CN107430064A - 用于光学式检测具有空间范围的生物样品中的移动的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于光学式体外检测具有空间范围的生物样品中的移动的方法和装置，生物样品为三维细胞培养物和/或三维组织培养物、或者细胞簇、或者由能够自由游动的微生物制成的样品的形式。方法包括如下步骤：(a)设置光束源(6)、光学部件(7，8)、检测器(2)和用于样品(1)的接收器，(a1)其中，光学部件(7，8)被构造成利用从光束源射出的辐射照射接收器中的整个样品(1)并被构造成将光束源(6)的辐射(11)中的至少一些辐射引导到检测器(2)的检测面(2a)，就该辐射(11)中的至少一些辐射的辐射方向、偏振状态和/或衍射图案而言，该辐射(11)中的至少一些辐射通过与样品(1)的相互作用而在样品(1)内的任意点处发生改变，并且(a2)其中，检测器(2)被构造成以根据检测到的辐射的方式产生测量信号(9)，测量信号的时间曲线表明检测到的辐射(11)的强度的时间曲线，和/或根据测量信号能够得到检测到的辐射(11)的强度的时间曲线；(b)利用来自光束源的辐射照射样品(1)；以及(c)以根据测量信号(9)的时间上的变化的方式检测生物样品(1)中的移动。

Description

用于光学式检测具有空间范围的生物样品中的移动的方法和 装置
技术领域
本发明涉及用于光学式体外检测具有空间范围的生物样品中的移动的方法和装置。
背景技术
从实践中已知在诸如发育生物学、毒性试验和药物研究的领域中，存在用于监测封闭三维细胞培养物和封闭三维组织培养物的活性动态的需求。
例如使用繁育自胚胎干细胞的已经分化成肌肉组织的组织样品作为毒性试验的一部分，以便检查待测试物质的危害性。这里探讨应用到肌肉组织的物质是否会影响肌肉组织的肌肉收缩，这能够作为物质的毒性的指标。为此对测量方法是有要求的，以便检测该细胞簇形式的三维生物样品中的移动，例如收缩。该细胞簇的典型直径为100μm至400μm，同时落在毫米范围内的直径也是可能的。
当前主要使用视觉观察并较罕见通过使用具有后续图像分析的视频显微镜来实施这些研究。前者是耗时的并且总是与主观评估相关联。后者具有如下缺点：需要复杂的成像光学部件和与大量研究工作相关联的复杂的图像分析。它们的倾向于小的移位的固有灵敏度是又一缺点。
诸如阻抗测量的非光学式方法仅在与样品接触时才起作用。然而，如果样品形状偏离平面(贴壁单层(adherent monolayer))或者甚至是三维的，并且还能够在介质中自由游动，则不能应用上述技术。
自动成像方法具有如下缺点：对于10μm的焦深和具有上述典型尺寸100μm至400μm的细胞簇，必须例如测量样品的10个至40个图像平面(image level)。为了能够检测到移动以及重定位或聚焦所需的额外时间，所给出的典型最小测量周期为近似10秒，这样的方法不适于快速地监测大量样品。
鉴于因生物动态的时间尺度而相当长的监测周期，通常无法指示大量样品的连续测量。然而，在实践中存在如下需要：对例如存储在多井板中的彼此分离的大量样品实施这样的移动检测，其中多井板也被称为微滴定板，例如具有96个或384个腔(英文：井(wells))。由于出于几何形状的原因并缺少构造空间而难以实现在多井板的每个腔处配置成像光学装置，所以成像方法不适于大量这样的样品的并行测量。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于检测具有空间范围的生物样品中的移动的改进了的方法，利用该方法，能够避免传统技术的缺点。特别地，本发明基于提供用于移动检测的牢固的非接触式方法的目的，该方法无需复杂的图像分析。本发明的又一目的是提供适于在筛选环境中进行大量样品的并行分析的方法。又一目的由提供用于检测具有空间范围的生物样品中的移动的装置构成，利用该装置，能够避免传统装置的缺点。
这些目的通过具有独立方案的特征的装置和方法而得以解决。本发明的有利的实施方式和应用由从属方案得到，并且将部分参照附图在以下说明中更详细地解释。
本发明基于如下技术观点：光学式方法最适于非接触式监测，并且由于无法提前知晓样品的可能移动的精确位置，所以必须照射整个样品。由于样品通常具有大范围的深度，即大于成像光学部件的焦深，所以必须沿着样品的整个长度遍及样品地累积测量光与样品的相互作用。因此，由于特别是在这里将测量到光的未相互作用部分，并且预期波动会伴随着高的背景噪音和干扰，这会使透射方法不灵敏，所以该技术是不适用的。因此，根据本发明的方式基于检测被照射样品的散射辐射、偏振辐射和/或衍射辐射，其中在光的通过与样品的相互作用而使辐射方向、偏振状态和/或衍射图案发生改变的部分中寻找由样品移动导致的波动。在这里，有利的是，借助于适当的滤波器使透射光从散射辐射、偏振辐射和/或衍射辐射分离。作为本发明的一部分，术语“光”还代替术语“辐射”而被使用。这两个术语均能够作为本发明的一部分而视作等同，并且均包括在可见光、红外线(IR)和紫外线(UV)范围内的电磁辐射。
