CN110914675A - 用于颗粒悬浮物的基于显微镜的图像获取和基于拉曼光谱的材料分析的液体池单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液体池单元(1),其用于在反射光显微镜中进行颗粒悬浮物的基于显微镜的图像采集和基于拉曼光谱的材料分析,该液体池单元至少具有如下部件:‑测量腔室(2),所述测量腔室具有底部(3)、与底部(3)相对而置的测量窗(5)和密封件(6),其中,底部(3)至少在密封件(6)的支承的区域中平面地实施,其中,‑底部(3)具有起反射作用的表面(4),该起反射作用的表面具有这样的性质,使得通过测量窗(5)射入的拉曼激励光在起反射作用的表面(4)处被有指向性地反射,从而在拉曼测量时本底信号减小,并且悬浮物中的颗粒的拉曼信号提高。此外,本发明涉及一种显微镜,该显微镜具有这样的液体池单元。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1所述的液体池单元(Flüssigkeitszelle,有时称为液体存放单元)、一种根据权利要求8所述的系统以及一种根据权利要求9所述的显微镜。
背景技术
许多药物按标准针对外来颗粒和/或蛋白质聚集体进行检验。这甚至经常通过官方规定如通过US FDA来规定。这样的规定例如涉及最大颗粒数量,根据不同的数量级来划分。为了确保不超过极限值,必须对颗粒进行识别和定量。属于这个的是,探测并区分蛋白质溶液中的聚集体、外来颗粒和空气气泡。这通过如下装置来实现,该装置设置成用于实现对颗粒的探测以及对所述颗粒的大小和形状的确定。对颗粒的探测能够以不同的方式实现。然而通常是获取图像的方法、例如光显微术。
液体池单元和通流池单元中的颗粒的图像获取(Bildgebung,有时称为成像)已经由现有技术已知(US 5,471,294、EP 1329706、US7605919)。利用FlowCam能够例如在流动通过该池单元时接收和分析颗粒的图像(US7605919)。经由颗粒的形状参数和评价算法能够将颗粒归入不同等级(例如蛋白质聚集体、空气气泡或硅酮滴)。然而不能准确地确定如下材料,颗粒由该材料组成。在此,在这种方法中有利的是,使液体中的颗粒的图像获取与通过拉曼光谱法对颗粒材料的确定能够在相同的测量池单元中执行。这例如允许,识别或区分不同的蛋白质或聚合物。
为了组合式的、获取图像的且指向目标的(也就是说基于接收图像的)基于拉曼光谱的测量,必须具有包括这样设置的显微镜的光学的且机械的装置。这个的原因尤其在于,基于拉曼光谱的测量通常是点测量并且必须保证,在正确的位置执行基于拉曼光谱的测量。只有这样才能够将两个测量方法组合成一个相互关联的总体测量说明。
已知如下方法,在所述方法中,自动化地执行颗粒移向所谓的“湿池单元”中以用于拉曼光谱法。带有执行振动光谱法的目的来自动识别悬浮物中的微颗粒的大小和形状以及位置已经由Malvern (Malvern Application Note(应用笔记) “Characterization ofprotein aggregates in suspension and on a filter membrane by Morphologically-Directed Raman Spectroscopy”)描述。此处,公开了如下结果,所述结果表明,利用组合式的、自动化地识别颗粒和“稀疏路径湿池单元”中的拉曼光谱法能够区分蛋白质溶液中的不同的颗粒种类。试样的图像获取在透光中实现,因此不仅对于测量池单元的上侧而且对于其下侧均使用由石英组成的透明的测量窗。
另外的也能够被用于针对颗粒的拉曼光谱法的液体池单元在DE 102013015033中描述。在该通流池单元中的映射在反射光几何结构中实现。
