Das IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH (IMMS GmbH) stellt in einem Video „CMOS-Bildsensor-Plattform für die zeitaufgelöste Fluoreszenzmessung mit Europium“ Details und Funktionsprinzip der am Institut entwickelten Chip-Plattform vor. Ziel ist es, damit über das beispielhaft demonstrierte quantitative Auslesen von Teststreifen hinaus weitere Anwendungen in der In-vitro-Diagnostik in künftigen Forschungs- und Entwicklungsprojekten zu erschließen.
Beispielanwendung quantitatives Auslesen von Teststreifen
In der In-Vitro-Diagnostik werden Zielanalyten zunehmend mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert, da sie sich leicht von Hintergrund- und Störsignalen unterscheiden lassen. Das IMMS hat einen Lock-In-Imager-Chip für die zeitaufgelöste Fluoreszenzbildgebung mit Europium entwickelt und in eine Beispielapplikation zum digitalen Auslesen von Streifentests integriert. Diese auch Lateral-Flow- Assays (LFA) genannten Tests spielen eine wichtige Rolle für die In-vitro-Diagnostik. Sie sind kostengünstig, einfach zu handhaben und daher prädestiniert für die dezentrale und zeitkritische Diagnostik. Sie sind u.a. als Schwangerschafts- oder COVID-19-Schnelltests weit verbreitet, um qualitative Aussagen (positiv oder negativ) treffen zu können. Für viele diagnostische Fragen werden jedoch quantitative Aussagen zu Konzentrationen und Verhältnissen benötigt. Gängige LFA-Reader-Kombinationen mit klassischen Farbstoffpartikeln wie Gold sind dafür nicht empfindlich genug. Neue LFA-Reader-Kombinationen mit Europium-Markern bieten weitaus höhere Ausleseempfindlichkeiten, die durch die CMOS-Imager-Plattform unterstützt werden. Durch deren Lock-In-Prinzip können aufwändige optische Filter eingespart werden.
Funktionsprinzip der CMOS-Bildsensor-Plattform für die zeitaufgelöste Fluoreszenzmessung mit Europium
Klassische Fluoreszenz-Messung
Kern der Plattform ist ein Fünf-Transistor-Lock-in-Pixel, das am IMMS für Fluoreszenzfarbstoffe optimiert wurde, die besonders lange nachleuchten, wie zum Beispiel das weitverbreitete Europium.
Die klassische Fluoreszenz-Detektion arbeitet mit optischen Filtern. Hier bestrahlt eine UV-Lichtquelle einen Analyten, der mit einem Farbstoff markiert ist. In diesem Fall ist das Europium, das durch die UV-Strahlung angeregt wird und ein rotes Fluoreszenzlicht erzeugt. Ein optisches Filter trennt dieses Licht vom UV-Licht und lässt nur das Fluoreszenzlicht auf den Detektor.
Zeitaufgelöste Fluoreszenz-Detektion
„Die zeitaufgelöste Fluoreszenz-Detektion mit Lock-in-Pixeln, so wie wir sie implementiert haben, benötigt keine optischen Filter“, erklärt Eric Schäfer, Themenbereichsleiter für Mikroelektronik am IMMS. „Die Unterscheidung zwischen Anregungs- und Fluoreszenzlicht aufgrund der Farbe ist nicht mehr möglich – benötigen wir auch nicht, denn wir nutzen die verschiedenen Abklingzeiten der Lichtquelle und des Fluoreszenz-Farbstoffes nach dem Abschalten.“ Während das Anregungslicht innerhalb von wenigen Nanosekunden abklingt, leuchtet das Europium noch mehrere 100 Mikrosekunden nach.
Lock-in-Pixel-Prinzip
Während der Anregung wird das Pixel gesperrt, d.h. die Ladungsträger werden abgeleitet. Danach wird das Pixel aktiviert und die aufgrund des Fluorenzlichts generierten Ladungsträger werden damit aufgesammelt. Da es sich bei dem Fluoreszenzlicht um sehr wenig Licht handeln kann, ist es sinnvoll, diesen Vorgang zu wiederholen und das Pixel im sogenannten Lock-in-Modus zu betreiben. Dafür wird die Lichtquelle gepulst und synchron dazu wird das Pixel immer aktiviert, wenn das Licht abklingt. Das heißt, das Fluoreszenzsignal wird über mehrere Zyklen aufgesammelt und verstärkt, gleichzeitig wird das Rauschen reduziert.
„Die Anzahl der Zyklen können wir auf die verschiedenen Lichtverhältnisse anpassen: Haben wir sehr viel Fluoreszenzlicht, weil wir beispielsweise viele Analyten haben, können wir weniger Zyklen fahren. Haben wir relativ wenig, können wir mehr Zyklen fahren“, so Schäfer weiter. „Dadurch erreichen wir einen sehr hohem Dynamikbereich.“ Nachdem der Analyt mehrfach angeregt und ausreichend Ladungsträger gesammelt wurden, wird das Sensorelement ausgelesen und anschließend für die nächste Messung zurückgesetzt.
Imager-Plattform für verschiedenste Anwendungen in der In-vitro-Diagnostik
„Da wir das Sensorelement als Pixel realisiert haben, können wir damit ganze Bildsensoren aufbauen, beispielsweise für optisch abbildende Systeme oder für das Contact Imaging“ fasst Schäfer zusammen. Die Imager-Plattform bietet somit die Grundlage, um verschiedenste Anwendungen in der In-vitro-Diagnostik zu erschließen. Das IMMS strebt an, mit der Plattform weitere anwendungsspezifische zeitauflösende Bildsensoren und die dazugehörigen Hardware- und Software-Module zu entwickeln.