因此，根据本发明的总体方面，本发明提供用于光学式体外检测具有空间范围的生物样品中的移动的方法。
根据本发明的方法包括用于样品的接收器、光束源、光学部件和检测器的设置。在这里，光学部件被构造成利用从光束源射出的辐射照射接收器中的整个样品并被构造成将光束源的辐射中的至少一部分辐射引导到检测器的检测面，该辐射中的至少一部分辐射通过与样品的相互作用而使该辐射中的至少一部分辐射的辐射方向、偏振状态和/或衍射图案在样品内的任意点处发生改变，从而遍及样品地沿着样品的整个路径累积地测量从光束源射出的辐射与样品的相互作用。检测器被构造成根据检测到的辐射产生测量信号，测量信号的时间曲线代表检测到的辐射的强度的时间曲线，和/或根据测量信号能够得到检测到的辐射的强度的时间曲线。
根据本发明的方法还包括利用来自光束源的辐射照射样品，以及根据测量信号的时间上的变化检测生物样品中的移动。
根据本发明的方法的一个特别的优点是，由于在光的已经通过与样品的相互作用而使辐射方向、偏振状态和/或衍射图案发生改变的部分中由样品移动导致的波动能够随着测量信号的波动而直接可见，所以能够根据所述方法的测量值直接得到样品动态。因而，能够省略如成像方法所要求的测量数据的复杂处理。
所述方法能够例如被如下设计：如果测量信号的改变超过预定阈值，则能检测到样品中的移动。如果测量信号的时间上的变化具有周期性，则还能够在检查出肌肉组织的收缩时检测到移动。
可以使用比较简单的光学元件来实施所述方法。不需要用于聚焦于各个成像平面和用于连续扫描样品体的光学部件。因此，用于实施所述方法的装置能够有成本效益地实现并能够具有紧凑的结构。
归功于测量信号的简单评价和紧凑结构，所述方法还适于大量样品的并行监测，并且可以整合到筛选环境中，或者以有处理效率的方式整合到自动的高吞吐量处理中，例如整合到高吞吐量的筛选处理中。
根据特别优选的实施方式，检测器被设置为单通道检测器，或者检测器发出单通道测量信号。优选地，测量信号仅指示每单位时间撞到检测面上的辐射强度。因此，能够借助于信号的时间上的变化或信号的波动来直接检测样品中的移动。
优选地，检测器为非成像检测器或具有非空间分辨测量信号的检测器，例如非空间分辨光检测器(non-spatially resolved photo detector)，如光电二极管。这样的检测器是紧凑且有成本效益的。
具有空间范围的生物样品被理解为三维生物样品，例如三维细胞培养物和/或三维组织培养物形式或者细胞簇形式的三维生物样品。
生物样品的直径在至少一个空间方向上可以为至少50微米(μm)，更优选地，在所有空间方向上可以为至少50微米，并且生物样品的直径在所有空间方向上经常大于100μm。
优选地，样品的直径落在100μm至5mm的范围内，更优选地，在100μm至1mm的范围内。特别地，生物样品可以是肌肉组织和/或活细胞的样品，即具有活性动态的细胞、也就是能够触发移动的细胞的样品。
特别地，生物样品中的移动的检测应当理解为样品内的移动或生物样品的样品成分的移动。换言之，具有空间范围的生物样品中或内的动态现象通常应当是可检测的。利用肌肉细胞的细胞培养物，这样的移动能够例如通过各个肌肉细胞的收缩而触发。
然而，生物样品也可以是例如精子的能够自由游动的微生物的样品。在这种情况下，能够使用用于检测能够自由游动的微生物的移动的方法，例如在精子的情况下，用于检测精子活力。
光学部件可以包括配置在照射侧的照射光学部件，利用照射光学部件，光束源的辐射指向整个样品，以便完全且尽可能均匀地照射样品。
光学部件还可以包括检测光学部件，利用检测光学部件，从样品射出的光指向检测器的检测面，该光的辐射方向、偏振状态和/或衍射图案通过与样品的相互作用而发生改变。
如以下将参照进一步实施例解释的，在这里使用一个或多个恰当配置和设计的已知的光学构造元件，诸如滤波器、透镜、光圈、折射元件等可以实现光学部件的该功能特征。
在这里，想到的一个有利实施方式变型例是，光学部件以如下方式构造和/或检测器以如下方式相对于照射光路和样品配置：在光束源的穿透样品的透射辐射到达检测器的地方和/或在来自光束源的光在绕过样品的情况下到达检测器的地方，无光路存在。
