Patent DE 10 2024 138 869

Hochpräzise medizinische Diagnostik-Systeme sind groß und teuer, werden vor allem in zentralisierten Laboren eingesetzt und ziehen Warte- und Wegezeiten von Tagen nach sich. Sind jedoch schnelle Testergebnisse wichtig oder Investitionen in ein Labor nicht möglich, wie z.B. in Ländern des globalen Südens, sind Point-of-care-(PoC)-Tests eine Option. Das IMMS entwickelt dafür CMOS-basierte Biosensoren, mit denen sich Strukturgrößen im µm-Bereich realisieren und damit auch Eigenschaften im molekularen Maßstab erfassen lassen. Ein neuartiger SPAD-basierter Sensor zum zeitaufgelösten Auslesen von Fluoreszenzmarkierten DNA-Mikroarrays liefert einen Beitrag für präzisere PoC-Messungen.

Im Bereich der medizinischen Diagnostik (In-vitro-Diagnostik) kann die Konzentration von Analyten wie z.B. Proteinen oder DNA mittels zeitaufgelöster Fluoreszenzmessung bestimmt werden. Um verschiedene Analyten gleichzeitig testen zu können, kommen sogenannte Mikroarrays mit einzelnen Testfeldern zum Einsatz. Bei den Messungen wird das Mikroarray i.d.R. durch einen Laser beleuchtet, welcher einen zugefügten Fluoreszenzfarbstoff in Abhängigkeit der Konzentration eines Analyten zum Leuchten anregt. Die Konzentration eines Analyten kann aus dem Verhältnis von Anregungslicht und Fluoreszenzlicht bestimmt werden.

Für die Messung des Fluoreszenzlichtes eignen sich Single-Photon Avalanche Dioden (SPADs), mit welchen sich einzelne Photonen mit einer hohen zeitlichen Auflösung detektieren lassen (zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung, TCSPC). Eine SPAD-Anordnung aus einer oder mehreren SPADs korrespondiert zu einem Testfeld.

Das Anregungslicht ist über dem gesamten Mikroarray nicht homogen verteilt. Die Intensität des Anregungslichts muss jedoch an jeder Position des Mikroarrays bekannt sein, um die Bestimmung der Stoffmengenkonzentration eines Analyten zu ermöglichen. Auf Grund der Eigenschaften des Anregungslichtes sind SPADs nicht dazu geeignet, dieses zu messen. Daher erfolgt im Stand der Technik die Homogenisierung des Anregungslichts durch aufwändige und kostenintensive Optiken.

Die Idee der Erfindung besteht in einer kostengünstigen Lösung, bei der auf die Homogenisierung verzichtet wird und zwischen den einzelnen SPAD-Anordnungen zusätzliche Photodioden platziert werden, um damit die Intensität des Anregungslichts zu bestimmen. Durch Normierung und Interpolation lässt sich das Licht exakt für jedes Testfeld berechnen. Dadurch wird eine gezielte Korrektur der Inhomogenität implementiert und eine Vielzahl an Testfeldern eines jeweiligen Mikroarrays kann simultan untersucht und genau analysiert werden.

Vorteile der Erfindung

• Verzicht auf aufwändige und kostenintensive Homogenisierungsoptiken 
• gezielte Korrektur der Inhomogenität des Anregungslichtes durch dessen exakte Berechnung für jedes Testfeld
• Hochpräzise PoC-Messungen zur Bestimmung der Konzentration von z.B. DNA oder Proteinen