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Technisches Gebiet
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Biosensoren, die zum Erfassen des Vorhandenseins
biologischer und chemischer Verbindungen nützlich sind, und insbesondere
von biologisch gefährlichen Agens.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Fähigkeit
zum Erfassen biologischer und chemischer Verschmutzungen in einer
spezifischen Umgebung kann ein wichtiges Diagnosewerkzeug bei vielen
unterschiedlichen Einsätzen
sein. Zum Beispiel sind in jeglicher Umgebung, in der bekannt ist,
dass ein identifiziertes, gefährliches
biologisches oder chemisches Agens vorliegt, Einzelpersonen, die aufgerufen
sind, in dieser Umgebung zu arbeiten, in der Lage, geeignete Schutzmaßnahmen
zu verwenden, wie z. B. Schutzkleidung, um zu verhindern, unbeabsichtigt
den gefährlichen
Materialien ausgesetzt zu sein. Aber in vielen Fällen wird das Vorhandensein eines
gefährlichen
biologischen oder chemischen Agens vielleicht vermutet, ist aber
nicht bestätigt.
In jenen Fällen
ist es notwendig, entweder angemessene Sicherheitsausrüstung für Personal
bereitzustellen, das möglicherweise
dem Agens (Mittel) ausgesetzt ist, oder bevor das Personal der Umgebung ausgesetzt
wird ein Biogefahren-Screening abzuschließen. Keine der Lösungen geht
das Problem ganzheitlich an. Im Hinblick auf erstere ist es vielleicht
nicht möglich,
eine ausreichende Schutzausrüstung
für alle
Einzelpersonen bereitzustellen, die betroffen sein könnten, und
da das Vorhandensein und/oder der Typ des Biogefahr-Agens nicht
bestätigt wurde,
ist der korrekte Typ einer Schutzausrüstung, die zur Gewährleistung
der Sicherheit notwendig ist, möglicherweise
nicht verfügbar
oder ausgewählt.
Im Hinblick auf letzteres erfordern viele Screeningtests zur Durchführung eine
beträchtliche
Zeitspanne. Es ist möglicherweise
nicht ausreichend Zeit vorhanden, um ein analytisches Testen auszuführen, um
das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Biogefahr zu testen,
bevor erforderlich ist, dass Personal in den Bereich eintritt.
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Es
besteht daher ein vorliegender und anhaltender Bedarf nach Vorrichtungen
und Verfahren zum schnellen Erfassen und Bestätigen des Vorhandenseins biologischer
oder chemischer Agens in einer gegebenen Umgebung.
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Lebende
Zellen reagieren bekanntermaßen auf
biologische und chemische Reize, wie z. B. die Reize, die durch
biologisch gefährliche
Verbindungen und Materialien verursacht werden. Lebende Zellen zeigen
somit bekannte physiologische und morphologische Reaktionen, wenn
sie anderen Zellen ausgesetzt werden, wie z. B. Bakterien, Viren
und Molekülen.
Und es ist bekannt, dass diese zellulären Reaktionen auf solche Verbindungen
auf verschiedenartige Weisen erfasst werden können, was das Erfassen von Änderungen
bei optischen Übertragungseigenschaften
der Zellen umfasst, sowie durch die Verwendung von Indikatorverbindungen.
Verschiedene Biosensoren wurden beschrieben, die auf diesen bekannten,
zellulären
Reaktionen basieren. Solche Biosensoren und die Methoden, die sie
verwenden, um biologische Gefahren zu erfassen, adressieren den Bedarf
zur schnellen qualitativen Bestimmung des Vorhandenseins von biologisch
gefährlichen
Verbindungen in einer spezifischen Umgebung jedoch nicht angemessen,
neigen dazu, zu teuer zu sein und sind häufig für ungelerntes Personal schwierig
zu verwenden.
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Das
deutsche Gebrauchsmuster
297 21 359 U beschreibt eine Vorrichtung zum Messen physiologischer
Parameter von Zellen in einer Testkammer unter Verwendung von Sensoren
und eines Steuerungs-Halbleiterchips. Es beschreibt ein Verfahren zum
Bestrahlen der Zellen mit Licht, um sie zu stimulieren. Die Reaktion
der Zellen auf die Bestrahlung kann dann mit Hilfe des Sensors getestet
werden.
