is emitted into a cavity 3 with an area A cav at the refractive index of the aqueous solution containing the sample, n~1.34, at angles of up to 90°. The radiation exits the substrate 1, limited by total internal reflection. Thus, a maximum efficiency of approximately 56% is achieved upon entering the apertures 7.1 of the transmission element 7 with n~1, if a non-scattering substrate 1 or one not provided with a reflective coating is used.

Das Übertragungselement 7 sollte nicht transparent für die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung und dabei die Wandung 7.2 der Durchbrechungen 7.1 mit einer die emittierte elektromagnetische Strahlung reflektierenden Beschichtung versehen sein. Die Durchbrechungen 7.1 können im einfachsten Fall die Form eines Kegelstumpfes, aber auch mit parabolisch gewölbter Wandung ausgebildet sein, wobei es vorteilhaft ist, wenn sich der freie Querschnitt der Durchbrechungen 7.1 durch den, die emittierte elektromagnetische Strahlung gerichtet wird, in Richtung Detektoren 5 vergrößert.The transmission element 7 should not be transparent to the electromagnetic radiation emitted as a result of luminescence, and the wall 7.2 of the openings 7.1 should be provided with a coating that reflects the emitted electromagnetic radiation. In the simplest case, the openings 7.1 can be shaped like a truncated cone, but can also be formed with a parabolically curved wall, whereby it is advantageous if the free cross section of the opening gen 7.1 through which the emitted electromagnetic radiation is directed towards detectors 5.

Diese Effizienz bei der Detektion kann mit einer Vorrichtung nach 3 weiter verbessert werden.This efficiency in detection can be achieved with a device according to 3 be further improved.

Im Beispiel nach 3 ist zwischen dem Deckel 2 und dem Übertragungselement 7 eine Immersionsschicht 9 mit einer geeigneten Flüssigkeit ausgebildet. Außerdem sind in 2 und 3 jeweils unten Draufsichten des jeweiligen Substrats 1 mit den Kavitäten 3 in verschiedener Anordnung gezeigt.In the example after 3 An immersion layer 9 with a suitable liquid is formed between the cover 2 and the transmission element 7. In addition, 2 and 3 Top views of the respective substrate 1 with the cavities 3 in different arrangements are shown below.

Die Totalreflexion an der Oberfläche des Deckels 2, mit dem die Öffnungen der Kavitäten 3 verschlossen werden können, kann durch das Aufbringen eines optischen für die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung transparenten Elements 8 (s. 4) mit einer in Richtung der Detektoren 5 weisenden Oberfläche, an der die emittierte elektromagnetische Strahlung gebrochen wird, die z.B. halbkugelförmig gekrümmt sein kann, und/oder mittels einer Immersionsschicht 9, die zwischen dem optischen Übertragungselement 7 und dem Deckel 2 angeordnet bzw. ausgebildet ist, wie es in 3 gezeigt ist, verhindert werden.The total reflection on the surface of the lid 2, with which the openings of the cavities 3 can be closed, can be achieved by applying an optical element 8 that is transparent to the electromagnetic radiation emitted as a result of luminescence (see 4 ) with a surface pointing in the direction of the detectors 5, at which the emitted electromagnetic radiation is refracted, which may be hemispherically curved, for example, and/or by means of an immersion layer 9, which is arranged or formed between the optical transmission element 7 and the cover 2, as shown in 3 shown, can be prevented.

Dadurch kann die o.g. Effizienz theoretisch auf 100 % gesteigert werden. Sie ist nur noch durch die optisch empfindliche Fläche der Detektoren 5 und mögliche Restverluste bei Reflexionen an Deckel 2, optischem Element 8 und optischem Übertragungselement 7 limitiert.This allows the above-mentioned efficiency to theoretically be increased to 100%. It is limited only by the optically sensitive area of the detectors 5 and possible residual losses due to reflections from the cover 2, optical element 8, and optical transmission element 7.

Mit einer derartig ausgebildeten Vorrichtung ist es möglich, mehrere Messungen mit den Detektoren 5 durchzuführen. Der untere Teil der 2 und 3 zeigt jeweils beispielhaft die Anordnung von fünf bzw. drei derartigen Strukturen vor einer rechteckigen Detektoranordnung von oben gesehen. Das optische Übertragungselement 7 kann dabei fest vor den Detektoren 5 montiert sein. Das Substrat 1 kann mittels Immersionsschicht 9 justiert an dieses System gekoppelt werden.With such a device it is possible to carry out several measurements with the detectors 5. The lower part of the 2 and 3 shows, as an example, the arrangement of five or three such structures in front of a rectangular detector array, viewed from above. The optical transmission element 7 can be fixedly mounted in front of the detectors 5. The substrate 1 can be coupled to this system in an aligned manner using an immersion layer 9.