因此，根据该实施方式，仅来自光束源的已经通过与样品相互作用而使辐射方向、偏振状态和/或衍射图案发生改变的光到达检测器，同时光学部件防止了透射辐射或绕过样品的辐射到达检测器的检测面。以这种方式，减少了干涉背景信号，并提高了测量的灵敏度。
根据优选的实施方式，借助于衍射图案的变化来识别样品中的移动。根据该实施方式，光束源产生相干光。例如借助于空间滤波器，光学部件还被构造成将由来自光束源的被样品衍射的光产生的衍射图案的边缘区域映射到检测器。样品内的移动产生例如斑纹图案的衍射图案的变化。作为本发明的一部分所实施的探讨已经显示，由于辐射强度的相对变化小，所以衍射图案的变化难以在其中心测量。然而，在边缘区域中，能够可靠地识别出变化，并且变化能够例如致使衍射图案从局部衍射最大到局部衍射最小的时间上的变化，或者反之亦然。利用衍射图案，图案中的各点均包含整个样品的衍射信息。
利用该实施方式的一个有利的变型例，光学部件包括针孔光圈(pinholeaperture)，针孔光圈以如下方式配置在样品与检测器之间：使针孔光圈的针孔配置在由样品产生的衍射图案的边缘区域中。
针孔光圈被理解为孔状的开口，优选为小孔状的开口，并且优选不具有透镜。针孔光圈用于光的局部分隔聚集。出于相同的目的，已经长期地使用光纤的前侧面，特别是在共焦显微镜中。
优选地，接收不到透射光的所有观察角度应当视作衍射图案的边缘区域。衍射图案由衍射到物体(在这里，为样品)的光波的正干涉和负干涉产生。干涉是正还是负，将取决于物体尺寸、光的波长和观察角度。穿过样品的未互相作用的光，即透射光、弹道光子，具有0o的观察角度并到达衍射图案的中央。衍射图案因透射光而发亮，并且S/B(S/B：信号比背景，信背)比和S/N(S/N：信号比噪音，信噪)比大幅下降。因此，优选地，接收不到透射光的所有观察角度均应当认为是代表衍射图案的边缘区域。由于在这里照射整个样品，并且不是平行光照射，所以透射辐射的“接收区域”大于仅一个点。
根据该实施方式的又一变型例，针孔光圈可以具有多个针孔，该多个针孔以它们位于衍射图案的边缘区域中的方式相对于衍射图案配置。为此，针孔应当以如下方式配置：穿过针孔撞到检测器的衍射辐射的叠加将使衍射作用增强而非减弱。
根据实施方式的借助于衍射图案的变化来检测样品中的移动的又一变型例，光学部件在光束源与样品之间可以包括光圈，光圈以如下方式构造：使来自光束源的通过光圈的光圈开口逸出的辐射不直接撞到针孔光圈中的针孔，即绕过样品。光学部件还可以包括配置在光束源与样品之间的折射光学元件，即使辐射发生折射的元件，例如凸透镜或棱镜，折射光学元件以如下方式构造：使被折射元件转向的辐射不直接撞到针孔光圈中的针孔，即绕过样品。这些变型例代表光学部件的有成本效益的示例，该光学部件易于调整并仅将衍射辐射引导至针孔光圈的针孔。
根据又一优选的实施方式，借助于偏振光的波动来检测样品中的移动，其中偏振光的波动是由该移动导致的。根据该实施方式，光学部件包括具有不同偏振方向的第一偏振滤波器和第二偏振滤波器，其中第一偏振滤波器配置在光束源与样品之间，第二偏振滤波器配置在样品与检测器之间。样品中的移动致使偏振光与样品之间相互作用的变化，并且致使偏振状态的变化，这会致使检测信号的波动。
在这里，检测器和第二偏振滤波器可以配置在样品的相对于光束源所在侧的相反侧、配置在样品的侧方或配置在与光束源所在侧的相同侧。
根据又一优选的实施方式，借助于被样品散射的光的波动来检测样品中的移动，其中被样品散射的光的波动是由该移动导致的。在这里，为了被样品散射的光的上方检测(Epidetektion)，可以将检测器配置在样品(1)的光束源所在侧的相同侧。可选地，为了散射到样品的侧方的辐射的检测，可以相对于照射光路的方向呈倾斜角度地配置检测器和/或将检测器配置在样品的侧方。
这些变型例提供了如下优点：不需要防止透射辐射撞到检测器的诸如光圈的光学部件。
为了被样品散射的光的透射光检测，还可以将检测器配置在样品的透射光方向上。根据该变型例，光学部件包括光圈，光圈配置在光束源与样品之间、被构造成阻挡照射光路中的作为穿透样品的光束的会撞到检测器的光束。可选地或附加地，光学部件可以包括折射光学元件，折射光学元件配置在光束源与样品之间、被构造成以使穿透样品的光束不撞到检测器的方式改变照射光路的方向。
如果光学部件具有配置在检测器之前、被设计成用于抑制室内光的带通滤波器，则也是有利的。以这种方式，可以进一步提高检测的灵敏度。