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Das
U.S.-Patent 5,851,489 beschreibt
ein Mikroskop mit Dünnfilmsensoren
benachbart zu dem Beobachtungsbereich zum Messen physiologischer Parameter
des organischen Materials. Die chemischen und physischen Charakteristika
des organischen Materials unter Beobachtung können durch die Sensoren aufgenommen
werden, während
es beobachtet wird. Sensoren unterschiedlicher Typen können vorgesehen
sein, wie z. B. interdigitale Kondensatoren, NO-Sensoren, O2-Sensoren
oder Temperatursensoren.
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Das
U.S.-Patent 6,603,548 beschreibt
einen Biosensor mit einer integrierten Lichtquelle und integrierten,
optischen Detektoren, hergestellt mit Gittern, dielektrischer Beschichtung
oder Prismen zur spezifischen Wellenlängenauswahl zum Definieren der
Signaturen, die Elemente, Biogefahrenmaterialien, Umweltgefahrmaterialien,
eine biologische Substanz oder jegliche chemische Substanz an den
Probenhaltern identifizieren. Eine Mikropumpe zieht Gas, Umgebungsfluide
und Proben hin zu den Probenhaltern. Elektrische Signale werden
von den optischen Detektoren auf Ausgangsleitungen zu dem Mikroprozessor
geliefert. Eine Vorrichtung, die mit dem Mikroprozessor verbunden
ist, vergleicht charakteristische Antworten auf tatsächliche
Signalparameter. Ein Ausgangssignal zeigt das Vorhandensein (oder die
Abwesenheit) eines bestimmten biologischen, chemischen oder Umgebungs-Gefahrenmaterials an.
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Zusammenfassung
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung gemäß Anspruch
1 und ein Verfahren gemäß Anspruch
5.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische, schematische Ansicht eines dargestellten Ausführungsbeispiels
eines Biosensors gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie er in eine Biosensorkarte eingelagert ist.
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2 ist
eine Querschnittansicht der Biosensorkarte, die in 1 dargestellt
ist, entnommen entlang Linie 2-2 aus 1.
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3 ist
eine schematische Ansicht eines Biosensoranalysesystems zum Analysieren
einer Biosensorkarte gemäß dem dargestellten
Ausführungsbeispiel.
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4 ist
eine schematische Ansicht einer analytischen Einheit zum Analysieren
einer Biosensorkarte gemäß dem dargestellten
Ausführungsbeispiel,
die mit einem Computer gekoppelt ist.
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Detaillierte Beschreibung
von dargestellten Ausführungsbeispielen
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Ein
Biosensor 10 gemäß einem
dargestellten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in 1 eingelagert in eine Biosensorkarte 12 gezeigt.
Wie nachfolgen detailliert ausgeführt wird, ist der Biosensor
in der Lage, das Vorhandensein von biologischen und chemischen Agens
zu erfassen, insbesondere von biologisch gefährlichen Umgebungsgiften und ähnlichem,
durch die Erfassung von physiologischen und morphologischen Veränderungen
bei lebenden Pflanzenzellen, nachdem sie den Agens ausgesetzt werden.
Allgemein beschrieben basiert der hierin dargestellte Biosensor 10 auf
Matrizen von Pflanzenzellen aus lebenden Pflanzenquellen oder Gewebekulturen,
die in einer nährstoffreichen
Umgebung am Leben gehalten werden, die durch lichtdurchlässige Nährstofflagen
bereitgestellt wird. Der spezifische Typ von Pflanzenzellen, die
mit der Erfindung verwendet werden, kann im Hinblick auf ihr bekanntes physiologisches
Ansprechverhalten auf das Vorhandensein von Umweltagens ausgewählt werden,
was spezifische Umweltagens umfasst. Die Zellen weisen ein physiologisches
und/oder morphologisches Ansprechverhalten (eine Reaktion) darauf
auf, dass sie Agens ausgesetzt werden, und dieses Ansprechverhalten
manifestiert sich auf verschiedene Weisen, was z. B. das Öffnen und
Schließen
von Stomaten, cytoplasmatisches Strömen und Änderungen am cytoplasmatischen
Pumpen umfasst. Dieses physiologische Ansprechverhalten kann mit
Erfassungstechniken erfasst werden, wie z. B. Änderungen an der optischen
Lichtdurchlässigkeit
oder dem Reflexionsvermögen,
durch chemische Indikatoren oder Kombinationen aus optischer Durchlässigkeit
oder Reflexionsvermögensänderungen
und chemischen Indikatoren. Änderungen
am Zustand des Biosensors, in Folge von Änderungen der optischen Eigenschaft von
Lichtspektren, die von den Pflanzenzellen übertragen und durch verschiedene
Detektoren erfasst werden, werden zu einer Steuerung übertragen,
wie z. B. einem Prozessor, wo die Änderungen analysiert und eine
Antwort erzeugt wird. Die Pflanzenzellen, die bei der dargestellten
Erfindung verwendet werden, funktionieren somit als biologische
Schalter.
