DE60031988T2

DE60031988T2 - Verfahren und vorrichtung zur zuführung von proben zu einer chemischen sensormatrix

Info

Publication number: DE60031988T2
Application number: DE60031988T
Authority: DE
Inventors: T. John Austin MCDEVITT; V. Eric Austin ANSLYN; B. Jason Austin SHEAR; P. Dean Austin NEIKIRK; V. Damon Austin BORICH
Original assignee: University of Texas System
Current assignee: University of Texas System
Priority date: 1999-07-16
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2020-07-15
Also published as: EP1204859A2; AU1325501A; ATE346287T1; WO2001006253A8; AU773679B2; US6602702B1; WO2001006244A2; EP1204859B1; CA2379130A1; WO2001006253A2; WO2001006239A2; AU1325201A; DE60031988D1; AU1429701A; WO2001006244A8; US6589779B1; WO2001006239A8

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweisen eines Analyts in einem Fluid. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf die Entwicklung eines Sensoranordnungssystems, das in der Lage ist, Mischungen von Analyten, Toxinen und/oder Bakterien in Lösungen im medizinischen, Lebensmittel-/Getränke- und Umweltbereich zu unterscheiden.
2. Kurze Beschreibung des zugehörigen Stands der Technik
Die Entwicklung von geschickten Sensoren, die in der Lage sind, verschiedene Analyte, Toxine und Bakterien zu unterscheiden, ist zunehmend wichtig geworden für Anwendungen im klinischen, ökologischen, Gesundheits- und Unfallverhütungs- (Arbeitssicherheits-), Fernerkundungs, militärischen, Lebensmittel-/Getränke-Bereich und im Bereich der chemischen Verarbeitungsverfahren. Obwohl viele Sensoren für den Nachweis von einzelnen Analyten, die zur Detektion mit hoher Empfindlichkeit und mit hoher Trennschärfe in der Lage sind, hergestellt worden sind, wurden nur in einigen wenigen ausgewählten Fällen Sensoranordnungen bzw. Sensor-Arrays hergestellt, die die Fähigkeit zum Nachweis von mehreren Analyten in der gelösten Phase bieten. Die Vorteile von derartigen Anordnungs-Systemen ist ihre Nützlichkeit bei der Analyse von mehreren Analyten und ihre Fähigkeit, zum Reagieren auf neue Anreize "trainiert" zu werden. Derartige Fähigkeiten zur adapti ven Analyse vor Ort, die durch die Arraystruktur ermöglicht werden, machen ihre Verwendung für eine Vielzahl von zukünftigen Anwendungen viel versprechend. Kürzlich sind auf Arrays beruhende Sensoren vorgestellt worden, die die Fähigkeit bieten, unter Verwendung einer Anzahl von verschiedenen Weitergabeprogrammen komplexe Dampfschwaden nachzuweisen und zu identifizieren. Hergestellt worden sind beispielsweise funktionelle Sensoren, die auf akustischen Oberflächenwellen (SAW, Englisch: Surface Acoustic Waves) beruhen, Zinnoxid (SnO₂) Sensoren, leitfähige organische Polymere und Zusammensetzungen aus Kohlen-Schwarz (Englisch: Carbon Black)/Polymer. Die Verwendung von Zinnoxidsensoren wurde beispielsweise im US Patent Nr. 5,654,497 erteilt an Hoffheins et al. beschrieben. Diese Sensoren zeigen die Fähigkeit, aufgrund von geringen Unterschieden in den Antwortkennlinien von Einsatzort zu Einsatzort eine Vielzahl von organischen Dämpfen zu identifizieren und dazwischen unterscheiden zu können. Mustererkennung der gesamten Fingerprint-Antwort der Arrays dient als die Grundlage für eine Erkennung der Art des Geruchsvermögens der Arten der Analyte in der Dampfphase. Tatsächlich sind kürzlich einige kommerzielle "elektronische Nasen" entwickelt worden. Die meisten der wohl etablierten Aufspürungselemente beruhen auf SnO₂-Arrays, die so abgewandelt worden sind, dass sie chemisch verschiedene Antworteigenschaften liefern. Auf SAW Kristallen beruhende Arrays liefern besonders sensitive Antworten bzw. Antwortsignale auf Dampf, jedoch haben Entwicklungsherausforderungen die Herstellung von großen SAW Arrays mit mehreren Sensorstellen verhindert. Nach unserem Kenntnisstand besitzt die größte bis heute berichtete bzw. dokumentierte SAW Vorrichtung nur 12 Sensorelemente. Zusätzlich macht die begrenzte chemische Diversität und das fehlende Verständnis der molekularen Eigenschaften von derartigen Systemen ihre Verbreitung in komplexere Analyse schwierig.
Es sind andere Aufbauten entwickelt worden, die in der Lage sind, flüchtige organische Moleküle zu identifizieren und zu unterscheiden. Ein Aufbau umfasst eine Reihe von leitfähigen Polymerschichten, die auf kontaktierenden Schichten aus Metall aufgebracht worden sind. Wenn diese Sensoren flüchtigen Reagenzien ausgesetzt werden, adsorbieren die flüchtigen Reagenzien in die Polymerschichten und führen zu kleinen Veränderungen im elektrischen Widerstand dieser Schichten. Es ist dieser kleine Unterschied im Verhalten der verschiedenen Stellen, die eine Unterscheidung, Identifizierung und Quantifizierung der Dämpfe ermöglicht. Der Nachweisprozess braucht nur einige wenige Sekunden und mit dieser relativ einfachen Herangehensweise können Empfindlichkeiten von einem Milliardstel erreicht werden. Diese "elektronischen Nasen" Systeme sind im US Patent Nr. 5,698,089 erteilt an Lewis et al. beschrieben.
Obwohl die oben beschriebene elektronische Nase eine eindrucksvolle Fähigkeit zum Überwachen von flüchtigen Reagenzien bereitstellt, besitzt das System eine Anzahl von ungewünschten Eigenschaften, die die Entwicklung von alternativen Sensoranordungs-Systemen wünschenswert machen. Beispielsweise kann die elektronische Nase nur zur Identifizierung der flüchtigen Reagenzien verwendet werden. Für viele ökologische, militärische, medizinische und kommerzielle Anwendungen ist jedoch die Identifizierung und Quantifizierung von Analyten, die in flüssigen Proben oder Proben in der festen Phase vorhanden sind, notwendig. Darüber hinaus sind die elektronischen Nasen Systeme teuer (beispielsweise kostet das Aromascan-System etwa 50.000 Dollar pro Einheit) und sperrig (≥ 28,3 cm³ (1 ft³)). Des weiteren sind die funktionellen Elemente für die derzeitig verfügbare elektronische Nase zusammengesetzt aus leitfähigen Polymersystemen, die für viele der Analyte, die für die militärischen und zivilen Gemeinschaften von Interesse sind, eine geringe chemische Trennschärfe aufweisen.
Eines der am häufigsten eingesetzten Nachweis- bzw. Messverfahren hat kolloidale Polymer-Mikrokügelchen verwendet für Latex-Agglutinationstests (LATs) in der klinischen Analyse. Kommerziell verfügbare LATs für mehr als 60 Analyte werden routinemäßig für den Nachweis von infektiösen Krankheiten, illegalen Drogen und Schwangerschaftsfrühtests eingesetzt. Die riesige Mehrheit dieser Arten von Sensoren funktionieren auf dem Prinzip der Agglutination von Latexpartikeln (Polymermikrokügelchen), die auftritt, wenn die mit Antikörper-Derivaten versehenen Mikrokügelchen durch ein fremdes Antigen effektiv "quervernetzt" werden, was zur Anhaftung an einem Filter oder der Unfähigkeit, durch ein Filter hindurch zu laufen, führt. Die mit Farbstoff dotierten Mikrokügelchen werden dann nach dem Entfernen der antikörper-tragenden Lösung kolorimetrisch nachgewiesen. Jedoch fehlt den LATs die Fähigkeit, in Nachweissystemen für mehrere Analyte in Echtzeit eingesetzt zu werden, weil die Art der Antwort intrinsisch von einem kooperativen Effekt der gesamten Ansammlung der Mikrokügelchen abhängt.
Ähnlich wie die elektronische Nase sind Arraysensoren, die eine große analytische Aussicht gezeigt haben, diejenigen, die auf der Technologie genannt "DNA auf einem Chip" beruhen. Diese Vorrichtungen weisen eine hohe Dichte von DNA Hybridisationsplätzen auf, die in einem zwei dimensionalen Muster auf einem ebenen Substrat befestigt sind. Um Informationen über Nukleotit-Sequenzen zu erzeugen, wird ein Muster erzeugt von unbekannten DNA Fragmenten, die sich an verschiedenen Hybridisationsplätzen anbinden. Sowohl radiochemische als auch optische Verfahren haben ausgezeichnete Nachweisgrenzen für die Analyse begrenzter Mengen von DNA bereitgestellt. (Stimpson, D. I.; Hoijer, J. V.; Hsieh, W.; Jou, C.; Gardon, J.; Theriault, T.; Gamble, R.; Baldeschwieler, J. D.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1995, 92, 6379). Obwohl sie für den Nachweis von DNA Fragmenten ziemlich vielversprechend sind, sind diese Arrays im Allgemeinen nicht für Nicht-DNA-Moleküle entworfen und zeigen dementsprechend eine sehr geringe Empfindlichkeit für kleinere organische Moleküle. Viele der Zielmoleküle, die von Interesse für die zivilen und militärischen Gemeinschaften sind, weisen jedoch keine DNA Komponenten auf. Daher ist die Notwendigkeit für einen flexiblen, nicht auf DNA beruhenden Sensor immer noch wünschenswert. Darüber hinaus neigen die bestehenden Technologien dazu, bezüglich der Ausdehnung auf eine praktische Größe schwierig zu sein, während eine Anzahl von Prototypen von DNA Chips beschrieben worden, die bis zu einige Tausend verschiedenen Messfühler für Nukleinsäure enthalten. Infolge dessen können DNA Chips für praktische Anwendungen unverhältnismäßig bzw. verbieterisch (Ausdruck überprüfen) teuer sein.