In der praktischen Anwendung ist die Nutzung von Immersionsflüssigkeiten (im aktuellen Fall würde sogar Wasser verwendet werden können) schwierig. Dies kann dadurch umgangen werden, dass die optische Funktion der transparenten Elements 8 mit dem Substrat 1 bzw. seinem Deckel 2 integriert wird (4). Dafür gibt es zwei Möglichkeiten:

  1. a) Die Kavitäten 3 sind in das die elektromagnetische Strahlung streuende Substrat 1 integriert; das transparente optische Element 8 kann auf dem Deckel 2 angeordnet oder dort ausgebildet sein. Der Deckel 2 kann in Form einer entsprechend ausgebildeten Deckelfolie ausgebildet sein. Dies erfordert eine justierte Montage des Deckels 2 auf dem Substrat 1, um die korrekte Position der transparenten optischen Elemente 8 in Bezug zu den jeweiligen Kavitäten 3 zu gewährleisten.
  2. b) Transparente optische Elemente 8 und Kavitäten 3 können von beiden Seiten in eine Platte als Substrat 1 geprägt und diese am Ende durch eine streuende Folie/Platte als Deckel 2 verschlossen werden, wie es beispielhaft aus 4 hervorgeht.
In practical applications, the use of immersion liquids (in the current case, even water could be used) is difficult. This can be circumvented by integrating the optical function of the transparent element 8 with the substrate 1 or its cover 2 ( 4 ). There are two ways to do this:
  1. a) The cavities 3 are integrated into the substrate 1 that scatters the electromagnetic radiation; the transparent optical element 8 can be arranged on the cover 2 or formed there. The cover 2 can be designed in the form of a correspondingly shaped cover film. This requires an adjusted mounting of the cover 2 on the substrate 1 to ensure the correct position of the transparent optical elements 8 in relation to the respective cavities 3.
  2. b) Transparent optical elements 8 and cavities 3 can be embossed from both sides into a plate as substrate 1 and this can be closed at the end by a scattering film/plate as lid 2, as is shown for example in 4 emerges.

Bei den in den 1 bis 4 gezeigten Beispielen können die mit den Detektoren 5 erfassten Messsignale einer nicht dargestellten elektronischen Auswerteeinheit zugeführt werden, in der die Auswertung für die einzelnen Proben erfolgen kann.In the 1 to 4 In the examples shown, the measurement signals recorded by the detectors 5 can be fed to an electronic evaluation unit (not shown), in which the evaluation for the individual samples can be carried out.

Wie oben bereits erläutert muss nicht die gesamte Fläche mit den Detektoren zur Detektion von infolge Lumineszenz von den Proben emittierter elektromagnetischer Strahlung für eine Detektion dieser Strahlung genutzt werden.As already explained above, the entire area with the detectors for detecting electromagnetic radiation emitted by the samples as a result of luminescence does not have to be used to detect this radiation.

Um die geringen Intensitäten, der infolge Lumineszenz emittierten elektromagnetischen Strahlung auch sicher mit Detektoren 5 erfassen zu können, sollten Messwerte über längere Zeiträume, beispielsweise im Bereich (100 ms ... 10 s erfasst und bei der Auswertung berücksichtigt werden.In order to be able to reliably detect the low intensities of the electromagnetic radiation emitted as a result of luminescence using detectors 5, measured values should be recorded over longer periods of time, for example in the range (100 ms ... 10 s), and taken into account in the evaluation.

Für diese Detektion ungenutzte Teile, in 5 schraffiert dargestellt, sind dabei durch das optische Übertragungselement 7 vor Lichteinfall von außen geschützt und können bei der Datenverarbeitung der mit den Detektoren 5 erfassten Messsignale als Dunkelsignal für einen Dunkelabgleich zur Korrektur genutzt werden.For this detection unused parts, in 5 shown hatched, are protected from external light by the optical transmission element 7 and can be used as a dark signal for a dark adjustment for correction during data processing of the measurement signals recorded by the detectors 5.