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Bezug
nehmend nun auf 2 ist ersichtlich, dass der
Biosensor 10 eine Matrix aus lebenden Pflanzenzellen 14 aufweist,
die zwischen Schichten aus Nährstofflagen 16 und 18 gehalten
werden. Wie nachfolgend detailliert angegeben wird, weisen die individuellen
Zellen 14 eine Zellenmatrix auf, die eine physiologische
und morphologische Reaktion darauf zeigt, dass sie der Umgebung
eines Agens ausgesetzt wird. Abs solches wird die Matrix aus Pflanzenzellen
hierin als eine Rezeptorschicht 20 bezeichnet.
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Obwohl
die Rezeptorschicht 20 aus Pflanzenzellen besteht, bezieht
sich wie hierin verwendet der Ausdruck „Pflanzenzelle" auf Zellen mit bestimmten
Charakteristika und nicht Zellen, die zu einer spezifischen taxonomischen
Kategorie von Organismen gehören.
Somit, wie hierin verwendet, bezieht sich „Pflanzenzellen" auf Zellen, die
relativ starre Zellenwände
aufweisen, und die erfassbare physiologische und/oder morphologische Änderungen
zeigen, wenn die Zellen Umweltagens ausgesetzt werden, wie z. B. biologischen
und/oder chemischen Verbindungen. Bezug nehmend auf die Zellenwände der
Pflanzenzellen, die in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden,
sind die Zellen dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Wand aufweisen,
die relativ starr ist und die üblicherweise
aus komplexen Polysacchariden, wie z. B. Zellulose und anderen komplexen
Sacchariden, Silika und ähnlichem
besteht. Diese Zellenwandstruktur ist bei vielen Klassen von Organismen üblich und
liefert funktionale Vorteile, die in Verbindung mit der dargestellten
Erfindung nützlich
sind. Beispielsweise umfassen Zellen, die in Verbindung mit der
dargestellten Erfindung nützlich
sind, ohne Einschränkung
Pflanzenzellen, wie z. B. jene, die nachfolgend genauer beschrieben
werden, und Pilzzellen und Zellen aus Organismen, die möglicherweise
gegenwärtig
nicht derart charakterisiert sind, dass sie zur Pflanzenwelt gehören, wie
z. B. Chromista.
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Die
relativ starren Zellenwände,
die sich in solchen Pflanzenzellen finden, liefern eine stärkere zelluläre Struktur,
die für
Zwecke des Biosensors 10 nützlich ist, da die Struktur
widerstandsfähig
gegenüber
strukturellen Änderungen
ist. Im Vergleich zu Tierzellen weisen Pflanzenzellen verschiedene
Charakteristika auf, die vorteilhaft zu Zwecken der Verwendung als
Biosensor sind. Zum Beispiel, wenn eine Matrix aus Zellen, wie z.
B. die Rezeptorschicht 20, zwischen den Nährstofflagen
angeordnet ist, wie in 2 dargestellt ist, widerstehen
die starren Zellenwände
der individuellen Zellen 14 einer Dehydrierung, einem Zerreißen durch
osmotischen Druck und widerstehen auf ähnliche Weise einer Kontraktion und
einem Zusammenfallen. Teilweise dank der strukturellen Steifheit,
die von der Zellenwand her stammt, neigen die Pflanzenzellen somit
dazu, ein längeres Leben
zu haben als dies Tierzellen würden. Kurz
gesagt sind Pflanzenzellen des beschriebenen Typs robuster und langlebiger
als andere Zellentypen.
