WO2019008461A1

WO2019008461A1 - Vorrichtung und verfahren zur gewinnung von zumindest 2d-analytinformationen und hierfür gestaltetes detektionselement

Info

Publication number: WO2019008461A1
Application number: PCT/IB2018/054575
Authority: WO
Inventors: Daniela OBERMAIER; Gregor Liebsch; Robert J MEIER; Achim Stangelmayer
Original assignee: Presens Precision Sensing GmbH
Current assignee: Presens Precision Sensing GmbH
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2018-06-21
Publication date: 2019-01-10
Anticipated expiration: 2020-01-06

Abstract

Es ist eine Vorrichtung (1), ein Verfahren und ein Detektionselement (10) zur Gewinnung von zumindest 2D-Analytinformationen offenbart. Eine Kamera (2) ist mit einem 2-dimensionalen Sensorchip (4) und einer Beleuchtungseinrichtung (6) zur Erzeugung eines Beleuchtungslichts (35) versehen. Mindestens ein Detektionselement (10) ist mit einer Sensorfolie (18) versehen. Über das Detektionselement (10) wird die 2-dimensionale Sensorfolie (18) beleuchtet. Die Sensorfolie (18) ist im Bereich des zweiten Endes (12) des Detektionselements (10) vorgesehen. Eine Kamera (2) bildet das Licht von der Sensorfolie (18) auf einen Sensorchip (4) ab.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Gewinnung von zumindest 2D- Analvtinformationen und hierfür gestaltetes Detektionselement

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von zumindest 2D-Analytinformationen einer Probe.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung von zumindest 2D- Analytinformationen einer Probe, wobei die Probe vielseitig gestaltet sein kann.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Detektionselement, mit dem es möglich ist, zumindest 2D-Analytinformationen innerhalb einer Probe mittels einer einzigen Messung zu gewinnen. Hinzu kommt, dass durch besondere Gestaltung des

Messverfahrens auch eine zeitaufgelöste Information über die 3D-Analytverteilung in der Probe gewonnen werden kann (Vorteil).

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 101 01 576 A1 offenbart einen optischen Sensor zur Bestimmung zumindest eines Parameters in einer Probe. Der optische Sensor enthält ein auf den Parameter ansprechendes Indikatormaterial mit kurzer Abklingzeit und ein auf den Parameter nicht ansprechendes Referenzmaterial mit langer Abklingzeit und dient zur Erfassung eines den zu bestimmenden Parameter anzeigenden Messsignals. Das Indikator- und das Referenzmaterial sind auf einem gemeinsamen Träger immobilisiert. Die zur Probe weisende Schicht des

Indikatormaterials und des Referenzmaterials ist von einer Schicht abgedeckt, die einen Kontakt zwischen dem Indikatormaterial und der Probe erlaubt, jedoch für das zur Erregung des Indikator- und Referenzmaterials verwendete Licht im

Wesentlichen undurchlässig ist.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 198 38 085 A1 offenbart ein Verfahren zur Untersuchung eines Bodens. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass elektromagnetische Strahlung an verschiedenen Stellen in den Messbereich eingekoppelt und/oder an verschiedenen Stellen aus dem Messbereich ausgekoppelt wird.

Die US Patentanmeldung US 201 1/0086418 A1 offenbart Sauerstoffsensoren, die in einer Multiwellplatte vorgesehen sind. Die Sauerstoffsensoren werden mit sichtbaren Licht beleuchtet. Die Emission von den Sauerstoffsensoren wird mit einer Kamera aufgenommen. Die Bilder werden mit einer entsprechenden Software analysiert.

Das US-Patent US-5,604,582 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung von Tiefenprofilen bei von Wasser bedeckten Sedimenten. Die Vorrichtung liefert keine Analytinformation. Man erhält lediglich eine reine Bildaufnahme in der z-Richtung durch Umlenkung über einen Spiegel.

Gemäß dem Stand der Technik werden zur Aufnahme von Tiefenprofilen in Tierund Pflanzengewebe, Böden, Sedimenten, Interfaces oder Zellkulturen

Mikrosensoren (optochemisch und potentiometrisch) vorgesehen. Über eine

Messsteuerung ist es möglich, diese Mikrosensoren in die Tiefe der zu

analysierenden Probe einzuführen. Als Ergebnis erhält man somit eine

Analytkomposition bzw. Konzentration in der Tiefe der Probe. Die Punktmessungen werden mittels dünner Glasfasern durchgeführt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass es zeitaufwendig ist und sehr fragile Sensoren verwendet. Ein Beispiel für eine Optode ist im US-Patent US 5,273,716 beschrieben. Zur Überwachung des Sauerstoffgehalts und des ph-Werts in Zellkulturen, Böden oder Sedimenten kann gemäß dem Stand der Technik ein Sensor auf dem Boden eines Wells angeordnet werden. Die Sensoren sind Punktsensoren, auch„Dots" genannt, und rein optochemisch. Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren bzw. mit der vorgeschlagenen Vorrichtung ist es möglich, Punktmessungen durchzuführen. Jedoch erhält man keine Information zu der zweidimensionalen Verteilung oder zu Gradienten bzw. Gradientenprofilen. Eine Vorrichtung zur Ermittlung der Verteilung eines Analyten in einer Probe umfasst gemäß dem Stand der Technik eine Sensorfolie, die an eine Wand eines

Behältnisses geklebt ist. Eine Kamera, welche auch eine Beleuchtungseinrichtung umfasst, beleuchtet die Sensorfolie durch die Wand des Gefäßes. Das von der Sensorfolie zurückkommende Licht wird von einem Sensorchip der Kamera erfasst. Mit der Vorrichtung des Standes der Technik ist es möglich, die Verteilung von Sauerstoff, den ph-Wert und die Kohlendioxidkonzentration zu messen. Dies ist z.B. in der europäischen Patentanmeldung EP 1 040 788 A1 offenbart.

