DE102020132312A1

DE102020132312A1 - Device for recording microscopy images

Info

Publication number: DE102020132312A1
Application number: DE102020132312.3A
Authority: DE
Inventors: Philipp Paulitschke
Original assignee: Ludwig Maximilians Univ Muenchen Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Ludwig Maximilians Universitaet Muenchen LMU
Current assignee: Phio Scientific De GmbH
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2022-06-09

Abstract

Die Offenbarung betrifft Vorrichtungen zur Aufnahme von Mikroskopie-Bildern einer Probe, welche eine Lichtquelle und einen Bildsensor mit Sensorkopf und Sensorausleseeinrichtung umfassen. Der Sensorkopf und die Lichtquelle sind derart angeordnet, dass der Sensorkopf und die Lichtquelle einen dazwischenliegenden Probenraum zur Aufnahme eines Substrats mit einer Probe definieren. Des Weiteren betrifft die Offenbarung Systeme zur Überwachung einer Probe mit mehreren derartigen Vorrichtungen zur Aufnahme von Mikroskopie-Bildern.The disclosure relates to devices for recording microscopic images of a sample, which include a light source and an image sensor with a sensor head and a sensor readout device. The sensor head and the light source are arranged such that the sensor head and the light source define a sample space therebetween for receiving a substrate with a sample. Furthermore, the disclosure relates to systems for monitoring a sample with a number of such devices for recording microscopy images.

Description

Gebiet der Erfindungfield of invention

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Vorrichtungen zur Aufnahme von Mikroskopie-Bildern, insbesondere linsenlose Mikroskope, sowie Systeme zur Überwachung von Proben, insbesondere von biologischen Zellen.The present invention relates to the field of devices for recording microscopy images, in particular lens-free microscopes, and systems for monitoring samples, in particular biological cells.

Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention

Die Überwachung einer Probe mit biologischen Zellen, insbesondere die Aufzeichnung und Quantifizierung von Zellwachstum oder -mobilität, ist von großer Bedeutung in der Forschung und Entwicklung mit biologischen Zellen. So sollen die Wachstumsbedingungen in einem Experiment mit lebenden Zellen beispielsweise in der Krebsforschung und in einer Studie in der Medikamentenentwicklung reproduzierbar sein, damit Experimente oder Entwicklungen miteinander verglichen werden können.The monitoring of a sample with biological cells, in particular the recording and quantification of cell growth or mobility, is of great importance in biological cell research and development. For example, the growth conditions in an experiment with living cells in cancer research and in a study in drug development should be reproducible so that experiments or developments can be compared with one another.

Im Rahmen der Forschung und Entwicklung befinden sich die biologischen Zellen typischerweise in einer kontrollierten Umgebung, z.B. in einem Inkubationsschrank mit beschränktem Volumen, welche eine Regelung von Temperatur, O2-, CO2-Umgebung/- Gehalt und Luftfeuchtigkeit etc. aufweist. Des Weiteren wird regelmäßig eine große Anzahl von Zellproben parallel kultiviert oder in zellbasierten Experimenten verwendet.In the context of research and development, the biological cells are typically in a controlled environment, e.g. Furthermore, a large number of cell samples are regularly cultivated in parallel or used in cell-based experiments.

Die Überwachung solcher Zellkulturen oder die Experimente mit Zellkulturen erfolgen beispielsweise anhand von Parametern wie Zellwachstum, Morphologie, Zellmobilität, Zellkonfluenz. Anhand dieser Parameter kann erkannt werden, ob der gewünschte Zellzustand schon erreicht wurde oder Unregelmäßigkeiten auftreten und Maßnahmen zur Behebung ergriffen werden müssen, z.B. Erneuerung des Nährmediums, Entsorgen aufgrund von Infektionen, Transfizieren der Zellen, Hinzugeben eines Wirkstoffes oder Splitten von Zellen, oder eine Kombination des VorstehendenSuch cell cultures are monitored or experiments with cell cultures are carried out, for example, using parameters such as cell growth, morphology, cell mobility and cell confluency. These parameters can be used to identify whether the desired cell condition has already been reached or whether irregularities are occurring and corrective measures need to be taken, e.g. replacing the culture medium, discarding due to infections, transfecting the cells, adding an active ingredient or splitting cells, or a combination of the foregoing

Die Überwachung der Zellkulturen erfolgt regelmäßig manuell, d.h. durch Öffnung des Inkubators, Entnahme der Zellkultur, Platzieren der Zellkultur unter einem Mikroskop, Inaugenscheinnahme durch einen erfahrenen Labormitarbeiter und Dokumentation der wesentlichen Parameter.The cell cultures are regularly monitored manually, i.e. by opening the incubator, removing the cell culture, placing the cell culture under a microscope, visual inspection by an experienced laboratory employee and documentation of the essential parameters.

Eine solche Überwachung weist eine Reihe von Nachteilen auf, unter Anderem, dass die kontrollierten Wachstumsbedingungen durch Entnahme aus dem Inkubator gestört werden, dass Untersuchungen nur zu wenigen Zeitpunkten möglich sind und stichprobenartig verlaufen und dass die Quantifizierung der Parameter subjektiven Eindrücken des Labormitarbeiters unterliegt und damit die Reproduzierbarkeit durch verschiedenen Nutzern begrenzt ist.Such monitoring has a number of disadvantages, including that the controlled growth conditions are disturbed by removal from the incubator, that investigations are only possible at a few points in time and are random and that the quantification of the parameters is subject to subjective impressions of the laboratory worker and thus the Reproducibility by different users is limited.

Es besteht ein Bedarf an Vorrichtungen und Systemen zur automatisierten kontinuierlichen Überwachung von Zellkulturen, welche in den verwendeten Inkubator-Schränken eine Parallelisierung von Kultivierung bzw. Versuchen erlauben, objektive Ergebnisse liefern und ohne negativen Einfluss auf die Zellkulturbedingungen, insbesondere die Temperatur und die Umgebungsbedingungen, eingesetzt werden können.There is a need for devices and systems for the automated continuous monitoring of cell cultures, which allow cultivation or experiments to be carried out in parallel in the incubator cabinets used, deliver objective results and are used without negatively affecting the cell culture conditions, in particular the temperature and the environmental conditions can become.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gegenüber den genannten und anderen Nachteilen verbesserte Systeme zur Überwachung von Proben, insbesondere biologischen Zellen, sowie Vorrichtungen zur Aufnahme von Mikroskopie-Bildern bereitzustellen.Against this background, it is the object of the present invention to provide systems for monitoring samples, in particular biological cells, and devices for recording microscopy images which are improved compared to the disadvantages mentioned and other.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Diese Aufgabe wird gelöst durch Vorrichtungen und Systeme gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Die abhängigen Ansprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen.This object is solved by devices and systems according to the independent claims. The dependent claims describe preferred embodiments.

In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Aufnahme von Mikroskopie-Bildern. Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle und einen Bildsensor. Der Bildsensor umfasst einen Sensorkopf und eine Sensorausleseeinrichtung, wobei der Sensorkopf und die Lichtquelle derart voneinander beabstandet angeordnet sind, dass Sensorkopf und Lichtquelle einen dazwischenliegenden Probenraum zur Aufnahme eines Substrats mit einer Probe, im Folgenden Probenraum, definieren.In a first aspect, the invention relates to a device for recording microscopy images. The device includes a light source and an image sensor. The image sensor comprises a sensor head and a sensor readout device, the sensor head and the light source being arranged at a distance from one another in such a way that the sensor head and light source define a sample space in between for receiving a substrate with a sample, hereinafter the sample space.

Ferner können der Sensorkopf und die Lichtquelle derart angeordnet sein, dass eine optische Abbildung einer Probe (z.B. der Zellen, Zellcluster, Sphäroide, Mikrokolonien oder dergleichen) in dem Probenraum durch die Lichtquelle auf den Sensorkopf ein Intensitätsmuster darstellt.Furthermore, the sensor head and the light source can be arranged such that optical imaging of a sample (e.g. the cells, cell clusters, spheroids, microcolonies or the like) in the sample space by the light source onto the sensor head presents an intensity pattern.

Die Probe kann etwa Objekte oder Lebewesen aufweisen, welche optisch transparent, halbtransparent oder opak sind und wobei jedes Objekt/Lebewesen ab von 1 µm (Mikrometer), bevorzugt im Bereich von 5 bis 50 µm (Mikrometer) misst. Bei der Probe kann es sich insbesondere um biologische Zellen handeln, beispielsweise um Epithel-Zellen (z.B. HeLa-Zellen), Fibroblasten-Zellen (z.B. 3T3-Zellen), oder Karzinom-Zelllinien (z.B. HuH7-Zellen oder A549-Zellen); oder um Ansammlungen von Zellen (Sphäroide, Cluster).For example, the sample may include objects or beings that are optically transparent, semi-transparent, or opaque, and each object/being is as small as 1 µm (micron), preferably in the range of 5 to 50 µm (micron). In particular, the sample can be biological cells, for example epithelial cells (e.g. HeLa cells), fibroblast cells (e.g. 3T3 cells), or carcinoma cell lines (e.g. HuH7 cells or A549 cells); or around collections of cells (spheroids, clusters).

In einem Aspekt der Erfindung kann die Sensorausleseeinrichtung vom Sensorkopf beabstandet angeordnet sein. Dabei ist der Abstand zwischen den Bauteilen so ausgelegt, dass sich der Probenraum zur Aufnahme der Probe nicht oder im Wesentlichen nicht durch den Betrieb der Bauteile erwärmt. Somit wird die Probe von der Abwärme der Sensorausleseeinrichtung (insbesondere deren Elektronik) nicht beeinflusst. Durch eine derartige Anordnung wird ermöglicht, dass der Sensorkopf in unmittelbarer Nähe von biologischen Zellen betrieben werden kann, ohne z.B. die biologischen Zellen durch Abwärme der Sensorausleseeinrichtung zu beeinträchtigen. In konventionellen Sensoren sind die Sensorausleseeinrichtung und der Sensorkopf hingegen benachbart zueinander angeordnet.In one aspect of the invention, the sensor readout device may be spaced apart from the sensor head. The distance between the components is designed in such a way that the sample chamber for receiving the sample does not or essentially does not heat up as a result of the operation of the components. Thus, the sample is not affected by the waste heat from the sensor readout device (in particular its electronics). Such an arrangement makes it possible for the sensor head to be operated in the immediate vicinity of biological cells without, for example, impairing the biological cells through waste heat from the sensor readout device. In conventional sensors, on the other hand, the sensor readout device and the sensor head are arranged adjacent to one another.

Die Lichtquelle kann in manchen Ausführungsformen eine partiell kohärente Lichtquelle, insbesondere eine licht-emittierende Diode (LED) sein. Durch die partielle Kohärenz der Lichtquelle kann einerseits sichergestellt werden, dass - im Gegensatz zu einer nichtkohärenten Lichtquelle - die optische Abbildung der Probe auf den Sensorkopf ein Intensitätsmuster darstellt (welches - anders als bei einer kohärenten Lichtquelle - nicht holographisch rekonstruiert werden muss) und dass - im Vergleich zu einer kohärenten Lichtquelle - eine erleichterte und günstigere Herstellung bei kompakteren Abmessungen, nicht-invasiver Benutzung (z.B. durch Strahlenbelastung oder Phototoxizität) und geringerer Wärmeentwicklung erreicht wird. Je nach Ausführungsform kann die Vorrichtung eine oder mehrere Lichtquellen oder verschiedene spektrale Spektren umfassen. Ferner kann es sich bei der Lichtquelle auch um einen Ausgang einer Glasfaser handeln, welche das Licht leitet.In some embodiments, the light source can be a partially coherent light source, in particular a light-emitting diode (LED). The partial coherence of the light source can ensure on the one hand that - in contrast to a non-coherent light source - the optical imaging of the sample onto the sensor head represents an intensity pattern (which - unlike with a coherent light source - does not have to be holographically reconstructed) and that - compared to a coherent light source - easier and cheaper production with more compact dimensions, non-invasive use (e.g. due to radiation exposure or phototoxicity) and lower heat generation is achieved. Depending on the embodiment, the device can include one or more light sources or different spectral spectra. Furthermore, the light source can also be an output of a glass fiber, which guides the light.