Systeme zum Analysieren von Fluidproben mit einem Array aus heterogenen, semi-selektiven dünnen Schichten, die als Nachweisrezeptoreinheiten funktionieren, sind in den US Patenten mit den Nummern 6,023,540; 5,814,524; 5,700,897; 5,512,490; 5,480,723; 5,252,494; 5,250,264; 5,244,813; 5,244,636 und 5,143,853 beschrieben. Es scheint, dass diese Systeme die Verwendung von kovalent angehafteten, polymerischen "Koni" (Anmerkung des Über setzers: gemeint ist hier der Plural von „Konus"), die über Fotopolymerisation auf der distalen Seite von Lichtleitfaserbündeln aufgewachsen werden, beschreiben. Es scheint, dass diese Sensormessfühler mit dem Ziel entworfen sind, eindeutige, kontinuierliche und reproduzierbare Antworten von kleinen, lokalisierten Bereichen von mit Farbstoff dotierten Polymeren zu erzielen. Es scheint, dass diese Polymere als ein fester Träger dienen für Indikator-Moleküle, die Information über die zu testenden Lösungen durch Veränderungen in optischen Eigenschaften bereitstellen. Diese polymer-gestützten Sensoren sind für den Nachweis von Analyten, wie pH, Metallen und bestimmten biologischen Einheiten entwickelt worden. Verfahren zum Herstellen von großen Stückzahlen von reproduzierbaren Sensoren müssen jedoch noch entwickelt werden. Darüber hinaus sind für diese Systeme keine Verfahren für die Erfassung der Datenströme in einer simultanen Weise kommerziell verfügbar. Auch können für diese Systeme Kernpunkte der optischen Ausrichtung problematisch sein.
US Patent Nr. 5,854,684 offenbart ein System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es stellt Geräte zum Detektieren von Licht aus beispielsweise dicht beabstandeten Nachweisstellen bereit. Es stellt ein Gerät bereit zum Messen der Lichtmenge, die von einer ersten Menge von zwei oder mehreren Detektionsstellen auf einem ebenen Substrat emittiert werden, während die Messungen von jedem der Detektionsstellen der ersten Menge örtlich aufgelöst werden, das Gerät umfassend: eine Quelle für einen Lichtstrahl, der unter einem ersten Winkel auf das ebene Substrat gerichtet ist; eine oder mehrere Linsen zum Bündeln auf eine eindeutige Fläche eines Arraydetektors von Licht, das von jedem der Detektionsstellen der ersten Menge ausgestrahlt oder reflektiert wird und das einen zweiten Winkel mit einem Winkelversatz zum ersten Winkel aufweist; und den Array-Detektor, der eine Vielzahl von auf Licht antwortenden Pixeln umfasst, wobei für jede der Nachweisstellen der ersten Menge mindestens ein auf Licht antwortender Pixel vorhanden ist, der Licht empfängt, das von dieser Nachweisstelle emittiert oder reflektiert worden ist und im wesentlichen kein Übersprechen von einer anderen Nachweisstelle aufweist, und wobei sich im wesentlichen kein Licht von der Lichtquelle mit dem Arraydetektor überschneidet. Ein Flüssigkeitsverteilungssystem kann ein Fluid abgeben aus einer Anzahl von Vorratsbehältern statt aus einer Menge von mit dem Flüssigkeitsverteilungssystem verbundenen Reaktionszellen oder Detektionsstellen, und aus zusätzlichen Vorratsbehältern an im wesentlichen eine Untermenge dieser Reaktionszellen oder Nachweisstellen. Das Flüssigkeitsverteilungssystem ist zum Einsatz in Anwendungen, die eine hohe Dichte der Detektionsstellen mit Reaktionszellen erfordern, entwickelt. In einer bevorzugten Ausführungsform verwendet das Gerät elektroden-basierte Pumpen, die keine beweglichen Teile zum Transport des Fluids von dem Vorratsbehälter zu der Reaktionszelle aufweist.
Ebenfalls wünschenswert ist ein Verfahren für die rasche Probenanalyse für den Einsatz im Gebiet der diagnostischen Mikrobiologie. Die derzeit benutzten Techniken zur raschen, mikrobiologischen Diagnostik weisen entweder Antigene oder Nukleinsäuren nach. Schnelles Testen von Antigenen beruht auf der Verwendung von Antikörpern, um entweder den einzelligen Organismus oder das Vorhandensein von infiziertem Zellenmaterial zu erkennen. Diesem Ansatz inhärent ist die Notwendigkeit, die Bindung des Antikörpers an eindeutigen Strukturen an dem gerade getesteten Organismus zu erhalten und zu charakterisieren. Weil die Identifizierung und Isolierung der entsprechenden Antikörper zeitaufwändig ist, sind diese Techniken begrenzt auf einen einzigen Wirkstoff pro Testmodul und es besteht keine Möglichkeit, die Menge der vorhandenen Wirkstoffe zu bestimmen.
Die meisten Antikörperverfahren sind relativ unempfindlich und erfordern das Vorhandensein von 10⁵ bis 10⁷ Organismen. Die Antwortzeit der Antikörper-Antigen-Reaktionen in diagnostischen Tests vom Typ reichen von 10 bis 120 Minuten, abhängig vom Nachweisverfahren. Die schnellsten Verfahren sind allgemein Agglutinationsreaktionen, jedoch sind diese Verfahren aufgrund von Schwierigkeiten bei der visuellen Interpretation der Reaktionen weniger empfindlich. Herangehensweisen mit niedrigeren Reaktionszeiten umfassen Erkennung von Antigenen durch entweder mit einem Enzym oder Chromophor konjugierte Antikörper. Diese Arten von Tests neigen dazu, empfindlicher zu sein, insbesondere wenn zum Bestimmen, ob eine Antigen-Antikörperreaktion aufgetreten ist, spektrophotometrische Verfahren eingesetzt werden. Es scheint jedoch, dass diese Nachweisverfahren nicht den gleichzeitigen Nachweis von mehreren Analyten in einer einzigen Detektorplattform erlauben.
Die Alternative zum Antigennachweis ist der Nachweis von Nukleinsäuren. Ein Ansatz zum diagnostischen Testen mit Nukleinsäuren benutzt die Hybridisation zum Abzielen auf eindeutige Bereiche des Zielorganismus. Diese Techniken benötigen weniger Organismen (10³ bis 10⁵), brauchen jedoch etwa fünf Stunden Zeit zum Vervollständigen. Ebenso wie Antikörper-Antigen-Reaktionen ist dieser Ansatz nicht zum gleichzeitigen Nachweis von mehreren Analyten entwickelt worden.
Die letzte Verbesserung im Nachweis von Mikroorganismen war die Verwendung von Nukleinsäureverstärkung. Es sind Nukleinsäure-Verstärkungstests entwickelt worden, die sowohl qualitative als auch quantitative Daten erzeugen. Die derzeitigen Begrenzungen dieser Testverfahren beziehen sich jedoch auf Verzögerungen, die durch die Probenvorbereitung bzw. Herstellung, die Verstärkung und den Nachweis verursacht sind. Derzeit benötigen die Standardtestverfahren etwa fünf Stunden zum Vervollständigen. Die Fähigkeit, einen schnelleren Nachweis für eine Vielzahl von Mikroorganismen zu vervollständigen, wäre von enormer Wichtigkeit für die militärische Aufklärung, die nationale Sicherheit sowie im medizinischen und ökologischen Bereich und im Anwendungsbereich von Nahrungsmitteln.
Es ist daher wünschenswert, dass neue Sensoren entwickelt werden, die in der Lage sind, verschiedene Analyte, Toxine und Bakterien zu unterscheiden für Anwendungen in den Bereich medizinischer/klinischer Diagnose, Ökologie, Gesundheit und Unfallverhütung (Arbeitssicherheit), Fernerkundung, militärische Nutzung, Nahrungsmittel/Getränke und chemische Verarbeitung. Es ist ferner wünschenswert, dass die Mess- bzw. Nachweissysteme zur gleichzeitigen Erkennung einer Vielzahl von Analyten anpassbar sind, um den Durchsatz während verschiedenartiger chemischer und biologischer analytischer Verfahren zu verbessern.
Zusammenfassung der Erfindung
Wie beansprucht, wird ein System zum Nachweis eines Analyts in einem Fluid bereitgestellt, so wie das im Patentanspruch 1 definiert ist.
Das System kann entweder für flüssige oder gasförmige Fluide benutzt werden. Das System kann Muster erzeugen, die sowohl für die einzelnen Analyte als auch die Mischungen der Analyte diagnostisch sind. Das System ist aus einer Vielzahl von chemisch sensitiven Partikeln hergestellt, die einer geordneten Anordnung bzw. Array ausgebildet sind, die in der Lage sind, gleichzeitig mehrere verschiedene Arten von Analyten schnell nachzuweisen. Ein Aspekt des Systems ist, dass die Anordnung bzw. das Array mit einem Mikrofabrikationsprozess hergestellt werden kann, was es ermöglicht, dass das System in einer preiswerten Weise herzustellten.