Die Anwendung einer aus mehreren Fasern bestehenden Optode (MuFO) kann dem Link: www.mpi-bremen.de/en/Multi-Fiber-Qptode-MuFQ.html entnommen werden. Die MuFO erlaubt lediglich eine Kombination von Punktmessungen zur Erfassung der Information in z-Richtung. Eine kontinuierliche 2D-lnformation kann damit nicht erzielt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Gewinnung von zumindest 2D-Analtyinformationen zu schaffen, die auf schnelle und einfache Weise durchgeführt bzw. verwendet werden kann. Mittels der Vorrichtung kann der

Benutzer die Messung ohne apparativen Aufwand durchführen und somit

Analytinformationen bezüglich der mehr-dimensionalen Verteilung eines Analyten in einer Probe gewinnen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Gewinnung von zumindest 2D- Analtyinformationen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gewinnung von 2D- Analtyinformationen zu schaffen, das auf schnelle und einfache Weise durchgeführt bzw. verwendet werden kann, so dass mittels der Messung ohne Aufwand für den Benutzer zumindest 2D-Analytinformationen zur Verteilung eines Analyten in einer Probe gewonnen werden können. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Gewinnung von zumindest 2D- Analtyinformationen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.

Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Detektionselement zur Gewinnung von zumindest 2D-Analytinformationen zu schaffen, das zur Verwendung der schnellen und einfachen Gewinnung von zumindest 2D-Analytinformationen bezüglich der Verteilung eines Analyten in einer Probe geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Detektionselement zur Gewinnung von zumindest 2D- Analytinformationen gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 14 umfasst.

Eine mögliche Ausführungsform der Vorrichtung zur Gewinnung von zumindest 2D- Analytinformationen umfasst eine Kamera mit einem zweidimensionalen Sensorchip. Ebenso ist eine Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung eines Beleuchtungslichts vorgesehen. Ferner ist mindestens ein Detektionselement vorgesehen, das ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist. Eine zweite Fläche ist im Bereich eines zweiten Endes des mindestens einen Detektionselements ausgeformt und mit einer 2-dimensionalen Sensorfolie versehen. Ferner ist mindestens ein Behältnis mit einer Probe versehen, wobei das Detektionselement in dem Behältnis aufgenommen werden kann. Die 2-dimensionale Sensorfolie ist dabei von der Probe vollkommen bedeckt. Ein Auswertesystem ist kommunikativ mit dem Sensorchip der Kamera verbunden, die ein Bild der 2-dimensionalen Sensorfolie aufnimmt. Wenn das Detektionselement in das dafür vorgesehene Behältnis eingesetzt ist, unterscheidet man zwei mögliche Ausführungsformen. Gemäß der ersten

Ausführungsform bleibt auch nach dem Einsetzen des Detektionselements in das Behältnis nach oben hin offen, so dass eine Gasaustauch aus dem Inneren des Behältnisses mit der Umgebung stattfinden kann. Gemäß der zweiten

Ausführungsform ist nach dem Einsetzen des Detektionselements in das Behältnis diese nach oben hin verschlossen. Damit ist eine Gasaustauch aus dem Inneren des Behältnisses mit der Umgebung unterbunden. Die Vorrichtung hat den Vorteil, dass bei geeigneter Ausrichtung der Sensorfolie aus dem aufgenommen 2-dimensionalen Bild der Sensorfolie auch Informationen über eine räumliche Verteilung der Analyten in der Probe gewonnen werden können. Ebenso kann man Informationen über die zeitliche Entwicklung der Analyten in der Probe erhalten.

Gemäß einer möglichen Ausführungsform kann die 2-dimensionale Sensorfolie auf einem Haltemittel im Bereich des zweiten Endes des Detektionselements

aufgebracht sein.

Das Haltemittel kann gemäß einer Ausführungsform eine Rampe sein, die

gegenüber einer Horizontalen um einen Winkel geneigt ist.

Gemäß einer Ausführungsform des Detektionselements ist ein massives

Lichtleitelement im Detektionselement zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende angeordnet. Das Lichtleitelement besitzt am ersten Ende eine erste Fläche zur Einkopplung von Beleuchtungslicht und zur Auskopplung von Detektionslicht. Am zweiten Ende ist eine zweite Fläche ausgebildet, die mit der 2-dimensionalen Sensorfolie versehen ist.

Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform kann die zweite Fläche am zweiten Ende des Lichtleitelements des Detektionselements parallel zu einer Horizontalen ausgerichtet sein. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die zweite Fläche am zweiten Ende des Lichtleitelements des Detektionselements unter einem Winkel zu einer Horizontalen ausgerichtet sein.

