Testkit zur Bioanalytik und Verfahren zur Auswertung eines solchen Testkits

Die Erfindung betrifft ein Testkit zur Bioanalytik sowie ein Verfahren zur Auswertung eines solchen Testkits.

Bioanalytische Tests wie beispielsweise Schwangerschafts- oder Suchtmitteltests mittels Teststreifen liefern typischerweise nur qualitative, nicht quantitative, Resultate. Insbe ^¬ sondere bei Tests, welche sich an Endanwender außerhalb eines entsprechend eingerichteten Labors wenden, ist eine eindeuti ^¬ ge Referenzskala für eine quantitative Analyse regelmäßig nicht verfügbar.

Auch eine Quantifizierung etwa von Suchtmitteln in Körperflüssigkeiten erfolgt typischerweise nachgelagert in einem Labor. Gerade im Falle von Suchtmitteln sind quantitativ be- reits im Feldeinsatz auswertbare Testkits wünschenswert, etwa anhand von Speichelproben bei einer Kontrolle. Insbesondere aufgrund der Vielzahl potentiell relevanter Einflussparameter jedoch bleiben quantitative Messungen im Feldeinsatz, so überhaupt möglich, in ihrer Genauigkeit stets deutlich hinter Labormessungen zurück.

Daher dienen nicht laborgebundene Testkits regelmäßig allen ^¬ falls als „schnelle Vorabtests". Typischerweise wird dabei ein Analyt auf einen Teststreifen aufgebracht und etwa das Eintreten einer Verfärbung beobachtet. Eine

Quantifizierbarkeit ist bei solchen Testkits kaum möglich.

Es ist vor diesem Hintergrund Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Testkit sowie ein verbessertes Verfahren zur Erfas- sung von Messdaten zur Bioanalytik bereitzustellen, welche insbesondere ein zuverlässiges, quantitatives, Testresultat erlauben. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Auswertung eines solchen Testkits sowie ei- ne Auswerteinrichtung zur Auswertung solcher Testkits bereitzustellen .

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Testkit mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, einem Verfahren zur Erfassung von Messdaten mit den in Anspruch 8 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Verfahren zur Auswertung eines Testkits mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen und mit einer Auswerteinrichtung mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkma- len gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.

Das erfindungsgemäße Testkit ist ausgebildet zur Bioanalytik, insbesondere für ein Immunassay. Das erfindungsgemäße Testkit weist zumindest einen Messsensor zur quantitativen Detektion einer Substanz sowie zumindest einen bereits definiert mit der Substanz beaufschlagten Referenzsensor auf. Unter einer definierten Beaufschlagung des oder der Referenzsensoren ist die Beaufschlagung mit einer bestimmten Konzentration

und/oder Stoffmenge und/oder Masse (absolut oder relativ) zu verstehen. Entsprechend ist unter einer quantitativen Detektion die Detektion einer Konzentration und/oder Stoffmenge und/oder Masse (absolut oder relativ) zu verstehen.

Kerngedanke der Erfindung ist die Idee, eine Referenzskala mittels eines oder mehrerer Referenzsensoren direkt in das Testkit selbst zu implementieren, sodass die Referenzskala stets die äußerlichen Einflüsse auf das Testkit und somit auf dem Messsensor berücksichtigt. Beispielsweise wirken sich

Temperatureinflüsse gleichermaßen auf den oder die Referenzsensoren und den Messsensor aus. Ferner altern die Sensoren und daran ggf. angelagerte, zu messende, Substanz in dem er ^¬ findungsgemäßen Testkit gleichermaßen, sodass hieraus resul- tierende Abweichungen sich zugleich auf den Messsensor sowie auf den oder die Referenzsensoren auswirken und folglich stets kompensieren. Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Testkit zumindest zwei, vorzugsweise zumindest drei oder mehr Referenzsensoren auf. Zweckmäßig sind die Referenzsensoren voneinander abweichend mit der Substanz beaufschlagt. Auf diese Weise kann mittels einer Ausgleichsrechnung eine besonders weite Referenzskala für Auslesewerte des Messsensors erhalten werden.

Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Testkits ist oder sind der oder die Referenzsensoren und/oder der oder die Messsensoren mit akustischen Resonatoren, insbesondere mit FBARs, gebildet.

Gerade mit akustischen Resonatoren, insbesondere mit FBARs, gebildete Sensor-Arrays können Targetmolekülen sehr sensitiv detektieren. FBARs sind miniaturisierte akustische Resonato ^¬ ren, deren Resonanzfrequenz sich durch Anlagerung von Molekülen auf deren Oberfläche hochsensitiv verstimmen lässt. Durch geeignete Funktionalisierungen lassen sich dabei

Targetmoleküle selektiv binden und damit gezielt nachweisen.

Beliebig viele FBAR-Resonatoren können in einen Mess- und/oder Referenzsensor integriert werden, wobei die Resonatoren einzeln ansteuerbar und auslesbar bleiben. Dadurch stellt jeder einzelne Resonator eine unabhängige Reaktions- fläche für z.B. lmmunassays dar. Die Resonatoren können insbesondere durch die Bindung von Antikörpern oder von standardisierten Antikörper-Antigen-Komplexen funktionalisiert werden. Weiterhin lassen sich die Resonatoren einfach mittels Kompartimenten, insbesondere auf einem Sensorchip, mit präzi- se definierten Konzentrationen beaufschlagen. Regelmäßig und ebenfalls besonders vorteilhaft sind akustischen Resonatoren wie an sich bekannt mit piezoelektrischen Materialien gebildet, sodass sie sich einfach, automatisiert und zuverlässig elektrisch ansteuern und auslesen lassen.

Zweckmäßig umfassen bei dem erfindungsgemäße Testkit der zu ^¬ mindest eine Messsensor und der oder die Referenzsensoren je mindestens einen, vorzugsweise mittels Antigenen und/oder mittels Antikörpern, funktionalisierten akustischen Resonator .

Zweckmäßig weist das erfindungsgemäße Testkit je Messsensor zumindest ein Messkompartiment auf, in welchem der zumindest eine Messsensor jeweils eingebracht ist und/oder je Referenz ^¬ sensor zumindest ein Referenzkompartiment auf, in welchem der zumindest eine Referenzsensor jeweils eingebracht ist. Auf diese Weise ist eine fluiddichte Separation der Mess- oder Referenzsensoren zuverlässig gewährleistet.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das erfindungsgemäße Testkit ein Schwangerschafts- und/oder Suchtmittel-Testkit. Ein Suchtmittel umfasst im Rahmen dieser Anmeldung insbeson- dere Betäubungsmittel und/oder Rauschmittel, bei welchen es unzulässig ist, sich unter ihren Einfluss allgemein oder bei bestimmten Tätigkeiten, zumindest ab einem Mindestschwell- wert, zu begeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erfassung von Messdaten für ein Immunassay, wird ein Bioanalytik-Testkit wie zu ^¬ vor beschrieben herangezogen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Auswertung eines Testkits wie zuvor beschrieben wird der Messsensor ausgelesen und ein Messwert für eine Konzentration, eine Stoffmenge oder eine Masse erhalten, indem der Auslesewert des zumindest ei ^¬ nen Messsensors unter Heranziehung der Auslesewerte des zu ^¬ mindest einen Referenzsensors entweder einfach skaliert wird oder aber mittels einer die Auslesewerte der Referenzsensoren mit den definierten Beaufschlagungen der Referenzsensoren in Beziehung setzenden Ausgleichsfunktion oder -kurve ein mit dem Auslesewert korrespondierender Messwert erhalten wird. Die erfindungsgemäße Auswerteinrichtung ist ausgebildet zur

Ausführung eines Auswertverfahrens wie zuvor beschrieben. Be ^¬ sonders bevorzugt ist die Auswerteinrichtung ein Bestandteil des erfindungsgemäßen Testkits wie zuvor beschrieben. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Testkit mit einem Kompartiment mit einem mit mehreren akustischen Resonatoren gebildeten Messsensor sowie drei Kompartimenten mit je einem mit mehreren akustischen Resonatoren gebildeten Referenzsensor während der Vorbereitung für den Feldeinsatz schematisch in einer Draufsicht sowie das Testkit gemäß Fig. 1 in der Konfiguration wäh rend des Feldeinsatzes schematisch in einer Drauf sieht .