In einer Ausführungsform eines Systems zum Nachweis von Analyten umfasst das System eine Lichtquelle, eine Sensoranordnung und einen Detektor. Die Sensoranordnung ist ausgebildet aus einem Trageelement, das dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl von chemisch sensitiven Teilchen bzw. Partikeln (hierin als "Partikel" bezeichnet) in einer geordneten Anordnung bzw. einem geordneten Array zu halten. Die Partikel sind Elemente, die in der Anwesenheit eines Analyts ein nachweisbares Signal erzeugen können. Die Partikel können beim Aussetzen an ein Analyt optische (beispielsweise Absorbtion oder Reflexion) oder Fluoreszenz-/Phosphoreszenz-Signale erzeugen. Beispiele von Partikeln umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf funktionalisierte polymerische Kügelchen, agarische (Englisch: agarous) Kügelchen, Dextrosekügelchen, Polyacrylamidkügelchen, Glaskügelchen mit Steuerungsmikroporen, Metalloxidpartikel (beispielsweise Siliziumdioxid (SiO₂) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃)), Metallquantenteilchen (beispielsweise Silber, Gold, Platin usw.) und Halbleiterquantenteilchen (beispielsweise Si, Ge, GaAs usw.). Ein Detektor (beispielsweise eine ladungsgekoppelte Vorrichtung „CCD") kann unterhalb der Sensoranordnung angeordnet sein, um die Datenaufnahme zu ermöglichen. Der Detektor kann oberhalb der Sendeanordnung angeordnet sein, um die Datenaufnahme bei der Reflexion von Licht von den Partikeln zu ermöglichen.
Licht, das von der Lichtquelle herrührt, kann durch die Sensoranordnung hindurch und durch die Unterseite der Sensoranordnung nach außen laufen. Licht, das von den Partikeln moduliert worden ist, kann durch die Sensoranordnung hindurch und auf den dicht beabstandeten Detektor auflaufen. Die Auswertung der optischen Veränderungen kann durch sichtbare Begutachtung bzw. Inspektion oder durch die Verwendung eines CCD Detektors durch sich selbst oder in Kombination mit einem optischen Mikroskop vervollständigt werden. Ein Mikroprozessor kann mit dem CCD Detektor oder dem Mikroskop verbunden sein. Ein Fluid-Abgabesystem kann mit dem Trageelement der Sensoranordnung gekoppelt sein. Das Fluid-Abgabesystem kann dazu ausgebildet sein, Proben in die Sensoranordnung hinein einzuführen und aus dieser heraus.
Das System der Sensoranordnung enthält eine Anordnung bzw. ein Array von Partikeln. Die Partikel können ein mit einem Polymer-Kügelchen gekoppeltes Rezeptormolekül enthalten. Die Rezeptoren können dazu ausgewählt sein, mit Analyten in Wechselwirkung zu treten. Diese Wechselwirkung kann die Form einer Bindung/Assoziation der Rezeptoren mit den Analyten annehmen. Das Trageelement kann aus einem beliebigen Material hergestellt sein, das dazu ausgebildet ist, die Partikel zu tragen, während es den Durchgang der entsprechenden Wellenlängen von Licht ermöglicht. Das Trageelement enthält eine Vielzahl von Aushöhlungen. Die Aushöhlungen sind so ausgebildet, dass mindestens ein Partikel im Wesentlichen innerhalb der Aushöhlung enthalten ist.
Der optische Detektor kann innerhalb der Unterseite des Trageelements integriert sein statt dass eine getrennte Nachweisvorrichtung verwendet wird. Die optischen Detektoren können mit einem Mikroprozessor verbunden sein, um die Auswertung von Fluiden ohne Verwendung separater Detektionskomponenten zu ermöglichen. Zusätzlich kann ein Fluid-Abgabesystem auch in dem Trageelement eingebaut sein. Die Integration von Detektoren und einem Fluid-Abgabesystem in das Trageelement kann die Ausbildung eines kompakten und tragbaren Analyt-Messsystems ermöglichen.
Eine CCD Anordnung mit hoher Empfindlichkeit kann verwendet werden, um Veränderungen in den optischen Eigenschaften zu messen, die bei der Bindung der biologischen/chemischen Wirkstoffe auftreten. Die CCD Anordnungen können Schnittstellen aufweisen mit Filtern, Lichtquellen, einer Flüssigkeitsabgabevorrichtung und mikro-bearbeiteten Partikelaufnahmebehältern, so dass eine funktionelle Sensoranordnung erzeugt wird. Die Datenaufnahme und Verarbeitung kann mit bestehender CCD Technologie ausgeführt werden. Die CCD Detektoren können so ausgebildet sein, dass sie weißes Licht, ultraviolettes Licht oder Fluoreszenz messen. Es können auch andere Detektoren verwendet werden, wie etwa Photomultiplayer-Röhren, Ladungsinduktionsvorrichtungen, Photodioden, Photodiodenanordnungen und Mikrokanal-Platten.
Ein Partikel kann sowohl die Fähigkeit, ein interessierendes Analyt anzubinden, als auch ein moduliertes Signal zu erzeugen, aufweisen. Das Partikel kann Rezeptormoleküle enthalten, die die Fähigkeit aufweisen, das interessierende Analyt zu binden und ein moduliertes Signal zu erzeugen. Alternativ kann das Partikel Rezeptormoleküle und Indikatoren enthalten. Das Rezeptormolekül kann die Fähigkeit aufweisen, ein interessierendes Analyt zu binden. Beim Binden des interessierenden Analyts kann das Rezeptormolekül bewirken, dass das Indikatormolekül das modulierte Signal erzeugt. Die Rezeptormoleküle können natürlich auftretende oder synthetische Rezeptoren sein, die durch zweckmäßigen oder kombinatorische Verfahren ausgebildet sind und einige Beispiele von natürlichen Rezeptoren enthalten, sind jedoch nicht beschränkt auf, DNA, RNA, Proteine, Enzyme, Oligopeptide, Antigene und Antikörper. Es können entweder natürliche oder synthetische Rezeptoren ausgewählt werden aufgrund ihrer Fähigkeit, die Analytmoleküle in einer bestimmten Weise zu binden.
Ein natürlich auftretender oder synthetischer Rezeptor kann an ein Polymer-Kügelchen verbunden werden, um das Partikel auszubilden. Das Partikel kann in der Lage sein, sowohl das interessierende Analyt (die Analyten) zu binden als auch ein detektierbares Signal zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen wird das Partikel ein optisches Signal erzeugen, wenn es an ein interessierendes Analyt gebunden ist.
Es kann eine Vielfalt von natürlichen und synthetischen Rezeptoren verwendet werden. Die synthetischen Rezeptoren können aus einer Vielzahl von Klassen kommen, die umfassen, jedoch nicht beschränkt sind auf: Poly-Nukleotide (beispielsweise Aptamere), Peptide (beispielsweise Enzyme und Antikörper), synthetische Rezeptoren, polymerische nicht natürliche Biopolymere (beispielsweise Poly-Thiourease, Poly-Guanidinium) und aufgedruckte Polymere. Poly-Nukleotide sind relativ kleine Fragmente von DNA, die aus dem sequentiellen Aufbau der DNA Sequenz gewonnen werden können. Peptide umfassen natürliche Peptide, wie etwa Antikörper oder Enzyme, oder können aus Aminosäuren synthetisiert werden. Nicht natürliche Biopolymere sind eine chemische Struktur, die auf natürlichen Biopolymeren beruhen, die jedoch aus sich natürlich nicht verbindenden Einheiten aufgebaut sind. Beispielsweise weisen Poly-Thiourease und Poly-Guanidinium eine Struktur ähnlich wie die von Peptiden auf, jedoch können sie aus Diaminen (d.h. Verbindungen mit mindestens zwei funktionellen Aminogruppen) anstelle von Aminosäuren synthetisiert werden. Synthetische Rezeptoren sind entworfene organische oder anorganische Strukturen, die in der Lage sind, vielfältige Analyten zu binden.
Mit den beschriebenen Sensoranordnungen kann eine große Anzahl von chemischen/biologischen Wirkstoffen für die militärischen und zivilen Gemeinschaften von Interesse sind, leicht gemessen werden. Bakterien können unter Verwendung eines ähnlichen Systems ebenfalls detektiert werden. Zum Detektieren, Messen und Identifizieren von intakten Bakterien kann die Zellenoberfläche von einer Bakterie von der von anderen Bakterien unterschieden werden, oder genomisches Material kann unter Verwendung von oligonukleiden Rezeptoren detektiert werden. Ein Verfahren zum Erzielen dieser Unterscheidung besteht darin, auf Oligo-Saccharide (d.h. Zuckerreste) der Zelloberfläche abzuzielen. Die Verwendung von für Oligo-Saccharide spezifischen synthetischen Rezeptoren können verwendet werden, um die Anwesenheit von spezifischen Bakterien zu bestimmen, indem die Zelloberfläche auf Oligo-Saccharide hin analysiert wird.
Ein Rezeptor kann mit einem Polymerharz verbunden sein. Der Rezeptor kann in der Anwesenheit eines Analyten eine chemische Reaktion durchlaufen, so dass ein Signal erzeugt wird. Es können Indikatoren mit dem Rezeptor oder dem polymerischen Kügelchen gekoppelt sein. Die chemische Reaktion des Analyten mit dem Rezeptor kann eine Veränderung in der lokalen Mikroumgebung des Indikators bewirken, um die spektroskopischen Eigenschaften des Indikators zu verändern. Dieses Signal kann unter Verwendung einer Vielzahl von Signalisierungsprotokollen erzeugt werden. Derartige Protokolle können die Absorbtion, fluoreszierender resonanter Energietransfer und/oder die Abschwächung der Fluoreszenz (Englisch: Quenching) umfassen. Kombinationen von Rezeptor und Analyten können enthalten, sind jedoch nicht beschränkt auf: Peptid-Proteasen, Polynukleotid-Nukleasen und Oligosaccharid-Oligosaccharid-Spaltwirkstoffe.