Die Kamera ist zusammen mit dem Sensorchip derart angeordnet, dass die 2- dimensionale Sensorfolie im Bereich des zweiten Endes des mindestens einen Detektionselements ein Bildfenster auf dem Sensorchip definiert. Dies hat den Vorteil, dass damit nur das von der ersten Fläche am ersten Ende des

Lichtleitelements des mindestens einen Detektionselements austretende

Detektionslicht erfassbar ist. Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das mindestens eine Behältnis ein Well. Mehrere Wells sind in einer Wellplatte angeordnet, wobei in mindestens einem der Wells eines der Detektorelemente eingesetzt ist. Ein Analytverbrauch findet dabei bei der Messung nicht statt. Dadurch kann man auch über längere Zeit hypoxische Zustände überwachen ohne sie beim

Messvorgang„künstlich" anoxisch zu machen. Gleiches gilt auch für pH und CO2. Zur Auswertung der Messdaten ist ein Computer vorgesehen, der kommunikativ mit dem Sensorchip der Kamera verbunden ist. Ebenso kann eine mit dem Sensorchip der Kamera direkt verbundene Auswerteeinheit, wie z.B. Mobiltelefon oder

Smartkamera, vorgesehen sein. Unter dem Begriff Computer ist jedes Gerät zu verstehen, mit dem eine Auswertung durchgeführt werden kann. Geeignete Geräte sind z.B. Laptop, PC, Tablet, Mobiltelefon, usw.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von zumindest 2D- Analytinformationen umfasst zunächst den Schritt, dass mindestens ein

Detektionselement in eine Probe mit mindestens einem zu detektierenden Analyten eingebracht wird, wobei das mindestens eine Detektionselement ein erstes Ende, ein zweites Ende und ein Lichtelement aufweist, das sich vom ersten Ende zum zweiten Ende hin erstreckt. Das zweite Ende des Lichtleitelements trägt an der zweidimensionalen Fläche oder Flächenstruktur (nicht unbedingt ist eine

kontinuierliche Rampe erforderlich) eine Sensorfolie. Die Fläche oder

Flächenstruktur kann Stufen, Ecken oder Kanten haben (also mehrere

unterschiedliche zweidimensionale Flächen). Auch kann die Größe, Form und Topographie des Sensors variieren, damit mindestens einer der in der Probe vorhandenen Analyten detektiert werden kann. Nachdem das mindestens eine

Detektionselement zumindest in die Probe eingeführt bzw. eingesetzt ist, kann das mindestens eine Detektionselement beleuchtet werden, so dass Beleuchtungslicht über eine erste Fläche im Bereich des ersten Endes des Detektionselements zu der an der zweiten Fläche des zweiten Endes vorgesehenen Sensorfolie gelangt. Das von der Sensorfolie über das Lichtleitelement zurückkehrende Detektionslicht gelangt zu einem Sensorchip einer Kamera. Das Detektionslicht, welches über die zweite Fläche im Bereich des ersten Endes des Lichtleitelements austritt, wird von dem Sensorchip detektiert. Aus der Detektion erhält man somit eine Darstellung der zumindest zweidimensionalen Verteilung eines Analyten innerhalb einer Probe. Dies erreicht man ohne die Anwendung technischer aufwändiger SD- Erfassungsmethoden, wie beispielsweise konfokale Imaging-Systeme.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, somit

Tiefenprofilinformationen über die Verteilung von Analyten im Tier- und

Pflanzengewebe, in Böden, Sedimenten oder Zellkulturen zu erhalten. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann das mindestens eine Behältnis ein Well sein, wobei mehrere Wells in einer Wellplatte angeordnet sind. In mindestens einem der Wells wird eines der Detektorelemente eingesetzt. Die Wellplatte wird als Ganzes beleuchtet. Mit der Kamera wird die Wellplatte mit dem mindestens einen Detektorelement auf den Sensorchip abgebildet, wobei für jede 2- dimensionale Sensorfolie auf dem Sensorchip ein Bildbereich festgelegt wird. Die Daten aus dem jeweiligen Bildbereich werden einer Auswerteeinheit zugeführt,

Das erfindungsgemäße Detektionselement zur Gewinnung von zumindest 2D- Analytinformationen ist entsprechend gestaltet. Das Detektionselement umfasst dabei ein erstes Ende und ein zweites Ende. Eine 2-dimensionale Sensorfolie ist im Bereich des zweiten Endes des Detektionselements vorgesehen.

Die 2-dimensionalen Sensorfolie ist auf einem Haltemittel im Bereich des zweiten Endes des Detektionselements aufgebracht. Das Detektionselement hat am ersten Ende eine Öffnung ausgebildet. Gemäß einer Ausgestaltung des

Detektionselements ist das Haltemittel eine Rampe, die gegenüber einer

Horizontalen um einen Winkel geneigt ist.

Ebenso kann das Detektionselement ein massives Lichtleitelement umfassen, das zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende angeordnet ist. Das Lichtleitelement hat am ersten Ende eine erste Fläche zur Einkopplung von

Beleuchtungslicht und zur Auskopplung von Detektionslicht ausgebildet. Am zweiten Ende ist eine zweite Fläche ausgebildet, die mit der 2-dimensionalen Sensorfolie versehen ist. Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Fläche mit der 2-dimensionalen Sensorfolie parallel zu einer Horizontalen ausgerichtet

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die zweite Fläche mit der 2- dimensionalen Sensorfolie unter einem Winkel zu einer Horizontalen ausgerichtet.

Im Bereich des zweiten Endes besitzt die zweite Fläche eine Sensorfolie bzw. hat diese aufgeklebt. Die Sensorfolie ist in der Lage, mit Mikrometerauflösung die

Analytunterschiede zu erfassen und in ein nicht-homogenes flächiges Lichtsignal zu übersetzen, wobei die„Nicht-Homogenität" 1 :1 einen anwesenden Analyt- Gradienten oder eine Analytverteilung widerspiegelt. Die zweite Fläche kann im Bereich des zweiten Endes zumindest teilweise zu einer Senkrechten der zweidimensionalen Flächen des ersten Endes unter einem Winkel geneigt sein.