In manchen Ausführungsformen sind die Lichtquelle und der Sensorkopf so angeordnet, dass sie für eine linsenlose Bildgebung eingerichtet sind. Insbesondere können sie so angeordnet sein, dass sie für eine linsenlose Mikroskopie eingerichtet sind, deren Sensordaten keine Transformation oder Rückberechnung benötigen, sondern als Bilddaten direkt verwendet werden können. Dies spart Rechenleistung, da keine Berechnungsschritte notwendig sind. Zudem erleichtert die Verwendung von linsenloser Bildgebung das Erzielen von stabilen Bildserien selbst in Langzeitexperimenten, da keine (Rekonstruktions-) Fokusebene benötigt wird, beispielsweise um die Bilddaten holographisch zu entschlüsseln. Des Weiteren werden - im Gegensatz zu in-line-Holographie-basierten Ansätzen, in denen Artefakte wie „twin images“ zu entfernen sind - nicht pro zeitlichem Messpunkt mehrere Bildserien mit unterschiedlichen Wellenlängen oder Abstandsvarianten benötigt. Damit sind für eine einzelne Abbildung keine weiteren Lichtquellen oder mechanisch verfahrbaren oder beweglichen Komponenten (z.B. um die Probe, den Sensor oder die Lichtquelle zu bewegen) notwendig. Eine linsenlose Bildgebung ermöglicht also eine kompakte Bauweise, sodass der Innenraum eines Inkubators effizient genutzt werden kann, und eine weitere Reduzierung des Wärmeintrags in den Inkubator.In some embodiments, the light source and sensor head are arranged to be configured for lensless imaging. In particular, they can be arranged in such a way that they are set up for lensless microscopy, the sensor data of which do not require any transformation or back calculation, but can be used directly as image data. This saves computing power, since no calculation steps are necessary. In addition, the use of lensless imaging makes it easier to achieve stable image series even in long-term experiments, since no (reconstruction) focal plane is required, for example to holographically decode the image data. Furthermore - in contrast to in-line holography-based approaches, in which artefacts such as "twin images" have to be removed - several image series with different wavelengths or distance variants are not required per temporal measurement point. This means that no additional light sources or mechanically movable or moveable components (e.g. to move the sample, the sensor or the light source) are required for a single image. Lensless imaging thus enables a compact design, so that the interior of an incubator can be used efficiently, and a further reduction in the heat input into the incubator.

Bevorzugt ist hierzu zwischen der Lichtquelle und dem Bildsensor keine Linse angeordnet. Unter dem Begriff Linse soll zum Zwecke der Beschreibung der vorliegenden Erfindung eine optische Komponente verstanden werden, welche eine Lichtbrechung und/oder eine Lichtbündelung erlaubt. Bevorzugt werden lebende Zellen, selbst wenn sie Lichtbrechung oder Lichtbündelung verursachen könnten, nicht als optische Komponente angesehen. Filter, die eine selektive Transmission oder Reflexion zulassen, sollen von dem Begriff „Linse“ nicht umfasst sein.For this purpose, no lens is preferably arranged between the light source and the image sensor. For the purpose of describing the present invention, the term lens should be understood to mean an optical component which allows light to be refracted and/or light bundled. Preferably, living cells, even if they could cause light refraction or light concentration, are not considered an optical component. Filters that allow selective transmission or reflection should not be included in the term "lens".

Insbesondere ist in manchen Ausführungsformen keine Linse zwischen der Lichtquelle und dem Probenraum und/oder zwischen dem Sensorkopf und dem Probenraum angeordnet. Zudem oder alternativ sind in dem Probenraum keine Linse und/oder keine optische Komponente, welche die optische Kohärenz des Lichts der Lichtquelle beeinflussen, angeordnet.In particular, in some embodiments no lens is arranged between the light source and the sample space and/or between the sensor head and the sample space. In addition or as an alternative, no lens and/or no optical components that influence the optical coherence of the light from the light source are arranged in the sample space.

Bei der linsenlosen Bildgebung werden kompakte Abmessungen ermöglicht, denn die Mindestbauhöhe wird in diesen Fällen nicht durch eine Linse und insbesondere deren Brennweite bestimmt. Stattdessen kann eine geringe Bauhöhe erreicht werden. Eine geringe Bauhöhe ist vorteilhaft insbesondere angesichts des knappen Raumangebots in Inkubator-Schränken und angesichts der gewünschten Parallelisierung der Überwachung. So ermöglicht eine geringe Bauhöhe eine Stapelung von mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen.Compact dimensions are made possible with lens-free imaging, because the minimum overall height in these cases is not determined by a lens and in particular its focal length. Instead, a low overall height can be achieved. A low overall height is advantageous, particularly in view of the limited space available in incubator cabinets and in view of the desired parallel monitoring. A low overall height allows stacking of several devices according to the invention.

In einem Aspekt der Erfindung kann der Abstand der Sensorausleseeinrichtung von dem Sensorkopf derart sein, dass sich der Probenraum im Betrieb der Sensorausleseeinrichtung durch den Betrieb im Wesentlichen nicht erwärmt. Bevorzugt liegt die Erwärmung des Probenraums während des Betriebs einer (oder mehrerer) Vorrichtungen bei weniger als 1°C, bevorzugt weniger als 0,1°C. Beispielsweise kann der Abstand mehr als 1 cm betragen, bevorzugt mehr als 5, 10 oder 100 cm. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Abstand derart ist, dass der Sensorkopf dazu eingerichtet ist, in einem Inkubatorschrank angeordnet zu werden und die Sensorausleseeinrichtung dazu eingerichtet ist, außerhalb des Inkubatorschranks angeordnet zu werden. In anderen Ausführungsformen kann sich die Sensorausleseeinrichtung in einem Inkubatorschrank befinden. In manchen Ausführungsformen kann der Abstand in Abhängigkeit der elektrischen Leistung des Sensors vorbestimmt sein.In one aspect of the invention, the distance between the sensor readout device and the sensor head can be such that the sample chamber does not essentially heat up during operation of the sensor readout device. The heating of the sample chamber during the operation of one (or more) devices is preferably less than 1°C, preferably less than 0.1°C. For example, the distance can be more than 1 cm, preferably more than 5, 10 or 100 cm. This can be achieved, for example, by the distance being such that the sensor head is set up to be arranged in an incubator cabinet and the sensor readout device is set up to be arranged outside of the incubator cabinet. In other embodiments, the sensor readout device may be located in an incubator cabinet. In some embodiments, the distance depending be predetermined by the electrical power of the sensor.

Des Weiteren kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, dass die Sensorausleseeinrichtung in einer zeitlichen Abfolge an- bzw. ausgeschaltet wird. Als digitale Schaltung kann beispielsweise ein Multiplexer, MOSFET, schaltbarer USB-Hub oder Relais vorgesehen sein. Insbesondere kann die Sensorausleseeinrichtung in einer Taktfolge angeschaltet werden, welche der gewünschten Überwachungsfrequenz oder Sampling-Rate entspricht. Je nach Zellkultur kann eine Bestimmung der wesentlichen Wachstums- oder Mobilitätsparameter ein Mal pro Sekunde, Minute, Stunde oder Tag, oder einem Vielfachen davon geschehen. Beispielsweise kann eine Überwachung jede Minute, jede zwei Minuten, jede fünf Minuten oder jede zehn Minuten geschehen. Durch ein solches selektives Anschalten der Sensorausleseeinrichtung zu bestimmten Zeitpunkten wird der Wärmeeintrag in den Inkubator geringgehalten. Die Sensorausleseeinrichtung erzeugt somit keine Wärme während Zeiten, in denen sie keine Bilder aufnimmt oder den Bildsensor ausliest. Gleiches gilt für den Sensorkopf.Furthermore, the device can be set up so that the sensor readout device is switched on and off in a chronological sequence. A multiplexer, MOSFET, switchable USB hub or relay can be provided as a digital circuit, for example. In particular, the sensor readout device can be switched on in a clock sequence which corresponds to the desired monitoring frequency or sampling rate. Depending on the cell culture, the essential growth or mobility parameters can be determined once per second, minute, hour or day, or a multiple thereof. For example, monitoring can occur every minute, every two minutes, every five minutes, or every ten minutes. The heat input into the incubator is kept low by such a selective switching on of the sensor readout device at specific points in time. The sensor readout device thus generates no heat during times when it is not capturing images or reading the image sensor. The same applies to the sensor head.

Des Weiteren kann die Vorrichtung eine passive Kühlung umfassen. Beispielsweise kann die Sensorausleseeinrichtung an einer von dem Sensorkopf abgewandten oder zugewandten Seite ein wärmeleitendes Material aufweisen. Insbesondere kann die Vorrichtung ohne aktive Kühlung auskommen. Dies erleichtert eine kompakte Bauweise und vermindert die Entstehung von Temperaturgradienten.Furthermore, the device can include passive cooling. For example, the sensor readout device can have a thermally conductive material on a side facing away from or facing the sensor head. In particular, the device can do without active cooling. This facilitates a compact design and reduces the formation of temperature gradients.

Das Intensitätsmuster stellt ein Muster von (lokalen) Intensitätsmaxima und Intensitätsminima dar. Es kann beispielsweise ein Brechungs-, Absorptions-, Abschattungs-, Beugungs- oder Interferenzmuster sein, welches durch Brechung an der Probe, insbesondere verursacht durch eine einzelne Zelle, welche auch als („lebende“) Mikrolinse fungiert, verursacht wird. Bevorzugt können hierzu Proben verwendet werden, deren Oberfläche gekrümmt ist und/oder deren Volumen einen anderen Brechungsindex aufweist als das sie umgebende Medium.The intensity pattern represents a pattern of (local) intensity maxima and intensity minima. It can be, for example, a refraction, absorption, shadowing, diffraction or interference pattern, which is caused by refraction on the sample, in particular by a single cell, which is also known as ("living") microlens functions, is caused. Samples can preferably be used for this purpose, the surface of which is curved and/or the volume of which has a different refractive index than the medium surrounding it.