Ein Rezeptor und ein Indikator können mit einem polymerischen Harz gekoppelt werden. Der Rezeptor kann in der Anwesenheit eines Analyten eine Strukturveränderung durchlaufen, so dass eine Veränderung in der lokalen Mikroumgebung des Indikators auftritt. Diese Veränderung kann die spektroskopischen Eigenschaften des Indikators verändern. Die Wechselwirkung des Rezeptors mit dem Indikator kann in Abhängigkeit von dem verwendeten Signalisierungsprotokoll eine Vielzahl von verschiedenen Signalen erzeugen. Derartige Protokolle können die Absorbtion, den fluoreszierenden resonanten Energietransfer und/oder die Abschwächung der Fluoreszenz umfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die obige kurze Beschreibung ebenso wie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung werden vollständiger erkannt durch Verweis auf die folgende ausführliche Beschreibung von derzeit bevorzugten, jedoch nichtsdestotrotz veranschaulichenden Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfin dung, wenn diese zusammen mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird. Für die Zeichnungen gilt:
1 zeigt eine Schemazeichnung eines Analytnachweissystems;
2 zeigt ein in einer Aushöhlung angeordnetes Partikel;
3 zeigt eine Sensoranordnung;
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Sensoranordnung, die eine Vakuumkammer umfasst;
5 zeigt eine Querschnittsansicht einer Sensoranordnung, die eine Vakuumkammer, ein Filter und einen Vorratsbehälter für ein Reagenz umfasst;
6 zeigt eine allgemeine schematische Darstellung zum Testen eines Antikörperanalyts;
7 zeigt eine allgemeine schematische Darstellung zum Nachweis von Antikörpern, das eine aus vier einzelnen Kügelchen zusammengesetzte Sensoranordnung verwendet;
8 zeigt eine Sensoranordnung, die eine Vakuumkammer, eine Sensoranordnungskammer und eine Probenahmevorrichtung umfasst;
9 zeigt einen Strömungspfad eines Fluidstroms durch eine Sensoranordnung von der Oberseite in Richtung zur Unterseite der Sensoranordnung;
10 zeigt einen Strömungspfad eines Fluidstroms durch eine Sensoranordnung von der Unterseite in Richtung zur Oberseite der Sensoranordnung.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Hierin beschreiben wir ein System und ein Verfahren zur gleichzeitigen Analyse eines Fluids, das mehrere Analyte enthält. Das System kann entweder für flüssige oder gasförmige Fluide verwendet werden. Das System kann Muster erzeugen, die sowohl für einzelne Analyte als auch Mi schungen der Analyte diagnostisch sind. Das System kann hergestellt werden aus einer Kombination von chemisch sensitiven Teilchen, die in einer geordneten Anordnung ausgebildet sind, und die in der Lage sind, viele verschiedene Arten von Analyten rasch und gleichzeitig nachzuweisen. Ein Aspekt des Systems besteht darin, dass die Anordnung unter Verwendung eines Mikroherstellungsvorgangs ausgebildet werden kann, so dass es möglich ist, das System in einer preiswerten bzw. nicht teuren Weise herzustellen.
System zur Analyse von Analyten
In 1 wird eine Ausführungsform eines Systems zum Nachweis von Analyten in einem Fluid gezeigt. In einigen Ausführungsformen umfasst das System eine Lichtquelle 110, eine Sensoranordnung 120 und einen Detektor 130. Die Lichtquelle 110 kann eine Weißlichtquelle sein oder Licht aussendende Dioden (LEDs). Die Lichtquelle 110 kann eine blaues Licht aussendende Diode (LED) zur Verwendung in Systemen, die auf der Änderung in Fluoreszenzsignalen beruhen, sein. Für kolorimetrische (beispielsweise auf Absorbtion beruhende) Systeme kann eine Weißlichtquelle eingesetzt werden. In einigen Ausführungsformen ist die Sensoranordnung 120 ausgebildet aus einem Trageelement, das dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl von Partikeln 124 zu halten. Eine Nachweis- bzw. Detektionsvorrichtung 130 (beispielsweise eine ladungsgekoppelte Vorrichtung „CCD") kann unter der Sensoranordnung angeordnet sein, um die Datenaufnahme zu ermöglichen. Die Detektionsvorrichtung 130 kann über der Sensoranordnung angeordnet sein.
Licht, das von der Lichtquelle 110 herrührt, läuft durch die Sensoranordnung 120 hindurch und durch die Unterseite der Sensoranordnung hinaus. Das Trageelement und die Par tikel können zusammen eine Vorrichtung bilden, deren optische Eigenschaften für spektrale Analysen wohl angepasst sind. Auf diese Weise kann von den Teilchen moduliertes Licht durch die Sensoranordnung hindurch laufen und auf dem dicht benachbart angeordneten Detektor 130 auftreffen. Die Auswertung der optischen Veränderungen kann durch visuelle Betrachtung bzw. Inspektion (beispielsweise mit einem Mikroskop) oder durch Verwendung eines mit dem Detektor verbundenen Mikroprozessors 140 vervollständigt werden. Für Fluoreszenzmessungen kann ein Filter 135 zwischen dem Trageelement 120 und dem Detektor 130 angeordnet sein, um die Anregungswellenlänge zu entfernen. Ein Fluid-Abgabesystem 160 kann mit dem Trageelement verbunden werden. Das Fluid-Abgabesystem 160 kann dazu ausgebildet sein, Proben in die Sensoranordnung hinein einzuführen und aus dieser hinaus.
Das System der Sensoranordnung umfasst eine Anordnung bzw. ein Array von Partikeln. Auf der Oberfläche und innerhalb des inneren Bereichs der Partikel kann eine Vielzahl von Rezeptoren zur Wechselwirkung mit Analyten angeordnet sein. Das Trageelement wird dazu benutzt, um diese Partikel zu lokalisieren und ebenso um als eine Mikroumgebung zu dienen, in der die chemischen Versuche ausgeführt werden können. Für die Sensoranordnungen mit chemischen/biologischen Wirkstoffen sind die für die Analyse benutzten Partikel etwa 0,05 bis 500 Mikrometer im Durchmesser und können tatsächlich ihre Größe verändern (beispielsweise aufquellen oder schrumpfen), wenn sich die chemische Umgebung verändert. Typischerweise treten diese Veränderungen auf, wenn die Anordnung des Systems einem die Analyte enthaltenden Fluidstrom ausgesetzt ist. Beispielsweise kann ein ein nicht-polares Lösungsmittel enthaltender Fluidstrom bewirken, dass sich nicht-polare Partikel hinsichtlich ihres Volumens verändern, wenn die Partikel dem Lösungsmittel ausgesetzt sind. Um diese Veränderungen zu ermöglichen, ist es bevorzugt, dass das Trageelement aus einer Anordnung von Aushöhlungen, die als Mikroteströhrchen dienen, besteht.
Das Trageelement kann aus einem beliebigen Material hergestellt sein, das in der Lage ist, die Partikel zu tragen, während es den Durchgang der entsprechenden Wellenlängen des Lichts ermöglicht. Das Trageelement ist auch hergestellt aus einem Material, das im Wesentlichen undurchlässig für das Fluid, in dem das Analyt vorhanden ist, ist. Es kann eine Vielzahl von Materialien verwendet werden, einschließlich Kunststoffen, Glas, siliziumbasierten Materialien (beispielsweise Silizium, Siliziumdioxid, Siliziumnitrit, usw.) und Metallen. Das Trageelement enthält eine Vielzahl von Aushöhlungen. Die Aushöhlungen sind so ausgebildet, dass mindestens ein Partikel im Wesentlichen innerhalb der Aushöhlung enthalten ist. Alternativ kann eine Vielzahl von Partikeln innerhalb einer einzigen Aushöhlung enthalten sein.
Das Trageelement kann aus einem Kunststoffstreifen bestehen, der für die Wellenlänge des für den Nachweis notwendigen Lichts im Wesentlichen transparent ist. Innerhalb des Streifens kann eine Reihe von Aushöhlungen ausgebildet sein. Die Aushöhlungen sind ausgebildet, um mindestens ein Partikel zu halten. Die Partikel können durch eine transparente Abdeckung, die dazu ausgebildet ist, das Durchströmen des das Analyt enthaltenden Fluids in die Aushöhlung zu ermöglichen, innerhalb des Streifens enthalten sein.
