Einleitung
Der Mikroplatten-Reader wurde erstmals in den späten 1970er Jahren eingeführt. Während die Anwendungen heute praktisch unendlich sind, wurden die ersten Mikroplatten-Reader entwickelt, um die Absorption im 96-Well-Format zu messen, wobei ihre erste signifikante Anwendung der Enzyme-Linked Immunosorbent Assay oder ELISA war. Seitdem haben verschiedene technologische Fortschritte ausgefeiltere Methoden und eine bequemere Nutzung ermöglicht. Betrachtet man den modernen Mikroplatten-Reader heute, hat er wenig mit seinen Vorgängern gemeinsam. Im Wesentlichen haben zwei technologische Entwicklungen diesen Fortschritt vorangetrieben: die Einführung der LED-Technologie und die Abschaffung von Scanning-Mechanismen. Der Übergang zu LEDs als primäre Lichtquelle für Mikroplatten-Reader hat sich im Laufe des letzten Jahrzehnts vollzogen, während die Implementierung von Alternativen zu Scanning-Mechanismen gerade erst begonnen hat. Dieses Papier erörtert diese beiden technologischen Fortschritte und skizziert, warum der langsame evolutionäre Fortschritt kürzlich durch einen revolutionären Sprung nach vorne gestört wurde. In diesem Papier werden Mikroplatten-Reader, die die Kombination dieser Technologien (LEDs und scannfreie Auslesung) implementieren, als Solid-State-Reader (SSR) bezeichnet.
Technologischer Einfluss
Lichtquelle
Im Laufe der Jahre hat sich die Technologie verschiedener Lichtquellen weiterentwickelt und immer fortschrittlichere Optionen geboten, wie Halogen-, Wolfram-, Deuterium- und Xenon-Blitzlampen sowie LEDs. In Abb. 1 ist ein Vergleich der am häufigsten verwendeten Lichtquellen für Mikroplatten-Reader dargestellt. Wie in Abb. 1 zu sehen ist, hat die Xenon-Blitzlampe das breiteste Spektrum und ist daher am besten für Reader geeignet, die im UV-Bereich (Ultraviolett) arbeiten. Halogenlampen hingegen, die keine Lichtemission im UV-Bereich bieten, sind die günstigere Lichtquelle und in einfachen Readern zu finden, die im VIS-Bereich (sichtbar) messen. Die spektrale Abdeckung der heutigen hochmodernen LEDs beginnt bei etwa 340 nm und reicht bis in den IR-Bereich (Infrarot). Trotz ihrer Grenzen im UV-Bereich stellen LEDs eine überlegene Technologie dar.
Zunächst ist ihre Langlebigkeit zu nennen. Eine typische LED kann mehr als 20.000 Stunden betrieben werden, bevor ein Intensitätsverlust beobachtet wird. Im Falle eines Mikroplatten-Readers wird die LED jedoch nur kurz während des Auslesevorgangs verwendet, typischerweise begrenzt auf wenige Sekunden. Aufgrund dieser minimalen Nutzungsdauer kann davon ausgegangen werden, dass die Lebensdauer der LED die Lebensdauer des Readers übertreffen wird, wodurch die Notwendigkeit eines Wechsels der Lichtquelle entfällt. Dies ist der erste Schritt zu einem wartungsfreien Mikroplatten-Reader.
Ein zweites Schlüsselmerkmal der LED-Technologie ist ihre Energieeffizienz. LEDs sind über 85 % effizienter als eine typische Halogenlampe. Ihr Emissionsspektrum kann auch an die Wellenlänge des gewünschten Filters angepasst werden, was sie noch effizienter und wünschenswerter für einen Mikroplatten-Reader macht. Die Möglichkeit, die Wellenlänge anzupassen, führt zu einem insgesamt reduzierten Energieverbrauch und, was noch wichtiger ist, zu einer geringeren Wärmeerzeugung. Da LEDs sofort ihre volle Helligkeit erreichen, ist keine Aufwärmzeit erforderlich, und die Auslesung kann sofort nach dem Einschalten des Readers gestartet werden.
Aufgrund der oben genannten Vorteile haben die meisten Hersteller von Plattenlesegeräten begonnen, LED-basierte Mikroplatten-Reader anzubieten, wie den Tecan Infinite F50, Biochrom EZ Read LED oder den Byonoy Absorbance 96 Mikroplatten-Reader.