Ein entscheidender Vorteil der gegenwärtigen Erfindung ist, dass man für das Profiling das Detektionselement nicht bewegen muss. Das ist also genau anders als bei den Mikrosensoren des Standes der Technik. Daraus folgt auch, dass es keinen Einstichkanal gibt, der bei der Messung mechanisch verändert wird und wegen der aufgrund der Erfindung nicht vorhandenen Bewegung des Detektionselements gibt es auch keine Durchmischung der Probe beim Messvorgang. Hinzu kommt, dass die Erfindung eine„Projektion einer 3D-lnformation auf einen 2D-Detektor" ermöglicht, wobei hiermit eine Kombination mit den einzigartigen Vorteilen der optisch chemischen Sensoren erreicht wird. Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind. Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer in einem Well einer Mikrotiterplatte vorgesehenen Zellkultur und den daraus zu erwartenden

Sauerstoffgradienten in Z-Richtung;

Figur 2 eine schematische Darstellung der Verwendung einer Zellkrone und der daraus resultierenden Verteilung des Sauerstoffs über und unter der Zellkrone;

Figur 3 eine perspektivische Darstellung eines ersten Teils einer speziellen

Ausführungsform eines Behältnisses für die Gewinnung von

Analytgradienten in Z-Richtung;

Figur 4 eine perspektivische Darstellung einer Rampe, die am Boden des in Figur

3 gezeigten Teils eines Behältnisses angebracht werden kann;

Figur 5 eine graphische Darstellung der Verteilung von Sauerstoff (Antwort der

Sensorfolie) in Abhängigkeit der Zeit und an einem Ort am Boden des

Wells und an der Position der Membran auf der Zellkrone;

Figur 6 eine schematische Darstellung des Sauerstoffgradienten in Z-Richtung, nachdem die Zellkrone eingesetzt worden ist;

Figur 7 eine schematische Darstellung des Sauerstoffgradienten in Z-Richtung im

Well, nach einer vergangenen Zeitspanne;

Figur 8 eine Draufsicht auf eine Mikrotiterplatte, die 4x6 in einem regelmäßigen

Raster angeordnete Wells besitzt und wobei in die Wells zum Teil verschiedene Ausführungsformen des Detektionselements eingesetzt sind; Figur 9 eine Draufsicht auf eine mögliche Ausführungsform des

Detektionselements;

Figur 10 eine Seitenansicht des in Figur 9 dargestellten Detektionselements;

Figur 1 1 eine Draufsicht auf eine weitere mögliche Ausführungsform des

Detektionselements;

Figur 12 eine Seitenansicht des in Figur 1 1 dargestellten Detektionselements;

Figur 13 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erfassen der

Analytkonzentration in Z-Richtung bei einer Vielzahl von Proben, die in mehreren Wells einer Mikrotiterplatte untergebracht sind; Figur 14 eine schematische Draufsicht auf eine Mikrotiterplatte, wobei die zweite

Reihe der Mikrotiterplatte mit Detektionselementen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gefüllt sind; und

Figur 15 eine schematische Draufsicht auf den Sensorchip, der in der Kamera verwendet wird, wobei entsprechend der Lage der in Figur 14 in der Mikrotiterplatte eingesetzten Detektionselemente für die Detektion auf dem Sensorchip entsprechende Bildfenster softwaremäßig gestaltet sind.

Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische

Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind.

Figur 1 zeigt eine Kultur aus Zellen 29, die sich auf dem Boden 23 eines Wells 22 abgesetzt hat. Mit der Erfindung ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration (Analyt) nicht nur in einer Ebene (zweidimensional), sondern auch in der dazugehörigen Z- Richtung Z (Höhe) der Probe 17 zu bestimmen. Der Z-Gradient von Sauerstoff (Analyt) kann somit ermittelt werden. Die Wells 22 sind in der Regel in Mikrotiterplatten oder Wellplatten 26 ausgebildet. Vorteilhafter Weise sind die Mikrotiterplatten oder Wellplatten 26 schwarz ausgebildet, damit Beleuchtungslicht weggefiltert wird und somit keine Störsignale für die Aufnahme der

Fluoreszenzsignale resultieren. Ein Übersprechen der Fluoreszenzsignale von einem Well 22 zu benachbarten Wells ist somit verhindert.

Figur 2 zeigt die Verwendung von Zellkronen 27, wobei jeweils eine Zellkrone 27 in ein Well 22 eingesetzt ist. Mittels der Zellkrone 27, bilden sich die Zellen 29 nicht auf dem Boden 23 des jeweiligen Wells 22 aus. Die Zellen 29 sind somit von allen Seiten durch die Probe 17 zugänglich. Auch hiermit ist es möglich den Z-Gradienten der Sauerstoffverteilung in Z-Richtung Z innerhalb des Wells zu bestimmen.

Figur 3 zeigt einen ersten Teil 31 einer Ausführungsform eines Detektionselements 10, das zusammen mit einem in Figur 4 dargestellten zweiten Teil 32 in das

Behältnis (Well) 22 eingesetzt werden kann. Es ist für einen Fachmann

selbstverständlich, dass das das Behältnis 22 nicht alleine auf die Größe eines Wells für eine Mikrotiterplatte 26 begrenzt sein muss. Der erste Teil 31 ist zylinderförmig ausgebildet und besitzt einen inneren Durchmesser Di, der kleiner ist als der Durchmesser Dz (siehe Figur 2) einer Zellkrone (hier nicht dargestellt). Mit dem zweiten Teil 32 kann der erste Teil 31 nach unten hin abgeschlossen werden. Der zweite Teil 32 bildet den Boden 23 des Detektionselements 10. Auf dem Boden 23 steht die Zellkrone 27 (siehe Figur 2).