Das Trageelement kann unter Verwendung eines Siliziumwafers ausgebildet werden, wie in 2 dargestellt. Der Siliziumwafer 210 kann eine auf der Unterseite des Wafers ausgebildete, im Wesentlichen transparente Schicht 220 enthalten. Die Aushöhlungen 230 können durch einen anisotropen Ätzvorgang auf dem Siliziumwafer ausgebildet werden. Das anisotrope Ätzen des Siliziumwafers kann unter Verwendung eines nassen Hydroxid-Ätzmittels erzielt werden. Photolithographische Techniken können verwendet werden, zum Definieren der Positionen der Aushöhlungen. Die Aushöhlungen können so ausgebildet werden, dass die Seitenwände der Aushöhlungen im Wesentlichen unter einem Winkel von zwischen etwa 50 bis 60 Grad aufeinander zulaufen. Die Ausbildung von derartig gewinkelten Aushöhlungen kann durch nasses, anisotropes Ätzen von <100> Silizium erzielt werden. Der Ausdruck "<100> Silizium" verweist auf die Kristallorientierung des Siliziumwafers. Andere Typen von Silizium (beispielsweise <110> und <111> Silizium) können zu steiler gewinkelten Seitenwänden führen. Beispielsweise kann <111> Silizium zu Seitenwänden führen, die unter etwa 90 Grad ausgebildet sind. Die geneigten Seiten der Aushöhlungen dienen in einigen Ausführungsformen als "Spiegelschichten", die die Lichtsammeleffizienz der Aushöhlungen verbessern können. Der Ätzvorgang kann so gesteuert werden, dass die ausgebildeten Aushöhlungen sich durch den Siliziumwafer hindurch zu der oberen Oberfläche der transparenten Schicht 220 erstrecken. Während sie als pyramidal dargestellt sind, können die Aushöhlungen in einer Anzahl von Formen ausgebildet werden, einschließlich jedoch nicht beschränkt auf: sphärisch, oval, kubisch oder rechteckförmig. Ein Vorteil des Verwendens eines Siliziumwafers für das Trageelement ist, dass das Siliziummaterial für das von der Lichtquelle erzeugte Licht im Wesentlichen undurchlässig ist. Auf diese Weise kann das Licht daran gehindert werden, von einer Aushöhlung in benachbarte Aushöhlungen zu laufen. Auf diese Weise kann Licht aus einer Aushöhlung daran gehin dert werden, die in einer benachbarten Aushöhlung erzeugten spetroskopischen Veränderungen zu beeinflussen.
Der Siliziumwafer kann eine Fläche von näherungsweise 1 cm² bis etwa 100 cm² aufweisen und etwa 10¹ bis etwa 10⁶ Aushöhlungen umfassen. Etwa 100 Aushöhlungen können in einer 10 × 10 Matrix ausgebildet werden. Der Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt zwischen den Aushöhlungen kann etwa 500 Mikrometer sein. Jede der Aushöhlungen kann mindestens ein Partikel enthalten.
Die transparente Schicht 220 kann als ein Fenster dienen, das es erlaubt, Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen durch die Aushöhlungen 230 hindurch und zu dem Detektor durchzulassen. Zusätzlich kann die transparente Schicht als eine Plattform dienen, auf der die einzelnen Partikel 235 positioniert werden können. Die transparenten Schichten können aus Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrit (Si₃N₄) oder als Mehrfachschichtstapel aus Siliziumdioxid/Siliziumnitrit ausgebildet werden. Die transparente Schicht wird in einigen Ausführungsformen vor der Ausbildung der Aushöhlungen auf den Silizium-Wafer aufgebracht.
Die Aushöhlungen 230 können so dimensioniert werden, dass sie im Wesentlichen ein Partikel 235 enthält. Die Aushöhlungen sind in einigen Ausführungsformen größer als ein Partikel. Die Aushöhlungen sind in einigen Ausführungsformen so. dimensioniert, dass sie ein leichtes Platzieren und Entfernen der Partikel innerhalb der Aushöhlungen ermöglicht. Die Aushöhlung kann im Wesentlichen größer als das Partikel sein, so dass es dem Partikel möglich ist, während der Verwendung anzuschwellen. Beispielsweise kann ein Partikel eine Größe aufweisen, wie in 2 durch Partikel 235 dargestellt. Während der Benutzung kann der Kontakt mit einem Fluid (beispielsweise einem Lösungsmit tel) bewirken, dass das Partikel anschwillt, beispielsweise auf eine Größe, die als Kreis 236 dargestellt ist. Die Aushöhlung kann so dimensioniert sein, dass das Anschwellen des Partikels während der Benutzung ermöglicht wird. Ein Partikel kann unter Verwendung von beispielsweise einem Mikromanipulator auf dem Boden einer Aushöhlung positioniert werden. Nachdem ein Partikel innerhalb der Aushöhlung angeordnet worden ist, kann eine transparente Abdeckplatte 240 auf der Oberseite des Trageelements angeordnet werden, um das Partikel an seinem Platz zu halten.
Wenn eine Anordnung ausgebildet wird, die eine Vielzahl von Partikeln enthält, können die Partikel in der Anordnung unter Verwendung des Mikromanipulators in einer geordneten Weise platziert werden. Auf diese Weise kann eine geordnete Anordnung mit einer vorbestimmten Konfiguration der Partikel ausgebildet werden. Alternativ können die Partikel innerhalb der Aushöhlungen zufällig platziert werden. Die Anordnung kann anschließend einem Kalibrationstest unterworfen werden, um die Identität des Partikels auf einer bestimmten Position in dem Trageelement zu bestimmen.
Die transparente Abdeckplatte 240 kann so mit der oberen Oberfläche des Silizium-Wafers 220 gekoppelt werden, dass die Partikel daran gehindert werden, aus der Aushöhlung losgelöst zu werden. Die transparente Abdeckplatte kann um einen festen Abstand oberhalb des Silizium-Wafers positioniert werden, wie in 2 dargestellt, um die Partikel in ihren Positionen zu halten, während sie den Einlass von Fluiden in die Aushöhlungen ermöglicht. Die transparente Abdeckplatte kann in einem Abstand oberhalb des Substrats positioniert werden, der im Wesentlichen geringer als eine Breite des Partikels ist. Die transpa rente Abdeckplatte kann aus einem beliebigen Material hergestellt werden, das für die Wellenlänge des von dem Detektor benutzten Lichts im Wesentlichen transparent ist. Die transparente Abdeckplatte kann aus Kunststoff, Glas, Quarz oder Siliziumdioxid/Siliziumnitrit hergestellt sein.
Die transparente Abdeckplatte 240 kann eine dünne Schicht aus Glas (beispielsweise ein Gleitabdeckungsstreifen für ein Mikroskop sein. Der Streifen kann in einem festen Abstand oberhalb des Silizium-Wafers angeordnet werden. Auf dem Silizium-Wafer 220 können Tragestrukturen 241 (siehe 2) angeordnet werden, um die transparente Abdeckplatte 240 zu positionieren. Die Tragestrukturen können aus einem Polymer oder einem siliziumbasierten Material ausgebildet werden. Ein Polymer-Substrat kann mit dem Silizium-Wafer gekoppelt werden, um die Tragestrukturen 241 für die transparente Abdeckplatte 240 auszubilden. Auf dem Silizium-Wafer 210 kann ein Kunststoffmaterial mit einer klebenden Rückseite (beispielsweise Cellophan-Klebeband) positioniert werden. Nachdem die Tragestrukturen 241 auf dem Wafer angeordnet worden sind, wird die transparente Abdeckplatte 240 auf den Tragestrukturen platziert. Die Tragestrukturen verhindern, dass die transparente Abdeckschicht den Siliziumwafer 200 berührt. Auf diese Weise wird zwischen dem Siliziumwafer und der transparenten Abdeckplatte ein Kanal ausgebildet, der es ermöglicht, dass das Fluid in die Aushöhlung hinein läuft, während eine Verlagerung des Partikels durch das Fluid verhindert wird.
In einer anderen Ausführungsform kann die transparente Abdeckplatte 240 an der oberen Oberfläche des Siliziumwafers befestigt werden, wie in 3 dargestellt. Das Fluid kann durch die transparente Abdeckplatte 240 daran gehindert werden, in die Aushöhlungen 230 einzutreten. Um den Durchlauf des Fluids in die Aushöhlung zu ermöglichen, kann eine Vielzahl von Kanälen 250 in dem Siliziumwafer ausgebildet werden. Die Kanäle können so orientiert sein, dass sie einen Durchlass des Fluids in im Wesentlichen alle der Aushöhlungen erlauben. Wenn sie mit dem Fluid in Berührung kommen, können die Partikel auf eine Größe anschwellen, die die Kanäle zusetzt. Um dieses Zusetzen zu verhindern, können die Kanäle in der Nähe des oberen Bereichs der Aushöhlungen ausgebildet werden, wie in 3 dargestellt. Die Kanäle können unter Verwendung einer photolithographischen Standardmaskierung ausgebildet werden, um die Bereiche zu definieren, wo die Gräben ausgebildet werden sollen, gefolgt von der Anwendung von Standardätztechniken. Eine Tiefe der Aushöhlung kann so sein, dass das Partikel im Wesentlichen unterhalb der Position des Kanals verbleibt. Auf diese Weise kann das Zusetzen der Kanäle aufgrund des Anschwellens der Partikel verhindert werden.
Die inneren Oberflächen der Aushöhlungen können mit einem Material beschichtet werden, um das Positionieren der Partikel innerhalb der Aushöhlungen zu unterstützen. Eine dünne Schicht aus Gold oder Silber kann verwendet werden, um die innere Oberfläche der Aushöhlungen auszukleiden. Die Gold- oder Silberschicht kann als eine Verankerungsoberfläche fungieren, um die Partikel zu verankern (beispielsweise über Alkylthiol-Bindungen). Zusätzlich kann die Gold- oder Silberschicht auch den Reflexionsgrad der inneren Oberfläche der Aushöhlungen vergrößern. Der vergrößerte Reflexionsgrad der Oberfläche kann die Empfindlichkeit des Systems zum Nachweisen des Analyts verbessern. Alternativ können Polymerschichten und selbstzusammengesetzte Monolagen auf der inneren Oberfläche der Aushöhlungen ausgebildet werden, um die Wechselwirkung der Partikelanhaftung zu steuern. Zusätzliche chemische Verankerungsverfahren können für Siliziumoberflächen verwendet werden, wie etwa diejenigen, die auf Reagenzien vom Siloxantyp beruhen, die an den Si-OH Funktionalitäten befestigt werden können. In ähnlicher Weise können monomerische und polymerische Reagenzien, die an einem inneren Bereich der Aushöhlungen befestigt sind, verwendet werden, um die lokalen Benetzungseigenschaften der Aushöhlungen zu verändern. Diese Art von Methodik kann eingesetzt werden, um die Partikel zu verankern und ebenso um die Fluidabgabe-Eigenschaften der Aushöhlung zu verändern. Weiterhin kann mit dieser Art von Strategie eine Verstärkung der Signale für die Analyte erzielt werden, indem in den geeigneten Typen von chemischer Umgebung eine Vorkonzentration von geeigneten Analyten bewirkt wird.