Förderung
Das diesen Ergebnissen zugrundeliegende Vorhaben wurde vom Freistaat Thüringen unter der Nummer 2017 FE 9044 gefördert und durch Mittel der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) kofinanziert.
Beispielanwendung quantitatives Auslesen von Teststreifen
In der In-Vitro-Diagnostik werden Zielanalyten zunehmend mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert, da sie sich leicht von Hintergrund- und Störsignalen unterscheiden lassen. Das IMMS hat einen Lock-In-Imager-Chip für die zeitaufgelöste Fluoreszenzbildgebung mit Europium entwickelt und in eine Beispielapplikation zum digitalen Auslesen von Streifentests integriert. Diese auch Lateral-Flow- Assays (LFA) genannten Tests spielen eine wichtige Rolle für die In-vitro-Diagnostik. Sie sind kostengünstig, einfach zu handhaben und daher prädestiniert für die dezentrale und zeitkritische Diagnostik. Sie sind u.a. als Schwangerschafts- oder COVID-19-Schnelltests weit verbreitet, um qualitative Aussagen (positiv oder negativ) treffen zu können. Für viele diagnostische Fragen werden jedoch quantitative Aussagen zu Konzentrationen und Verhältnissen benötigt. Gängige LFA-Reader-Kombinationen mit klassischen Farbstoffpartikeln wie Gold sind dafür nicht empfindlich genug. Neue LFA-Reader-Kombinationen mit Europium-Markern bieten weitaus höhere Ausleseempfindlichkeiten, die durch die CMOS-Imager-Plattform unterstützt werden. Durch deren Lock-In-Prinzip können aufwändige optische Filter eingespart werden.
Funktionsprinzip der CMOS-Bildsensor-Plattform für die zeitaufgelöste Fluoreszenzmessung mit Europium
Klassische Fluoreszenz-Messung
Kern der Plattform ist ein Fünf-Transistor-Lock-in-Pixel, das am IMMS für Fluoreszenzfarbstoffe optimiert wurde, die besonders lange nachleuchten, wie zum Beispiel das weitverbreitete Europium.
Die klassische Fluoreszenz-Detektion arbeitet mit optischen Filtern. Hier bestrahlt eine UV-Lichtquelle einen Analyten, der mit einem Farbstoff markiert ist. In diesem Fall ist das Europium, das durch die UV-Strahlung angeregt wird und ein rotes Fluoreszenzlicht erzeugt. Ein optisches Filter trennt dieses Licht vom UV-Licht und lässt nur das Fluoreszenzlicht auf den Detektor.
Zeitaufgelöste Fluoreszenz-Detektion
„Die zeitaufgelöste Fluoreszenz-Detektion mit Lock-in-Pixeln, so wie wir sie implementiert haben, benötigt keine optischen Filter“, erklärt Eric Schäfer, Themenbereichsleiter für Mikroelektronik am IMMS. „Die Unterscheidung zwischen Anregungs- und Fluoreszenzlicht aufgrund der Farbe ist nicht mehr möglich – benötigen wir auch nicht, denn wir nutzen die verschiedenen Abklingzeiten der Lichtquelle und des Fluoreszenz-Farbstoffes nach dem Abschalten.“ Während das Anregungslicht innerhalb von wenigen Nanosekunden abklingt, leuchtet das Europium noch mehrere 100 Mikrosekunden nach.
Lock-in-Pixel-Prinzip
Während der Anregung wird das Pixel gesperrt, d.h. die Ladungsträger werden abgeleitet. Danach wird das Pixel aktiviert und die aufgrund des Fluorenzlichts generierten Ladungsträger werden damit aufgesammelt. Da es sich bei dem Fluoreszenzlicht um sehr wenig Licht handeln kann, ist es sinnvoll, diesen Vorgang zu wiederholen und das Pixel im sogenannten Lock-in-Modus zu betreiben. Dafür wird die Lichtquelle gepulst und synchron dazu wird das Pixel immer aktiviert, wenn das Licht abklingt. Das heißt, das Fluoreszenzsignal wird über mehrere Zyklen aufgesammelt und verstärkt, gleichzeitig wird das Rauschen reduziert.
„Die Anzahl der Zyklen können wir auf die verschiedenen Lichtverhältnisse anpassen: Haben wir sehr viel Fluoreszenzlicht, weil wir beispielsweise viele Analyten haben, können wir weniger Zyklen fahren. Haben wir relativ wenig, können wir mehr Zyklen fahren“, so Schäfer weiter. „Dadurch erreichen wir einen sehr hohem Dynamikbereich.“ Nachdem der Analyt mehrfach angeregt und ausreichend Ladungsträger gesammelt wurden, wird das Sensorelement ausgelesen und anschließend für die nächste Messung zurückgesetzt.
Imager-Plattform für verschiedenste Anwendungen in der In-vitro-Diagnostik
„Da wir das Sensorelement als Pixel realisiert haben, können wir damit ganze Bildsensoren aufbauen, beispielsweise für optisch abbildende Systeme oder für das Contact Imaging“ fasst Schäfer zusammen. Die Imager-Plattform bietet somit die Grundlage, um verschiedenste Anwendungen in der In-vitro-Diagnostik zu erschließen. Das IMMS strebt an, mit der Plattform weitere anwendungsspezifische zeitauflösende Bildsensoren und die dazugehörigen Hardware- und Software-Module zu entwickeln.
Förderung
Das diesen Ergebnissen zugrundeliegende Vorhaben wurde vom Freistaat Thüringen unter der Nummer 2017 FE 9044 gefördert und durch Mittel der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) kofinanziert.