Wie aus Figur 4 zu erkennen ist, hat der zweite Teil 32 eine Rampe 24 ausgebildet, die am Boden 23 des Detektionselements 10 eingesetzt werden kann. Die Rampe 24 dient als Haltemittel 13 und trägt die für die Ermittlung des Z-Gradienten des Analyten erforderliche Sensorfolie 18. Die Zellkrone 27 (hier nicht dargestellt) steht auf Ausformungen 25 des Bodens 23. Die Sensorfolie 18 selbst ist unter der

Zellkrone 27 vorgesehen. Mit der in Figur 3 und 4 beschriebenen Ausführungsform ist es somit möglich, eine dreidimensionale Information hinsichtlich der Verteilung eines bestimmten Stoffs (Analyten) in der Probe zu bestimmen. Die Information wird mit einer Kamera 2 aufgenommen und über eine Sensorchip 4 ausgewertet (siehe Fig.13).

Der erste Teil 31 des Detektionselements 10 besitzt eine Öffnung 38, durch die die Kamera 2 auf die Sensorfolie 18 blickt, um ein Abbild des von der Sensorfolie 18 zurückkommenden Lichts (Fluoreszenzlicht) aufzunehmen. Das Format und die Größe der Sensorfolie 18 bzw. die Neigung der Rampe 24 können an Form und Größe des Wells oder Behältnisses 22 individuell angepasst werden. Je nach Bedarf des Benutzers können die Rampen 24 des zweiten Teils 32 des Detektionselements 10 entsprechend mit einem 3D-Drucker (nicht dargestellt) ausgedruckt bzw.

hergestellt werden.

Figur 5 zeigt die Auswertung der Sauerstoffverteilung (Analyten) am Boden 23 eines Wells 22 und im Vergleich dazu an der durch die Zellkrone 27 gebildeten Membran von Zellen 29 als Funktion der Zeit. Es ist deutlich zu erkennen, dass mit

zunehmender Zeit die Sauerstoffkonzentration sowohl am Boden 23, als auch an der Position der Zellen 29 auf der Zellkrone 27 der Membran ansteigt. Der Sauerstoff nimmt ab. In dem Graphen ist die Antwort der Sensorfolie 18 in [a.u.] dargestellt. Je höher der Wert (Sauerstoffkonzentration) auf der Ordinate 52 ist, desto niedriger ist die Sauerstoffkonzentration. Der Anstieg der Sauerstoffkonzentration im Bereich der Membran aus Zellen 29 ist dabei deutlich größer, als der Anstieg am Boden 23 des Wells 22.

Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung der Verteilung der

Sauerstoffkonzentration Z-Richtung Z in einem Well 22, in das eine Zellkrone 27 eingesetzt ist. Figur 7 zeigt dabei die Entwicklung der Verteilung des Sauerstoffs über die Zeit, wobei sich die Rampe 24 mit der Sensorfolie (hier nicht dargestellt) schon einige Zeit in der Probe 17 (Nährlösung) im Well 22 befunden hat. Um die

Zellen 29 auf der Zellkrone 27 entwickelt sich, wie aus Fig. 7 zu erkennen ist, mit der Zeit eine hohe Sauerstoffkonzentration in Z-Richtung Z. Figur 8 zeigt eine Draufsicht auf eine Wellplatte 26, in der mehrere verschiedene Ausführungsformen eines Detektionselements 10 eingesetzt sind, die bei der gegenwärtigen Erfindung Verwendung finden. Je nach Detektionsart (2- dinemsionale Erfassung oder 3-dimensionale Erfassung) des Benutzers können die Detektionselemente 10 gewählt und in der Mikrotiterplatte 26 verteilt werden. Für die Messung ist die Wellplatte 26 in X-Koordinatenrichtung X und in Y- Koordinatenrichtung Y ausgerichtet. Jeder in der Wellplatte 26 eingesetzte

Detektionselement 10 ist nach oben offen, so dass ein Gasaustausch mit der Umgebung stattfinden kann. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung nach dem

Einsetzen der Detektionselements 10 in die Wellplatte 26 ein Verschluss zu zur Umgebung hin erfolgt. Der Gasaustausch mit der Umgebung ist nicht möglich bzw. unterbunden.

Figur 9 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere mögliche Ausführungsform des Detektionselements 10. Figur 10 zeigt eine Seitenansicht des Detektionselements 10 aus Fig. 9. Im Detektionselement 10 erstreckt sich zentral ein Lichtleitelement 14, mit dem das Beleuchtungslicht 35 (siehe Fig. 13) von einem ersten Ende 1 1 zu einem zweiten Ende 12 des Lichtleitelements 14 transportiert werden kann. Das zweite Ende 12 sitzt in der Probe (hier nicht dargestellt) und trägt eine Sensorfolie 18. An dem ersten Ende 1 1 hat das Detektionselement 10 einen Ring 28

ausgebildet. Das Lichtleitelement 14 wird von dem Ring 28 umschlossen und hat im Wesentlichen eine rechteckige Querschnittsform. Aus der Seitenansicht des