根据又一优选的变型例，光学部件、特别是照射光学部件包括轴棱镜。轴棱镜的使用提供了如下优点：由于轴棱镜的焦点沿着光轴延伸-而非仅位于一个点，所以与传统的透镜相比，提供了对在空间上“较深”的样品的更均匀照射。轴棱镜的又一优点是由于入射(非影响(non-influenced))光被以相对于光轴呈恒定的角度衍射，所以易于入射光的空间滤波。
想到的根据本发明所实现的一个可能性是，样品可以位于载体基质上。因此，用于样品的接收器能够包括优选为生物聚合物的载体基质。样品还能够位于悬滴中。因此，用于样品的接收器能够包括悬滴。样品的接收器还能够被设计为位于悬滴中的载体基质，载体基质优选为诸如藻酸盐的生物聚合物。
为了在筛选环境中使用所述方法，用于样品的接收器可以是多井板(微滴定板)的腔。接收器还可以是设计成用于在各个腔上形成悬滴的多井板(所谓的悬滴多井板)的腔。这样的悬滴多井板例如由公司Insphero AG，CH-8952Schlieren提供、采用“GravityPLUSTM3d Culture and Assay Platform”的名称。专利文献EP 2342317B1也公开了该板。
以上已经提及的是，作为自动的高吞吐量方法的一部分，所述方法特别适于例如待检查样品的大量样品的并行监测。
因此，想到的所述方法的一个有利的进一步发展是，在彼此分离的多个生物样品中实施移动的并行光学式检测。在这里，用于生物样品的接收器优选为多井板，该多井板具有用于接收样品的成行和成列配置的多个腔。检测器被设计为检测器阵列，优选地被设计为发光二极管阵列，其中各个检测器的格栅距离等于多井板的腔的格栅距离。
光束源被构造成照射各个腔。根据有利的变型例，用于照射腔中的样品的光束源被构造为激光二极管阵列，其中各个激光二极管的格栅距离等于多井板的腔的格栅距离。激光二极管阵列代表空间节省和有能量效益的照射源。
为了能够使散热良好，激光二极管阵列的支架可以由导热材料制成，优选由铝制成。根据该变型例的光学部件还能够包括透镜阵列，例如微透镜阵列，其中透镜阵列中的每个透镜被分配给激光二极管中的一个激光二极管，并且透镜将激光二极管的光引入腔内。
作为代替激光二极管阵列的光束源，还能够将光束源设计为传统的光源(激光、弧光灯等)，其中光束源的光借助于光纤束耦合到包含样品的各个腔中，用于照射样品。在这里，各腔均分配有光纤。这提供了如下优点：光源能够在距样品足够远处运行，以避免样品附近的过热发展。
根据又一可选的变型例，还存在利用光束源成面地照射多井板的可能性，其代表简单实现的变型例，但是由于光束源必须具有相应的作业能力，所以在能量效益方面具有缺点。在这里，如果光经由被恰当设计的聚光光学部件引导并经由可能地变角通过式滤波器(angle-dependent pass-through filter)而平行化且指向腔，则是有利的。
根据本发明的又一方面，提供用于非接触式体外检测具有空间范围的生物样品中的移动的装置。该装置包括用于生物样品的接收器、光束源、检测器和光学部件，装置被构造成利用从光束源射出的辐射照射接收器中的整个样品并被构造成将光束源的辐射中的至少一部分辐射引导到检测器的检测面，该辐射中的至少一部分辐射通过与样品的相互作用而使该辐射中的至少一部分辐射的辐射方向、偏振状态和/或衍射图案在样品内的任意点处发生改变。检测器被构造成根据检测到的辐射产生测量信号，测量信号代表检测到的辐射的强度的时间曲线，和/或根据测量信号能够得到检测到的辐射的强度的时间曲线。
所述装置还可以具有评价单元，评价单元被装配成用于通过显示和/或评价检测到的辐射的时间上的变化来检测生物样品中的移动。
为了避免重复，仅仅作为所述方法的一部分而公开的特征还将视作所述装置的所公开和要求保护的特征。因此，本发明的上述方面和特征，特别是关于光学部件、检测器、接收器(例如多井板、悬滴或悬滴多井板)以及光束源的设计也适用于所述装置。
附图说明
本发明的前述优选实施方式和特征可以以任意方式彼此组合。以下将参照附图说明本发明的进一步细节和优点。所示出的是：
图1是根据本发明的实施方式的方法和装置的高度示意性图示；
图2A至图2E是本发明的为了移动检测而使用被样品散射的光的实施方式；
图3A至图3C是本发明的为了移动检测而使用偏振光的实施方式；
图4A至图4C是本发明的为了移动检测而使用样品的衍射图案的实施方式；
图5A是位于载体基质的心脏肌肉组织模型形式的样品；
图5B是两个在时间上相继的点处的斑纹图案的图示；以及
图5C是测量信号示例的时间曲线。
具体实施方式
在图中用相同的附图标记标识相同的部件，并且将不单独说明。
图1示出了根据本发明实施方式的方法和装置的高度示意性图示。
为了实施该方法，提供用于光学式体外检测具有空间范围的生物样品1中的移动的装置100。