Claims (7)

Verfahren für die Durchführung von biochemischen Untersuchungen an Proben, in denen biologische Moleküle als Analyten und außerdem Rezeptoren mit hoher Bindungsaffinität für diese biologischen Moleküle, an die jeweils mindestens ein Molekül, das infolge eines Enzyms elektromagnetische Strahlung in Form von Lumineszenz innerhalb eines ersten Wellenlängenintervalls emittiert, nach Ablauf einer Inkubationszeit gebunden wird, enthalten sind, bei dem an einer Oberfläche eines Substrats (1) mehrere Kavitäten (3) diskret zueinander angeordnet sind und in den Kavitäten (3) jeweils eine Probe enthalten ist, und oberhalb der Öffnungen der Kavitäten (3) mehrere Detektoren (5), mit denen die Erfassung elektromagnetischer Strahlung infolge von Lumineszenz von in den Proben enthaltenen lumineszierenden Molekülen, die innerhalb mindestens eines ersten und eines zweiten Wellenlängenintervalls der emittierten elektromagnetischen Strahlung in einer Arrayanordnung angeordnet sind, erfolgt, und an die Detektoren (5) eine elektronische Auswerteeinheit angeschlossen oder anschließbar ist, mit der die Anteile an mit den Detektoren (5) detektierter infolge Lumineszenz emittierter elektromagnetischer Strahlung des ersten und des zweiten Wellenlängenintervalls erfasst und ins Verhältnis gesetzt werden, so dass der Anteil an an Rezeptoren gebundenen biologischen Molekülen in den einzelnen Proben zueinander bestimmt wird, und zwischen den Öffnungen der Kavitäten (3) und den Detektoren (5) ein optisches Übertragungselement (7) angeordnet ist, in dem den Öffnungen der Kavitäten (3) zugeordnet kanalförmige Durchbrechungen (7.1) ausgebildet sind, durch die infolge Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung aus den Proben auf die Detektoren (5) gerichtet wird.Method for carrying out biochemical investigations on samples containing biological molecules as analytes and also receptors with a high binding affinity for these biological molecules, to each of which at least one molecule is bound which, as a result of an enzyme, emits electromagnetic radiation in the form of luminescence within a first wavelength interval after an incubation period, in which a plurality of cavities (3) are arranged discretely to one another on a surface of a substrate (1), and each of the cavities (3) contains a sample, and above the openings of the cavities (3) a plurality of detectors (5) are arranged, with which the detection of electromagnetic radiation as a result of luminescence of luminescent molecules contained in the samples Molecules that are arranged in an array arrangement within at least a first and a second wavelength interval of the emitted electromagnetic radiation, and an electronic evaluation unit is connected or can be connected to the detectors (5), with which electronic evaluation unit the proportions of electromagnetic radiation emitted as a result of luminescence, detected by the detectors (5), of the first and second wavelength intervals are recorded and put into relation so that the proportion of biological molecules bound to receptors in the individual samples is determined relative to one another, and an optical transmission element (7) is arranged between the openings of the cavities (3) and the detectors (5), in which channel-shaped openings (7.1) are formed that are associated with the openings of the cavities (3), through which electromagnetic radiation emitted as a result of luminescence from the samples is directed onto the detectors (5). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (7.2) der kanalförmigen Durchbrechungen (7.1) mit einer die emittierte elektromagnetische Strahlung reflektierenden Beschichtung versehen oder das optische Übertragungselement (7) aus einem die emittierte elektromagnetische Strahlung zu mindestens 50 % reflektierenden Material gebildet ist, so dass die emittierte elektromagnetische Strahlung in Richtung der Detektoren (5) gerichtet wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the wall (7.2) of the channel-shaped openings (7.1) is provided with a coating reflecting the emitted electromagnetic radiation or the optical transmission element (7) is formed from a material reflecting at least 50% of the emitted electromagnetic radiation, so that the emitted electromagnetic radiation is directed in the direction of the detectors (5). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (7.2) der kanalförmigen Vertiefungen so ausgerichtet oder gekrümmt sind, dass die emittierte elektromagnetische Strahlung vollständig oder zumindest nahezu vollständig dort mit Totalreflexion reflektiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the wall (7.2) of the channel-shaped depressions are aligned or curved in such a way that the emitted electromagnetic radiation is completely or at least almost completely reflected there with total reflection. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die emittierte elektromagnetische Strahlung durch kanalförmige Durchbrechungen (7.1) geleitet wird, deren freier Querschnitt, durch den die emittierte elektromagnetische Strahlung gerichtet wird, in Richtung Detektoren (5) gerichtet ist und im Bereich in Richtung Detektoren (5) im Vergleich zu dem Bereich, der in Richtung der Öffnung der jeweiligen Kavität weist, vergrößert ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the emitted electromagnetic radiation is guided through channel-shaped openings (7.1), the free cross section of which, through which the emitted electromagnetic radiation is directed, is directed in the direction of detectors (5) and is enlarged in the region in the direction of detectors (5) compared to the region which points in the direction of the opening of the respective cavity. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an oder im Bereich der Öffnungen der Kavitäten (3) oder an Eintrittsöffnungen für emittierte elektromagnetische Strahlung der kanalförmigen Durchbrechungen (7.1) des optischen Übertragungselements (7) jeweils ein mit einer in Richtung Detektoren (5) weisenden Oberfläche, an der die emittierte elektromagnetische Strahlung gebrochen wird, versehenes für die emittierte elektromagnetische Strahlung transparentes Element (8) angeordnet ist, mit dem Totalreflexion vermieden wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at or in the region of the openings of the cavities (3) or at inlet openings for emitted electromagnetic radiation of the channel-shaped openings (7.1) of the optical transmission element (7) there is arranged in each case an element (8) which is transparent to the emitted electromagnetic radiation and which is provided with a surface facing in the direction of the detectors (5) at which the emitted electromagnetic radiation is refracted, and with which total reflection is avoided. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die in Richtung Detektoren (5) weisende Oberfläche des Elements (8) halbkugelförmig ausgebildet ist, mit der Rückreflexionen von Proben emittierter elektromagnetischer Strahlung vermieden wird.Method according to the preceding claim, characterized in that the surface of the element (8) facing in the direction of the detectors (5) is hemispherical, with which back reflections of electromagnetic radiation emitted by samples are avoided. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Substrats (1), an der die Öffnungen der Kavitäten (3) angeordnet sind, an mindestens einem Oberflächenbereich mit Detektoren (5) eine Detektion zur Durchführung eines Dunkelabgleichs durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that on the surface of the substrate (1) on which the openings of the cavities (3) are arranged, detection is carried out on at least one surface area with detectors (5) to carry out a dark calibration.
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Citations (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63298137A (en) * 1987-05-29 1988-12-05 Soken:Kk Sample analyzer using image fiber
WO1993013423A1 (en) * 1991-12-20 1993-07-08 The Salk Institute Biotechnology/Industrial Associates, Inc. Automated analysis equipment and assay method for detecting cell surface protein and/or cytoplasmic receptor function using same
EP0653625A1 (en) * 1993-11-12 1995-05-17 Unipath Limited Reading devices for testships
JPH10197449A (en) * 1997-01-07 1998-07-31 Hamamatsu Photonics Kk Optical measuring device
JPH10318929A (en) * 1997-05-19 1998-12-04 Toa Medical Electronics Co Ltd Method for measuring emission reaction
DE19725050A1 (en) * 1997-06-13 1998-12-17 Fraunhofer Ges Forschung Arrangement for the detection of biochemical or chemical substances by means of fluorescent light excitation and method for its production
EP0902271A2 (en) * 1997-09-15 1999-03-17 Becton, Dickinson and Company Apparatus and method for analyzing samples
EP0953379A1 (en) * 1998-05-01 1999-11-03 F. Hoffmann-La Roche Ag Apparatus for simultaneously monitoring reactions taking place in a plurality of reaction vessels
US6144448A (en) * 1992-07-17 2000-11-07 Tosoh Corporation Fluorescence detecting apparatus
WO2001008801A1 (en) * 1999-07-30 2001-02-08 Stratagene Apparatus for thermally cycling samples of biological material
WO2001035079A1 (en) 1999-11-12 2001-05-17 E. I. Du Pont De Nemours And Company Fluorometer with low heat-generating light source
WO2004024330A2 (en) * 2002-09-12 2004-03-25 Quanta Biotech Limited Thermocycler and sample holder
WO2008011875A1 (en) * 2006-07-28 2008-01-31 Analytik Jena Ag Arrangement and method for multichannel fluorescence measurement in pcr samples
WO2011124918A1 (en) * 2010-04-06 2011-10-13 It-Is International Limited Biochemical reactions system
CN102645276A (en) * 2011-02-16 2012-08-22 台湾超微光学股份有限公司 Spectral sensing device, system and method
US20120295249A1 (en) * 2010-11-15 2012-11-22 Roche Diagnostics Operations, Inc. Instrument And Method For The Automated Thermal Treatment Of Liquid Samples
US20130102064A1 (en) * 2011-10-19 2013-04-25 Stmicroelectronics S.R.L. Rt-pcr chip with optical detection
DE202010018011U1 (en) * 2009-01-08 2013-07-10 It-Is International Ltd Optical system for chemical and / or biochemical reactions
US10273533B2 (en) * 2011-02-04 2019-04-30 Universal Bio Research Co., Ltd. Automatic response/light measurement device and method therefor
CN110967324A (en) * 2019-10-14 2020-04-07 广东省测试分析研究所(中国广州分析测试中心) Optical detection device of multi-channel real-time fluorescence detector
GB2601501A (en) * 2020-12-01 2022-06-08 Stratec Se Optical fiber coupling in a real-time thermal cycler