Das in Fig. 1 dargestellte Testkit umfasst einen Sensorchip 10, welcher ein Array von akustischen Resonatoren 20 in Ge- stalt von FBARs (FBAR (engl.) = „Film Bulk Acoustic Resona ^¬ tor") aufweist. In an sich bekannter Weise lässt sich mittels solcher akustischen Resonatoren 20 die Anlagerung von Substanzen aus einer Verstimmung der Resonanzfrequenz detektie- ren. Im in Fig. 1 dargestellten Fall bilden je 16 Resonatoren einen Sensor aus. Dabei bilden drei solcher mittels Gruppen von Resonatoren gebildete Sensoren jeweils einen Referenzsensor Rl, R2, R3 aus und eine vierte Gruppe bildet den eigent ^¬ lichen Messsensor M. Die Referenzsensoren Rl, R2, R3 und der Messsensor M sind jeweils voneinander fluiddicht getrennt, indem in an sich be ^¬ kannter Weise auf der Chipoberfläche biokompatible Komparti- mente, etwa mit PBO gebildet, mittels eines Waverlevel- Prozesses abgeschieden sind. Jeder der Referenzsensoren Rl, R2, R3 sowie der Messsensor M sind dabei in jeweils einem einzelnen Kompartiment angeordnet, an die jeweils fluiddicht eine mittels Spritzguss aus PEEK gefertigte Flusszelle ange ^¬ bunden ist. Zunächst wird das Testkit wie folgt (im dargestellten Fall durch den Hersteller nach Herstellung des Testkits) auf den Feldeinsatz vorbereitet:

Zunächst werden die akustischen Resonatoren 20 funktionali- siert. Dazu ist jedes Kompartiment der Referenzsensoren Rl, R2, R3 und des Messsensors M über die jeweils zugeordnete Flusszelle an eine Fluidzuführung F angebunden. Zunächst wird jedem Einlass E der jeweiligen Fluidzuführung F eine assay- kompatible Pufferlösung, im dargestellten Ausführungsbeispiel eine phosphatgepufferte Kochsalzlösung (PBS) zugeführt. Mit ^¬ tels dieser Pufferlösung wird jedes Kompartiment des jeweili ^¬ gen Referenzsensors Rl, R2, R3 und des Messsensors M gespült.

Nachfolgend werden sowohl die Resonatoren 20 der Referenzsensoren Rl, R2, R3 als auch die Resonatoren 20 des Messsensors M mit einem Fänger-Antikörper funktionalisiert , d.h. oberflächlich beschichtet.

Nach einem abermaligen Spülschritt jedes Kompartiments des jeweiligen Referenzsensors Rl, R2, R3 und des Messsensors M werden nichtspezifische Anlagerungsflächen des Sensorchips 10, d.h. Flächen, welche keine funktionalisierten Flächen der Resonatoren 20 bilden, passiviert. Dazu wird jeweils über den Einlass E der jeweiligen Fluidzuführung F Albumin (hsa/bsa) zugegeben .

Nach einem neuerlichen Spülschritt jedes Kompartiments des jeweiligen Referenzsensors Rl, R2, R3 und des Messsensors M wird jedes der Kompartimente der Referenzsensoren Rl, R2, R3 (nicht aber das Kompartiment des Messsensors M) mit jeweils einer definierten Konzentration der Targetsubstanz beaufschlagt. Dabei wird jeder der Referenzsensoren Rl, R2, R3 mit einer unterschiedlichen Konzentration der Targetsubstanz beaufschlagt. Anschließend werden die den Referenzsensoren Rl, R2, R3 zugeordneten Kompartimente sowie das dem Messsensor M zugeordnete Kompartiment mit einer geeigneten Konservierungs- lösung gefüllt. Der Sensorchip 10 ist somit lagerbar bis zum beabsichtigten Feldeinsatz.