Das Intensitätsmuster stellt keine reale/photographisch korrekte Abbildung der Probe dar, da dafür optischen Baugruppen wie Abbildungslinsen notwendig sind. Es erscheint dem menschlichen Auge im Vergleich zu normalen mikroskopischen Bildern vielmehr als ein Bild mit ungewohnten Intensitätsverläufen, welches jedoch - im Vergleich zu einer holographischen Abbildung - selbst bei höheren Zelldichten unter anderem eine direkte und eindeutige Zuordnung der Zellen erlaubt und Informationen wie Morphologie der Zellen enthält. Eine direkte Zuordnung zu einer echten Abbildung ist möglich, da alle Informationen enthalten sind und eine räumliche Abgrenzung zum Hintergrund (in der Regel Bereiche ohne Zellen) eindeutig möglich ist. Die Optik und die Auswertealgorithmen sind so ausgelegt, dass daraus eine Quantifizierung der relevanten Zellparameter vorgenommen werden kann.The intensity pattern does not represent a real/photographically correct image of the sample, since optical assemblies such as imaging lenses are required for this. Compared to normal microscopic images, it appears to the human eye as an image with unusual intensity gradients, which, however - compared to a holographic image - even with higher cell densities allows, among other things, a direct and clear assignment of the cells and contains information such as the morphology of the cells . A direct assignment to a real image is possible, since all information is contained and a spatial delimitation from the background (usually areas without cells) is clearly possible. The optics and the evaluation algorithms are designed in such a way that the relevant cell parameters can be quantified.

Hierzu ist es vorteilhaft, wenn das Intensitätsmuster eines einzelnen Objekts / einer einzelnen Zelle möglichst wenige, z.B. zwei, Intensitäts-Extrema, beispielsweise ein (lokales) Intensitätsmaximum und ein (lokales) Intensitätsminimum, aufweist. Die Intensitäts-Extrema sind zudem räumlich möglichst lokalisiert. Mit einem Intensitätsmaximum wird unter anderem ein Bereich konstruktiver Interferenz und/oder einer erhöhten Intensität aufgrund der Lichtbündelung/-brechung durch eine Zelle bezeichnet. Mit einem Intensitätsminimum wird unter anderem ein Bereich destruktiver Interferenz und dementsprechend verringerter Intensität bezeichnet bzw. der Abschattung des Lichtes durch z.B. die Zelle/n.For this purpose it is advantageous if the intensity pattern of an individual object/an individual cell has as few as possible, e.g. two, intensity extremes, for example a (local) intensity maximum and a (local) intensity minimum. In addition, the intensity extremes are spatially localized as far as possible. An intensity maximum refers, among other things, to a region of constructive interference and/or an increased intensity due to the bundling/refraction of light by a cell. Among other things, an intensity minimum refers to an area of destructive interference and correspondingly reduced intensity or the shadowing of the light by e.g. the cell/s.

Dies erlaubt, dass einerseits ein hoher räumlicher Kontrast (durch die Unterscheidung zwischen einem lokalen Intensitätsmaximum und einem lokalen Intensitätsminimum) erreicht wird. Andererseits verringert die relativ geringe Anzahl von Intensitäts-Extrema gleichzeitig die von einem Objekt/einer Zelle beeinflusste Bildfläche, sodass auch bei hohe Objekt-/Zelldichten die einzelnen Objekte/Zellen identifizierbar bleiben.On the one hand, this allows a high spatial contrast (through the distinction between a local intensity maximum and a local intensity minimum) to be achieved. On the other hand, the relatively small number of intensity extremes simultaneously reduces the image area affected by an object/cell, so that the individual objects/cells remain identifiable even with high object/cell densities.

Die Verwendung einer partiell kohärenten Lichtquelle erlaubt es, dass ein einzelnes Objekt (Zelle oder Zellcluster) möglichst wenige (z.B. zwei) Intensitäts-Extrema aufweist, bei gleichzeitig hohem Kontrast zum Hintergrund.The use of a partially coherent light source allows a single object (cell or cell cluster) to have as few (e.g. two) intensity extremes as possible, while at the same time having a high contrast to the background.

Insbesondere kann hierzu eine Kohärenzlänge der Lichtquelle derart vorbestimmt sein, dass das Intensitätsmuster einer Probe (insbesondere einer Zelle) in dem Probenraum ein oder mehrere lokale Intensitäts-Extrema aufweist. Beispielsweise kann die Kohärenzlänge zwischen 1 und 100 µm, bevorzugt zwischen 5 und 50 µm, betragen.In particular, a coherence length of the light source can be predetermined for this purpose in such a way that the intensity pattern of a sample (in particular a cell) in the sample space has one or more local intensity extremes. For example, the coherence length can be between 1 and 100 μm, preferably between 5 and 50 μm.

Alternativ oder zusätzlich kann eine spektrale Breite der Lichtquelle derart vorbestimmt sein, dass das Intensitätsmuster einer Probe (insbesondere einer Zelle) in dem Probenraum ein oder mehrere lokale Intensitäts-Extrema aufweist. Beispielsweise kann die spektrale Breite zwischen 5 und 50 nm, bevorzugt zwischen 20 und 40 nm, betragen. Die spektrale Breite ist in diesem Zusammenhang als volle Breite bei halbem Maximum (engl. Full Width Half Maximum, FWHM) definiert.Alternatively or additionally, a spectral width of the light source can be predetermined in such a way that the intensity pattern of a sample (in particular a cell) in the sample space has one or more local intensity extremes. For example, the spectral width can be between 5 and 50 nm, preferably between 20 and 40 nm. In this context, spectral width is defined as Full Width Half Maximum (FWHM).

Alternativ oder zusätzlich kann hierzu ein Divergenzwinkel der Lichtquelle derart vorbestimmt sein, dass das Intensitätsmuster einer Probe in dem Probenraum ein oder mehrere lokale Intensitäts-Extrema aufweist. Beispielsweise kann der Divergenzwinkel zwischen 0 und 5 Grad betragen.Alternatively or additionally, a divergence angle of the light source can be predetermined in such a way that the intensity pattern of a sample in the sample space has one or more local intensity Ext has rema. For example, the divergence angle can be between 0 and 5 degrees.

In einem Aspekt der Erfindung kann die Vorrichtung ferner einen oder mehrere zwischen der Lichtquelle und dem Sensorkopf angeordnete Filter umfassen. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen oder mehrere Fluoreszenzfilter, Polarisationsfilter und/oder Neutrale-Dichte-Filter handeln. Es kann sich insbesondere um Bandpass-, Lowpass- oder Highpass-Filter handeln. Insbesondere kann der Filter direkt auf dem Sensorkopf angebracht (z.B. aufgedampft) sein. Bevorzugt sind zwischen Lichtquelle und Sensor keine Filter angeordnet, die die räumliche und zeitliche Kohärenz beeinflussen.In one aspect of the invention, the device may further include one or more filters positioned between the light source and the sensor head. For example, this can involve one or more fluorescence filters, polarization filters and/or neutral density filters. In particular, it can be a bandpass, lowpass or highpass filter. In particular, the filter can be attached (e.g. vapour-deposited) directly to the sensor head. Preferably, no filters that affect the spatial and temporal coherence are arranged between the light source and the sensor.

Fluoreszenzfilter, typischerweise bestehend aus einem Anregungsfilter zwischen Lichtquelle und Probe sowie einem Emissionsfilter zwischen Probe und Sensorkopf, können dazu dienen (linsenlose) Fluoreszenzbilder der Probe aufzunehmen.Fluorescence filters, typically consisting of an excitation filter between the light source and the sample and an emission filter between the sample and the sensor head, can be used to record (lensless) fluorescence images of the sample.

Beispielsweise kann ein Filter auf den Sensorkopf aufgebracht sein. So kann beispielsweise durch einen aufgedampften Infrarot-Filter die Wärmestrahlung des Sensorkopfes in den Probenraum geringgehalten werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei einer offenen Bauweise der Vorrichtung, d.h. dass keine vollständige Umhausung der Vorrichtung notwendig ist. Eine offene Bauweise ermöglicht einen beschleunigten, passiven Gasaustausch (Feuchtigkeit, Sauerstoff, Kohlendioxid, etc.) und macht aktive Gasaustauschvorrichtungen wie Lüfter überflüssig. Dies erleichtert eine kompakte Bauweise und beschleunigt den Wärmeaustausch der Probe mit der Umgebung. Einer Erwärmung und Temperaturanpassung des Probenraums wird entgegengewirkt.For example, a filter can be applied to the sensor head. For example, the heat radiation from the sensor head into the sample chamber can be kept low by using a vapor-deposited infrared filter. This is particularly advantageous with an open design of the device, i.e. the device does not need to be completely enclosed. An open design enables accelerated, passive gas exchange (moisture, oxygen, carbon dioxide, etc.) and eliminates the need for active gas exchange devices such as fans. This facilitates a compact design and accelerates the heat exchange between the sample and the environment. A warming and temperature adjustment of the sample space is counteracted.

Des Weiteren kann ein aufgedampfter Filter den Einfluss von Umgebungslicht (z.B. bei Öffnung einer Inkubatortür) minimieren. Bevorzugt kann hierfür ein ND-Filter verwendet werden.Furthermore, a vacuum-coated filter can minimize the influence of ambient light (e.g. when an incubator door is opened). An ND filter can preferably be used for this.

In manchen Ausführungsformen der Vorrichtung ist der Sensorkopf ein CMOS-Sensor (CMOS steht hierbei für Komplementärer Metalloxid-Halbleiter) oder ein CCD-Sensor. Wenngleich der Sensorkopf beispielsweise für jedes Pixel/jede Photodiode eine Mikrolinse aufweisen kann, so ist eine solche Kombination aus Photodiode und Mikrolinse auch für eine „linsenlose“ Bildgebung geeignet. Die unmittelbar auf jeder Photodiode angeordneten Mikrolinsen sind demnach nicht von dem Verbot einer Linsenanordnung zwischen der Lichtquelle und dem Sensorkopf erfasst. Die Mikrolinse gilt insoweit als dem Sensorkopf zugeordnet.In some embodiments of the device, the sensor head is a CMOS sensor (CMOS stands for Complementary Metal Oxide Semiconductor) or a CCD sensor. For example, although the sensor head may have a microlens for each pixel/photodiode, such a combination of photodiode and microlens is also suitable for “lensless” imaging. The microlenses arranged directly on each photodiode are therefore not covered by the ban on a lens arrangement between the light source and the sensor head. In this respect, the micro lens is considered to be assigned to the sensor head.

In manchen Ausführungsformen ist der Probenraum dazu eingerichtet ein Behältnis für biologische Zellen, insbesondere Zellwachstums-Flasks, Petrischalen oder Zellwachstums-Plates, aufzunehmen. Das Behältnis kann ein Kompartiment zur Aufnahme einer Zellkultur oder mehrere Kompartimente zur Aufnahme von mehreren Zellkulturen aufweisen.In some embodiments, the sample space is set up to accommodate a container for biological cells, in particular cell growth flasks, petri dishes or cell growth plates. The container can have one compartment for accommodating a cell culture or multiple compartments for accommodating multiple cell cultures.

Die Kultivierung von biologischen Zellen oder die Durchführung von Experimenten mit Zellen kann in besonderem Maße temperaturempfindlich sein. Dies beginnt bereits beim Absetzen (oder Sedimentieren) der Zellen, d.h. zum Beispiel bevor diese adhärieren. Temperaturgradienten können zu Konvektionsströmungen führen, sodass das Sedimentieren stark beeinträchtigt wird und dessen Gleichmäßigkeit beeinträchtigt ist. Zudem können beim späteren Wachstum der Zellen im Behältnis Wärme- oder Temperaturgradienten die Migration, das Teilungsverhalten oder die Nährstoffversorgung verändern.The cultivation of biological cells or the implementation of experiments with cells can be particularly sensitive to temperature. This begins as soon as the cells settle (or sediment), i.e. before they adhere, for example. Temperature gradients can lead to convection currents, so sedimentation is severely affected and its uniformity is affected. In addition, during later growth of the cells in the container, heat or temperature gradients can change the migration, the division behavior or the nutrient supply.