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Bezug
nehmend auf die physiologischen und morphologischen Charakteristika,
die bei der Erfindung von Interesse sind, zeigen die Pflanzenzellen, die
zur Verwendung in Verbindung mit der Erfindung ausgewählt sind,
bekanntermaßen
eine erfassbare physiologische oder morphologische Reaktion darauf,
wenn sie Umweltagens ausgesetzt werden.
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Wie
hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck „Agens" im Allgemeinen auf eine Verbindung, die
in einer Umgebung vorhanden ist, die eine erfassbare zelluläre Änderung
in den Pflanzenzellen 14 verursacht. Diese Mittel umfassen
z. B. biologische Mittel, wie z. B. Bakterien und Viren, und auch
Moleküle,
die chemische Verbindungen umfassen. In diesen breiten Kategorien
befinden sich spezifischere Klassen aus biologischen und chemischen
Verbindungen, wie z. B. chemische Toxine. Die Pflanzenzellen, die
hierin verwendet werden, sprechen darauf, dass sie solchen biologischen
und chemischen Verbindungen ausgesetzt werden, auf viele unterschiedliche
Weisen an, und diese Ansprechverhalten manifestieren sich in Änderungen
in der Zellstruktur oder zellulären
Aktivität,
die erfassbar sind. Einige der spezifischen physiologischen und
morphologischen zellulären
Reaktionen umfassen Änderungen
bei der Größe der individuellen
Zellen, Änderungen
bei der Rate des biologischen Pumpens innerhalb der Zellen, Steigerungen
oder Verringerungen bei der Rate des cytoplasmatischen Strömens und Änderungen bei
der Größe von Stomata,
wie sie z. B. durch das Öffnen
und Schließen
von Stomaten verursacht werden.
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Wie
hierin verwendet, wird daher jede erfassbare physiologische oder
morphologische Änderung in
einer Pflanzenzelle ansprechend darauf, dass sie einem Umweltagens
ausgesetzt wird, als eine Änderung
eines „Zustands" bezeichnet. Anders
ausgedrückt
hat die Zelle darauf, dass sie einem Agens ausgesetzt wurde, mit
einem physiologischen oder morphologischen Ansprechverhalten reagiert,
das erfassbar ist, unabhängig
davon, wie sich diese Zustandsänderung
manifestiert.
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Viele
Klassen von Pflanzenzellen weisen bekanntermaßen Zustandsänderungen
auf, so wie der Ausdruck hierin verwendet wird. Einige Beispiele
umfassen Pflanzen aus der Mimosafamilie, die Mimosa Quadrivalvis
und Mimosa Pudica umfasst. Mimosapflanzen, die beide der soeben
erwähnten
Arten umfassen, weisen bekannterweise zelluläre Pumpen auf, die schnell
auf die Art von externen Stimuli reagiert, die durch Umwelttoxine
geliefert wird. Wenn solche Mimosazellen bestimmten Klassen von Toxinen
ausgesetzt werden, zeigen die Zellen schnelle Änderungen bei den Raten eines
cytoplasmatischen Strömens – eine Änderung
bei der zellulären
Physiologie und Morphologie, die ohne weiteres als Zustandsänderung
erfassbar ist. Andere Pflanzenzellen zeigen stomatische Änderungen
daraufhin, dass sie biologischen und chemischen Agens ausgesetzt
werden. Pflanzenzellen, die Schutzzellen umfassen, die Stomaten
umgeben, reagieren auf solche Agens durch Ändern der Größe der Stomata.
Zum Beispiel schließen
sich Stomata schnell in einigen Pflanzenzellen, wenn sie bestimmten
Klassen von Toxinen ausgesetzt werden. Wiederum andere Pflanzenzellen,
wie z. B. Elodea und einige Verwandte der Papillonaceae weisen Änderungen
beim zellulären Strömen in Gegenwart
von Toxinen auf. Diese Änderungen
sind erfassbar und werden somit derart betrachtet, dass sie Zustandsänderungen
darstellen, so wie der Ausdruck hierin verwendet wird.