In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen sind zusätzliche Kompartimente mit weiteren Mess- und Refe ^¬ renzsensoren vorhanden, welche zur Messung weiterer Substanzen dienen. Grundsätzlich können in weiteren nicht gesondert dargestellten und hier nicht im Detail erläuterten Ausführungsbeispielen die Resonatoren mittels Mikrospottern funkti- onalisiert sein, sodass insbesondere einzelne Resonatoren in ^¬ nerhalb eines Kompartiments für voneinander verschiedene Sub ^¬ stanzen funktionalisiert sein können.

Für den Feldeinsatz werden die Zuführungen F mit ihren Ein- lässen E an einen Verteiler V angeschlossen, welcher einen gemeinsamen Einlass G aufweist. Ferner ist die den Messsensor speisende Zuführung F mit einem 3-Wege-Ventil 30 versehen, mittels welchem entweder der Verteiler V oder ein Probenein- lass S mit dem Kompartiment des Messsensor M fluidisch verbindbar ist. Zunächst wird der Sensorchip 10 im Feldeinsatz aktiviert, indem zunächst die Kompartimente der Refe ^¬ renzsensoren Rl, R2, R3 sowie des Messsensors M mit Pufferlö ^¬ sung gespült werden. Somit wird die Konservierungslösung vollständig entfernt.

Durch Stellen des 3-Wege-Ventils 30 wird nun der Messsensor M fluidisch abgekoppelt und es wird dem Messsensor M mittels des Probeneinlasses S die Targetsubstanz zugeführt und so der Messsensor M mit der Targetsubstanz beaufschlagt. Währenddes- sen werden die den Referenzsensoren Rl, R2, R3 zugeordneten Kompartimente weiterhin mit der Pufferlösung gespült.

Anschließend wird sämtlichen Kompartimenten der Referenzsensoren Rl, R2, R3 sowie des Messsensors M der zum Fänger- Antikörper passende Antigenkomplex zugeführt.

Im Anschluss und zur Messung werden alle Kammern dann wieder zugleich und mit gleicher Strömung mit Puffer gespült und die Messung der Verschiebung der Resonanzfrequenz der FBARs durchgeführt .

Nachfolgend werden die Messwerte des Sensorchips 10 ausgewer- tet. Dazu werden zunächst die entsprechend der vorhergehenden definierten Beaufschlagung der Referenzsensoren Rl, R2, R3 mit den Auslesewerten der Referenzsensoren Rl, R2, R3 in Beziehung gesetzt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden mithin die Konzentrationen der Targetsubstanz, mit welchen die Referenzsensoren Rl, R2 und R3 bei der Vorbereitung des

Sensorchips 10 beaufschlagt worden sind, mit der Frequenzver ^¬ schiebung der Resonanzfrequenz der akustischen Resonatoren 20 der jeweiligen Referenzsensoren Rl, R2 und R3 in Beziehung gesetzt. Der in sehr guter Näherung lineare Zusammenhang wird mit einer Ausgleichsgerade abgebildet. Mittels der Aus ^¬ gleichsgerade kann nun eine Frequenzverschiebung des Messsensors M in eine Konzentration der Targetsubstanz umgerechnet werden . In einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches dem zuvor er ^¬ läuterten Ausführungsbeispiel entspricht, ist die Beaufschla ^¬ gung eines Referenzsensors Rl, R2, R3 mit einer Konzentration gewählt, welche einem etwa für eine Fahrzeugführung, eine Ma ^¬ schinenbedienung oder einem sonst rechtlich bedeutsamen

Grenzwert entspricht. Vergleicht man die Frequenzverschiebung des Messsensors M mit der Frequenzverschiebung dieses Refe ^¬ renzsensors, so lässt sich direkt auf eine Konzentration der Targetsubstanz jenseits des Grenzwerts schließen. Bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen kann verborgen bleiben, welche Kompartimente wie im Detail funktionali- siert sind. Folglich ist eine Manipulation des Sensorchips 10 wirksam verhindert oder aber eine Manipulation kann leicht erkannt werden.