Vor diesem Hintergrund kann die Vorrichtung in einem Aspekt der Erfindung ferner ein Auflageelement umfassen, welches dazu eingerichtet ist, eine Probe (z.B. ein Behältnis mit biologischen Zellen) auf einer Auflagefläche des Auflageelements zu tragen und den Sensorkopf aufzunehmen. Dies erlaubt eine konstante Wärmeverteilung über die Auflagefläche. Hierzu kann insbesondere die Wärmekapazität und/oder die Wärmeleitfähigkeit und/oder der Emissionsgrad des Auflageelements so vorbestimmt sein, dass sie gleich bzw. homogen über die gesamte Kontaktfläche mit dem Probenbehältnis ist.Against this background, in one aspect of the invention, the device can further comprise a support element which is set up to carry a sample (e.g. a container with biological cells) on a support surface of the support element and to accommodate the sensor head. This allows a constant heat distribution over the contact surface. For this purpose, in particular the heat capacity and/or the thermal conductivity and/or the emissivity of the support element can be predetermined in such a way that it is the same or homogeneous over the entire contact surface with the sample compartment.

Beispielsweise kann das Auflageelement einen ersten Teilbereich zur Aufnahme des Sensorkopfes umfassen und einen zweiten Teilbereich umfassen. Die Wärmeleitfähigkeit (k in W/(m*K)) und/oder Wärmekapazität (C in J/K) und/oder Emissionsgrad (ε in %) des zweiten Teilbereichs kann so bestimmt sein, dass sie im Wesentlichen identisch zu der Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmekapazität des ersten Teilbereichs nach Aufnahme des Sensorkopfes ist. Lebende Zellen oder andere Proben werden durch Temperaturunterschiede beeinflusst. Wenn der Sensorkopf relativ zur Probe wärmer oder kälter ist, werden die Zellen entweder über diesem gesammelt, oder verdrängt. Eine im Wesentlichen identische Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmekapazität führt dazu, dass sich die Probe gleichmäßig über die gesamte Probe erwärmt (z.B. beim Einsetzen der kühleren Probe in den Inkubator) oder gar nicht erwärmt (z.B. beim Generieren von Bildern), sodass es solche Sammel- oder Verdrängungseffekte vermieden oder reduziert werden.For example, the support element can include a first sub-area for accommodating the sensor head and a second sub-area. The thermal conductivity (k in W/(m*K)) and/or heat capacity (C in J/K) and/or emissivity (ε in %) of the second partial area can be determined in such a way that they are essentially identical to the thermal conductivity or .Heat capacity of the first portion after picking up the sensor head. Living cells or other samples are affected by temperature differences. When the sensor head is warmer or colder relative to the sample, the cells are either collected over it or displaced. A substantially identical thermal conductivity or heat capacity means that the sample heats up evenly over the entire sample (e.g. when inserting the cooler sample into the incubator) or does not heat up at all (e.g. when generating images), so that there are such collection or Displacement effects can be avoided or reduced.

Die Auflagefläche kann zudem für die Positionierung des Behältnisses eingerichtet sein, z.B. indem sie ein Profil aufweist, welches an die Form (z.B. die Umrisse oder die Grundfläche) des Behältnisses angepasst ist. Die Anpassung ist so ausgelegt, dass der Behälter auf den Millimeter, bevorzugt auf 100 µm genau positioniert wird. So kann durch einfaches Aufsetzen des Behältnisses auf die Auflagefläche eine reproduzierbare und dauerhafte Positionierung erfolgen. So kann das Probenbehältnis etwa nach einer Entnahme wieder in die gleiche Position relativ zu dem Sensorkopf gebracht werden. Ferner wird ein Verrutschen über die Dauer eines Langzeitexperiments verringert. Dies ermöglicht zudem eine kompakte Anordnung der Vorrichtungen, wie beispielsweise eine Stapelung.The support surface can also be set up for positioning the container, for example by having a profile which is adapted to the shape (for example the outline or the base) of the container. The adjustment is like this specifies that the container is positioned to the millimeter, preferably to 100 microns. By simply placing the container on the support surface, reproducible and permanent positioning can take place. In this way, the sample container can be brought back into the same position relative to the sensor head after it has been removed. Furthermore, slipping over the duration of a long-term experiment is reduced. This also enables a compact arrangement of the devices, such as stacking.

Zudem können die Vorrichtungen ebenfalls mit ineinandergreifenden Elementen (wie z.B. Nut/Federn) und/oder mit magnetischen Elementen ausgestattet sein, um die Vorrichtungen selbst über- oder nebeneinander platzieren zu können, ohne dass sie sich relativ zueinander verschieben oder voneinander fallen können.Additionally, the devices may also be provided with interlocking elements (such as tongues/grooves) and/or magnetic elements to allow the devices themselves to be placed on top of or next to each other without the possibility of them shifting relative to one another or falling apart.

In einem Aspekt der Erfindung kann der Sensorkopf und/oder die Lichtquelle beweglich gegenüber dem Probenraum zur Aufnahme des Substrats und/oder gegenüber der Lichtquelle sein. Insbesondere kann er bzw. können sie in einer Ebene verfahrbar sein, die im Wesentlichen parallel zu dem aufzunehmenden Substrat (und/oder im Wesentlichen senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung des Lichts aus der Lichtquelle) verläuft. Hierdurch können auf engem Raum mehrere Behälter in die Tiefe des Inkubators eingelegt werden. Eine Motorisierung des Sensorkopfes (oder auch des Behälters) ist ebenfalls möglich, womit eine Probe abgerastert werden kann, um eine Überwachung einer Zellkultur an verschiedenen Stellen der Zellkultur zu überwachen. Dies ermöglicht beispielsweise eine Überwachung der Homogenität einer Zellkultur.In one aspect of the invention, the sensor head and/or the light source can be movable relative to the sample space for receiving the substrate and/or relative to the light source. In particular, it or they can be movable in a plane that runs essentially parallel to the substrate to be held (and/or essentially perpendicular to the propagation direction of the light from the light source). This means that several containers can be placed in the depth of the incubator in a confined space. A motorization of the sensor head (or also of the container) is also possible, with which a sample can be scanned in order to monitor a cell culture at different points of the cell culture. This makes it possible, for example, to monitor the homogeneity of a cell culture.

Alternativ oder zusätzlich ermöglicht es die Abrasterung, ein Behältnis abzurastern, welches mehrere Kompartimente (z.B. ein Multi-well-Behältnis) mit mehreren verschiedenen Zellkulturen oder Messkonzentrationen, z.B. Wirkstoffkonzentrationen, enthält. So kann eine einzelne Vorrichtung zur Überwachung mehrerer verschiedener Zellkulturen oder Zellexperimente genutzt werden. Dies dient dazu, die Anzahl von Komponenten, die einen Wärmeeintrag verursachen könnten, in einem Inkubator zu verringern und die Kompaktheit zu erhöhen (durch beispielweise eine Reduzierung einer Verfahrachse).Alternatively or additionally, the scanning makes it possible to scan a container that contains several compartments (e.g. a multi-well container) with several different cell cultures or measurement concentrations, e.g. active substance concentrations. A single device can be used to monitor several different cell cultures or cell experiments. This serves to reduce the number of components that could cause heat input in an incubator and to increase compactness (by reducing a travel axis, for example).

Eine derartige Anordnung und Verfahrbarkeit ermöglicht eine hohe Parallelisierung auf geringem Raum und bereits mit einer einzigen erfindungsgemäßen Vorrichtung. Durch den Einsatz einer einzigen Vorrichtung zur Überwachung mehrerer Zellkulturen wird der Wärmeeintrag der Überwachungsvorrichtung in den Inkubator geringgehalten.Such an arrangement and movability enables a high level of parallelization in a small space and even with a single device according to the invention. By using a single device to monitor multiple cell cultures, the heat input from the monitoring device into the incubator is kept low.

Alternativ oder zusätzlich kann die Probe gegenüber der Lichtquelle verfahrbar sein. Dies ermöglicht einen erleichterten Zugriff eines Nutzers auf die Probe (z.B. zum Austausch eines Nährmediums oder die Beigabe eines Wirkstoffs), ohne räumliche Beeinträchtigung der Nutzerinteraktion durch die Lichtquelle.Alternatively or additionally, the sample can be moved in relation to the light source. This enables a user to have easier access to the sample (e.g. to exchange a nutrient medium or to add an active substance) without the light source spatially impairing the user interaction.

In manchen Ausführungsformen kann hierbei der Sensor mit der Probe verfahrbar sein, sodass die relative Positionierung von Probe zum Sensor durch die Nutzerinteraktion mit der Probe im Wesentlichen unverändert bleibt.In some embodiments, the sensor can be moved with the sample, so that the relative positioning of the sample to the sensor remains essentially unchanged as a result of the user interaction with the sample.

In manchen Ausführungsformen kann die Vorrichtung dazu ausgelegt sein, auf eine weitere (erfindungsgemäße) Vorrichtung platziert zu werden, so dass erstere Vorrichtung nicht relativ zu der weiteren Vorrichtung verschoben werden oder von ihr herunterfallen kann.In some embodiments, the device can be designed to be placed on top of a further device (according to the invention) so that the former device cannot be displaced relative to the further device or fall off it.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur Überwachung einer Probe, insbesondere zur Überwachung von biologischen Zellen. Das System umfasst eine oder mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen. Das System ist dazu ausgelegt, dass eine Mehrzahl von Proben durch die eine oder mehreren Vorrichtungen überwacht werden kann. Hierdurch kann eine weitere Parallelisierung der Überwachung erreicht werden. Ein System kann beispielsweise mindestens zwei Vorrichtungen, mindestens drei Vorrichtungen, mindestens zehn Vorrichtungen, oder mindestens hundert Vorrichtungen umfassen.In a further aspect, the present invention relates to a system for monitoring a sample, in particular for monitoring biological cells. The system comprises one or more devices according to the invention. The system is designed so that a plurality of samples can be monitored by the one or more devices. As a result, further parallelization of the monitoring can be achieved. For example, a system may include at least two devices, at least three devices, at least ten devices, or at least one hundred devices.

In manchen Ausführungsformen umfasst das System zudem eine Auswerteeinrichtung. Bei der Auswerteeinrichtung kann es sich um einen Prozessor, ein Computer, ein Smartphone, einen Server oder eine Internet-Schnittstelle handeln.In some embodiments, the system also includes an evaluation device. The evaluation device can be a processor, a computer, a smartphone, a server or an Internet interface.

In manchen Ausführungsformen umfasst das System zudem eine Ansteuerungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die mehreren Vorrichtungen in einer zeitlichen Abfolge an- bzw. auszuschalten. Hierzu kann eine Ansteuerungsvorrichtung beispielsweise einen Multiplexer umfassen. Dies erlaubt es, mehrere Sensorköpfe parallel oder seriell auszulesen.In some embodiments, the system also includes a control device configured to switch the multiple devices on and off in a timed sequence. For this purpose, a control device can include a multiplexer, for example. This allows several sensor heads to be read out in parallel or in series.

In manchen Ausführungsformen des Systems ist der Probenraum zur Aufnahme eines Multi-well-Behältnisses mit mehreren Kompartimenten eingerichtet. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind in einem Muster angeordnet, welches derart vorbestimmt ist, dass jedes Kompartiment des Multi-well-Behältnis durch eine oder mehrere der Vorrichtungen abgebildet werden kann.In some embodiments of the system, the sample space is set up to accommodate a multi-well container with multiple compartments. The devices of the invention are arranged in a pattern which is predetermined such that each compartment of the multi-well container can be imaged by one or more of the devices.

