Warum können Laborinstrumente nicht so elegant, intuitiv und benutzerfreundlich sein wie die modernen, handlichen Geräte, die wir täglich nutzen? Inspiriert von dieser Idee machte sich unser Byonoy-Team daran, das wichtigste Arbeitstier des Labors neu zu denken: den Mikroplatten-Reader. Unsere Mission: Traditionelle Industriestandards herausfordern, indem wir einfach zu bedienende, kompakte und erschwingliche Mikroplatten-Reader entwickeln, die fortschrittliche Detektionstechnologie für jedermann zugänglich machen.
Aufbauend auf dem Erfolg des Absorbance 96 Mikroplatten-Readers und der während seiner Entwicklung gewonnenen Expertise, stellte sich unser F&E-Team der ehrgeizigen Herausforderung, die Lumineszenztechnologie, eine weitere entscheidende Detektionsmethode in der Laborforschung, neu zu definieren. Die Herausforderungen bei Lumineszenzmessungen sind jedoch weitaus anspruchsvoller als die bei Absorptionsmessungen. Einerseits ist es entscheidend, eine viel höhere Empfindlichkeit zu erreichen, um schwache Signale zu detektieren, die in Lumineszenz-Assays nur wenige hundert Photonen betragen können.
Andererseits liegt eine weitere große Herausforderung in der großen Variabilität der emittierten Signale zwischen einzelnen Proben auf der 96-Well-Platte in einem typischen Lumineszenz-Assay. Während einige Proben nur wenige hundert Photonen produzieren, emittieren andere einhundert Millionen. Ein Lumineszenz-Platten-Reader muss daher in der Lage sein, diesen weiten Bereich genau zu messen, was einen sogenannten hohen Dynamikbereich erfordert.
Für unser Team war die Herausforderung außergewöhnlich: Eine hoch entwickelte Detektionstechnologie innerhalb des charakteristischen ultra-kompakten Designs von Byonoy zu realisieren. Aber wie immer lieben wir Herausforderungen und sind entschlossen, die Grenzen zu überschreiten. Was anfangs wie eine Herkulesaufgabe – etwas, das noch nie zuvor gemacht wurde – schien, verwandelte unser Expertenteam in Realität. Aber wie sind wir dorthin gekommen? Um die Geschichte aufzudecken, setzten wir uns mit Yousef, unserem CEO und Head of R&D, und Sten, einem Schlüsselmitglied unseres F&E-Teams, das von Anfang an am Lumineszenzprojekt beteiligt war, zusammen.
Design Thinking nach dem First-Principles-Prinzip trifft auf nutzerzentrierten Ansatz
„Mikroplatten-Reader müssen nicht groß sein“, erklärt Yousef. „Aber Platten-Reader kompakt zu machen, bedeutet nicht einfach nur, Komponenten zu verkleinern; es geht darum, ihre Funktionsweise neu zu überdenken.“ Innovation bei Byonoy bedeutet nicht nur, Bestehendes zu verfeinern – es geht darum, Annahmen zu hinterfragen und von Grund auf neu zu beginnen. Die Entwicklung des Luminescence 96 ist ein Beispiel für diese Philosophie, wobei das Team das First-Principles-Design-Thinking anwandte, um Herausforderungen bis auf ihre Grundlagen zu zerlegen.
"Aber Platten-Reader kompakt zu machen, bedeutet nicht einfach nur, Komponenten zu verkleinern – es geht darum, ihre Funktionsweise neu zu überdenken."
„Wir fragten uns: ‚Was ist die beste Lösung für jede Herausforderung, egal wie unkonventionell sie ist?‘“, erinnert sich Yousef. Diese Denkweise prägte jede Entscheidung, von den ersten Designkonzepten bis zu den fortschrittlichen Funktionen des Luminescence 96.
Darüber hinaus war es für unser Team unerlässlich, ein tiefes Verständnis dafür zu entwickeln, wie Forscher mit dem Reader interagieren, Experimente durchführen und welche technischen Leistungsanforderungen erfüllt werden müssen, um die Bedürfnisse der Forscher zu befriedigen. Um die Bedürfnisse der Forscher bestmöglich zu verstehen, haben wir mit Promega, dem weltweit führenden Anbieter von Lumineszenz-Assay-Kits, zusammengearbeitet.