In einer anderen Ausführungsform kann der optische Detektor innerhalb der unterseitigen transparenten Abdeckschicht 220 des Trageelements integriert sein, anstatt dass eine separate Detektionsvorrichtung verwendet wird. Die optischen Detektoren können unter Verwendung eines halbleiter-basierten Fotodetektors 255 ausgebildet werden. Die optischen Detektoren können mit einem Mikroprozessor gekoppelt werden, um die Auswertung der Fluide zu ermöglichen ohne Verwendung von separaten Detektionskomponenten. Die Integration von Detektoren kann die Ausbildung eines kompakten und tragbaren Analyt-Messsystems ermöglichen. Optische Filter können ebenfalls in der unterseitigen Membran der Aushöhlungen integriert sein. Diese Filter können eine Anregung von kurzer Wellenlänge daran hindern, in dem optischen Detektionssystem (beispielsweise einer CCD Detektoranordnung) während Fluoreszenzmessungen „falsche" Signale zu erzeugen.
Auf der unteren Oberfläche des Tragesubstrats kann eine Messaushöhlung kann ausgebildet werden. Ein Beispiel einer Messaushöhlung, die eingesetzt werden kann, ist eine Aushöhlung vom Fabry-Perot Typ. Sensoren, die auf Fabry-Perot Aushöhlungen beruhen, können benutzt werden, zum Detektieren von Veränderungen in der optischen Weglänge, die entweder durch eine Veränderung des Brechungsindex oder eine Veränderung der physikalischen Länge der Aushöhlung induziert werden. Fabry-Perot Sensoren können auf der unteren Oberfläche der Aushöhlung unter Verwendung von Mikro-Bearbeitungstechniken ausgebildet werden.
Eine Herausforderung in einem chemischen Sensorsystem ist es, tote Volumina auf ein Minimum zu begrenzen. Dies ist insbesondere problematisch, wenn eine Schnittstelle mit der Außenwelt erforderlich ist (beispielsweise eine Rohrverbindung). In vielen Fällen kann das "Totvolumen", das mit der Zuführung der Probe an den Reaktionsort in einem "Laboratorium-auf-einem-Chip" verknüpft ist, die tatsächliche Menge der für die Reaktion erforderlichen Reagenz weit übertreffen. Auch ist häufig eine Filtrierung erforderlich, um zu verhindern, dass sich kleine Durchflusskanäle in der Sensoranordnung zusetzen. Hier kann der Filter ein integraler Teil des Sensoraufbaus sein.
Ein System zum Nachweisen eines Analyts in einem Fluid umfasst eine Leitung, die an eine Sensoranordnung gekoppelt ist, und eine Vakuumkammer, die mit der Leitung gekoppelt ist. 4 zeigt ein System, in dem ein Fluidstrom (E) durch eine Leitung (D) hindurch auf eine Sensoranordnung (G) und in eine Vakuumvorrichtung (F) läuft. Eine Vakuumvorrichtung wird hierin definiert als ein beliebiges System, das in der Lage ist, ein Volumen auf einem Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks zu erzeugen oder zu erhalten. Nach der Erfindung umfasst die Va kuumvorrichtung eine Vakuumkammer. In einer Ausführungsform kann die Vakuumkammer eine abgedichtete Röhre sein, von der ein Teil der Luft evakuiert worden ist, so dass innerhalb der Röhre ein Vakuum erzeugt worden ist. Ein gewöhnlich benutztes Beispiel einer solchen abgedichteten Röhre ist ein "Vacutainer" System, das von Becton Dickinson kommerziell verfügbar ist.
Die Benutzung einer Vakuumvorrichtung ermöglicht, dass das Fluid durch die Sensoranordnung hindurch gezogen bzw. gesaugt wird. Mit Verweis auf 5 ist die Vakuumvorrichtung (F) mit der stromabwärtigen Seite einer Sensoranordnung gekoppelt. Wenn sie mit der Leitung (D) gekoppelt ist, kann die Vakuumvorrichtung eine Saugkraft auf den Fluidstrom ausüben, was einen Teil des Stroms dazu zwingt, über, und in einigen Fällen durch, die Sensoranordnung hindurch zu laufen. In einigen Ausführungsformen kann das Fluid nach dem Durchlaufen der Sensoranordnung weiterhin durch die Leitung hindurch und in die Vakuumkammer laufen. In einer Ausführungsform, wo die Vakuumkammer eine vorher evakuierte Röhre ist, wird der Fluidstrom weiterhin strömen, bis die Luft innerhalb der Röhre auf einem Druck ist, der im Wesentlichen gleich dem atmosphärischen Druck ist. Die Vakuumkammer enthält eine durchdringbare Wand, die zu durchstoßen ist. Das Durchstoßen der durchdringbaren Wand bewirkt, dass Luft und Fluid innerhalb der Leitung durch die Leitung hindurch in die Vakuumvorrichtung gezogen bzw. gesaugt werden, bis der Druck zwischen der Vakuumvorrichtung und der Leitung ausgeglichen ist.
Das Sensoranordnungssystem kann auch ein mit der Leitung (D) gekoppeltes Filter (B) umfassen, wie in 5 dargestellt. Das Filter (B) kann entlang der Leitung stromaufwärts in Bezug auf die Sensoranordnung angeordnet sein.
Das Filter (B) kann ein poröses Filter sein, das eine Membrane zum Entfernen von Komponenten aus dem Fluidstrom enthält. In einer Ausführungsform kann das Filter eine Membran zum Entfernen von Teilchen oberhalb einer minimalen Größe. Die Größe der entfernten Teilchen wird von der Porösität der Membran abhängen, wie das im Stand der Technik bekannt ist. Alternativ kann das Filter ausgebildet sein zum Entfernen von ungewünschten Komponenten eines Fluidstroms. Beispielsweise wenn der Fluidstrom eine Blutprobe ist, kann der Filter zum Entfernen von roten und weißen Blutzellen aus dem Strom ausgebildet sein, während Blutplasma und andere Komponenten darin in dem Blutstrom belassen werden.
Die Sensoranordnung kann auch einen Vorratsbehälter (C) zur Reagenzienabgabe enthalten. Das Reagenzienabgabesystem ist vorzugsweise stromaufwärts in Bezug auf die Sensoranordnung mit der Leitung gekoppelt. Der Reagenzienabgabevorratsbehälter kann aus einem porösen Material, das ein Reagenz von Interesse enthält, ausgebildet sein. Wenn das Fluid durch den Vorratsbehälter hindurch läuft, wird ein Teil der Reagenz innerhalb des Vorratsbehälters in den Flüssigkeitsstrom zur Reagenzienabgabe überführt. Der Fluidvorratsbehälter kann ein poröses Polymer- oder Filterpapier enthalten, auf dem die Reagenz gespeichert ist. Beispiele von Reagenzien, die innerhalb des Vorratsbehälters zur Reagenzienabgabe gespeichert sein können, enthalten, sind jedoch nicht beschränkt auf, Stoffe zur Sichtbarmachung bzw. Visualisierung (beispielsweise Farbstoffe oder Fluorophore), Co-Faktoren, Puffer, Säuren, Basen, Oxidanten und Reduktanten.
Die Sensoranordnung kann auch eine mit der Leitung (D) verbundene Vorrichtung (A) zur Entnahme von Fluidproben enthalten. Die Vorrichtung zur Entnahme von Fluidproben ist ausgebildet zum Übertragen einer Fluidprobe von außerhalb der Sensoranordnung in die Leitung. Es kann eine Anzahl von Vorrichtungen zur Entnahme von Fluidproben verwendet werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf eine Spritzennadel, ein Rohrverbinder, eine Kapillarröhre oder ein Spritzenadapter.
Die Sensoranordnung kann auch eine mit der Leitung verbundene Mikropumpe oder ein Mikroventilsystem enthalten, um die Übertragung von Fluid durch die Leitung weiter zu unterstützen. Mikropumpen und Ventile sind vorher beschrieben worden. Ein Mikroventil oder eine Mikropumpe kann eingesetzt werden, um eine Fluidprobe oder eine Reagenzienlösung getrennt von der Sensoranordnung zu halten. Typischerweise umfassen diese Mikroventile und Mikropumpen ein dünnes, flexibles Diaphragma. Das Diaphragma kann in eine Öffnungsposition bewegt werden, in einer Ausführungsform durch Aufbringen eines Vakuums an der Außenseite des Diaphragmas. Auf diese Weise kann die mit der Sensoranordnung gekoppelte Vakuumvorrichtung benutzt werden, um ein entferntes Mikroventil oder -pumpe zu öffnen.
Ein Mikroventil kann eingesetzt werden, um das Aufbringen eines Vakuums in das System zu steuern. Beispielsweise kann ein Mikroventil in der Nähe der Vakuumvorrichtung angeordnet sein. Die Aktivierung des Mikroventils kann ermöglichen, dass die Vakuumvorrichtung mit der Leitung oder der Sensoranordnung kommuniziert. Das Mikroventil kann zu gesteuerten Zeiten und in gesteuerten Intervallen ferngesteuert aktiviert werden.