Insbesondere kann die Mehrzahl von Proben in dem einen Multi-Well-Behältnis angeordnet sein. In diesem Fall kann die Anzahl (und Anordnung) der Kompartimente des Multi-Well-Behältnisses mit der Anzahl (und Anordnung) der Vorrichtungen des Systems übereinstimmen. Alternativ kann eine (relativ zu den Kompartimenten) bewegbare Vorrichtung für jede Spalte (oder jede Zeile) des Multi-Well-Behältnisses vorgesehen sein, sodass jede Vorrichtung eine entsprechende Spalte (oder Zeile) abrastert.In particular, the plurality of samples can be arranged in the one multi-well container. In this case, the number (and arrangement) of the compartments of the multi-well can match the number (and arrangement) of the devices of the system. Alternatively, a movable device (relative to the compartments) may be provided for each column (or each row) of the multi-well so that each device scans a corresponding column (or row).

In manchen Ausführungsformen umfasst ein erfindungsgemäßes System mehrere Vorrichtungen, die in einer Reihe (ein-dimensionales Muster) angeordnet sind. Andere Ausführungsformen umfassen Vorrichtungen, die als zwei-dimensionales Muster in einer Ebene angeordnet sind. Noch andere Ausführungsformen umfassen Vorrichtungen, die in einem drei-dimensionalen Muster angeordnet sind. Des Weiteren kann ein System, beispielsweise mit einem zwei-dimensionalen Muster von Vorrichtungen, dazu eingerichtet sein, dass mehrere derartige Systeme gestapelt werden können. Derartige Systeme (oder Vorrichtungen) können als stapelbar bezeichnet werden. Hierdurch kann eine weitere Parallelisierung bei geringem Platzverbrauch erreicht werden. Diese Parallelisierung wird erleichtert durch die oben erwähnte sehr geringe Wärmeentwicklung ermöglicht. Selbst bei einer Vielzahl von eng benachbarten (z.B. gestapelten) Vorrichtungen ist der Wärmeeintrag in einen Inkubator reduziert. Die optisch robuste Bauweise ohne die Verwendung von Linsen o.Ä. trägt ebenfalls dazu bei, dass die Vorrichtungen gestapelt werden können und die Proben bei Bedarf manipuliert werden können, etwa um ein Nährmedium auszutauschen oder einen Wirkstoff beizugeben.In some embodiments, a system according to the invention comprises multiple devices arranged in a row (one-dimensional pattern). Other embodiments include devices arranged as a two-dimensional pattern in a plane. Still other embodiments include devices arranged in a three-dimensional pattern. Furthermore, a system, for example with a two-dimensional pattern of devices, can be set up in such a way that several such systems can be stacked. Such systems (or devices) can be said to be stackable. As a result, further parallelization can be achieved with little space consumption. This parallelization is facilitated by the very low heat development mentioned above. Even with a multitude of closely spaced (e.g. stacked) devices, the heat input into an incubator is reduced. The optically robust construction without the use of lenses or similar also contributes to the fact that the devices can be stacked and the samples can be manipulated if necessary, for example to exchange a nutrient medium or add an active ingredient.

Des Weiteren können, in manchen Ausführungsformen des Systems, die nebeneinander und/oder übereinander angeordneten Vorrichtungen miteinander in physischen und/oder elektrischen und/oder magnetischen Kontakt stehen.Furthermore, in some embodiments of the system, the side-by-side and/or stacked devices may be in physical and/or electrical and/or magnetic contact with each other.

Erfindungsgemäße Vorrichtungen oder Systeme können des Weiteren eine oder mehrere Schubladen umfassen. Diese Schubladen sind dazu angerichtet, ein Behältnis (bspw. eine Zellkulturschale, eine Zellkulturflasche oder ein Multi-well-plate) aufzunehmen und in den Probenraum zu bewegen, bzw. aus diesem Probenraum heraus zu bewegen.Devices or systems according to the invention can also comprise one or more drawers. These drawers are designed to hold a container (e.g. a cell culture dish, a cell culture flask or a multi-well plate) and to move it into the sample space or to move it out of this sample space.

Insbesondere ist das System oder jedenfalls die Lichtquelle(n) und Sensorkopf(e) der jeweiligen erfindungsgemäßen Vorrichtungen dazu eingerichtet, in einem Inkubator angeordnet zu werden. Insbesondere können eine etwaige Sensorauswerteeinrichtung und/oder die Sensorausleseeinrichtungen innerhalb oder außerhalb des Inkubators angeordnet werden.In particular, the system or at least the light source(s) and sensor head(s) of the respective devices according to the invention is set up to be arranged in an incubator. In particular, any sensor evaluation device and/or the sensor readout devices can be arranged inside or outside the incubator.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder eines erfindungsgemäßen Systems zur Überwachung einer Probe, insbesondere von biologischen Zellen. Beispielsweise kann die Überwachung ein Bewegen der Vorrichtung des Systems und/oder ein Bewegen der Proben umfassen.In a further aspect, the present invention relates to the use of a device according to the invention or a system according to the invention for monitoring a sample, in particular biological cells. For example, the monitoring may include moving the device of the system and/or moving the samples.

Figurenlistecharacter list

In der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur linsenlosen Mikroskopie;
2A eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
2B eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
3A ein Beispiel einer Abbildung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3B ein Beispiel einer Abbildung mit einer bekannten Vorrichtung;
4 eine schematische Darstellung eines Sensors einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
5 eine schematische Darstellung von Sensoren eines Systems gemäß einer Ausführungsform;
6 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer Ausführungsform;
7 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer Ausführungsform;
8 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
9 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer Ausführungsform;

In the following description of exemplary embodiments of the invention, reference is made to the accompanying drawings, which show:

1 a schematic representation of a device for lensless microscopy;
2A a schematic representation of a device according to an embodiment;
2 B a schematic representation of a device according to a further embodiment;
3A an example of imaging with a device according to the invention;
3B an example of imaging with a known device;
4 a schematic representation of a sensor of a device according to an embodiment;
5 a schematic representation of sensors of a system according to an embodiment;
6 a schematic representation of a system according to an embodiment;
7 a schematic representation of a system according to an embodiment;
8th a schematic representation of a device according to an embodiment;
9 a schematic representation of a system according to an embodiment;

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur linsenlosen Mikroskopie. Die Vorrichtung umfasst eine licht-emittierende Diode 12 (LED) , als Lichtquelle und einen Sensorkopf 22, welcher auf der CMOS-Technologie basiert. 1 shows a schematic representation of a device for lensless microscopy. The device includes a light-emitting diode 12 (LED) as a light source and a sensor head 22, which is based on CMOS technology.

Die Probe 16 befindet sich dabei im Abstand z1 von der LED 12. Bevorzugt ist der Abstand z1 vorbestimmt durch die Dicke eines Substratträgers oder eines Behältnisses mit Zellen, z.B. einer Petrischale. Alternativ kann es sich bei dem Behältnis um Multi-well-Platten oder Zellkultur-Flasks handeln. Dementsprechend beträgt der Abstand z1 bevorzugt einige cm, besonders bevorzugt zwischen 1 und 10 cm.The sample 16 is at a distance z1 from the LED 12. The distance z1 is preferably predetermined by the thickness of a substrate carrier or a container with cells, eg a Petri dish. Alternatively, the container can be multi-well plates or cell culture flasks. Accordingly, the distance z1 is preferably a few cm, particularly preferably between 1 and 10 cm.

Ein Teil des von der LED emittierten, partiell kohärenten Licht (dargestellt durch die teilweise parallelen Wellenfronten), welches sich im Wesentlichen in Richtung der Probe ausbreitet (dargestellt durch den in der 1 vertikalen Pfeil), wird an der Probe 16 mit auf einem Substrat adhärierten biologischen Zellen 18 gestreut. Ein anderer Teil des Lichts passiert die Probe 16 im Wesentlichen ungestört, d.h. ungestreut.A portion of the partially coherent light emitted by the LED (represented by the partially parallel wavefronts), which essentially propagates in the direction of the sample (represented by the 1 vertical arrow) is scattered on the sample 16 with biological cells 18 adhered to a substrate. Another part of the light passes through the sample 16 essentially undisturbed, ie unscattered.

Die gestreuten Lichtwellen werden gebrochen und/oder interferieren mit den ungestreuten Lichtwellen, sodass eine optische Abbildung der Probe 16 als Intensitätsmuster 22a entsteht, welches mit dem CMOS Sensorkopf 22 aufgenommen wird. Ein beispielhaftes Intensitätsmuster ist in 3A gezeigt. Der Sensorkopf 22 befindet sich bei einem Abstand z2 von der Zellprobe 16. Bevorzugt beträgt der Abstand z2 weniger als 1 cm, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 3 mm.The scattered light waves are refracted and/or interfere with the unscattered light waves, so that an optical image of the sample 16 is produced as an intensity pattern 22a, which is recorded with the CMOS sensor head 22. An example intensity pattern is in 3A shown. The sensor head 22 is at a distance z2 from the cell sample 16. The distance z2 is preferably less than 1 cm, particularly preferably between 0.1 and 3 mm.

Die partielle Kohärenz wird maßgeblich bestimmt durch räumliche Ausdehnung der Lichtquelle und durch spektrale Breite der Lichtquelle. Die räumliche Ausdehnung der Lichtquelle kann direkt durch Wahl einer entsprechenden LED oder indirekt durch Verwendung einer Glasfaser gewählt werden. Die Wahl einer räumlichen Ausdehnung kann insbesondere durch Wahl eines Divergenzwinkels der Lichtquelle bestimmt werden.The partial coherence is largely determined by the spatial expansion of the light source and by the spectral width of the light source. The spatial expansion of the light source can be selected directly by choosing a corresponding LED or indirectly by using a glass fiber. The selection of a spatial extent can be determined in particular by selecting a divergence angle of the light source.

Alternativ oder zusätzlich kann eine geringe spektrale Breite, z.B. im Bereich 5-50 nm, gewählt werden.Alternatively or additionally, a small spectral width, e.g. in the range of 5-50 nm, can be selected.

Die in 1 dargestellte Vorrichtung weist keine Linse auf. Dementsprechend führt die partielle Kohärenz des verwendeten Lichts zu einem Intensitätsmuster.In the 1 device shown has no lens. Accordingly, the partial coherence of the light used leads to an intensity pattern.

Das mittels des Sensorkopfs aufgenommene Bild kann in einem Verfahren zur Überwachung der Zellen verwendet werden. Hierzu kann die als Intensitätsmuster aufgenommene Abbildung in ein Bild transformiert oder jedenfalls als solches interpretiert werden, welches der Abbildung mit einem konventionellen linsen-basierten Mikroskop im Wesentlichen entspricht. Dies kann beispielsweise mittels eines Algorithmus erreicht werden, der etwa durch maschinelles Lernen trainiert wurde. Alternativ kann das aufgenommene Bild ohne weiteren Transformations- oder Berechnungsschritt direkt ausgewertet werden, beispielsweise um Parameter zu bestimmen, welche die Überwachung der Zellkultur erlauben. Zur Überwachung der Zellkultur können beispielsweise Zell-Detektion oder Zell-Tracking genutzt werden. Zu den zu bestimmenden Parametern zählen insbesondere Parameter, die die ZellKonfluenz, -Morphologie, -Motilität,-Teilung oder -Vitalitätszustand (lebend/tot) beschreiben.The image captured by the sensor head can be used in a method for monitoring the cells. For this purpose, the image recorded as an intensity pattern can be transformed into an image or at least interpreted as such, which essentially corresponds to the image with a conventional lens-based microscope. This can be achieved, for example, using an algorithm that has been trained using machine learning, for example. Alternatively, the recorded image can be evaluated directly without any further transformation or calculation step, for example to determine parameters that allow the cell culture to be monitored. For example, cell detection or cell tracking can be used to monitor the cell culture. The parameters to be determined include, in particular, parameters that describe the cell confluency, morphology, motility, division or state of vitality (living/dead).

