Temperaturen messen PCR-Test: Mit Infrarot-Sensoren die DNA analysieren

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Bakterien und Viren in biologischen Proben lassen sich mit präzisen und flexiblen Infrarot-Wärmesensoren aufspüren. Dabei müssen sie unempflindlich gegenüber thermischen Störungen sein sowie präzise. Zwei Infrarot-Sensoren im Detail.

Damit sich Bakterien und Viren in biologischen Proben identifizieren lassen (Polymerase-Kettenreaktion (PCR)), muss man die Temperatur in Laboranwendungen genau messen können. Nachgefragt wurde die Forschung vor allem bei der Corona-Bekämpfung. Die PCR-Analyse spielt seit langem eine entscheidende Rolle, um schwerwiegende Infektionen und genetische Krankheiten zu überwinden.

PCR-Reaktionen vervielfältigen die DNA in winzigen Proben und helfen den Forschern dabei, Krankheitserreger im Detail zu untersuchen. Damit die Reaktionen ablaufen können, muss die Temperatur geregelt werden. Die Temperatur mit herkömmlichen Thermometern zu messen und dabei Kontakt mit der Probe zu haben, ist nicht unkompliziert. Die dafür notwendige Ausrüstung muss in der Lage sein, neue Proben schnell einzurichten. Nur dann ist gewährleistet, die Auslastung zu maximieren. Doch hier ist das Problem: Das ist für Methoden mit Direktkontakt schlecht geeignet und eine genaue Messung wird verhindert. Darüber hinaus besteht bei direktem Kontakt die Gefahr einer Kreuzkontamination zwischen den Proben. Außerdem muss der Temperatursensor genau kalibriert werden.

Sensoren für thermisch dynamische Umgebungen

Für Hersteller von Laborgeräten bietet Melexis sogenannte Ferninfrarot-Sensoren wie den MLX90614 (Through-Hole-Version) und den MLX90632 (SMD-Version) an. Die Sensoren sind werkseitig kalibriert und bieten eine hohe Genauigkeit in störungsbehafteten und thermisch dynamischen Umgebungen.

Die PCR-Analyse umfasst drei Prozesse:

• Es beginnt mit einem Hochtemperaturschritt, genannt Denaturierung. Dieser erfolgt bei Temperaturen zwischen 94 und 98 °C, um die DNA-Doppelhelix-Struktur in zwei Einzelstrang-DNA-Matrizenmoleküle zu zerschneiden.

• Darauf folgt das Annealing: Hier werden DNA-Primermoleküle gezwungen, selektiv an die beiden DNA-Matrizen anzudocken. Dabei muss die Temperatur genau kontrolliert werden, um eine korrekte Bindung der Primer zu gewährleisten.

• Die letzte Stufe ist die Elongation und sie erfolgt bei einer Temperatur von 72 °C. Hier reagieren Nukleotide, die Bausteine für DNA/RNA, in einer Lösung mit der Matrize und dem Primer, um Doppelstrang-Moleküle zu erzeugen.

Zusammen wandeln die drei Schritte ein DNA-Molekül in zwei dieser Doppelstrang-Moleküle um (Bild 1). Beim Wiederholen des Zyklus wird die Anzahl der Moleküle jedes Mal verdoppelt. Schnell entsteht eine riesige Menge an Molekülen. Nach 40 Zyklen sind es an die 2⁴⁰ = 1.099.511.627.776 Moleküle, wodurch sich der weitere Nachweis mit anderen Mitteln vereinfacht.

Die Temperatur berührungslos messen

Thermocycler sind ein entscheidender Bestandteil der Einrichtung, um die temperaturempfindlichen biochemischen Reaktionen zu ermöglichen. Jeder Cycler enthält einen oder mehrere Thermoblöcke mit Löchern, in die die Röhrchen mit den Reaktanten eingeführt werden. Der Thermocycler setzt die Röhrchen einem vordefinierten Temperaturprogramm aus und ermöglicht schnelle und genaue Temperaturdurchläufe.

Einige Modelle bieten einen kontrollierten Temperaturgradienten über den Thermoblock, wodurch verschiedene Proben unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt werden. Die Funktion wird hauptsächlich in der Forschungsphase verwendet, um bestimmte kritische Schritte des Temperaturzyklus zu optimieren. Präzise Regelkreise sind auf genaue Sensoreingaben angewiesen. Werden die Proben häufig ausgetauscht, kann es für die Hersteller sehr schwierig sein, die Temperatur der Röhrchen durch direkten Kontakt zuverlässig zu messen. Hier bieten Infrarotsensoren einen entscheidenden Vorteil, indem sie eine berührungslose Temperaturmessung ermöglichen. Darüber hinaus wird das Risiko einer Kreuzkontamination zwischen den Proben stark verringert, da ein direkter Kontakt vermieden wird.

Eine Mehrpunkt-Temperaturregelung

Werkseitig kalibrierte Sensoren wie der MLX90614 lassen sich in den Thermocycler einbauen. Der Plug-and-Play-Sensor kommt ohne einen Kalibrierungsprozess aus. Der Sensor wird mit verschiedenen Sichtfeldoptionen (FoV) angeboten, darunter 90, 35, 12, 10 und 5°. Die Verengung des FoV ermöglicht einen größeren maximalen Abstand zwischen Sensor und Probe.

Der SMD-montierte MLX90632 benötigt weniger Platz, was Größe und Gewicht eines künftigen Gerätes einspart. Der Sensor befindet sich in einem QFN-Gehäuse mit den Maßen 3 mm x 3 mm x 1 mm und reagiert auf Temperaturänderungen. Dabei behält der Sensor seine Genauigkeit und Stabilität. Die Miniaturisierung solcher Sensoren erleichtert auch die Integration in eine Sensormatrix, die eine Mehrpunkt-Temperaturregelung ermöglicht.

Durch die höhere Geschwindigkeit und Genauigkeit von Thermocyclern spielen Infrarotsensoren wie der MLX90632 und der MLX90614 neben dem Kampf gegen Corona eine entscheidende Rolle bei genaueren und produktiveren PCR-Tests in zahlreichen Disziplinen der Medizin. Die geringe Größe des MLX90632 erhöht die Aussichten auf eine kostengünstige, tragbare PCR-Analyse in der Nähe des Behandlungsorts.

Beide Sensoren sind in medizintechnischer Qualität erhältlich, die eine erhöhte Genauigkeit innerhalb von ±0,2 °C bei der Körpertemperatur von 35 bis 42 °C bieten. Diese Sensoren eignen sich für den Einsatz in Massenscreening-Systemen, bei denen ein enges Sichtfeld einen größeren Erfassungsabstand ermöglicht sowie in persönlichen Temperaturmonitoren wie tragbaren Geräten und Pflastern, bei denen Sensoren stark miniaturisiert und reaktionsschnell, aber dennoch stabil und wiederholt einsetzbar sein müssen.

Fazit der Ferninfrarot-Sensoren

Die aktuellen Infrarot-Temperatursensoren sind klein und unempfindlich gegenüber thermischen Störungen. Damit eignen sie sich für die berührungslose Temperaturmessung. Hinzu kommt eine höhere Genauigkeit, verbesserte Benutzerfreundlichkeit und engere Temperaturregelung für biochemische Prozesse wie die PCR-Analyse, die schnelle und zuverlässige Diagnosemöglichkeiten bietet.

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