Detektionselements 10 ist ersichtlich, das sich das Lichtleitelement 14 dabei in Z- Richtung Z erstreckt. Eine erste Seite 14i des Lichtelements 14 ist kürzer als eine zweite Seite 142 des Lichtleitelements 14. Somit ergibt sich eine Rampe 24. Durch diese Rampe 24 ist es somit möglich, unterschiedliche Informationen aus

unterschiedlichen Z-Positionen innerhalb der Probe zu erhalten. Die Rampe 24 trägt hierzu die Sensorfolie 18. Das Lichtleitelement 14 ist im Wesentlichen als ein trapezförmiges Viereck ausgebildet, wobei am ersten Ende 1 1 eine erste Fläche 15 ausgebildet ist und im Bereich des zweiten Endes 12 das Lichtleitelement 14 die Rampe 24 bzw. zweite Fläche 16 besitzt, die sich in einem Winkel zur Z-Richtung Z erstreckt. Der Winkel kann ungleich 90° sein.

Figur 11 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des

Detektionselements 10. Figur 12 zeigt eine Seitenansicht des Detektionselements auf Fig. 1 1 . Im Detektionselement 10 erstreckt sich ebenfalls zentral ein

Lichtleitelement 14, mit dem das Beleuchtungslicht 35 (siehe Fig. 13) von einem ersten Ende 1 1 zu einem zweiten Ende 12 des Lichtleitelements 14 transportiert werden kann. Das zweite Ende 12 ist von der Probe (hier nicht dargestellt) umgeben und trägt eine Sensorfolie 18. Hier ist ebenfalls ein Ring 28 am ersten Ende 1 1 des Detektionselements 10 vorgesehen. Zentral im Detektionselement 10 erstreckt sich das Lichtleitelement 14, das von mehreren Trägern 30 in der zentralen Position im Detektionselement 10 gehalten wird. Wie ebenfalls in der Beschreibung zu Fig. 10 erwähnt, ist am zweiten Ende des Lichtleitelements 14 eine Sensorfolie 18 aufgeklebt. Das Lichtleitelement 14 erstreckt sich im Wesentlichen in Z-Richtung Z und kann konisch ausgebildet sein. Somit ist es s möglich, dass an der seitlichen Wandung 19 des Lichtleitelements 14 ebenfalls Platz vorhanden ist, um eine Sensorfolie 18 anzubringen. Dadurch erhält man eine 3D-Analytinformation der Probe.

Die in den Figuren 9 bis 12 dargestellten Ausführungsformen des

Detektionselements 10 sollen nicht als eine Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass unterschiedliche Geometrien für die zweiten Flächen 16 (Rampen) der Lichtleitelemente 14 ausgebildet sein können, an denen die Sensorfolie 18 aufgebracht wird. Es ist ebenso vorstellbar, dass die zweite Fläche 16 für die Sensorfolie 18 als eine stetig differenzierbare Fläche ausgebildet ist. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Vorrichtung bzw. der für die Vorrichtung verwendeten Detektionselemente 10 ist es möglich, Aussagen einer Vielzahl von Systemen durch eine zweidimensionale Abbildung von optochemischen Sensormaterial zu erhalten, das auf 3-D-Strukturen aufgebracht ist. Über die ersten Flächen 15 der Ausführungsformen wird

Beleuchtungslicht 35 ein- und Detektionslicht 36 ausgekoppelt. Mit der Erfindung erzielt man somit eine Projektion einer dreidimensionalen

Information in eine zweidimensionale Ebene. Zusätzlich zu der zweidimensionalen Information in der XY-Ebene erhält man auch ein Tiefenprofil in Z-Richtung Z der Probe 17. Zusätzlich kann man die Information mit mehreren Analyten gleichzeitig messen. Ferner kann man Punktmessungen und zusätzlich den zeitlichen Verlauf der Veränderung des Analyten ermitteln. Die Zeitdauer einer Aufnahme zur

Gewinnung der Information entspricht der einer herkömmlichen Fotoaufnahme.

Somit ist es auch möglich, Videos über die Veränderung der Verteilung der Analyten innerhalb einer Probe in drei Dimensionen aufzuzeichnen. Figur 13 zeigt einen schematischen Aufbau der Vorrichtung 1 , gemäß einer

Ausführungsform der Erfindung, zur Gewinnung von 3D-Analytinformationen innerhalb einer Probe 17. Hier sind mehrere der erfindungsgemäßen

Detektionselemente 10 in jeweils ein Well 22 einer Wellplatte 26 eingesetzt. Mit einer Kamera 2, die einen Sensorchip 4 und eine Beleuchtungseinrichtung 6 umfasst, wird die gesamte Wellplatte 26 mit Beleuchtungslicht 35 beleuchtet. Ferner hat die Kamera 2 eine geeignete Optik (hier nicht dargestellt), mit der das von den Detektionselementen 10 zurückkommende Detektionslicht 36 auf dem Sensorchip 4 abgebildet wird. Die mittels des Sensorchips 4 erhaltene Information wird an einen Computer 8 zur Auswertung bzw. Weiterverarbeitung übergeben. Die Kamera 2 definiert eine optische Achse 7, die im Wesentlichen senkrecht zur Wellplatte 26 ausgerichtet ist.