Ein Sensoranordnungssystem, wie in 5 dargestellt, kann zur Analyse von Blutproben eingesetzt werden. Eine Mikrodurchstechungsvorrichtung (A) wird verwendet, um dem Patienten eine kleine Menge Blut zu entnehmen, beispiels weise durch einen Fingerstich. Das Blut kann durch ein zum Entfernen der ungewünschten Feststoffmaterie dienendes poröses Filter hindurch gezogen werden. Für die Analyse von Antikörpern oder Antigenen in Vollblut kann der Filtrierungsstoff so ausgewählt werden, dass sowohl weiße als auch rote Blutzellen entfernt werden, während Blutplasma und alle Komponenten darin in dem Fluidstrom belassen werden. Verfahren zum Filtern von Blutzellen aus Vollblut werden beispielsweise in den US Patenten Nr. 5,914,042; 5,876,605 und 5,211,850 offenbart. Das gefilterte Blut kann auch durch einen Vorratsbehälter zur Reagenzienabgabe, der aus einer porösen Schicht besteht, die mit dem Reagenz bzw. den Reagenzien von Interesse imprägniert ist, hindurchgeleitet werden. In vielen Fällen wird in dieser Schicht ein Stoff zur Sichtbarmachung bzw. zur Visualisierung enthalten sein, so dass die Anwesenheit des interessierenden Analyts in dem Chip aufgelöst werden kann. Das behandelte Fluid kann über den „elektronischen Zungen Chip" durch eine kapillare Schicht hindurch, abwärts durch die vielfältigen Messpartikel und durch den Chip auf die untere kapillare Schicht geleitet werden. Nach dem Anregen des mittleren Bereichs strömt das überschüssige Fluid in die Vakuumvorrichtung. Dieses überschüssige Fluid kann als eine Quelle von Proben für zukünftige Messungen dienen, falls ausführlichere Analysen gewünscht wären. So wird eine „Hard Copy" der Probe erzeugt, um die elektronischen Daten, die für die Probe aufgenommen sind, zu sichern.
Andere Beispiele von Testprozeduren bzw. -verfahren für Körperflüssigkeiten sind in den folgenden US Patenten beschrieben: 4,596,657, 4,189,382, 4,115,277, 3,954,623, 4,753,776, 4,623,461, 4,069,017, 5,053,197, 5,503,985, 3,696,932, 3,701,433, 4,036,946, 5,858,804, 4,050,898, 4,477,575, 4,810,378, 5,147,606, 4,246,107 und 4,997,577.
Dieses allgemein beschriebene Probenentnahmeverfahren kann auch zum Testen von sowohl Antikörpern als auch Antigenen von Körperflüssigkeiten verwendet werden. Eine allgemeine schematische Darstellung für das Testen von Antikörpern ist in 6 dargestellt. 6A zeigt ein Polymerkügelchen mit einer Proteinbeschichtung, die in einer bestimmten Weise durch einen komplementären Antikörper erkannt werden kann. Es werden (innerhalb des gestrichelten Rechtecks) drei Antikörper als in der das Polymerkügelchen umgebenden Fluidphase gezeigt. Sich hinwendend auf 6B bindet der komplementäre Antikörper sich an das Kügelchen, während die zwei anderen Antikörper in der Fluidphase verbleiben. An diesem Kügelchen wird ein starker Zuwachs in der Konzentration des komplementären Antikörpers registriert. In 6C wird ein Visualisierungsstoff, wie etwa ein Protein A (innerhalb des gestrichelten Rechtecks) der Fluidphase zugefügt. Der Visualisierungsstoff ist ausgewählt, weil er entweder eine starke Absorptionseigenschaft besitzt oder weil er Fluoreszenzmerkmale zeigt, die verwendet werden können, um interessierende Spezies über optische Messungen zu identifizieren. Das Protein A ist ein Beispiel einer Reagenz, die sich mit dem gemeinsamen Bereich der meisten Antikörper assoziiert. Chemische Gewinnung des Visualisierungsstoffs mit Farbstoffen, Quantenteilchen oder Fluorophoren wird eingesetzt, um die gewünschten optischen Eigenschaften hervorzubringen. Nachdem er sich an die in den Kügelchen lokalisierten Antikörper angebunden hat, wie in 6D dargestellt, zeigt der Visualisierungsstoff die Anwesenheit der komplementären Antikörper an dem bestimmten Ort des Polymerkügelchens an.
7 zeigt eine andere allgemeine schematische Darstellung für den Nachweis von Antikörpern, die eine aus vier individuellen Kügelchen bestehende Sensoranordnung verwendet. Jedes der vier Kügelchen ist mit einem unterschiedlichen Antigen (d.h. einer Proteinbeschichtung) beschichtet. Wie in 7A dargestellt, werden die Kügelchen mit einer vier Antikörper enthaltenden Fluidprobe gewaschen bzw. gespült. Jeder der vier Antikörper verbindet sich mit seiner komplementären Antigenbeschichtung, wie in 7B dargestellt. Ein Visualisierungsstoff kann in die Kammer eingeführt werden, wie in 7C dargestellt. In einer Ausführungsform kann der Visualisierungsstoff sich mit den Antikörpern verbinden, wie in 7D dargestellt. Die Anwesenheit der bezeichneten Antikörper wird durch optische Mittel (Absorbtion, Reflexion, Fluoreszenz) getestet. Weil der Ort der Antigenbeschichtungen eine Zeit im voraus bekannt ist, kann die chemische/biochemische Zusammensetzung der Fluidphase aus dem Muster der von jedem Ort aufgenommenen optischen Signale bestimmt werden.
In einer nicht dargestellten, alternativen Methodik können die Antikörper dem Visualisierungsstoff in der Probe vor ihrer Einführung in die Chipanordnung ausgesetzt werden. Dies kann den in 7C dargestellten Visualisierungsschritt überflüssig machen.
8 zeigt ein System zum Nachweis eines Analyts in einem Fluidstrom. Das System umfasst eine Vakuumvorrichtung, eine Kammer, in der eine Sensoranordnung angeordnet werden kann, und ein Einlasssystem zum Einführen der Proben in die Kammer. In dieser Ausführungsform ist das Einlasssystem als eine Mikrodurchbohrungsvorrichtung dargestellt. Die die Sensoranordnung enthaltende Kammer kann eine Sikes-Moore Kammer sein, wie vorher beschrieben. Die Vakuumvorrichtung ist eine Standardvakuumröhre vom "Vacutainer" Typ. Die Mikrodurchbohrungsvorrichtung enthält einen Verriegelungsansatz vom Luer-Typ, der eine Spritzennadel aufnehmen kann. Zwischen der Mikrodurchbohrungsvorrichtung und der Kammer kann ein Spritzenfilter angeordnet werden, um die Probe zu filtern, wenn die Probe in die Kammer eintritt. Alternativ kann innerhalb des Filters ein Reagenz angeordnet sein. Das Reagenz kann über das Fluid in die Kammer getragen werden, wenn das Fluid durch das Filter hindurch läuft.
Wie das vorher beschrieben worden ist, kann die Sensoranordnung so ausgebildet sein, dass sie ermöglicht, dass die Fluidprobe während der Benutzung durch die Sensoranordnung hindurch läuft. Die Fluidabgabe an die Sensoranordnung kann bewerkstelligt werden, indem bewirkt wird, dass das Fluid durch die gezeigte Kapillare (A) in die Oberseite des Chips eintritt, wie in 9 dargestellt. Der Flüssigkeitsstrom durchquert den Chip und tritt an der Unterseite aus der Kapillare (B) aus. Zwischen den Kapillaren an der Oberseite und an der Unterseite wird das Fluid entlang des Kügelchens hindurch geleitet. Hier hat die Analyte enthaltende Flüssigkeit eine Möglichkeit, auf die Rezeptorpositionen zu stoßen. Die Anwesenheit derartiger Analyte kann durch Verwendung von optischen Mitteln identifiziert werden. Der Pfad des Lichts wird hier gezeigt (D). In der Richtung des Vorwärtsflusses werden die Kügelchen typischerweise in Richtung auf die Unterseite bzw. den Boden der Grube gezwungen. Unter diesen Umständen ist die Kügelchenplatzierung ideal für optische Messungen.
In einer anderen Ausführungsform kann der Flüssigkeitsstrom von der Unterseite der Sensoranordnung in Richtung auf die Oberseite der Sensoranordnung verlaufen, wie in 10 dargestellt. Das Fluid verlässt die Oberseite des Chips durch die gezeigte Kapillare (A). Der Flüssigkeits strom durchquert den Chip und tritt von der unterseitigen Kapillare (B) ein. Zwischen den Kapillaren an der Oberseite und an der Unterseite kann das Fluid das Kügelchen ein wenig vermeiden, indem es einen indirekten Pfad (C) nimmt. Die Anwesenheit des Analyts wird wie vorher unter Verwendung von optischen Mitteln identifiziert. Unglücklicherweise läuft nur ein Teil des Lichts durch das Kügelchen hindurch. In der umgekehrten Strömungsrichtung können die Kügelchen durch den Aufwärtsdruck des Fluids aus dem Analysestrahl weg entfernt werden, wie in 10 gezeigt. Unter diesen Umständen kann ein Teil des Lichts den Chip durchqueren und in den Detektor (nicht gezeigt) eintreten, ohne durch das Sensorkügelchen hindurch zu laufen (Pfad E).