2A zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zur Aufnahme von Mikroskopie-Bildern einer Probe 16. Die Vorrichtung umfasst eine partiell kohärente Lichtquelle 12 und einen Bildsensor 20. Bei der Lichtquelle 12 handelt es sich um eine licht-emittierende Diode (LED). 2A shows a schematic representation of a device 10 for recording microscopy images of a sample 16. The device comprises a partially coherent light source 12 and an image sensor 20. The light source 12 is a light-emitting diode (LED).

Der Bildsensor 20 umfasst einen Sensorkopf 22 und eine Sensorausleseeinrichtung 24, wobei der Sensorkopf und die Lichtquelle 12 derart voneinander beabstandet angeordnet sind, dass der Sensorkopf 22 und die Lichtquelle 12 einen dazwischenliegenden Probenraum 26 zur Aufnahme eines Substrats 28 mit einer Probe 16, im Folgenden Probenraum 26, definieren.The image sensor 20 comprises a sensor head 22 and a sensor readout device 24, the sensor head and the light source 12 being arranged at a distance from one another in such a way that the sensor head 22 and the light source 12 have a sample space 26 in between for receiving a substrate 28 with a sample 16, hereinafter referred to as the sample space 26, define.

Ferner sind der Sensorkopf 22 und die Lichtquelle 12 derart angeordnet, dass eine optische Abbildung der Probe 16 durch die Lichtquelle 12 auf den Sensorkopf 22 ein Intensitätsmuster darstellt.Furthermore, the sensor head 22 and the light source 12 are arranged in such a way that an optical imaging of the sample 16 by the light source 12 onto the sensor head 22 represents an intensity pattern.

Zudem sind die wärmeerzeugenden elektrischen Baugruppen auf der zellabgewandten Seite in thermischen Kontakt mit den restlichen Baugruppen, um die Wärme abzuführen. Dies kann mittels Vergussmaterial erreicht werden.In addition, the heat-generating electrical assemblies on the side facing away from the cell are in thermal contact with the remaining assemblies in order to dissipate the heat. This can be achieved using potting material.

Wärmeerzeugende Prozesse (wie die Bildumwandelung) finden räumlich möglichst entfernt von dem Sensorkopf und damit auch von der Probe statt. Eine Verwendung eines MIPIkompatiblem Sensors und einer dazugehörigen Datenpipeline ermöglicht die Optimierung des thermischen Verhaltens des Sensorkopfes, beispielweise mittels PCB (printed circuit board) - Technologie oder Sensor-PowerDown.Heat-generating processes (such as image conversion) take place as far away as possible from the sensor head and thus also from the sample. Using a MIPI compatible sensor and an associated data pipeline enables the thermal behavior of the sensor head to be optimized, for example using PCB (printed circuit board) technology or sensor power down.

Zudem ist die Sensorausleseeinrichtung 24 vom Sensorkopf 22 beabstandet angeordnet, sodass sich der Probenraum 26 im Betrieb der Sensorausleseeinrichtung 24 durch den Betrieb im Wesentlichen nicht erwärmt. Der Abstand ist in Abhängigkeit der elektrischen Leistung des Sensors vorbestimmt. Der Abstand kann auch so gewählt werden, dass die Sensorausleseeinrichtung 24 außerhalb eines Inkubators, in dem sich die übrigen Komponenten der Vorrichtung 10 befinden, angeordnet werden kann.In addition, the sensor readout device 24 is arranged at a distance from the sensor head 22 so that the sample chamber 26 does not essentially heat up when the sensor readout device 24 is in operation. The distance is predetermined depending on the electrical output of the sensor. The distance can also be selected so that the sensor readout device 24 can be arranged outside of an incubator in which the other components of the device 10 are located.

Dementsprechend werden die biologischen Zellen 16 durch Abwärme der Sensorausleseeinrichtung 24 nicht beeinträchtigt, obwohl der Sensorkopf 22 in unmittelbarer Nähe zu den biologischen Zellen betrieben wird.Accordingly, the biological cells 16 are not affected by waste heat from the sensor readout device 24, although the sensor head 22 is operated in close proximity to the biological cells.

Die LED 12 und der Sensorkopf 22 sind so angeordnet, dass sie eine linsenlose Bildgebung erlauben. Insbesondere ist zwischen der Lichtquelle und dem Bildsensor keine Linse oder eine andere optische Komponente, die eine Lichtbrechung und/oder eine Lichtbündelung erlaubt, angeordnet. Dies erlaubt eine besonders kompakte Bauweise. Der Abstand zwischen Sensorkopf 22 und Probe 16 beträgt bevorzugt weniger als 1 cm, besonders bevorzugt zwischen 500 und 2000 µm (Mikrometer). Es handelt sich mithin um eine Aufnahme, welche nicht im Fernfeld stattfindet. Dieser relativ geringe Abstand ist zudem insofern vorteilhaft, als dass er die von einem Objekt/einer Zelle beeinflusste Bildfläche geringhält. Bei größeren Abständen (zwischen Sensor und Probe) überlappen sich die Intensitätsmuster von benachbarten Objekten/Zellen.The LED 12 and sensor head 22 are arranged to allow lensless imaging. In particular, there is no lens or other optical component that allows light refraction and/or light bundling between the light source and the image sensor. This allows a particularly compact design. The distance between sensor head 22 and sample 16 is preferably less than 1 cm, more preferably between 500 and 2000 µm (microns). It is therefore a recording that does not take place in the far field. This relatively small distance is also advantageous in that it minimizes the image area affected by an object/cell. At larger distances (between sensor and sample), the intensity patterns of neighboring objects/cells overlap.

Des Weiteren erlaubt der Verzicht auf Linsen o.Ä. einen robusten Betrieb, selbst bei Langzeitexperimenten: Dieser Verzicht minimiert die Anfälligkeit bzw. das Risiko des „Driftens“ (etwa einer Fokalebene), wie es bei linsen-basierten Mikroskopen regelmäßig auftritt.Furthermore, the omission of lenses or similar allows a robust operation, even with long-term experiments: This omission minimizes the susceptibility or the risk of "drifting" (about a focal plane), as it regularly occurs with lens-based microscopes.

2B zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung 10 zur Aufnahme von Mikroskopie-Bildern einer Probe 16. Die Vorrichtung 10 gemäß 2B ist in wesentlichen Teilen identisch zu der Vorrichtung gemäß 2A. Sie umfasst ferner ein Auflageelement 23. Das Auflageelement 23 ist zum einen dazu eingerichtet, das Substrat 28 mit der Probe 16 zu tragen. Es weist hierzu eine einer Auflagefläche auf. 2 B shows a schematic representation of a further device 10 for recording microscopy images of a sample 16. The device 10 according to FIG 2 B is essentially identical to the device according to FIG 2A . It also includes a support element 23. On the one hand, the support element 23 is set up to carry the substrate 28 with the sample 16. FIG. For this purpose, it has a bearing surface.

Zudem ist das Auflageelement 23 dazu eingerichtet, den Sensorkopf 22 aufzunehmen. Hierzu weist das Auflageelement in dem dargestellten Beispiel eine Ausnehmung auf, welche so bemessen ist, dass sie den Sensorkopf aufnimmt. An der Ausnehmung weist das Auflageelement somit eine geringere Dicke auf als an anderen Teilbereichen des Auflageelements. Durch Aufnahme des Sensorkopfes in der Ausnehmung wird die Ausnehmung insofern ausgefüllt, dass eine im Wesentlichen bündige Fläche gebildet wird, welche als Auflagefläche dient.In addition, the support element 23 is set up to accommodate the sensor head 22 . For this purpose, the support element in the example shown has a recess which is dimensioned in such a way that it accommodates the sensor head. The support element thus has a smaller thickness at the recess than at other partial areas of the support element. By accommodating the sensor head in the recess, the recess is filled to the extent that an essentially flush surface is formed, which serves as a bearing surface.

Das Auflageelement ist so ausgelegt, dass es eine Wärmekapazität und eine Wärmeleitfähigkeit des Auflageelements (bei aufgenommenen Sensorkopf) aufweist, welche im Wesentlichen homogen über die Auflagefläche, also die Kontaktfläche mit dem Substrat 28, ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Auflageelement mehrere Teilbereiche mit unterschiedlichen Materialien umfasst.The support element is designed in such a way that it has a thermal capacity and a thermal conductivity of the support element (with the sensor head held) which is essentially homogeneous over the support surface, ie the contact surface with the substrate 28 . This can be achieved, for example, in that the support element comprises a number of partial areas made from different materials.

Ein erster Teilbereich kann beispielweise durch die oben genannte Region verringerter Dicke an der Ausnehmung für den Sensorkopf ausgebildet sein. Die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität dieses ersten Teilbereichs 23a kann etwa dadurch verringert werden, dass ein Material mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit und geringer Wärmekapazität und geringem Emissionsgrad (insbesondere ein Wärmeisolator, wie z.B. Plexiglas oder poröse Materialien mit hohem Luftanteil) gewählt wird. Hierdurch kann die relativ größere Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität und Emissionsgrad des Sensorkopfes (dessen Material im Wesentlichen z.B. eine Metall/Halbleiter/Isolator-Komposition darstellt) ausgeglichen oder kompensiert werden.A first partial area can be formed, for example, by the above-mentioned region of reduced thickness at the recess for the sensor head. The thermal conductivity and heat capacity of this first partial area 23a can be reduced, for example, by choosing a material with relatively low thermal conductivity and low heat capacity and low emissivity (in particular a heat insulator such as Plexiglas or porous materials with a high proportion of air). As a result, the relatively greater thermal conductivity and thermal capacity and emissivity of the sensor head (whose material is essentially a metal/semiconductor/insulator composition, for example) can be compensated for.

Ein zweiter Teilbereich 23b des Auflageelements kann beispielweise durch die oben genannte(n) Region(en) mit nicht-verringerter Dicke, d.h. um die Ausnehmung herum, ausgebildet sein. Die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität dieses zweiten Teilbereichs 23b kann etwa so gewählt werden, dass sie der kombinierten Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des ersten Teilbereichs 23a mit in der Ausnehmung aufgenommenen Sensorkopfs 22 entspricht.A second portion 23b of the support member may be formed, for example, by the region(s) of non-reduced thickness mentioned above, i.e. around the recess. The thermal conductivity and thermal capacity of this second partial area 23b can be selected such that it corresponds to the combined thermal conductivity and thermal capacity of the first partial area 23a with the sensor head 22 accommodated in the recess.