Obwohl bei den in den Figuren 9 bis 13 dargestellten Ausführungsformen das in das Behältnis oder Well 22 eingesetzte Detektionselemente 10 einen Gasaustausch mit der Umgebung ermöglicht, soll dies nicht als Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden. Wie bereits oben erwähnt ist auch eine Ausführungsform möglich, die einen Gasaustausch mit der Umgebung unterbindet

Figur 14 zeigt eine Draufsicht auf den Sensorchip 4 der Kamera 2 gemäß einer Ausführungsform. Die gesamte Wellplatte 26 ist hier gestrichelt dargestellt und wird, in dieser Ausführungsform, durch die Kamera 2 und deren Optik als Ganzes auf den Sensorchip 4 abgebildet. Bei der in Figur 13 gezeigten Darstellung sind

beispielsweise sechs Detektionselemente 10 in Reihe in der Wellplatte 26 angeordnet. Wie aus der Darstellung dieser Figur ersichtlich ist, wird hier eine Wellplatte 26 mit vier Zeilen und sechs Spalten verwendet. Somit ergeben sich 24 Wells 22 in der Wellplatte 26.

Für das Auslesen der Information der Detektionselemente 10 werden auf dem Sensorchip 4 der Kamera 2 mehrere Bildfenster 20 definiert. Die Bildfenster 20 entsprechen dabei immer in Form und Anordnung der Lichtleitelemente 14 am ersten Ende 1 1 (siehe Fig. 14) des Detektionselementes 10. Obwohl in der in Figur 15 gezeigten Darstellung eine Reihenanordnung der

Bildfenster 20 dargestellt ist, soll dies nicht als eine Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden. Softwaremäßig kann auf dem Sensorchip 4 der Kamera 2 jede beliebige Orientierung der Form und Anordnung des Bildfensters 20 gewählt werden. Ebenso ist die Anwendung der Detektionselemente 10 nicht nur auf Mikrotiterplatten oder Wellplatten 26 beschränkt. Wie bereits eingangs erwähnt, können diese erfindungsgemäßen Detektionselemente 10 auch in den Boden oder in Sedimente eingeführt werden, um somit eine dreidimensionale Verteilung der Analyten innerhalb des Bodens oder in den Sedimenten zu bekommen.

Die Erfindung wurde in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, die in keinster Weise als eine Beschränkung der Erfindung aufzufassen sind. Es ist für einen Fachmann jedoch selbstverständlich, dass Änderungen und Abwandlungen gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen. Ub.Ub.i.U1 ö

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Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

2 Kamera

4 Sensorchip

6 Beleuchtungseinrichtung

7 optische Achse

8 Computer

10 Detektionselement

1 1 erstes Ende

12 zweites Ende

13 Haltemittel

14 Lichtleitelement

14i erste Seite

14₂ zweite Seite

15 erste Fläche

16 zweite Fläche

17 Probe

18 Sensorfolie

19 seitliche Wandung

20 Bildfenster

22 Behältnis, Well

23 Boden

24 Rampe

25 Ausformung

26 Wellplatte, Mikrotiterplatte

27 Zellkrone

28 Ring

29 Zellen

30 Träger UÖ.UÖ.-.U1 Ö

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31 erster Teil

32 zweiter Teil

35 Beleuchtungslicht

36 Detektionslicht

38 Öffnung

52 Ordinate

Di innerer Durchmesser

Dz Durchmesser Zellkrone

H Horizontale

X X-Koordinatenrichtung

Y Y-Koordinatenrichtung

Z Z-Koordinatenrichtung

Claims

Patentansprüche

Vorrichtung (1 ) zur Gewinnung von zumindest 2D-Analytinformationen, umfassend:

• eine Kamera (2) mit einem 2-dimensionalen Sensorchip (4), die gegenüber einem ersten Ende (1 1 ) von mindestens einem Detektionselement (10) angeordnet ist;

• eine Beleuchtungseinrichtung (6) zur Erzeugung eines Beleuchtungslichts;

• eine zweite Fläche (16) im Bereich eines zweiten Endes (12) des

mindestens einen Detektionselements (10), die mit einer 2-dimensionalen Sensorfolie (18) versehen ist;

• mindestens ein Behältnis (22) mit einer Probe (17), die das

Detektionselement (10) aufnimmt, wobei die 2-dimensionale Sensorfolie (18) von dem Analyten vollkommen bedeckt ist; und

• einen Computer (8), das kommunikativ mit dem Sensorchip (4) der Kamera (2) verbunden ist, wobei der Sensorchip (4) ein Bild der 2-dimensionalen Sensorfolie (18) aufnimmt.

Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die 2-dimensionalen Sensorfolie (18) auf einem Haltemittel (13) im Bereich des zweiten Endes (12) des

Detektionselements (10) aufgebracht ist.

Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 2, wobei das Haltemittel (13) eine Rampe (24) ist, die gegenüber eine Horizontale (H) um einen Winkel (a) geneigt ist.

Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei ein massives Lichtleitelement (14) im Detektionselement (10) zwischen dem ersten Ende (1 1 ) und dem zweiten Ende (12) angeordnet ist, wobei das Lichtleitelement (14) am ersten Ende (1 1 ) eine erste Fläche (15) zur Einkopplung von Beleuchtungslicht (35) und zur

Auskopplung von Detektionslicht (36) und am zweiten Ende (12) eine zweite Fläche (16), die mit der 2-dimensionalen Sensorfolie (18) versehen ist, aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die zweite Fläche (16) am zweiten Ende (12) des Lichtleitelements (14) des Detektionselements (10) parallel zu einer Horizontalen (H) ausgerichtet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die zweite 2-dimensionale Fläche (16) am zweiten Ende (12) des Lichtleitelements (14) des Detektionselements (10) unter einem Winkel (oc) zu einer Horizontalen (H) ausgerichtet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kamera (2) mit dem Sensorchip (4) derart angeordnet ist, dass die 2-dimensionale

Sensorfolie (18) im Bereich des zweiten Endes (12) des mindestens einen Detektionselements (10) ein Bildfenster (20) auf dem Sensorchip (4) definiert, damit nur das von der ersten Fläche (15) am ersten Ende (1 1 ) des

Lichtleitelements (14) des mindestens einen Detektionselements (10) austretende Detektionslicht (36) erfassbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Behältnis ein Well (22) ist und mehrere Wells (22) in einer Wellplatte (26) angeordnet sind, und wobei in mindestens einem der Wells (22) eines der Detektionselemente (10) eingesetzt ist.