Solid-State Reader
Die Bequemlichkeit, 96 oder mehr Wells für einen bestimmten Assay zur Verfügung zu haben, hat die Hersteller von Mikroplatten-Readern vor eine anspruchsvolle Aufgabe gestellt. Der traditionelle Ansatz zur Messung von 96-Well-Mikroplatten besteht darin, jedes Well der Mikroplatte zur Detektionseinheit zu bewegen. Dies erfordert, dass jedes Well der Mikroplatte unter einen einzelnen Detektionskanal gebracht wird, wo das Well dann gemessen wird, und das nächste Well in der Sequenz zum Detektor gebracht wird. Diese Art der Auslesung erfordert ein Scansystem, das aus einem Zwei-Achsen-Motor besteht. Diese Scansysteme haben den Nachteil, dass sie den Reader zusätzlich komplexer machen und Platz sowie eine ausreichende Energieversorgung erfordern. Darüber hinaus können schnelle Bewegungen während der Auslesung den Meniskus der Flüssigkeit beeinflussen und zu schlecht reproduzierbaren Ergebnissen führen.
Um eine schnellere Auslesung zu erreichen, wurde die einzelne Detektionseinheit, bestehend aus einer Lichtquelle, die mit einer optischen Faser und einer Photodiode gekoppelt ist, größtenteils durch Multi-Unit-Detektoren ersetzt. 4, 8 und 12 Detektionseinheiten sind gängige Multi-Unit-Formate. Obwohl dies eine schnellere Messung ermöglicht, erfordern diese Multi-Unit-Detektoren immer noch einen Scanmechanismus.
Im Gegensatz zu diesen traditionellen Methoden haben jüngste Fortschritte in der Miniaturisierung und Fertigung es ermöglicht, Mikroplatten-Reader ohne einen solchen Scannmechanismus zu bauen. Dieser Typ von Reader ist mit 96 einzelnen Detektionseinheiten ausgestattet. Dieses technologische Redesign hat es ermöglicht, einen Mikroplatten-Reader mit einer Grundfläche zu entwickeln, die ungefähr so groß ist wie die Mikroplatte selbst. Alle 96 Detektionseinheiten sind an einer festen Position platziert, was bedeutet, dass eine Fehlpositionierung während der Lebensdauer des Readers nicht auftreten kann. Die Auslesung erfolgt im Solid-State-Verfahren, wobei jedes Well einer 96-Well-Mikroplatte durch eine Multiplexing-Elektronik angesteuert wird. Dies ermöglicht eine gleichzeitige Auslesung aller Wells. Während der Messung bleiben die Mikroplatte und somit der Meniskus ruhig und konstant, was zu zuverlässigeren und reproduzierbareren Ergebnissen führt. Das Multi-Unit-Design erhöht auch die Messgeschwindigkeit; eine typische Messung kann innerhalb weniger Sekunden durchgeführt werden. Dieser aufkommende technologische Ansatz wird derzeit im Byonoy Absorbance 96 Plattenlesegerät implementiert.
Vorteile
Diese beiden technologischen Fortschritte führen zu einer Reihe von Vorteilen, die den modernen Mikroplatten-Reader kennzeichnen.
Kompaktheit
Ein Solid-State Reader zeichnet sich durch ein ultrakompaktes Design aus, was bedeutet, dass er flexibel innerhalb und zwischen Laboren eingesetzt und einfach in bestehende Laborstrukturen integriert werden kann, während er nur minimale Mengen an hoch wertvollem Laborplatz einnimmt. Sein Potenzial zeigt sich in Abb. 2, wo typische Reader auf dem Markt nach ihrem Volumen verglichen werden, was ein guter Indikator für ihren Platzbedarf ist.
Wie in Abb. 2 zu sehen ist, hat der Absorbance 96, der erste SSR auf dem Markt, eine drastisch reduzierte Grundfläche im Vergleich zu anderen Readern. Diese Größenunterscheidung ist auf das Fehlen von Scannmechanismen oder Motoren zurückzuführen, was die Notwendigkeit eines großen Gehäuses und einer komplexen mechanischen Anordnung ausschließt.
Die Kompaktheit eines SSR ermöglicht auch neue Anwendungen. Dies liegt daran, dass ein bestimmter Assay in der gewünschten Umgebung durchgeführt werden kann, z. B. in einem Inkubator, unter einem sterilen Abzug oder auf einem Schüttler. Dies bedeutet beispielsweise, dass Experimente in solchen geschlossenen Räumen zum ersten Mal intern mit einem solchen Gerät überwacht und gemessen werden können.
Portabilität
Aufgrund seiner kompakten Form und seines äußerst robusten Designs ist der SSR der erste tragbare Mikroplatten-Reader auf dem Markt (Abb. 3). Er ermöglicht eine hochflexible Nutzung innerhalb und außerhalb von Laboren. Daher eignet sich der SSR besonders gut für dezentrale oder mobile Labore. Ob im Zelt oder auf einer Ladefläche, Messungen können überall dort durchgeführt werden, wo ein Laptop oder Tablet verfügbar ist.