装置100包括用于三维样品1的接收器(未示出)、光束源6、光学部件7、8和检测器2。
接收器不限于具体类型的接收器，而是可以根据样品的应用和类型而恰当地设计为例如供样品生长的载体、载板、容器、多井板的腔或例如藻酸盐的生物聚合物形式的载体基质。
光源6可以是但不必须是相干光源，例如激光。只有为了移动检测而使用样品的衍射图案的实施方式变型例(对照图4A至图4C、图5A至图5C)要求相干辐射。
由于在原理上众多具体的光学实施方式变型例是可能的，所以图1中的光学部件7、8的图示仅为示意性的且意在图示出光学部件的功能特征，而非意在图示出具体的光学元件，借助于示例在附图中说明了众多具体光学实施方式变型例中的一些。
这里，可以使用一个或多个被恰当配置和设计的已知光学构造元件和部件，诸如滤波器、透镜、光圈(aperture)、折射元件等，来实现该光学部件的功能特征。
光学部件7、8包括配置在照射侧的照射光学部件7，利用照射光学部件7，光束源6的辐射10被引导到整个样品1，以便完整且尽可能均匀地照射样品。照射光学部件可以包括用于为此形成辐射的适当光学元件或部件，诸如光圈、透镜和/或滤波器。使用轴棱镜是特别有利的。
光学部件7、8还包括检测光学部件8，借助于检测光学部件8，从样品射出的光11，即来自光束源6的已经通过与样品1的相互作用而使辐射方向、偏振状态和/或衍射图案发生改变的光被引导到检测器2的检测面2a。在图1中，散射事件例如图示在点P1处，在点P1处，光11沿检测器2的方向散射并借助于检测光学部件8而映射到检测器2上。由于整个样品1被均匀地照射，所以入射光10的相互作用能够在样品1内的任意点处发生，从而通过检测器2以累积的方式遍及入射光10的穿过样品的整个路径地测量光与样品的相互作用。
检测光学部件8还能够包括确保通过与样品的相互作用而未使辐射方向、偏振状态和/或衍射图案发生改变的光不会到达检测器2的光学元件。检测光学部件8能够例如包括配置在检测器入口之前的带通滤波器，带通滤波器滤掉或抑制室内光，但是允许具有光束源6的波长的光通过。这假定的是，使用单色光束源，或者在光束源的出口处配置相应的滤波器，以便仅以特定的光波长照射样品。
检测光学部件8还能够借助于光圈、透镜等阻挡光路，在该光路中，来自光束源6的穿透样品1的透射辐射会到达检测器，和/或在该光路中，来自光束源6的光会在绕过样品的情况下到达检测器2。
额外地或可选地，检测器还可以以如下方式配置：例如如图1所示，通过将检测器2配置在相对于照射光路10侧方，使没有透射光12到达检测器的检测面2a。
检测器2被构造成根据检测到的辐射11产生测量信号9，测量信号9的时间曲线表明检测到的辐射11的强度的时间曲线。
因此，检测信号9相当于样品的体积测量(英文：full-volume measurement(全体积测量))。检测器2优选为单通道检测器，使得仅产生一个测量参数9，该测量参数9等于每单位时间的由检测器记录到的光强的变动。检测器2为例如传统的光电二极管2。
利用图1所示的装置100照射样品1，并且评价相应的测量信号9。
如果样品1现在发生移动，例如在所培育的肌肉组织的情形中发生收缩，则样品1与到达样品的光的相互作用也会因该移动而改变，即落在样品上的通过与样品1的相互作用而使辐射方向、偏振状态和/或衍射图案发生改变的光11的比例将改变，并且会产生检测信号9的变化。因此，根据所述方法，能够借助于检测信号9的波动检测生物样品中的移动。
以下将说明本发明的实施方式中的代表图1所示的解决方式的具体设计的一些示例。虽然图2A至图3C中未图示出光束源6，但是光束源6位于所示光学部件和检测器组件的上方，这根据光路10是清楚的。
图2A至图2E示出了本发明的为了移动检测而使用被样品散射的光的实施方式。在图2A至图2B中，为了样品2的散射光11的透射光的检测，检测器2相对于样品1配置在透射光方向上。为了防止穿透样品2的光束到达检测器2，图2A中配置有阻挡如下光束的光圈3：随着光束穿透样品2其将会到达检测器2，或者光束经过样品的侧方并到达检测器2。因此，光圈3形式的照射光学部件仅允许穿透样品的将不到达检测器12的辐射12通过。
图2B所示的实施方式的特殊性在于，代替大的光圈3，使用较小的光圈3，跟随光圈3的是折射光学元件，例如透镜、轴棱镜等，折射光学元件以使穿透样品2的光束12不能到达检测器2的方式改变被允许通过光圈3的照射光路10的方向。
图2C所示的实施方式的特殊性在于，为了从样品1反射的形式的散射光的上方检测，将检测器2配置在样品1的光束源6所在侧的相同侧，其中检测面2a进而面对样品2。这提供了不要求用于阻挡透射光的光圈的优点。尽管如此，这里能够想到围绕检测器2的光圈，这能够减少干涉光作用的影响。