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Bezug
nehmend wiederum auf 2 ist die Rezeptorschicht 20 zwischen
zwei Nährstofflagen 16 und 18 angeordnet.
Die Nährstofflagen
sind gemäß den Nährstoffanforderungen
des spezifischen Typs von Pflanzenzellen 14, die in der
Rezeptorschicht verwendet werden, aufgrund ihrer Lichtdurchlässigkeit
und somit ihrer Fähigkeit,
Licht zu übertragen, und
aufgrund ihrer Fähigkeit,
Gas über
die Lagen zu übertragen, ausgewählt. Genauer
gesagt weisen die Nährstofflagen 16 und 18 Wachstumsmedien
auf, wie z. B. ein Agarmedium, das in eine Lage gebildet ist. Geeignete
Nährstofflagen
sind handelsüblich
aus zahlreichen Quellen erhältlich.
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Nährstofflagen,
die die soeben erwähnten Kriterien
erfüllen,
sind in einer geschichteten Anordnung angeordnet, wobei die Rezeptorschicht 20 zwischen
den Lagen 16, 18 angeordnet ist. Die drei Schichten
können
mit einer Biosensorkarte 12 angeordnet sein, die einen
offenen mittleren Abschnitt 22 definiert, der durch einen
Rand 24 umrandet ist, der jedes geeignete Material sein
kann, wie z. B. steifer Kunststoff oder Pappe und ähnliches.
Wenn sie in eine Biosensorkarte 12 angeordnet sind, wie
in 2 dargestellt ist, werden die Zellen 14,
die die Rezeptorschicht 20 aufweisen, für eine beträchtliche Zeitperiode am Leben
erhalten. Die Karten werden einfach und kostengünstig hergestellt und sind
klein und einfach in der Handhabung auf dem Gebiet. Die Karten können in
individuelle Pakete mit entsprechenden Abdichtungen und internen
Verpackungsumgebungen gepackt sein, oder können in Gruppen aus mehr als
einer Karte gepackt sein. Der Rand 24 funktioniert als
ein Trägerbauglied
für die
zwei Nährstofflagen
und die Rezeptorschicht. Ferner wirken die Nährstofflagen auch als ein Trägerbauglied
zum Tragen der Rezeptorschicht. Zusätzlich zu anderen Funktionen
dienen sowohl der Rand 24 als auch die Nährstofflagen 16 und 18 somit
zum Schützen
der Zellen 14 in der Rezeptorschicht 20 vor physischem Schaden.
Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass die
hierin beschriebene Biosensorkarte 12 nur ein Beispiel
der vielen unterschiedlichen strukturellen Konfigurationen von Trägerbaugliedern
ist, die verwendet werden können, um
eine Matrix aus Pflanzenzellen benachbart zu einer Nährstoffmedienquelle
zu halten.
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Der
oben beschriebene Biosensor 10 ist in Kombination mit einem
Analysator nützlich,
um schnelle Untersuchungen auszuführen, um zu bestimmen, ob Zielagens
in einer Probe vorhanden sind. Da der Biosensor 10 klein,
kostengünstig
und erweiterbar ist, ist das System besonders gut zur Verwendung
auf dem Gebiet geeignet. Das hierin beschriebene System kann genauso
gut in jeglicher anderen Einrichtung verwendet werden.
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Bezug
nehmend auf 3 ist ein Analysator 30 zum
Erfassen von Zustandsänderungen
in der Rezeptorschicht 20 einer Biosensorkarte 12 konfiguriert,
die in eine Analyseöffnung 32 in
dem Analysator eingefügt
werden kann. Wie nachfolgend beschrieben wird, umfasst der Analysator 30 Komponenten, die
zum Erfassen von Zustandsänderungen,
zum Analysieren dieser Änderungen
und zum Berichten der Ergebnisse der Analyse geeignet sind. Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der Analysator 30 eine abgeschlossene Einheit, die
einen Probeeintrittsverteiler 34 umfasst, der fluidisch
mit einer Pumpe (nicht gezeigt) zum Liefern einer Fluidprobe zu
einer Biosensorkarte 12 gekoppelt ist, die in die Öffnung 32 eingefügt wurde.