Eine über die Auflagefläche im Wesentlichen homogene Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des Auflageelements erlaubt es, etwaige Temperaturunterschiede (insbesondere zwischen der Auflagefläche einerseits und Substrat/Probe, beispielsweise beim Einsetzen einer Probe in die Vorrichtung 10, welche sich bereits in einem Inkubator befindet) gleichmäßig abzuleiten, wobei Temperaturgradienten entlang der Auflagefläche vermieden oder verringert (z.B. auf unter 1°C, bevorzugt auf 0,1 °C) werden. Die Vermeidung oder Verringerung von Temperaturgradienten entlang der Auflagefläche minimiert das Risiko von Konvektionsströmungen, welche zu Inhomogenitäten in der Probe führen können. Derartige Konvektionsströmungen können beispielweise dazu führen, dass die Sedimentation (das Absetzen) von biologischen Zellen ungleichmäßig erfolgt, da die Zellen durch die Konvektionsströmungen in Richtung des Temperaturgradienten entlang der Auflagefläche fließen. Die Materialien sind derart gewählt, dass keine oder im Wesentlichen keine Konvektionsströmungen während der Thermalisierung der Probe mit der Umgebung, welche regelmäßig jedenfalls vor Betrieb der Vorrichtung auftreten können (bspw. Temperaturangleichung zwischen Zellmedium inkl. biologischen Zellen an die Inkubatorumgebung) entstehen, die eine Umverteilung der Zellen verursachen.A thermal conductivity and heat capacity of the support element that is essentially homogeneous over the support surface allows any temperature differences (in particular between the support surface on the one hand and the substrate/sample, for example when inserting a sample into the device 10, which is already in an incubator), to be dissipated evenly, whereby Temperature gradients along the bearing surface are avoided or reduced (e.g. to below 1°C, preferably to 0.1°C). Avoiding or reducing temperature gradients along the support surface minimizes the risk of convection currents, which can lead to inhomogeneities in the sample. Such convection currents can, for example, result in the sedimentation (settling) of biological cells taking place unevenly, since the cells flow through the convection currents in the direction of the temperature gradient along the contact surface. The materials are selected in such a way that no or essentially no convection currents arise during the thermalization of the sample with the environment, which can occur regularly at least before operation of the device (e.g. temperature adjustment between cell medium including biological cells to the incubator environment) that would cause a redistribution of the cells cause.

3A zeigt ein Beispiel eines mit einem linsen-losen Mikroskop aufgenommenen Bildes. Das Intensitätsmuster stellt keine photographisch korrekte Abbildung der Probe dar. Die Aufnahme weist trotz der geringen Bauhöhe der verwendeten Vorrichtung ein weites Sichtfeld (field of view) auf und ist im Wesentlichen durch die Größe des Sensorkopfes limitiert, nicht jedoch durch eine (nicht vorhandene) optische Abbildung mittels Linsen. Insbesondere ist ein Intensitätsmuster zu erkennen, welches eine Abbildung der Zellen auf den Sensorkopf darstellt. 3A shows an example of an image taken with a lensless microscope. The intensity pattern does not represent a photographically correct image of the sample Despite the low overall height of the device used, it has a wide field of view and is essentially limited by the size of the sensor head, but not by a (non-existent) optical imaging using lenses. In particular, an intensity pattern can be seen, which represents an image of the cells on the sensor head.

Insbesondere weist das Intensitätsmuster einen Bereich von hoher Intensität (hell) im Zentrum der Zellen auf. Um diesen Bereich hoher Intensität ist ein Bereich niedriger Intensität (dunkel) dargestellt, welcher nicht nur eine geringere Intensität als das Zentrum (Intensitätsmaximum) aufweist, sondern auch eine geringere Intensität als der Hintergrund (grau).In particular, the intensity pattern shows an area of high intensity (bright) in the center of the cells. Around this area of high intensity an area of low intensity (dark) is shown, which not only shows a lower intensity than the center (intensity maximum), but also a lower intensity than the background (grey).

Im Gegensatz dazu zeigt 3B ein Beispiel eines mit einem linsen-basierten Mikroskop aufgenommenen Bildes der gleichen Probe. Das linsen-basierte Mikroskop erlaubt zwar ebenfalls die Überwachung von Parametern, die die Zellkonfluenz, -motilität oder -teilung beschreiben. Es erfordert im Vergleicht jedoch eine größere Bauhöhe und eine aufwendigere Herstellung. Zudem muss der Abstand der optischen Komponenten manuell eingestellt werden, um ein „scharfes“ Bild zu erhalten. Des Weiteren ist eine nicht-invasive Beobachtung über einen längeren Zeitraum (z.B. mehrere Tage) erschwert, insofern ein „Driften“ der optischen Komponenten zu einer Defokussierung führen kann.In contrast, shows 3B an example of a lens-based microscope image of the same sample. The lens-based microscope also allows the monitoring of parameters that describe cell confluence, cell motility or cell division. In comparison, however, it requires a greater overall height and more complex production. In addition, the distance between the optical components must be adjusted manually in order to obtain a “sharp” image. Furthermore, non-invasive observation over a longer period of time (eg several days) is made more difficult insofar as "drifting" of the optical components can lead to defocusing.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensors 20, wie er beispielsweise in der Vorrichtung 10 gemäß 2A oder gemäß 2B zum Einsatz kommen kann. Der Bildsensor 20 umfasst einen Sensorkopf 22 und eine Sensorausleseeinrichtung 24. 4 shows a schematic representation of a sensor 20, as for example in the device 10 according to FIG 2A or according to 2 B can be used. Image sensor 20 includes a sensor head 22 and a sensor readout device 24.

Die Sensorausleseeinrichtung 24 ist vom Sensorkopf 22 beabstandet angeordnet. Im dargestellten Fall beträgt der Abstand ein Mehrfaches der Größe der Sensorausleseeinrichtung 24 und des Sensorkopfs 22, hier etwa in einem Abstand von 1 - 2 cm. Durch eine derartige Anordnung wird ermöglicht, dass der Sensorkopf in unmittelbarer Nähe von biologischen Zellen betrieben werden kann, ohne die biologischen Zellen durch Abwärme der Sensorausleseeinrichtung zu beeinträchtigen.The sensor readout device 24 is arranged at a distance from the sensor head 22 . In the case shown, the distance is a multiple of the size of the sensor readout device 24 and the sensor head 22, here at a distance of about 1-2 cm. Such an arrangement makes it possible for the sensor head to be operated in the immediate vicinity of biological cells without impairing the biological cells through waste heat from the sensor readout device.

Der Bildsensor 20 ist ein CMOS-Sensor und weist eine photoaktive Rasterplatte auf, dessen photosensitive Pixelelemente eine räumliche Auflösung zur Abbildung der Bestrahlungsstärke ermöglichen. Als Pixelelemente werden dabei Photodioden verwendet, die in bekannter Weise zu einem Halbleiterdetektor in CMOS-Herstellung zusammengesetzt werden.The image sensor 20 is a CMOS sensor and has a photoactive raster plate whose photosensitive pixel elements enable spatial resolution for imaging the irradiance. In this case, photodiodes are used as pixel elements, which are assembled in a known manner to form a semiconductor detector using CMOS production.

Die Sensorausleseeinrichtung umfasst elektronische Schaltkreise, welche derart mit dem Sensorkopf verbunden sind, dass sie Signale der einzelnen Pixelelemente auslesen und zu einem Bild zusammensetzen.The sensor readout device includes electronic circuits which are connected to the sensor head in such a way that they read out signals from the individual pixel elements and combine them into an image.

Die Sensorausleseeinrichtung 24 ist dazu eingerichtet, dass sie in einer zeitlichen Abfolge an- bzw. ausgeschaltet werden kann. Hierzu kann die Schaltungsvorrichtung durch eine Ansteuerungsvorrichtung (z.B. einem Multiplexer, MOSFET, schaltbarer USB-Hub oder Relais) angesteuert werden. Somit kann die Sensorausleseeinrichtung in einer Taktfolge angeschaltet werden, welche der gewünschten Überwachungsfrequenz oder Sampling-Rate entspricht. Je nach Zellkultur kann eine Bestimmung der wesentlichen Wachstums- oder Mobilitätsparameter ein Mal pro Sekunde, Minute, Stunde oder Tag, oder einem Vielfachen davon geschehen. Beispielsweise kann eine Überwachung jede Minute, jede zwei Minuten, jede fünf Minuten oder jede zehn Minuten geschehen. Durch ein solches selektives Anschalten der Sensorausleseeinrichtung zu bestimmten Zeitpunkten wird der Wärmeeintrag in den Inkubator geringgehalten.The sensor readout device 24 is set up so that it can be switched on and off in a chronological sequence. For this purpose, the switching device can be controlled by a control device (e.g. a multiplexer, MOSFET, switchable USB hub or relay). The sensor readout device can thus be switched on in a clock sequence which corresponds to the desired monitoring frequency or sampling rate. Depending on the cell culture, the essential growth or mobility parameters can be determined once per second, minute, hour or day, or a multiple thereof. For example, monitoring can occur every minute, every two minutes, every five minutes, or every ten minutes. The heat input into the incubator is kept low by such a selective switching on of the sensor readout device at specific points in time.

5 zeigt eine schematische Darstellung von mehreren Sensoren 20a - 20d. Diese können Bestandteil eines erfindungsgemäßen Systems sein. Die vier Sensoren sind in einem 2x2 - Muster angeordnet. Andere Zahlen von Sensoren und andere Muster sind ebenfalls möglich. 5 shows a schematic representation of several sensors 20a - 20d. These can be part of a system according to the invention. The four sensors are arranged in a 2x2 pattern. Other numbers of sensors and other patterns are also possible.

Jeder der Sensoren 20a - 20d weist einen Sensorkopf und eine Sensorausleseeinrichtung auf. So weist beispielsweise der Bildsensor 20c einen Sensorkopf 22c und eine Sensorausleseeinrichtung 24c auf.Each of the sensors 20a-20d has a sensor head and a sensor readout device. For example, the image sensor 20c has a sensor head 22c and a sensor readout device 24c.

In anderen Ausführungsformen können mehrere Sensoren eine gemeinsame Sensorausleseeinrichtung aufweisen.In other embodiments, multiple sensors may have a common sensor readout device.

Jedenfalls ist/sind die Sensorausleseeinrichtung(en) beabstandet von den Sensorköpfen angeordnet, sodass keine der Sensorausleseeinrichtungen die Umgebung eines der Sensorköpfe erwärmt und den Probenraum (und somit die zu beobachtende Probe) im Wesentlichen nicht erwärmt.In any event, the sensor readout device(s) is/are spaced from the sensor heads such that none of the sensor readout devices heats the vicinity of any of the sensor heads and does not substantially heat the sample space (and thus the sample to be observed).

6 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 30. Das System 30 umfasst mehrere Vorrichtungen zur Aufnahme von Mikroskopie-Bildern mit jeweils einem Bildsensor 20. Insgesamt sind vier Sensoren 20 dargestellt. Jeder der Sensoren 20 weist einen Sensorkopf 22 und eine Sensorausleseeinrichtung 24 auf. 6 shows a schematic representation of a system 30. The system 30 includes several devices for recording microscopy images, each with an image sensor 20. A total of four sensors 20 are shown. Each of the sensors 20 has a sensor head 22 and a sensor readout device 24 .

Die vier Sensoren 20 sind in einem 4xl-Muster angeordnet um vier unterschiedliche Bereiche einer Probe zu überwachen. Im dargestellten Fall ist die Probe in einer Zellkulturflasche 28. The four sensors 20 are arranged in a 4xl pattern around four distinct areas monitor a sample. In the case shown, the sample is in a cell culture flask 28.