„Das erfahrene Anwendungsteam von Promega spielte eine entscheidende Rolle bei der rigorosen Prüfung des Geräts in Bezug auf verschiedene Leistungskriterien und der Bereitstellung von Feedback, wie wir es weiter optimieren können, um unseren Benutzern die beste Leistung und Erfahrung zu bieten“, teilt Yousef mit. „Ihre Erkenntnisse bestätigten nicht nur die Fähigkeiten des Readers, sondern stellten auch sicher, dass er die hohen Standards erfüllt, die für eine Vielzahl von Lumineszenz-Assays, die von Forschern verwendet werden, unerlässlich sind.“
Silizium-Photomultiplier: Das Herzstück der Innovation
Die erste Entscheidung unseres Teams während des Entwicklungsprozesses war die Integration einer separaten Detektionseinheit für jede Vertiefung der 96-Well-Platte. „Wir wollten 96 Detektionseinheiten integrieren, um den Scan-Mechanismus zu eliminieren, der typischerweise in konventionellen Readern mit weniger Detektionseinheiten zu finden ist. Dieser Scan-Mechanismus trägt nicht nur zur größeren Bauweise traditioneller Platten-Reader bei, sondern erhöht auch die Komplexität, führt zu einer längeren Messzeit und erfordert mehr Wartung“, erklärt Yousef. Es war jedoch unmöglich, dieses Ziel mit den traditionellen Photomultiplier-Röhren (PMTs) zu erreichen, die üblicherweise in konventionellen Readern verwendet werden, da diese sperrig und ungeeignet sind, 96 PMTs in einem einzigen kompakten Reader zu integrieren.
„Das bedeutete, dass wir andere Sensortechnologien erforschen mussten, die in einen kleinen Formfaktor passen und dennoch eine mit PMTs vergleichbare Leistung liefern konnten“, teilt Sten mit. Unser Team wählte Silizium-Photomultiplier (SiPMs), Detektoren, die für ihre hohe Empfindlichkeit, ihren geringen Stromverbrauch und ihre kompakte Größe bekannt sind. „Obwohl Silizium-Photomultiplier in den letzten zehn Jahren zunehmend in anderen Anwendungen eingesetzt wurden, war ihre Integration in einen Lumineszenz-Platten-Reader noch nie zuvor erfolgt und stellte eine große Herausforderung für unser Team dar.“
Um diese Herausforderung zu meistern, arbeitete unser Expertenteam eng zusammen. Nach umfangreichen Tests und Prototypen gelang es uns, 96 einzelne SiPMs in ein ultrakompaktes Gerät zu integrieren. Dies war der erste Schritt zur Validierung unseres Proof of Concept für einen kompakten Lumineszenz-Platten-Reader. Dies bedeutete, dass unser Design es Forschern ermöglichen konnte, eine ganze Mikroplatte schneller und mit geringerem Wartungsaufwand als herkömmliche Platten-Reader zu messen.
Unkonventionelle Lösung, große Wirkung
Kleine Detektoren? Check! Eine präzise Messung und die Aufrechterhaltung einer hohen Leistung, vergleichbar mit herkömmlichen Lumineszenz-Readern in einem ultrakompakten Gerät, ist jedoch keine leichte Aufgabe – es ist eine Herausforderung, die unkonventionelle Lösungen und mutige Innovationen erfordert!
„Für uns erwies sich eine hohe Dunkelzählrate als das zentrale Hindernis bei der Integration dieser Silizium-Photomultiplier, was die Leistung des Geräts zunächst beeinträchtigte. Aber wir weigerten uns, uns damit zufriedenzugeben“, beschreibt Sten.
Unser Team konzentrierte sich auf einfache, aber wirkungsvolle innovative Ideen, bevor es sich der Komplexität widmete. „Auf der Suche nach einer optimalen Lösung stießen wir auf viele Sackgassen, bis wir auf die Idee eines Verschlussmechanismus kamen“, erinnert sich Sten. „Es war ein entscheidender Moment bei der Verbesserung der Gesamtleistung des Luminescence 96 – wirklich einer dieser ‚AHA!‘-Momente während seiner Entwicklung.“
„Wir haben einen Verschluss mit einem Schachbrettmuster entworfen, um die Lichteinwirkung auf die 96 integrierten Detektoren physisch zu blockieren. Die Steuerung des Verschlusses ermöglichte es uns, das Hintergrundsignal separat zu messen und es vom Gesamtsignal abzuziehen, wodurch eine genauere Detektion des echten Lumineszenzsignals möglich wurde. Dies war von großer Bedeutung, da dieser Ansatz auch Schwankungen wie Temperaturdrift kompensieren kann“, erklärt Sten. „Durch seine Implementierung konnten wir das Hintergrundrauschen drastisch reduzieren und die Empfindlichkeit des Readers weiter verbessern.“
Zusätzlich blockiert der Verschluss auch Licht, das von benachbarten Wells stört, und minimiert so das Übersprechen während der Lumineszenzmessungen. Dies fügte eine weitere Ebene der Messgenauigkeit hinzu und stellte sicher, dass Forscher zuverlässige Ergebnisse erhalten.