Darüber hinaus ermöglicht die Portabilität eines solchen Readers neue, vor-Ort-Anwendungen, die zuvor nicht möglich waren. Die einfache Transportierbarkeit und Robustheit ermöglichen es, ihn ins Feld mitzunehmen, wodurch der Bedarf an Probentransport reduziert wird, da die Auslesung vor Ort durchgeführt werden kann. Diese Art der Portabilität könnte auch ein signifikanter Faktor sein, wenn versucht wird, mobile Labore oder dezentrale Tests großer Populationen zu etablieren, da die Flexibilität, den Standort zu wechseln und vor Ort zu messen, gegeben wäre.
Messzeit
In einem Solid-State Reader können alle Wells nahezu gleichzeitig gemessen werden, und die Messzeit wird nur durch die tatsächliche Auslesung begrenzt, nicht durch die Scanzeit. Eine schnelle Messzeit (einige Sekunden) ist normalerweise nicht entscheidend für die Durchführung eines Assays. Sie hat jedoch einen großen Einfluss auf die Benutzerfreundlichkeit, da der Benutzer auf das Ende der Messung warten muss. Abb. 4 zeigt die typische Messzeit verschiedener Reader auf dem Markt für eine Standard-96-Well-Platte. Diese Zeiten geben die Zeit an, die zum Messen einer gesamten 96-Well-Platte bei einer einzigen Wellenlänge benötigt wird.
Einfache Installation und wartungsfrei
Weitere wichtige Merkmale des Solid-State-Readers sind seine einfache Installation und seine Robustheit durch das Fehlen beweglicher Teile. Der Installationsprozess traditioneller Reader ist zeitaufwändig und manchmal kostenintensiv: Transportsicherungen, die ein Brechen der mechanischen Teile während des Transports verhindern, müssen entfernt werden. Danach muss der Reader kalibriert werden, bevor er verwendet werden kann. Sowohl das Auspacken als auch die Installation können zeit- und arbeitsintensiv sein und werden oft von einem Techniker des Herstellers durchgeführt. Bei einem SSR sind weder Transportsicherung noch eine Kalibrierung nach dem Transport erforderlich, da es keine beweglichen Teile gibt. SSRs können sofort nach dem Auspacken verwendet werden.
Abgesehen von der anfänglichen Einrichtung und den Kalibrierungsanforderungen erfordern traditionelle Reader regelmäßige Wartung, um sicherzustellen, dass alle beweglichen Teile einwandfrei funktionieren und beispielsweise die Detektionseinheiten räumlich korrekt kalibriert sind, um Probleme mit der Reproduzierbarkeit zu vermeiden, ähnlich den bereits erwähnten. Obwohl neuere Plattenlesegeräte robuster geworden sind, haben sie immer noch diese Kalibrierungsanforderungen. Ein SSR hingegen benötigt keine aufwendige Kalibrierung und muss aufgrund des festen Designs der Detektionseinheiten nicht von einem Techniker ausgerichtet oder räumlich kalibriert werden.
Nachhaltigkeit
Eine weitere Folge des Solid-State-Designs ist dessen positiver Einfluss auf die Nachhaltigkeit des Lesegeräts. Dies beginnt bereits im Herstellungsprozess, wo weniger Material für die Fertigung des Lesegeräts verwendet wird. Des Weiteren ist der Transport von Teilen für den Hersteller oder des fertigen Lesegeräts selbst umweltfreundlicher. Schließlich wird der ökologische Fußabdruck dieser Lesegeräte während ihrer gesamten Lebensdauer minimiert, da der Stromverbrauch einen Bruchteil dessen traditioneller Lesegeräte beträgt. Eine weitere Folge des Solid-State-Designs ist dessen positiver Einfluss auf die Nachhaltigkeit des Lesegeräts.
Da die LED mit sehr geringer Leistung betrieben werden kann und keine Motoren für das Scannen verwendet werden, erfolgt die Stromversorgung für den Reader vollständig über eine USB-Verbindung zum Computer und zeichnet sich durch ihre Effizienz aus. Der Vergleich in Abb. 5 für typische Reader auf dem Markt zeigt den Fortschritt des Absorbance 96.
Fazit
Seit ihrer Einführung hat die allmähliche Entwicklung der Mikroplatten-Reader in den letzten Jahrzehnten nur geringe Veränderungen bewirkt. Der Solid-State Reader stellt jedoch einen revolutionären Schritt hin zu einer neuen Kategorie von Mikroplatten dar und ist eine vollständige Abkehr von traditionellen Readern. Dies betrifft nicht nur die Funktionalität und Zuverlässigkeit des Readers, sondern auch seine Anwendungen. Dieser Fortschritt zeigt sich am besten in der erhöhten Benutzerfreundlichkeit solcher Reader, ihrer Portabilität und der fehlenden Beschränkung auf einen festen Standort, der Messzeit, der wartungsfreien Nutzung und der ökologischen Nachhaltigkeit.