9. Verfahren zur Gewinnung von zumindest 2D-Analytinformationen, umfassend die folgenden Schritte:

• Einbringen von mindestens einem Detektionselement (10) in ein Behältnis (22) mit einem Analyten, wobei das Detektionselement (10) ein erstes Ende

(1 1 ) und ein zweites Ende (12) aufweist, und im Bereich des zweiten Endes

(12) eine 2-dimensionalen Sensorfolie (18) vorgesehen ist, die vom zu detektierenden Analyten umgeben wird;

• Einstrahlen von Beleuchtungslicht (35) auf die 2-dimensionale Sensorfolie (18) des mindestens einen Detektionselements (10), und

• Detektieren mit einem Sensorchip (4) einer Kamera (2) des von der

mindestens einen 2-dimensionalen Sensorfolie (18) aufgrund der Reaktion mit dem mindestens einen Analyten der Probe zurückkommenden Detektionslichts (36), wobei auf dem Sensorchip (4) der Kamera (2) ein entsprechendes Bildfenster (20) definiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die 2-dimensionale Sensorfolie (18) auf einem Haltemittel (13) im Bereich des zweiten Endes (12) des

Detektionselements (10) aufgebracht und die 2-dimensionale Sensorfolie (18) durch den Analyten hindurch beleuchtet wird und das Detektionslicht (36) von der 2-dimensionale Sensorfolie (18) durch den Analyten auf den Sensorchip (4) der Kamera (2) gelangt.

1 1 . Verfahren nach Anspruch 9, wobei die 2-dimensionale Sensorfolie (18) an einer zweiten 2-dimensionale Fläche (16) eines massiven Lichtleitelements (14) angeordnet ist, das im Detektionselement (10) zwischen dem ersten Ende (1 1 ) und dem zweiten Ende (12) vorgesehen ist, wobei das Beleuchtungslicht über eine erste Fläche (15) des Lichtleitelements (14) eingekoppelt wird, über die zweite Fläche (16) zur 2-dimensionale Sensorfolie (18) gelangt und über die erste Fläche (15) als Detektionslicht (36) ausgekoppelt wird und durch die

Kamera (2) auf den 2-dimensionalen Sensorchip (4) abgebildet wird.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 9 - 1 1 , wobei das

mindestens eine Behältnis ein Well (22) ist und mehrere Wells (22) in einer Wellplatte (26) angeordnet sind, und wobei in mindestens einem der Wells (22) eines der Detektorelemente (10) eingesetzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Wellplatte (26) als Ganzes beleuchtet und mit der Kamera (2) die Wellplatte (26) mit dem mindestens einen

Detektorelement (10) auf den Sensorchip (4) abgebildet wird, wobei für jede 2- dimensionale Sensorfolie (18) auf dem Sensorchip (4) ein Bildbereich festgelegt wird und die Daten aus dem jeweiligen Bildbereich einer Auswerteeinheit zugeführt werden.

14. Detektionselement (10) zur Gewinnung von zumindest 2D-Analytinformationen, wobei das Detektionselement (10) umfasst:

• ein erstes Ende (1 1 ) und ein zweites Ende (12); und • eine 2-dimensionale Sensorfolie (18), die im Bereich des zweiten Endes (12) des Detektionselements (10) vorgesehen ist.

15. Detektionselement (10) nach Anspruch 14, wobei die 2-dimensionale Sensorfolie (18) auf einem Haltemittel (13) im Bereich des zweiten Endes (12) des

Detektionselements (10) aufgebracht ist und das Detektionselement (10) am ersten Ende (1 1 ) eine Öffnung (38) ausgebildet hat.

16. Detektionselement (10) nach Anspruch 15, wobei das Haltemittel (13) eine

Rampe (24) ist, die gegenüber einer Horizontalen (H) um einen Winkel (oc) geneigt ist. 17. Detektionselement (10) nach Anspruch 14, wobei ein massives Lichtleitelement (14) im Detektionselement (10) zwischen dem ersten Ende (1 1 ) und dem zweiten Ende (12) angeordnet ist, wobei das Lichtleitelement (14) am ersten Ende (1 1 ) eine erste Fläche (15) zur Einkopplung von Beleuchtungslicht (35) und zur Auskopplung von Detektionslicht (36) und am zweiten Ende (12) eine zweite 2-dimensionale Fläche (16), die mit der 2-dimensionalen Sensorfolie (18) versehen ist, aufweist.

18. Detektionselement (10) nach Anspruch 14, wobei die zweite Fläche (16) mit der 2-dimensionalen Sensorfolie (18) parallel zu einer Horizontalen (H) ausgerichtet ist. 19. Detektionselement (10) nach Anspruch 14, wobei die zweite Fläche (16) mit der 2-dimensionalen Sensorfolie (18) unter einem Winkel (oc) zu einer Horizontalen (H) ausgerichtet ist.