Kein Scherz, 8 Dekaden Dynamikbereich
Die Integration des Verschlussmechanismus verbesserte nicht nur die Signalgenauigkeit und -zuverlässigkeit, sondern ebnete auch den Weg für fortschrittliche Funktionen wie die Mikrointegration. „Durch die Integration eines mikrogroßen Nadelloches in das Verschlussdesign verhindert das Gerät effektiv die Sättigung durch hochintensive Proben auf der 96-Well-Platte. Wir haben sogar einen höheren Dynamikbereich als erwartet erreicht – was für eine Freude!“, erklärt Sten mit einem breiten Lächeln.
Um das Potenzial unserer Detektionstechnologie voll auszuschöpfen, führte unser Team drei Auslesemodi ein: Photonenzählung, Integration und Mikrointegration. Zusammen erweiterten diese Modi den Dynamikbereich des Geräts auf beeindruckende acht Dekaden. „Das Luminescence 96 wechselt dynamisch zwischen den drei Auslesemodi je nach Probe und bietet eine unübertroffene Flexibilität für Anwendungen, die von Messungen mit geringer bis hoher Intensität reichen“, erklärt Sten. Dies eliminiert auch den Aufwand der manuellen Einstellung von Verstärkungen und ermöglicht es Forschern, sich weniger um Workflow-Parameter zu kümmern.
"Das Luminescence 96 wechselt dynamisch zwischen den drei Auslesemodi je nach Probe und bietet eine unübertroffene Flexibilität für Anwendungen, die von Messungen mit geringer bis hoher Intensität reichen."
Die Entwicklung des Luminescence 96 war eine Reise voller Herausforderungen und Aufregung. Es bricht mit traditionellen Industriestandards und stellt eine bahnbrechende Innovation im Bereich der Lumineszenz-Platten-Reader dar, indem es 96 einzelne Silizium-Photomultiplier als Detektionseinheiten in einem ultrakompakten Gerät einsetzt. Darüber hinaus zeichnet es sich durch hohe Empfindlichkeit, einen beeindruckenden Dynamikbereich und minimiertes Übersprechen aus, während es Forschern eine hohe Benutzerfreundlichkeit bietet. Luminescence 96 ist ein weiterer Meilenstein, der unser Mantra „Weniger ist mehr“ wahrhaft widerspiegelt und bestätigt.
Persönlicher Lumineszenz-Reader für jedermann
Fortschrittliche Lumineszenz-Reader haben in der Regel einen hohen Preis, der sie für viele Labore unerreichbar macht. Das bedeutet, dass nur zentrale Einrichtungen oder eine Handvoll gut finanzierter Labore sie sich leisten können, was den Zugang einschränkt und Forscher dazu zwingt, sich auf zentrale Einrichtungen zu verlassen oder das Gerät zu teilen. Und wir alle kennen die Herausforderung hier – die langen Wartelisten, um diese Instrumente zu buchen, was zu Verzögerungen und Frustrationen führt, die die Forschung verlangsamen können.
„Bei der Demokratisierung fortschrittlicher Detektionstechnologien ist die Kostenreduzierung einer der Schlüsselfaktoren, denen wir bei der Entwicklung all unserer Produkte Priorität einräumen.“
Das Luminescence 96 hat einen deutlich niedrigeren Preis als herkömmliche Lumineszenz-Platten-Reader. Und die Frage, die unsere Nutzer oft verblüfft, ist, wie wir das Luminescence 96 so erschwinglich gemacht haben. „Bei der Demokratisierung fortschrittlicher Detektionstechnologien ist die Kostenreduzierung einer der Schlüsselfaktoren, denen wir bei der Entwicklung all unserer Produkte Priorität einräumen“, versichert Yousef.
Geleitet vom Prinzip „Keep it simple“ und mit einem tiefen Verständnis dessen, was Forscher wirklich für eine erfolgreiche Lumineszenz-Auslesung benötigen, konzentrierte sich unser Team auf entscheidende Funktionen und vermied die Fallstricke einer Überentwicklung des Designs. Wir nutzten auch unsere etablierten internen Produktionskapazitäten und Fachkenntnisse, die es uns ermöglichten, modernste Methoden zur internen Herstellung einiger Teile einzusetzen. Dies hielt die Produktionskosten niedrig und stellte sicher, dass die Qualität des Geräts unbeeinträchtigt blieb.
Das Luminescence 96 ist mehr als nur ein Produkt; es ist ein Meilenstein in unserer Mission, Labortechnologien neu zu denken. Für uns ging es bei der Revolutionierung des Lumineszenz-Platten-Readers nicht darum, zusätzliche Funktionen hinzuzufügen – es ging darum, sich auf das Wesentliche zu konzentrieren und es in jeder Hinsicht zu verbessern!