DE60317022T2 - Biosensor - Google Patents

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DE60317022T2
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/5097Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving plant cells
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    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/52Use of compounds or compositions for colorimetric, spectrophotometric or fluorometric investigation, e.g. use of reagent paper and including single- and multilayer analytical elements

Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Biosensoren, die zum Erfassen des Vorhandenseins biologischer und chemischer Verbindungen nützlich sind, und insbesondere von biologisch gefährlichen Agens.
  • Hintergrund der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 5.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine perspektivische, schematische Ansicht eines dargestellten Ausführungsbeispiels eines Biosensors gemäß der vorliegenden Erfindung, wie er in eine Biosensorkarte eingelagert ist.
  • 2 ist eine Querschnittansicht der Biosensorkarte, die in 1 dargestellt ist, entnommen entlang Linie 2-2 aus 1.
  • 3 ist eine schematische Ansicht eines Biosensoranalysesystems zum Analysieren einer Biosensorkarte gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel.
  • 4 ist eine schematische Ansicht einer analytischen Einheit zum Analysieren einer Biosensorkarte gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel, die mit einem Computer gekoppelt ist.
  • Detaillierte Beschreibung von dargestellten Ausführungsbeispielen
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (9)

  1. Vorrichtung zum Erfassen des Vorliegens einer Substanz, die folgende Merkmale aufweist: eine Biosensorkarte (10), die eine Matrix von Pflanzenzellen (14) aufweist, die getragen ist durch und angeordnet ist zwischen einer ersten und einer zweiten gegenüberliegenden lichtdurchlässigen Nährstoffmedienlage (16, 18) und einem Trägerbauglied (12) zum Halten der Nährstofflagen (16, 18) und der Pflanzenzellen (14), wodurch ein offener Mittelabschnitt (22) definiert ist, wobei die Nährstofflagen zum Aufrechterhalten der Pflanzenzellen in einem lebenden Zustand dienen; eine Lichtquelle (40), die ein Licht emittiert, das an den Pflanzenzellen (14) erwünschte optische Charakteristika aufweist; einen Photodetektor (42), der zum Empfangen des Lichts, das durch die Pflanzenzellen (14) durchgelassen wird und/oder von denselben reflektiert wird, und zum Generieren eines Signals ansprechend darauf konfiguriert ist; und eine Steuerung (44), die programmiert ist, um, basierend auf den Signalen von dem Photodetektor, eine Zustandsveränderung bei der Biosensorkarte ansprechend auf ein Inkontaktbringen der Biosensorkarte mit der Substanz, zu erfassen.
  2. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Pflanzenzellen (14) von der Art sind, die eine Zustandsver änderung zeigt, wenn dieselben der Substanz ausgesetzt sind.
  3. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Substanz ein biologisch gefährliches Agens ist.
  4. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Zustandsveränderung eine physiologische Reaktion umfasst.
  5. Ein Verfahren zum Erfassen des Vorliegens eines Agens in einer Probe unter Verwendung der Vorrichtung gemäß Anspruch 1.
  6. Das Verfahren gemäß Anspruch 5, das den Schritt eines Festlegens eines Kontrollzustandswerts für die Biosensorkarte durch ein Messen der optischen Charakteristika des Lichts, das auf die Pflanzenzellen (14) emittiert wird, umfasst, vor einem Inkontaktbringen der Biosensorkarte (10) mit einer Probe.
  7. Das Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die Probe Luft aufweist und ein Emittieren des Lichts auf die Pflanzenzellen den Schritt eines Diffundierens der Luft durch das Nährmedium (16) und zu Pflanzenzellen (14) umfasst.
  8. Das Verfahren gemäß Anspruch 5, das den Schritt eines Generierens eines Signals ansprechend auf eine Bestimmung einer Zustandsveränderung umfasst.
  9. Das Verfahren gemäß Anspruch 5, das ein Bereitstellen eines maschinenlesbaren Hinweises auf der Biosensorkarte (10), der mit einem Identifizieren von Informationen für die Biosensorkarte (10) korreliert, umfasst.
DE60317022T 2002-09-16 2003-08-26 Biosensor Expired - Lifetime DE60317022T2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US245678 2002-09-16
US10/245,678 US7141414B2 (en) 2002-09-16 2002-09-16 Biosensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE60317022D1 DE60317022D1 (de) 2007-12-06
DE60317022T2 true DE60317022T2 (de) 2008-08-14

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