图2D和图2E所示的实施方式变型例的特殊性在于，在侧方检测散射光11。为此，检测器2配置在照射方向的侧方。在图2D中，光束源与样品1之间配置有例如透镜或棱镜4的折射光学元件，折射光学元件以如下方式改变光路的方向：使照射光路10的光不能直接到达检测器2，即不能在绕过样品1的情况下到达检测器2。
图2E所示的实施方式与图2E中的变型例的区别在于，代替折射光学元件4，使用光圈3a，光圈3a具有用于使光路10变窄的开口，使得照射光路10的光能够再次不能直接到达检测器2，即不能在绕过样品1的情况下到达检测器2。
图3A至图3C示出了本发明的为了移动检测而使用偏振光的实施方式。为此，照射光学部件包括配置在光束源与样品1之间的第一偏振滤波器5a。检测光学部件包括第二偏振滤波器5b，第二偏振滤波器5b具有与第一偏振滤波器5a相比不同的偏振方向并配置在样品1与检测器2之间、优选配置在检测器的入口处。
检测器2和第二偏振滤波器5b可以配置在样品1的相对于光束源所在侧的相反侧、可以配置在样品1的侧方或者可以配置在与光束源所在侧相同那侧，这通过图3A至图3C中的不同的变型例图示出。
归因于两个偏振滤波器5a和5b的不同偏振方向，偏振滤波器5b仅使已经通过与样品的相互作用而被“去偏振”的光通过。因而，两个偏振滤波器5a和5b的配置确保了不会检测到穿透样品的光或绕过样品的光。
样品中的移动将改变去偏振光的比例，并且会导致检测信号的波动，使得进而能够根据检测信号的波动直接检测到样品1中的移动。
第一偏振滤波器5a之前可以配置有使照射光路10聚焦于样品的折射光学元件4，例如凸透镜或者棱镜，以减少散射光作用(图3A和图3C)。
在图3B的实施方式中，为了从样品1反射的形式的散射光的上方检测，将检测器2配置在样品1的光束源6所在侧的相同侧。这里可以想到围绕检测器2的光圈3，这能够减少干涉光作用的影响。
图4A至图4C示出了本发明的为了移动检测而使用样品的例如斑纹图案形式的衍射图案的实施方式。光源6是相干光源，例如激光二极管。光束源6的在样品处衍射的光产生具有高强度的中心Z和低强度的边缘区域R的衍射图案。
检测光学部件包括针孔光圈3b，针孔光圈3b配置在检测器2的前方、以针孔光圈3b的针孔3c配置在由样品产生的衍射图案的边缘区域R中的方式配置在样品1与检测器2之间。
根据图4A的变型例，照射光学部件包括光圈3a，光圈3a配置在光束源与样品之间、以使来自光束源6的通过光圈3a的光圈开口3d逸出的辐射将不直接到达针孔光圈3b的针孔3c的方式构造。
根据图4B和图4C的变型例，照射光学部件在光束源6与样品1之间包括例如凹透镜的折射光学元件4a，折射光学元件4a以如下方式设计：使被折射光学元件4a衍射的辐射不会直接到达针孔光圈3b的针孔3c，即不会绕过样品1。
在图4C的变型例中，样品1与针孔光圈3b之间还配置有带通滤波器13，带通滤波器13滤掉不等于光束源6的波长的室内光。利用图4C所示的构造，相比于视觉观察(利用显微镜)，当前能够具有灵敏度地检测心脏肌肉跳动。
图5C示出了细胞簇形式的样品1的示例。细胞簇位于悬滴中，在图5A中仅能够看到细胞簇的形成在悬滴多滴定板(hanging drop multi-titre plate)的腔中的部分。样品由分化自干细胞的心脏肌肉组织模型构成，样品附着到藻酸盐形式的载体珠(carrier bead)15。图5A所示的样品具有大约1毫米的直径。
利用激光二极管以波长为650nm的光完全照射样品1。不同尺寸规格结构的样品1以不同的方式衍射相干光并在透射光方向上产生复杂的衍射图案(所谓的“斑纹图案”)。组织中的这些结构的由局部心脏肌肉收缩引起的小的变形致使整个斑纹图案的改变。
图5B作为示例示出了图像17a和17b，图像17a和17b示出了斑纹图案的在收缩的最小和最大偏差处的两种不同情况。图像17a和17b仅出于阐明的目的、源自另一实验且未示出图5A的样品1的斑纹图案。然而，测量原理是相同的。借助于例如针孔光圈3b的空间滤波器使衍射图案17a、17b的边缘区域R中的点图示于检测器2。图案17a、17b的变化现在致使被针孔光圈3b允许通过的光量波动，并因此致使检测信号9的波动，这图示在图5C中。信号9的周期性波动相当于肌肉组织中的周期性收缩。图5C中的图示仅出于阐明的目的，但也示出了在照射图1A所示的样品期间未测量到测量信号。
