WO2007048379A1 - Optisches koppelelement für eine durchflusszelle - Google Patents

Abstract

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein optisches Koppelelement zur mikroskopischen Charakterisierung von Proben in Durchflusszellen zu entwickeln, um einen direkten Kontakt des Objektivs mit der Durchflusslösung zu vermeiden und dabei die Verluste in der numerischen Apertur des Objektivs so gering als möglich zu halten. Die Erfindung baut auf einer Zelle (1), einem oder mehreren Probenträgern (2), welche sich innerhalb der Zelle (1) befinden, Zu- und Abläufen (4) zur Gewährleistung eines kontinuierlichen Flusses von verschiedenen Lösungen durch die Zelle (1) hindurch und Öffnungen (12) für das Einbringen einer Inertgasatmosphäre. Die Erfindung beinhaltet, dass eine Aussparung im Deckelteil (5) zur mikroskopischen Untersuchung der Proben (3) in situ vorgesehen ist, in die Aussparung des Deckelteils (5) ein zusätzliches optisches Koppelelement (7, 8) eingebracht ist und das optische System aus zwei optisch aktiven Medien besteht, die optisch entgegengesetzt angeordnet sind.

Description

Optisches Koppelelement für eine Durchflusszelle

Die Erfindung betrifft ein optisches Koppelelement, welches als Verbindungsstück zwischen einer Durchflusszelle und einer mikroskopischen Auswerteeinrichtung dient. Ein wesentliches Einsatzgebiet dieses optischen Koppelelements ist die Licht- und Fluoreszenzmikroskopie zur Untersuchung von Proben.

Es ist bekannt, dass Mikroorganismen und mikrobielle Aggregate im Labor in speziellen Reaktoren, so genannten Durchflussreaktoren oder Durchflusszellen kultiviert werden (Lawrence.J.R., Swerhone.G.D.W., Neu,T.R., A simple rotating annular reactor for replicated biofilm studies. Journal of Microbiological Methode 42, 215-224, 2000; Beyenal,H., Sani.R.K., Peyton.B.M., Dohnalkova,A.C, Amonette,J.E., Lewandowski.Z., Uranium Immobilization by Sulfate-Reducing Biofilms. Environ. Sei. Technol. 38, 2067- 2074, 2004). Mit Hilfe von fluoreszierenden Markerfarbstoffen werden diese Mikroorganismen oder mikrobielle Aggregate in situ mikroskopisch charakterisiert (Strathmann.M., Wingender.J., Flemming,H.-C, Application of fluorescently labelled lectins for the visualization and biochemical characterization of Polysaccharides in Biofilms of Pseudomonas aeruginosa. Journal of Microbiological Methods 50, 237-248, 2002).

Die Probenbestandteile werden dabei spezifisch mit den Fluoreszenzfarbstoffen markiert und emittieren bei optimaler Anregung Fluoreszenzlicht. Die Untersuchung dieser Proben ist mit kommerziellen Fluoreszenzmikroskopen durchführbar. Eine besondere Schwierigkeit des Messverfahrens in einer Durchflusszelle besteht darin, dass nacheinander verschiedene Flüssigkeiten in den Raum zwischen Objektiv des Mikroskops und dem Träger der Mikroorganismen eingebracht werden. Dabei kommt es, vor allem bei Eintauchobjektiven zwangsläufig zu einer Benetzung des Objektivs. Diese Benetzung ist insbesondere bei Flüssigkeiten mit gelösten radioaktiven Metallen durch deren schnelle Adsorption und schlechte Desorption am Objektiv unerwünscht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein optisches Koppelelement zur mikroskopischen Charakterisierung von Proben in Durchflusszellen zu entwickeln, um einen direkten Kontakt des Objektivs mit der Durchflusslösung zu vermeiden und dabei die Verluste in der numerischen Apertur des Objektivs so gering als möglich zu halten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in den Patentansprüchen dargelegten Merkmalen gelöst.

Das erfindungsgemäß austauschbare optische Koppelelement führt zu einer Schonung des Objektivs. Durch das optische Koppelelement wird an der Stelle der ursprünglichen Objektebene eine zusätzliche Bildebene gelegt, um damit keine Aperturverschlechterung hinnehmen zu müssen. Eine weitere Einsatzmöglichkeit dieses Koppelelementes ist bei der Einkopplung von Kryozellen in den mikroskopischen Strahlengang gegeben.

Bei der Auslegung dieser Koppelelemente ist besonders darauf zu achten, dass in der optischen Koppeleinheit bereits Möglichkeiten eingearbeitet werden um auftretende Fehler, wie z.B. achromatische Fehler korrigieren zu können. Sowohl die Durchflusszelle an sich, als auch der Einkoppelbereich für das optische Koppelelement ist zur Umgebung hin gasdicht (isoliert) zu gestalten, so dass auch Messungen unter Inertgasatmosphäre möglich sind. Über die Linsen im optischen System erfolgt in bekannter Weise die Korrektur von Abbildungsfehlern, wie z.B. achromatische Fehler.

