PCR-Reaktionen amplifizieren DNA in kleinsten Probenmengen und ermöglichen so die detaillierte Untersuchung von Krankheitserregern. Die Kontrolle der Reaktionstemperatur ist dabei entscheidend. Die Temperaturmessung mit herkömmlichen, kontaktbasierten Thermometern birgt jedoch einige Herausforderungen. Um die Auslastung zu maximieren, muss die schnelle Probenvorbereitung gewährleistet sein. Dies ist mit direkten Kontaktmethoden nicht möglich und verhindert präzise Messungen. Zudem besteht beim direkten Kontakt die Gefahr einer Kreuzkontamination zwischen den Proben. Darüber hinaus muss der Temperatursensor präzise kalibriert sein.
Um Herstellern von Laborgeräten bei der Bewältigung dieser Herausforderungen zu helfen, hat Melexis Ferninfrarotsensoren wie den Durchstecksensor MLX90614 und den SMD-Sensor MLX90632 entwickelt. Diese Sensoren sind werkseitig kalibriert und gewährleisten auch in Umgebungen mit starken Störungen und thermischen Schwankungen eine hohe Genauigkeit.
Temperaturkontrolle in der PCR-Analyse:
Die PCR-Analyse umfasst drei Schritte. Zunächst erfolgt die Denaturierung bei hoher Temperatur (94–98 °C), um die Doppelhelixstruktur der DNA in zwei einzelsträngige DNA-Matrizenmoleküle zu spalten. Im nächsten Schritt, dem Annealing, binden die DNA-Primer selektiv an die beiden Matrizen. Die Temperatur muss präzise kontrolliert werden, um die korrekte Bindung der Primer zu gewährleisten. Der letzte Schritt, die Elongation, findet typischerweise bei 72 °C statt. Hierbei reagieren Nukleotide (die Bausteine der DNA/RNA) in Lösung mit der Matrize und den Primern und bilden doppelsträngige Moleküle.
Zusammen spalten diese drei Schritte ein DNA-Molekül in zwei doppelsträngige Moleküle auf (Abbildung 1). Durch die Wiederholung des Zyklus, bei der sich die Anzahl der Moleküle jedes Mal verdoppelt, entsteht schnell eine große Anzahl von Molekülen (nach beispielsweise 40 Zyklen sind es 2^40 = 1.099.511.627.776 Moleküle), was die anschließende Detektion mit anderen Methoden erleichtert.
Kontaktlose Temperaturerfassung
Thermocycler sind eine Schlüsselkomponente von Apparaturen zur Durchführung temperatursensitiver biochemischer Reaktionen. Jeder Thermocycler enthält einen oder mehrere Heizblöcke mit Öffnungen, in die Reagenzgläser eingesetzt werden können. Der Thermocycler setzt die Reagenzgläser einem vordefinierten Temperaturprogramm aus und ermöglicht schnelle und präzise Temperaturzyklen. Einige Modelle erlauben einen kontrollierten Temperaturgradienten über den Heizblock, wodurch verschiedene Proben unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt werden. Diese Funktion wird vor allem in der Forschungsphase genutzt, um bestimmte kritische Schritte im Temperaturzyklus zu optimieren.
Präzise Regelkreise hängen von der Genauigkeit der Sensordaten ab. Bei häufigem Probenwechsel kann es für Hersteller sehr schwierig sein, die Reagenzgläser zuverlässig mit einer direkten Kontaktmethode zu messen. In diesem Fall bieten Infrarotsensoren einen entscheidenden Vorteil, da sie eine berührungslose Temperaturmessung ermöglichen. Darüber hinaus wird das Risiko einer Kreuzkontamination zwischen Proben durch die Vermeidung von direktem Kontakt erheblich reduziert.
Werkseitig kalibrierte Sensoren wie der MLX90614 ermöglichen die einfache Integration in den Thermocycler. Dank Plug-and-Play-Funktionalität kann der Anwender sofort ohne Kalibrierung mit der Arbeit beginnen. Der MLX90614 ist mit verschiedenen Sichtfeldoptionen (FoV) erhältlich, darunter 90°, 35°, 12°, 10° und 5°. Durch die Verengung des Sichtfelds lässt sich der maximale Abstand zwischen Sensor und Probe vergrößern.
Angesichts des Trends zu portableren und benutzerfreundlicheren Geräten bietet der oberflächenmontierbare MLX90632 den Vorteil einer sehr kleinen Bauform, was zu einer deutlichen Reduzierung von Größe und Gewicht führt. Der als 3 mm x 3 mm x 1 mm QFN-Bauteil gekapselte Sensor reagiert präzise und stabil auf Temperaturänderungen. Die Miniaturisierung dieser Sensoren ermöglicht zudem die Integration in ein Sensorarray und damit die Temperaturregelung an mehreren Messpunkten.
Durch die Verbesserung der Geschwindigkeit und Genauigkeit von Thermocyclern tragen Infrarotsensoren wie der MLX90632 und der MLX90614 entscheidend zur Steigerung der Genauigkeit und Produktivität von PCR-Tests in zahlreichen medizinischen Bereichen bei, weit über die Bekämpfung von COVID-19 hinaus. Die geringe Größe des MLX90632 erhöht die Wahrscheinlichkeit für kostengünstige und mobile PCR-Tests direkt am Behandlungsort.
Medizinische Versionen beider Sensoren bieten sogar eine noch höhere Genauigkeit von ±0,2 °C im Bereich der menschlichen Körpertemperatur von 35–42 °C. Diese Sensoren eignen sich hervorragend für den Einsatz in Massenscreening-Systemen, wo ein enges Sichtfeld eine größere Erfassungsdistanz ermöglicht, sowie in persönlichen Temperaturmessgeräten wie Wearables und Pflastern, die hochminiaturisierte und empfindliche, aber gleichzeitig stabile und reproduzierbare Sensoren erfordern.
Fazit:
Die jüngsten Ereignisse haben die Notwendigkeit präziser und schneller Diagnostik verdeutlicht. Kleine Infrarotsensoren spielen eine entscheidende Rolle, um Laborteams die rasche Analyse biologischer Proben zu ermöglichen.
Die neuesten Infrarot-Temperatursensoren vereinen geringe Größe und Unempfindlichkeit gegenüber thermischen Störungen und überwinden so die größten technischen Herausforderungen der kontaktlosen Detektion. Diese Fortschritte bieten zahlreiche Vorteile, darunter höhere Genauigkeit, einfachere Handhabung und präzise Temperaturkontrolle für biochemische Prozesse wie die PCR-Analyse, und ermöglichen so eine schnelle und zuverlässige Diagnostik.