Beispielsweise, wenn die Probe, die analysiert werden soll, eine
Luftprobe ist, liefert die Pumpe Luft zu der Biosensorkarte 12,
während
sich die Karte in der Öffnung
(Port) 32 befindet. Die Luftprobe wird bei einer gesteuerten
Rate und einem gesteuerten Druck geliefert und die Luft wird über die
Nährstoffschicht 18 transportiert,
um die Rezeptorschicht 20 der Probe auszusetzen. Die Luft
diffundiert durch die Biosensorkarte unter der Druckdifferenz von
der Pumpe und wird durch eine Auslassöffnung ausgelassen, die nicht
gezeigt ist. Der Analysator umfasst Hardware und Software, die eine
analytische Geräteausrüstung aufweist,
wie nachfolgend beschrieben wird.
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Zustandsänderungen
in den Zellen 14, die die Rezeptorschicht 20 aufweist,
sind durch Änderungen
bei der optischen Eigenschaft des Lichts erfassbar, das durch die
Rezeptorschicht 20 übertragen
und/oder von derselben reflektiert wird. Pflanzenzellen sind lichtdurchlässig, wie
auch die Nährstofflagen 16 und 18,
so dass Licht mit den erwünschten
optischen Charakteristika durch die Nährstoff lagen und die Rezeptorschicht übertragen
werden kann und auch von der Rezeptorschicht reflektiert werden
kann. Bezug nehmend nun auf 4 ist eine
schematische Darstellung des Analysators 30 dargestellt.
Der Analysator umfasst eine Pumpe 36, die in den Einlassverteiler 34 eingelotet
ist und zum Liefern einer Probe (z. B. Luft) mit dem geeigneten Druck
und der geeigneten Flussrate zu der Biosensorkarte 12 konfiguriert
ist. Ein Probendiffusor 38 kann optional zwischen der Pumpe 36 und
der Karte 12 positioniert sein, um die Luftprobe gleichmäßig über den
offenen Abschnitt 22 der Karte zu verteilen. Der Analysator 30 umfasst
eine oder mehrere analytische Lichtquellen, die zum Übertragen
von Licht mit den gewünschten
optischen Charakteristika durch den offenen Abschnitt 22 der
Biosensorkarte 12 und/oder zum Reflektieren eines Lichts
weg von der Karte konfiguriert sind. Somit ist eine erste analytische
Lichtquelle 40 orientiert, um Übertragungslicht durch die
Karte 12 und auf die Photodetektoren 42 zu richten.
Auf ähnliche
Weise, wo reflektierte Spektren von Interesse sind, ist eine zweite
analytische Lichtquelle 45 relativ zu der Biosensorkarte
orientiert, um Licht von den wirksamen Abschnitten der Karte und auf
die Photodetektoren 42 zu reflektieren. Die Photodetektoren 42 sind
mit Steuerungen verbunden, wie z. B. einem Prozessor 44,
der geeignete Verarbeitungsfähigkeiten,
Hardware und Software umfasst, um Daten zu analysieren, die durch
die Photodetektoren empfangen und zu dem Prozessor übertragen
werden. Der Prozessor 44 analysiert Daten mit vorbestimmten,
algorithmischen Berechnungen und erzeugt somit ein Ausgangssignal
zu einer Anzeige 46, die jegliche geeignete Anzeige sein
kann, wie z. B. eine visuell erfassbare Einheit, wie z. B. ein CRT-
oder LCD-Bildschirm
oder ganz einfach ein Erzeuger einer hörbaren Nachricht, wie z. B.
ein Wandler.