尽管已经参照具体的实施例说明了本发明，但是对本领域技术人员清楚的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以实施不同的改变，并且作为替换可以使用等同物。另外，在不脱离相关范围的情况下，可以实施许多变型。因此，本发明不限于所公开的实施例，而是应当包括落入所附专利权利要求的范围内的所有实施例。特别地，本发明要求保护从属权利要求的不考虑所引用的权利要求的客体和特征。

Claims (19)

1.一种用于光学式体外检测具有空间范围的生物样品(1)中的移动的方法，所述生物样品(1)为三维细胞培养物和/或三维组织培养物的形式，或者为细胞簇的形式，或者为能够自由游动的微生物的样品的形式，所述方法包括如下步骤：
a)设置光束源(6)、光学部件(7，8；3，3a，3b，4，5a，5b)、检测器(2)和用于所述样品(1)的接收器，
(a1)其中，所述光学部件(7，8)被构造成利用从所述光束源射出的辐射照射所述接收器中的整个所述样品(1)并被构造成将来自所述光束源(6)的辐射(11)中的至少一部分辐射引导到所述检测器(2)的检测面(2a)，其中该辐射(11)中的至少一部分辐射通过与所述样品(1)的相互作用使该辐射(11)中的至少一部分辐射的辐射方向、偏振状态和/或衍射图案在所述样品(1)内的任意点处发生改变，并且
a2)其中，所述检测器(2)被构造成根据检测到的辐射产生测量信号(9)，所述测量信号(9)的时间曲线表明所述检测到的辐射(11)的强度的时间曲线，和/或根据所述测量信号(9)能够得到所述检测到的辐射(11)的强度的时间曲线；
b)利用来自所述光束源的辐射照射所述样品(1)；以及
c)根据所述测量信号(9)的时间上的变化检测所述生物样品(1)中的移动。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述样品的直径
a)在至少一个空间方向上为至少50微米、即至少50μm，或者
b)落在100μm至1mm的范围内。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述样品
a)包含活细胞，例如包含肌肉细胞，和/或
b)包含能够触发移动的细胞。
4.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，
a)所述检测器(2)发出单通道测量信号(9)；和/或
b)所述检测器(2)为光电二极管；和/或
c)所述检测器(2)为非成像检测器或具有非空间分辨测量信号的检测器。
5.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，
a)所述光学部件(7，8)以如下方式构造和/或所述检测器(2)以如下方式相对于照射光路(10)和所述样品(1)配置：在所述光束源(6)的穿透所述样品(1)的辐射(12)到达所述检测器(2)的地方和/或在来自所述光束源的光在绕过所述样品的情况下到达所述检测器的地方，无光路存在；和/或
b)所述样品(1)被完全照射。
6.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，如果所述测量信号(9)的变化超过预定阈值和/或如果所述测量信号(9)的时间上的变化具有周期性，则检测到了所述样品(1)中的移动。
7.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，
a)所述光束源(6)产生相干光，并且
b)所述光学部件(7，8)被构造成使由来自所述光束源的被所述样品衍射的光产生的衍射图案的边缘区域映射到所述检测器(2)。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，所述光学部件包括针孔光圈(3b)，所述针孔光圈(3b)以使所述针孔光圈(3b)的针孔(3c)配置在由所述样品产生的衍射图案的边缘区域(R)中的方式配置在所述样品(1)与所述检测器(2)之间。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，所述光学部件包括：
a)配置在所述光束源与所述样品之间的光圈(3a)，所述光圈(3a)以使来自所述光束源(6)的通过所述光圈(3a)的光圈开口(3d)逸出的辐射不直接到达所述针孔光圈(3b)的针孔(3c)的方式设计，和/或
b)配置在所述光束源(6)与所述样品(1)之间的折射光学元件(4a)，所述折射光学元件(4a)以使被所述折射元件(4a)衍射的辐射不直接到达所述针孔光圈(3b)的针孔(3c)的方式设计。