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7498164B2 (en) * 1998-05-16 2009-03-03 Applied Biosystems, Llc Instrument for monitoring nucleic acid sequence amplification reaction
KR101834574B1 (en) * 2009-01-29 2018-03-05 커먼웰쓰 사이언티픽 앤드 인더스트리얼 리서치 오가니제이션 Measuring g protein coupled receptor activation

Patent Citations (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63298137A (en) * 1987-05-29 1988-12-05 Soken:Kk Sample analyzer using image fiber
WO1993013423A1 (en) * 1991-12-20 1993-07-08 The Salk Institute Biotechnology/Industrial Associates, Inc. Automated analysis equipment and assay method for detecting cell surface protein and/or cytoplasmic receptor function using same
US6144448A (en) * 1992-07-17 2000-11-07 Tosoh Corporation Fluorescence detecting apparatus
EP0653625A1 (en) * 1993-11-12 1995-05-17 Unipath Limited Reading devices for testships
JPH10197449A (en) * 1997-01-07 1998-07-31 Hamamatsu Photonics Kk Optical measuring device
JPH10318929A (en) * 1997-05-19 1998-12-04 Toa Medical Electronics Co Ltd Method for measuring emission reaction
DE19725050A1 (en) * 1997-06-13 1998-12-17 Fraunhofer Ges Forschung Arrangement for the detection of biochemical or chemical substances by means of fluorescent light excitation and method for its production
EP0902271A2 (en) * 1997-09-15 1999-03-17 Becton, Dickinson and Company Apparatus and method for analyzing samples
EP0953379A1 (en) * 1998-05-01 1999-11-03 F. Hoffmann-La Roche Ag Apparatus for simultaneously monitoring reactions taking place in a plurality of reaction vessels
WO2001008801A1 (en) * 1999-07-30 2001-02-08 Stratagene Apparatus for thermally cycling samples of biological material
WO2001035079A1 (en) 1999-11-12 2001-05-17 E. I. Du Pont De Nemours And Company Fluorometer with low heat-generating light source
WO2004024330A2 (en) * 2002-09-12 2004-03-25 Quanta Biotech Limited Thermocycler and sample holder
WO2008011875A1 (en) * 2006-07-28 2008-01-31 Analytik Jena Ag Arrangement and method for multichannel fluorescence measurement in pcr samples
DE202010018011U1 (en) * 2009-01-08 2013-07-10 It-Is International Ltd Optical system for chemical and / or biochemical reactions
WO2011124918A1 (en) * 2010-04-06 2011-10-13 It-Is International Limited Biochemical reactions system
US20120295249A1 (en) * 2010-11-15 2012-11-22 Roche Diagnostics Operations, Inc. Instrument And Method For The Automated Thermal Treatment Of Liquid Samples
US10273533B2 (en) * 2011-02-04 2019-04-30 Universal Bio Research Co., Ltd. Automatic response/light measurement device and method therefor
US10472672B2 (en) * 2011-02-04 2019-11-12 Universal Bio Research Co., Ltd. Automatic response/light measurement device and method therefor
US10822646B2 (en) * 2011-02-04 2020-11-03 Universal Bio Research Co., Ltd. Reaction container control system
CN102645276A (en) * 2011-02-16 2012-08-22 台湾超微光学股份有限公司 Spectral sensing device, system and method
US20130102064A1 (en) * 2011-10-19 2013-04-25 Stmicroelectronics S.R.L. Rt-pcr chip with optical detection
CN110967324A (en) * 2019-10-14 2020-04-07 广东省测试分析研究所(中国广州分析测试中心) Optical detection device of multi-channel real-time fluorescence detector
GB2601501A (en) * 2020-12-01 2022-06-08 Stratec Se Optical fiber coupling in a real-time thermal cycler

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Q. Yu, L. Xu et al., „Semisynthetic sensor proteins enable metabolic assays at the point of care", Science 361, (2018), S 1122-1126
YU, Qiuliyang [et al.]: Semisynthetic sensor proteins enable metabolic assays at the point of care. In: Science, Vol. 361, 2018, No. 6407, S. 1122-1126. - ISSN 0036-8075 (P); 1095-9203 (E). DOI: 10.1126/science.aat7992. URL: https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/science.aat7992 [abgerufen am 2023-07-05] *

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