In jedem mikrofluiden, chemischen Nachweissystem kann ein Bedarf bestehen zum "Speichern" der chemisch sensitiven Elemente in einer "inerten" Umgebung. Typischerweise können die Partikel zumindest teilweise von einem inerten Fluid umgeben sein, wie etwa einem inerten, nicht-reaktiven Gas, einem nicht-reaktiven Lösungsmittel oder einer flüssigen Pufferlösung. Alternativ können die Teilchen unter einem Vakuum gehalten werden. Vor dem Aussetzen der Partikel an das Analyt kann es notwendig sein, die inerte Umgebung zu beseitigen, um ein angemessenes Testen der Probe zu ermöglichen. In einer Ausführungsform kann ein System ein Fluid-Übertragungssystem zum Entfernen eines inerten Fluids vor dem Einführen der Probe mit minimalem Totvolumen enthalten.
In einer Ausführungsform kann das Pumpensystem verwendet werden zum Hindurchziehen des inerten Fluids mittels eines Vakuums von einer Seite stromabwärts in Bezug auf die Anordnung. Das inerte Fluid kann effizient beseitigt werden, während die Kügelchen innerhalb der Sensoranordnung verbleiben. Zusätzlich kann die Analytprobe zu der Sensoranordnung hin gezogen werden, wenn das inerte Fluid von der Sensoranordnung entfernt wird. Eine Lufttasche kann die Analytprobe von dem inerten Fluid trennen, wenn sich die Probe durch die Leitung bewegt. Als ein Beispiel, das keinen Teil der vorliegenden Erfindung ausmacht, kann die Probe unter Verwendung einer Mikropumpe von (einer Position) "stromaufwärts" gepumpt werden. Es ist zu beachten, dass ein stromabwärtiges Vakuum ein Maximum von einer Atmosphäre Druckhöhe erzeugen kann, während eine stromaufwärtige Pumpe im Prinzip eine beliebig hohe Druckhöhe erzeugen kann. Dies kann die Fluid-Transportraten durch das System beeinflussen, jedoch sollte für mikrofluide Systeme mit kleinem Volumen, selbst bei niedrigen Strömungskoeffizienten, eine Druckhöhe von einer Atmosphäre für viele Anwendungen akzeptable Übertragungsraten erzeugen.
In den hierin beschriebenen Elementen können Veränderungen ausgeführt werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung, wie er in den folgenden Patentansprüchen beschrieben ist, abzuweichen.

Claims

Ein System zum Nachweisen eines Analyts in einem Fluid, das System umfassend: eine Lichtquelle (110); eine Sensoranordnung (120, G) umfassend ein Trageelement (210) mit einer Vielzahl von Aushöhlungen (230), die in dem Trageelement (210) ausgebildet sind; mindestens ein Partikel (124, 235, E), das innerhalb jeder der Aushöhlungen (230) angeordnet ist, wobei die Teilchen (124, 235, E) dazu ausgebildet sind, ein Signal zu erzeugen, wenn das Partikel während der Verwendung mit dem Analyt wechselwirkt; einen Detektor (130), dazu ausgebildet, das durch die Wechselwirkung des Analyts mit dem Partikel während der Verwendung erzeugte Signal zu messen; eine Leitung (D), die an die Sensoranordnung (120, G) verbunden ist, wobei die Leitung (D) dazu ausgebildet ist, die Flüssigkeitsprobe während der Verwendung der Sensoranordnung (G) zuzuführen oder von dieser abzuleiten; ein Pumpensystem (F), das mit der Leitung verbunden und dazu ausgebildet ist, die Flüssigkeit während der Verwendung über und durch die Aushöhlungen, hindurch zu leiten, das System dadurch gekennzeichnet, dass: das Pumpensystem (F) eine Vakuumkammer umfasst, wobei die Vakuumkammer eine zwischen der Kammer und der Leitung angeordnete, brechbare bzw. zerbrechliche Sperrschicht (H) umfasst; die Leitung (D) ein durchdringendes Element umfasst; und die Vakuumkammer dazu ausgebildet ist, die Flüssigkeit durch die Leitung und über oder durch die Aushöhlungen zu ziehen, wenn die brechbare Sperrschicht (H) von dem durchdringenden Element durchstochen wird.
Das System nach Anspruch 1, wobei das System dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl von Analyten in dem Fluid im Wesentlichen gleichzeitig nachzuweisen.
Das System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtquelle (110) eine Licht emittierende Diode umfasst.
Das System nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die Sensoranordnung ferner eine untere Schicht (220) und eine obere Abdeckschicht (240) umfasst, wobei die untere Schicht (220) unterhalb einer unteren Oberfläche des Trageelements (210) angeordnet ist, und wobei die obere Abdeckschicht (240) oberhalb der oberen Oberfläche des Trageelements (210) angeordnet ist, und wobei die untere Schicht (220) und die obere Abdeckschicht (240) so angeordnet sind, dass die Partikel (235) im wesentlichen durch die untere Schicht und die obere Abdeckschicht innerhalb der Aushöhlungen (230) eingegrenzt sind.
Das System nach den Ansprüchen 1 bis 4, wobei das Trageelement aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet ist und wobei die Sensoranordnung ferner eine obere Abdeckschicht umfasst, wobei die obere Abdeckschicht mit dem Trageelement so gverbunden ist, dass die Partikel im Wesentlichen innerhalb der Aushöhlungen enthalten sind, und wobei die obere Abdeckschicht dazu ausgebildet ist, zu ermöglichen, dass das Fluid durch die obere Abdeckschicht zu den Partikeln hindurch läuft, und wobei sowohl das Trageelement als auch die obere Abdeckschicht für von der Lichtquelle (110) erzeugtes Licht im Wesentlichen transparent sind.
Das System nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei die Aushöhlungen dazu ausgebildet sind, zu ermöglichen, dass das Fluid bei der Verwendung durch das Trageelement hindurch läuft.
Das System nach Anspruch 6, ferner umfassend eine Abdeckschicht, die mit dem Trageelement verbunden ist, und eine untere Abdeckschicht, die mit dem Trageelement verbunden ist, wobei die obere Abdeckschicht und die untere Abdeckschicht entfernbar sind.
Das System nach Anspruch 7, wobei die obere Abdeckschicht und die untere Abdeckschicht Öffnungen enthalten, die im Betrieb im Wesentlichen mit den Aushöhlungen ausgerichtet sind.
Das System nach Anspruch 6, wobei die Aushöhlungen (230) im Wesentlichen konisch sind, so dass die Breite der Aushöhlungen (230) sich in einer Richtung von der oberen Oberfläche des Trageelements zu der unteren Oberfläche des Tragelements (210) verengt, und wobei eine minimale Breite der Aushöhlungen (230) im Wesentlichen geringer als eine Breite der Partikel (235) ist.
Das System nach Anspruch 6, wobei eine Breite eines Unterbereichs von jeder der Aushöhlungen (230) im Wesentlichen kleiner ist als eine Breite eines Oberbereichs von jeder der Aushöhlungen und wobei die Breite des Unterbereichs der Aushöhlungen (230) im wesentlichen kleiner als eine Breite der Partikel (235) ist.
Das System nach Anspruch 6, wobei das Trageelement ein Trockenschicht-Fotolackmaterial umfasst.
Das System nach den Ansprüchen 1 bis 11, wobei der Detektor (110) ein ladungsgekoppeltes Bauelement (Englisch: Charge-Coupled Device) umfasst.
Das System nach den Ansprüchen 1 bis 12, wobei die Vakuumkammer (F) eine durchdringbare Wand (H) umfasst, wobei die durchdringbare Wand (H) dazu ausgebildet ist, Luft daran zu hindern, in die Vakuumkammer (F) einzutreten.
Das System nach den Ansprüchen 1 bis 13, ferner umfassend, ein Filter (B), das mit der Leitung (D), und der Sensoranordnung (G) verbunden ist, wobei das Fluid durch den Filter (B) hindurch läuft, bevor es die Sensoranordnung (G) erreicht.
Das System nach Anspruch 14, wobei der Filter (B) eine Membran umfasst, die dazu ausgebildet ist, Partikel, die größer als eine minimale Größe sind, aus dem Fluid zu entfernen.
Das System nach den Ansprüchen 1 bis 15, ferner umfassend einen Vorratsbehälter (C) zur Reagenzienabgabe, der mit der Sensoranordnung (G) verbunden ist, wobei der Vorratsbehälter (C) zur Reagenzienabgabe dazu ausgebildet ist, während des Betriebs Reagenzien an die Partikel (E) abzugeben.
Das System nach Anspruch 16, wobei der Vorratsbehälter (C) zur Reagenzienabgabe einen Indikator umfasst.
Das System nach den Ansprüchen 1 bis 17, ferner umfassend eine Vorrichtung (A) zur Entnahme von Fluidproben.
Ein Verfahren zum Messen eines Analyts in einem Fluid, umfassend: Ziehen buw. Ansaugen des Fluids durch eine Vielzahl von Aushöhlungen (230) eines Systems einer Sensoranordnung (120, G) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 unter Verwendung der Vakuumkammer (F); Überwachen einer spektroskopischen Veränderung von mindestens einem Partikel (124, 235, E) in mindestens einer der Aushöhlungen (230) während das Fluid über die Sensoranordnung (120, G) angesaugt wird, wobei die spektroskopische Veränderung durch die Wechselwirkung des Analyts mit den Partikeln (124, 235, E) verursacht worden ist.
Das Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend Hindurchleiten des Fluids durch ein Filter (B) bevor das Fluid über die Sensoranordnung (G) geleitet wird.
Das Verfahren nach den Ansprüchen 19 oder 20, ferner umfassend Hindurchleiten des Fluids durch einen Reagenzien-Vorratsbehälter (C) bevor das Fluid über die Sensoranordnung (G) geleitet wird.