10.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述光学部件包括具有不同偏振方向的第一偏振滤波器(5a)和第二偏振滤波器(5b)，其中所述第一偏振滤波器(5a)配置在所述光束源(6)与所述样品(1)之间，所述第二偏振滤波器(5b)配置在所述样品(1)与所述检测器(2)之间。
11.根据前述权利要求1至6中任一项的方法，其特征在于，
a)为了被所述样品(1)漫射的光的上方检测，将所述检测器(2)配置在所述样品(1)的所述光束源(6)所在侧的相同侧；和/或
b)为了所述样品(1)的漫射侧辐射的检测，相对于所述照射光路(10)的方向将所述检测器(2)配置在所述样品(1)的侧方；和/或
c)为了被所述样品(2)漫射的光的透射光的检测，将所述检测器(2)配置在所述样品(1)的透射光方向上，并且所述光学部件包括
c1)配置在所述光束源(6)与所述样品(1)之间的光圈(3)，所述光圈(3)被设计成用于阻挡所述照射光路中的随着穿透所述样品(2)会到达所述检测器(2)的光束，和/或
c2)配置在所述光束源(6)与所述样品(2)之间的折射元件(4)，所述折射元件(4)以使穿透所述样品(1)的光束将不到达所述检测器(2)的方式设计成用于改变所述照射光路的方向。
12.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述光学部件包括配置在所述检测器(2)之前的带通滤波器(13)，所述带通滤波器(13)被设计成用于抑制室内光。
13.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，
a)用于所述样品的所述接收器包括载体基质，优选地，所述载体基质为生物聚合物(15)；和/或
b)用于所述样品的所述接收器包括悬滴。
14.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，用于所述样品的所述接收器为多井板的腔，或者为悬滴多井板的腔。
15.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，在彼此分离的多个生物样品中实施移动的并行光学式检测，
其中，用于所述样品的所述接收器为多井板或悬滴多井板，所述接收器具有成行和成列配置的用于接收样品的多个腔，并且
其中，所述检测器被设计为检测器阵列，优选地，所述检测器被设计为光电二极管阵列，各个检测器的格栅距离等于所述多井板的腔的格栅距离。
16.根据权利要求15的方法，其特征在于，所述光束源被设计为用于照射所述腔中的样品的激光二极管阵列，其中各个激光二极管的格栅距离等于所述多井板的腔的格栅距离，并且透镜将所述激光二极管的光引入所述腔。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于，
a)所述激光二极管阵列的保持件由导热材料制成，优选地，所述激光二极管阵列的保持件由铝制成；和/或
b)所述光学部件包括微透镜阵列，其中所述透镜阵列中的每个透镜被分配给所述激光二极管中的一个激光二极管。
18.根据权利要求15的方法，其特征在于，所述光束源的光借助于光纤束耦合到包含所述样品的各个腔中，用于照射所述样品。
19.一种用于非接触式体外检测具有空间范围的生物样品中的移动的装置，所述生物样品为三维细胞培养物和/或三维组织培养物的形式，或者为细胞簇的形式，或者为能够自由游动的微生物的样品的形式，所述装置包括：
-用于所述生物样品(1)的接收器(15，16)，
-光束源(6)，
-检测器(2)，
-光学部件(7，8)，其被构造成利用从所述光束源射出的辐射照射所述接收器中的整个所述样品并被构造成将所述光束源(6)的辐射(11)中的至少一部分辐射引导到所述检测器(2)的检测面(2a)，其中该辐射(11)中的至少一部分辐射通过与所述样品(1)的相互作用而使该辐射(11)中的至少一部分辐射的辐射方向、偏振状态和/或衍射图案在所述样品(1)内的任意点处发生改变，
其中，所述检测器(2)被构造成根据检测到的辐射(11)产生测量信号(9)，所述测量信号(9)的时间曲线表明所述检测到的辐射的强度的时间曲线，和/或根据所述测量信号(9)能够得到所述检测到的辐射的强度的时间曲线，所述装置还包括评价单元，所述评价单元被构造成通过显示和/或评价所述检测到的辐射的时间上的变化来检测所述生物样品中的移动。
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