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Die
analytischen Schritte, die in der schematischen Zeichnung von 4 dargestellt
sind, werden nun detailliert erklärt. Wenn die Biosensorkarte 12 in
die Öffnung 32 des
Analysators 30 eingefügt wird
(wie in 3 gezeigt ist), wird Licht mit
den erwünschten
optischen Charakteristika, wie z. B. Intensität und Wellenlänge, mit
der analytischen Lichtquelle 40 durch den offenen, mittleren
Abschnitt 22 der Biosensorkarte 12 übertragen,
um Übertragungsspektren
zu erzeugen, wie mit Pfeilen D in 4 dargestellt
ist. Alternativ wird Licht der gewünschten Intensität und Wellenlänge von
dem mittleren Abschnitt 22 der Karte reflektiert, um reflektierte
Spektren zu erzeugen, die in 4 mit den
Pfeilen E dargestellt sind. Als wiederum weitere Alternative können sowohl Übertragungs-
als auch Reflexionsspektren erzeugt und analysiert werden. In jedem
Fall werden die übertragenen
oder reflektierten Spektren durch Photodetektoren 42 erfasst
und die resultierenden Daten werden zu dem Prozessor 44 übertragen,
der mit analytischen Informationen und Algorithmen vorprogrammiert
ist, die ausreichend sind, um die Daten aus den Photodetektoren
zu verarbeiten. Ist keine Probe vorhanden, werden die Spektren,
die durch die Photodetektoren erfasst werden, verwendet, um einen
Kontrollzustand für
die Rezeptorlage zu erzeugen. Der Kontrollzustand oder die Grundlinie
stellt den Zustand der Rezeptorlage dar, wenn kein Agens vorhanden
ist, das zu einer Zustandsänderung
führt, so
wie der Ausdruck oben definiert ist.
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Sobald
der Kontrollzustand bestimmt ist, ist das System bereit, eine Probe
zu analysieren. Eine Probe, die analysiert werden soll, wird durch
Aktivieren der Pumpe 36 erworben. Zu Zwecken dieses Beispiels
sei angenommen, das die Probe, die analysiert werden soll, Luft
aufweist, und die Zielprobe wird in den Analysator durch den Einlassverteiler 34 gezogen
und zu einem Probendiffusor 38 verteilt, wie durch Pfeil
A gezeigt ist. Der Probendiffusor 38 verteilt die Probe über die
Biosensorkarte 12 und genauer gesagt über den offenen, mittleren
Abschnitt 22 (1), wie durch die Pfeile B dargestellt
ist. Wie oben erwähnt
wurde, ist die Pumpe 36 so voreingestellt, dass sie die
Probe zu der Biosensorkarte mit einer vorbestimmten, gewünschten
Flussrate und einem Druck liefert, bei denen die Probe – in diesem Fall
Luft – durch
die Nährstofflage 16, über die
Rezeptorschicht 20 und durch die Nährstofflage 15 diffundiert.
Sobald die Probenluft durch die Biosensorkarte fließt, wird
sie durch eine Auslassöffnung 50 ausgelassen,
wie schematisch durch Pfeil C dargestellt ist.
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Die
Zellen 14 der Rezeptorschicht 20 reagieren auf
das Vorhandensein eines Agens in der Probe mit einer Zustandsänderung.
Diese Zustandsänderung
in der Rezeptorschicht 20 verursacht eine Änderung
bei den übertragenen
und/oder reflektierten Spektren, die wiederum durch die Photodetektoren 42 erhalten
wird. Der Prozessor 44 analysiert Daten von den Photodetektoren,
und wenn eine Zustandsänderung
erfasst wird, gibt er ein entsprechendes Warnsignal an die Anzeige 46 aus.
Der Prozessor kann mit Anweisungen variierender Komplexität programmiert
sein, abhängig
von den spezifischen Anforderungen der Situation. Zum Beispiel kann
der Prozessor programmiert sein, um in seiner Analyse den Typ der
Pflanzenzellen zu umfassen, die in der Rezeptorschicht 20 vorhanden
sind, die spezifischen physiologischen und/oder morphologischen Änderungen,
die bei diesem Typ von Pflanzenzelle ansprechend auf ein spezifisches
Agens erwartet werden und die erwartete Wirkung, die die Zustandsänderung
auf die übertragenen
Spektren hat. Mit diesem Typ einer Analyse kann der Prozessor verwendet
werden, um ein Signal auszugeben, das Informationen über den
spezifischen Typ eines Agens umfasst, das die Zustandsänderung
verursacht hat. Eine relativ gesehen einfachere Ausgabe ist durch Programmieren
des Prozessors erreichbar, eine Ja/Nein-Ausgabe auszugeben. Das
heißt,
wenn eine Zustandsänderung
erfasst wird, wird eine Ja-Warnung an eine Anzeige 46 ausgegeben.