Des Weiteren umfasst das System 30 eine Auswerteeinrichtung 36. Die Auswerteeinrichtung 36 ist - im Gegensatz zu den Sensoren 20 und der Probenflasche 28 - außerhalb eines Zellkultur-Inkubators 34 angeordnet. Hierdurch wird der Wärmeeintrag in den Inkubator durch die Auswerteeinrichtung weiter geringgehalten. Zudem ermöglicht die Anordnung der Auswerteeinrichtung außerhalb des Inkubators ein Ablesen der Überwachungsergebnisse ohne Öffnen des Inkubators.Furthermore, the system 30 includes an evaluation device 36. The evaluation device 36—in contrast to the sensors 20 and the sample bottle 28—is arranged outside a cell culture incubator 34 . As a result, the heat input into the incubator by the evaluation device is further kept low. In addition, the arrangement of the evaluation device outside of the incubator makes it possible to read the monitoring results without opening the incubator.

Im dargestellten Fall handelt es sich bei der Auswerteeinrichtung um einen Computer. Alternativ kann die Auswerteeinrichtung einen Prozessor, ein Smartphone, ein Touch-Screen, einen Server oder eine Internet-Schnittstelle umfassen. Insbesondere kann die Auswertung lokal stattfinden und auf einem entfernt angeordneten Server oder in einer Server-Cloud.In the case shown, the evaluation device is a computer. Alternatively, the evaluation device can include a processor, a smartphone, a touch screen, a server or an Internet interface. In particular, the evaluation can take place locally and on a remote server or in a server cloud.

7 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 30, welches in wesentlichen Teilen identisch zu dem System gemäß 6 ist. Das System 30 gemäß 7 umfasst ebenfalls mehrere Vorrichtungen, insbesondere mehrere Sensorköpfe 22. Im Gegensatz zu 6 sind diese mehreren Sensorköpfe 22 jedoch über einen Multiplexer 25 mit einer (einzelnen) Sensorausleseeinrichtung 24 verbunden. Diese eine Sensorausleseeinrichtung 24 dient als Sensorausleseeinrichtung für jeden der Sensorköpfe 22. Der Multiplexer ist dazu ausgelegt, die jeweiligen Signale der mehreren Sensorköpfe 22 in geeigneter Weise an die Sensorausleseeinrichtung 24 zu übermitteln. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Multiplexer dazu ausgelegt, im Inneren des Inkubators angeordnet zu werden, sodass eine einzelne Kabelverbindung aus dem Inneren des Inkubators zur außerhalb des Inkubators platzierten Sensorausleseeinrichtung geführt werden kann. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Multiplexer außerhalb des Inkubators angeordnet werden, um den Wärmeeintrag weiter zu verringern. 7 shows a schematic representation of a system 30, which is essentially identical to the system according to FIG 6 is. The system 30 according to FIG 7 also includes multiple devices, in particular multiple sensor heads 22. In contrast to 6 However, these multiple sensor heads 22 are connected to a (single) sensor readout device 24 via a multiplexer 25 . This one sensor readout device 24 serves as a sensor readout device for each of the sensor heads 22. The multiplexer is designed to transmit the respective signals of the plurality of sensor heads 22 to the sensor readout device 24 in a suitable manner. In the embodiment shown, the multiplexer is designed to be placed inside the incubator so that a single cable connection can be routed from inside the incubator to the sensor readout device placed outside the incubator. In other embodiments, the multiplexer can be placed outside the incubator to further reduce heat input.

Zudem kann der Multiplexer oder die Sensorausleseeinrichtung als Ansteuerungsvorrichtung dienen, die dazu eingerichtet ist, die mehreren Sensorköpfe in einer zeitlichen Abfolge an- bzw. auszuschalten. Dies erlaubt es, mehrere Sensorköpfe parallel oder seriell auszulesen. Insbesondere können die Sensorköpfe in einer Taktfolge geschaltet werden, welche der gewünschten Überwachungsfrequenz oder Sampling-Rate entspricht. Durch ein solches selektives Anschalten der Sensorköpfe zu bestimmten Zeitpunkten wird der Wärmeeintrag in den Inkubator geringgehalten.In addition, the multiplexer or the sensor readout device can serve as a control device that is set up to switch the multiple sensor heads on and off in a timed sequence. This allows several sensor heads to be read out in parallel or in series. In particular, the sensor heads can be switched in a clock sequence which corresponds to the desired monitoring frequency or sampling rate. Such a selective switching on of the sensor heads at specific points in time keeps the heat input into the incubator low.

8 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform. Die dargestellte Vorrichtung ist in wesentlichen Teilen ähnlich zu der in 2A dargestellten Vorrichtung. 8th shows a schematic representation of a device according to an embodiment. The device shown is essentially similar to that in 2A device shown.

Zusätzlich umfasst die Vorrichtung 10 gemäß 8 einen Filter 14, welcher zwischen dem Sensorkopf 22 und der Probe 16 angeordnet ist. Bei dem Filter 14 handelt es sich um einen Infrarot-Filter zur Minimierung der Wärmestrahlung des Sensorkopfes auf die Probe. Der Filter kann beispielsweise auf den Sensorkopf aufgedampft werden.In addition, the device 10 according to FIG 8th a filter 14 placed between the sensor head 22 and the sample 16. The filter 14 is an infrared filter to minimize the heat radiation from the sensor head onto the sample. The filter can, for example, be vapour-deposited onto the sensor head.

In anderen Ausführungsformen kann es sich bei dem Filter um einen Fluoreszenzemissionsfilter handeln. In diesen Fällen kann ein weiterer Filter, ein Fluoreszenzanregungsfilter, zwischen der LED und der Probe 16 angeordnet sein.In other embodiments, the filter can be a fluorescence emission filter. In these cases, another filter, a fluorescence excitation filter, can be placed between the LED and the sample 16.

9 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 30 gemäß einer weiteren Ausführungsform. 9 12 shows a schematic representation of a system 30 according to a further embodiment.

Das System 30 weist umfasst vier erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Aufnahme von Mikroskopie, angeordnet in einem 4x1-Muster. Jede dieser Vorrichtungen umfasst eine Lichtquelle 12 und einen Sensorkopf 22. Die Lichtquellen und die Sensorköpfe sind mittels eines Gehäuses 40 derart miteinander verbunden, dass sie gemeinsam entlang einer Achse bewegt werden können. Das Gehäuse umfasst ferner eine gemeinsame Sensorausleseeinrichtung 24, welche in anderen Ausführungsformen auch außerhalb des Inkubators angeordnet werden kann.The system 30 comprises four microscopy acquisition devices according to the invention arranged in a 4x1 pattern. Each of these devices comprises a light source 12 and a sensor head 22. The light sources and the sensor heads are connected to one another by means of a housing 40 in such a way that they can be moved together along an axis. The housing also includes a common sensor readout device 24, which in other embodiments can also be arranged outside the incubator.

Der Probenraum ist zur Aufnahme eines Multi-well-Behältnisses 32 mit mehreren Kompartimenten eingerichtet. Im dargestellten Fall befindet sich ein 36-well-Plate, mit 36 Kompartimenten in einem 4x9-Muster, in dem Probenraum zur Überwachung.The sample space is set up to accommodate a multi-well container 32 with a number of compartments. In the illustrated case, a 36-well plate, with 36 compartments in a 4x9 pattern, is in the sample compartment for monitoring.

Die vier Aufnahmevorrichtungen sind in einem 4xl-Muster angeordnet, sodass jedes Kompartiment des Multi-well-Behältnis durch eine der Vorrichtungen abgebildet werden kann.The four imaging devices are arranged in a 4xl pattern such that each compartment of the multi-well can be imaged by one of the devices.

Die miteinander verbundenen Lichtquellen 12 und Sensorköpfe 22 sind beweglich gegenüber dem Probenraum zur Aufnahme des Substrats und somit gegenüber dem Multi-well-Behältnis 32. Insbesondere sind sie in einer Ebene verfahrbar, die im Wesentlichen parallel zu dem aufzunehmenden Substrat verläuft. Im vorliegenden Fall sind sie entlang einer Achse verfahrbar, sodass das multi-well-plate 32 abgerastert wird, um jedes der Kompartimente zu überwachen. Hierzu weist das System einen Linearmotor 38 auf.The interconnected light sources 12 and sensor heads 22 can be moved relative to the sample chamber for receiving the substrate and thus relative to the multi-well container 32. In particular, they can be moved in a plane that runs essentially parallel to the substrate to be received. In the present case, they can be moved along an axis, so that the multi-well plate 32 is scanned in order to monitor each of the compartments. The system has a linear motor 38 for this purpose.

In anderen Ausführungsformen kann ein erfindungsgemäßes System mehrere Motoren für eine Verfahrbarkeit in mehreren Dimensionen umfassen. Beispielsweise kann eine einzelne Vorrichtung zur Aufnahme von Mikroskopie-Bildern (d.h. mit einem Sensor) genutzt werden um ein Multi-well-plate abzurastern.In other embodiments, a system according to the present invention may include multiple motors for multiple dimensional traversability. For example, a single device for recording microscopy images (ie with a sensor) can be used to scan a multi-well plate.

Claims

Device for recording microscopy images of a sample, comprising: - a light source, - an image sensor, which comprises a sensor head and a sensor readout device, the sensor head and the light source being arranged in such a way that the sensor head and the light source have a sample space in between for receiving a substrate with a sample, characterized in that the sensor read-out device is arranged at a distance from the sensor head in such a way that the sample chamber does not essentially heat up during operation of the sensor read-out device.

Device for recording microscopy images of a sample, comprising: - a light source, - an image sensor, which comprises a sensor head and a sensor readout device, the sensor head and the light source being arranged in such a way that the sensor head and the light source have a sample space in between for receiving a substrate defined with a sample, characterized in that the device further comprises one or more filters arranged between the light source and the sensor head, wherein at least one of the filters is attached directly to the sensor head, in particular is vapor-deposited directly.

Device for recording microscopy images of a sample, comprising: - a light source, - an image sensor, which comprises a sensor head and a sensor readout device, the sensor head and the light source being arranged in such a way that the sensor head and the light source have a sample space in between for receiving a substrate with a sample, characterized in that the device further comprises a support element which is adapted to carry a sample and which is adapted to receive the sensor head.

Device according to the preceding claim, wherein the support element comprises a first sub-area for accommodating the sensor head and a second sub-area, wherein the thermal conductivity and/or heat capacity and/or emissivity of the second sub-area is determined in such a way that it is essentially identical to the thermal conductivity or Heat capacity or emissivity of the first sub-area after receiving the sensor head.

Device according to one of claims 3 or 4 , wherein a surface of the support element is set up for the positioning of sample containers, in particular by having a profile which is adapted to the shape of the sample containers.

Device according to one of the preceding claims, wherein the sensor head and/or the light source are designed to be movable relative to a sample that can be placed in the sample space.

Device for recording microscopy images of a sample, comprising: - a light source, - an image sensor, which comprises a sensor head and a sensor readout device, the sensor head and the light source being arranged in such a way that the sensor head and the light source have a sample space in between for receiving a substrate with a sample, characterized in that the device is adapted to be placed on top of a further device such that the device cannot be displaced relative to or fall off the further device.

System for monitoring samples, in particular biological cells, comprising one or more devices according to one of the preceding claims, wherein the system is designed such that a plurality of samples can be monitored by the one or more devices.

Using a system according to claim 8 for monitoring a plurality of samples, wherein the monitoring comprises moving the device of the system and/or moving the samples.