Kommerzielle Durchflusszellen, welche in den mikroskopischen Strahlengang eingekoppelt werden können sind im Allgemeinen dadurch charakterisiert, dass sie nach oben hin offen oder vom Fassungsvolumen so minimal dimensioniert sind, dass durch den Durchfluss von Nährflüssigkeiten oder Markerflüssigkeiten keine kritischen Drücke für Deckgläschen entstehen. Das Pumpvolumen muss bei diesen Durchflusszellen an die Bruchstabilität des Deckgläschens angepasst werden. Eine In-situ-Messung der Proben im Durchfluss, bei höheren Pump- und Druckverhältnissen ist somit nicht oder nur in sehr geringen Grenzen gewährleistet. Bei hochaperturigen Objektiven beispielsweise ist der Arbeitsabstand zur Probe sehr gering. Somit darf das Deckglas auf der Probe nur eine geringe Schichtdicke aufweisen, welche wiederum eine geringe Pumpleistung oder geringe Drücke bedingt. Für Objektive mit größerem Arbeitsabstand, können zwar Deckgläser mit größerer Schichtdicke eingesetzt werden, es ist aber mit einer erheblichen Verschlechterung der numerischen Apertur zu rechnen. Ein einfaches Eintauchen der Objektive in die Durchflusslösung führt nur bei nicht aggressiven, schlecht sorbierenden Lösungen mehrfach zum Ziel. Aggressive gut sorbierende Lösungen führen zu einer Beschädigung des Objektivs, welche bei mehreren Anwendungen das Objektiv unbrauchbar werden lassen.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 den Gesamtaufbau der Messzelle mit optischem Koppelelement, Fig. 2 den Strahlengang der Messzelle und Fig. 3 den Meniskus der Transmitterflüssigkeit.

In einer geschlossenen Zelle 1 befinden sich der Probenträger 2 mit den darauf immobilisierten Mikroorganismen, Zellen bzw. Gewebeproben 3. Die Proben 3 werden in der Zelle 1 über Zu - und Abläufe 4 wahlweise durch Nährsuspensionen zur Förderung des Wachstums und der Vermehrung durch Markerflüssigkeiten mit gelösten Fluoreszenzfarbstoffen oder mit umweltrelevanten fluoreszierenden Schwermetallen 15 benetzt. Im Deckelteil 5 der Zelle 1 befindet sich eine Öffnung 6, in welche zwei zueinander entgegengesetzt liegende Sammellinsen 7,8 eingepasst werden. Das optische Koppelelement (Sammellinsen) 7,8 stellt ein Bauteil für sich dar und kann in der Gesamtzelle 1 jederzeit gegen ein anderes Linsensystem ausgetauscht werden. Das gewünschte Dichtekriterium der Zelle 1 gegenüber der Umgebung wird beim Austausch des optischen Koppelelements 7,8 über mehrere Gummidichtungen 17 erfüllt. Um die gewünschte Objektebene während der Messung zu fokusieren, ist der Probenträger 2 mit einer Mikrometerschraube 10 versehen, über welche der Tisch in Z-Richtung frei bewegt werden kann. In einer weiteren Ausführungsvariante mit Inertgasatmosphäre wird das optische Koppelelement nicht austauschbar gestaltet. Für diese Messungen ist eine zusätzliche Öffnung 12 in der Zelle 1 vorgesehen, über welche die gewünschte Gasatmosphäre in die Zelle 1 eingebracht wird. Das Gas wird dabei über einen Filter 13 in die Zelle 1 gepresst. Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, die zweite Sammellinse 8 durch eine Transmitterflüssigkeit 14 von der Nährflüssigkeit oder den Markierungsstoffen 15 zu trennen, um eine Verunreinigung der Oberfläche der zweiten Sammellinse 8 zu vermeiden. Diese Transmitterflüssigkeit 14 wird bei Bedarf über einen Kanal 9 im Deckel 5 eingeleitet. Als Transmitterflüssigkeit 14 eignen sich polare Flüssigkeiten, die sich in Wasser nicht lösen und durch die entstehende Oberflächenspannung einen Meniskus 16 mit wasserähnlichen Lösungen bilden.

Fig. 2 zeigt den Strahlengang zwischen Objektiv 11 und Probe 3. Es werden insgesamt 3 (bzw. 4 bei Verwendung einer Transmitterflüssigkeit 14, [s. Fig. 3]) zusätzliche optisch aktive Flächen eingefügt, um das Objekt (die Probe 3) in die Bildebene 18 des Mikroskopes abzubilden. Dabei handelt es sich um die beiden Linsen und die Zwischenräume. Zwischen Linse 7 und dem Objektiv 11 wird durch das optische Koppelelement 7,8 eine zusätzliche Bildebene 19 erzeugt. Weitere optisch aktive Flächen können eingeführt werden, wenn eine Farbkorrektur notwendig ist.

Fig. 3 zeigt die Ausbildung eines Meniskus 16 zwischen der polaren Transmitterflüssigkeit 14 und der bipolaren Nährflüssigkeit 15.

Claims

Optisches Koppelelement für eine DurchflusszellePatentansprüche

1. Optisches Koppelelement für eine Durchflusszelle im wesentlichen bestehend aus: einer Zelle (1), einem oder mehreren Probenträgern (2), welche sich innerhalb der Zelle (1) befinden,

Zu - und Abläufen (4) zur Gewährleistung eines kontinuierlichen Flusses von verschiedenen Lösungen durch die Zelle (1) hindurch,

Öffnungen (12) für das Einbringen einer Inertgasatmosphäre, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aussparung im Deckelteil (5) zur mikroskopischen Untersuchung der Proben

(3) in situ vorgesehen ist, in die Aussparung des Deckelteils (5) ein zusätzliches optisches Koppelelement

(7,8) eingebracht ist und das optische System aus zwei optisch aktiven Medien besteht, die optisch entgegengesetzt angeordnet sind.

2. Optisches Koppelelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei aggressiven Proben (3) und Lösungen (15) die zur Probe (3) hingewandte Linse (8) mit einem Film einer Transmitterflüssigkeit (14) überzogen ist.

3. Optisches Koppelelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das optische Koppelelement (7,8) mit Dichtungen versehen und im System der Durchflusszelle (1) austauschbar ist.