Andererseits, wenn keine Zustandsänderung erfasst wird, wird
ein Nein-Signal an die Anzeige ausgegeben.
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Durchschnittsfachleute
auf dem Gebiet werden die Flexibilität und Nützlichkeit der dargestellten Erfindung
als schnelles Untersuchungswerkzeug zum Bestimmen des Vorhan denseins
von biologisch gefährlichen
Materialien in einer Probe erkennen. Zum Beispiel können unterschiedlichen
Biosensorkarten zum Testen unterschiedlicher Agens vorgesehen sein.
Eine Karte kann Pflanzenzellen eines spezifischen Typs umfassen,
die bekanntermaßen
auf das Vorhandensein von biologischen Agens reagieren, wie z. B.
Bakterien. Eine andere Karte kann auf Pflanzenzellen in der Rezeptorschicht 20 basieren, die
bekanntermaßen
auf das Vorhandensein von viralen Partikeln reagieren. Eine wiederum
andere Karte kann Pflanzenzellen verwenden, die auf bekannte Weisen
auf bestimmte Klassen von Chemikalien reagieren. Und auf gleiche
Weise kann eine Karte unter Verwendung von Pflanzenzellen hergestellt
sein, die in der Lage sind, auf einen großen Bereich von Verbindungen
zu reagieren. Ferner kann die Karte gemischte Zellkulturen umfassen,
die Zellen aus verschiedenen unterschiedlichen Pflanzentypen aufweisen,
um einen Biosensor zu erzeugen, der eine Zustandsänderung
ansprechend auf eine große
Vielzahl von Agens unterschiedlicher Typen erzeugt.
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Die
Karte kann optional maschinenlesbare Hinweise umfassen, wie z. B.
einen herkömmlichen Strichcode
zum Liefern von Informationen, die während einer Analyse nützlich sind.
Zum Beispiel kann der Analysator 30 einen Strichcodeleser
umfassen und die Karte 12 kann einen Strichcode umfassen, der
Daten im Hinblick auf die Art von Zellen 14 in der Rezeptorschicht
liefert, und die Informationen können
während
einer Analyse verwendet werden.
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Es
ist ebenfalls möglich,
eine Untersuchung einer Probe auszuführen, ohne einen Kontrollzustand
bei einem ersten Schritt bei der Untersuchung festzusetzen. Wenn
die Biosensorkarte Hinweise umfasst, die dem Analysator anzeigen,
welche Zellentypen vorhanden sind, kann der Prozessor 44 mit einem
Wert vorprogrammiert sein, der einen Kontrollzustandswert für diese
Karte darstellt. Jegliche Änderung
bei dem Kontrollzustandswert von den vorprogrammierten Kontrollzustandswert
wird somit als eine Zustandsänderung interpretiert.
Sogar ohne vorprogrammierte Informationen im Hinblick auf den Kontrollzustand
kann eine erfasste Änderung
bei dem Zustand während
der Zeit, zu der die Pflanzenzellen der Probe ausgesetzt sind, als
ein Indikator einer Zustandsänderung
verwendet werden.
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Die Überlebensfähigkeit
der Pflanzenzellen 14 kann ferner vor dem Durchführen eines
Tests verifiziert werden. Somit kann der Prozessor 44 mit
Informationen programmiert sein, die sich auf einen bekannten Kontrollzustandswert
für einen
bestimmten Typ von Zellen in der Rezeptorschicht einer gegebenen
Biosensorkarte beziehen. Wenn der Prozessor eine Karte 12 in
dem Port (der Öffnung) 34 erfasst, durch
die Verwendung eines Strichcodes, kann der gemessene Kontrollzustandswert
zur Zeit der Testroutine mit dem bekannten Kontrollzustandswert für diese
bestimmte Karte verglichen werden. Wenn ein Unterschied zwischen
dem bekannten Kontrollzustandswert und dem bestimmten Zustandswert
vorliegt, kann die Differenz an einer nicht lebensfähigen Zellenpopulation
liegen, was anzeigt, dass die Biosensorkarte nicht ordnungsgemäß funktioniert.
Eine Warnmeldung kann dann zu der Anzeige 46 übertragen
werden, um den Benutzer über
den Zustand zu informieren.