在两个所提及的测量池单元方面的问题在于基底的高的本底。通常所使用的玻璃或石英玻璃在测量时同样产生拉曼信号(Ramansignal),该拉曼信号能够如此叠加试样的待测量的信号,使得该拉曼信号的品质明显更恶化,并且由此使颗粒物质的识别变得更困难。这尤其在测量微颗粒时是关系重大的,因为此处通过激励光照亮的斑点可能明显大于待分析的颗粒并且由此背景信号的比例可能是非常大的。
除了测量的高的本底以外,在这种测量时也要解决如下问题。
必须避免在充注测量腔室时可形成的空气气泡,因为所述气泡能够导致测量假象(Messartefakt)。空气气泡的形成特别是在高粘度的悬浮物中是有问题的。
为了确保液体池单元的尽可能多样的使用可行方案,该池单元必须由惰性材料制成并且必须能尤其简单地清洁,由此能够排除后续试样受污染。
此外,待检验的悬浮物的层厚是关键的,因为在层过厚时不实现最佳地聚焦到颗粒上。反过来,在液体层非常薄时存在如下危险:通过处于焦点附近的窗材料产生非常高的背景信号。所述背景信号叠加拉曼信号并且使颗粒材料的基于拉曼光谱的确定变得困难。
除此以外,可被检验的试样体积应有可变的大小,由此,一方面能够检验带有低的颗粒数量的试样(需要更确切地说大的体积),但是另一方面能够检验如下试样,所述试样仅以小的量存在(小的试样体积)。
通常,图像反差、即颗粒与背景之间的反差在已知的方法中不够高。这不仅在测量中而且在测量数据的评价中导致误差。
在通过拉曼光谱法确定颗粒材料时的另一个困难在于,达到足够高的信号品质。必须例如经常在高浓度的蛋白质溶液中检验蛋白质聚集体,所述蛋白质聚集体的拉曼信号与包围的液体的拉曼信号的区别仅很小。
发明内容
本发明的任务由此在于,提供一种液体池单元,利用该液体池单元有利地解决大量上面提及的问题,尤其应在图像支持的、基于拉曼光谱的测量方面改善在根据本发明的液体池单元中进行测量时的信噪比。此外,本发明的任务在于,提供一种显微镜,利用该显微镜能够有利地促使解决上面提及的任务。
根据本发明的问题通过根据权利要求1所述的液体池单元来解决。本发明的有利的设计方案在从属权利要求中给出并且随后来描述。
据此,一种用于在反射光显微镜中进行颗粒悬浮物的基于显微镜的图像采集和图像支持的、基于拉曼光谱的材料分析的液体池单元至少具有如下部件:
- 测量腔室,所述测量腔室具有底部、与底部相对而置的、尤其平行于底部伸延的测量窗和密封件,其中,
- 所述底部至少在密封件的支承面的区域中平面地实施,
其中,所述底部具有尤其平滑的、尤其局部平滑的且起反射作用的表面,该表面具有这样的性质,使得通过测量窗射入的光、尤其拉曼激励光在起反射作用的表面处被有指向性地反射,从而在拉曼测量时本底信号(Untergrundsignal,有时称为背景信号)减小,并且包含在悬浮物中的颗粒的拉曼信号提高。
在此,起反射作用的表面具有在电磁波谱的至少一个宽的范围中(尤其在紫外线的、可见光的以及红外线附近的光谱范围中)尤其超过70%的反射度。表面具有这样的性质,使得入射的光射束被有指向性地反射,更确切地说在很大程度上独立于射入角度来反射,也就是说该反射尤其不仅仅局限于针对全反射的极限角度。起反射作用的表面以有利的方式促使改善在进行基于拉曼光谱的测量时的信噪比,尤其通过如下方式来改善:激励激光由于反射而两次地(更确切地说在从物镜至试样的路程中并且在起反射作用的表面处反射之后的路程上)激励一个或多个颗粒。此外,压制了底部的背景信号,从而能更好地采集试样信号。为了促使足够有指向性的反射的足够的品质并且也为了能有利地用于暗场照明,底部应在足够的程度上具有平滑的且平面的表面。为了表征平滑度或粗糙度也能够考虑表面的所谓的RZ数值。RZ数值表征一个面的尤其平均的粗糙度。RZ数值的查明对于本领域技术人员而言是熟悉的。RZ数值尤其应小于0.1、优选小于0.01。拉曼信号的提高即尤其不是试样-表面效应的结果,如其例如在“表面增强拉曼光谱法(SERS)”中所使用的那样。
尤其,底部沿着一平面延伸。
本发明能以有利的方式实现使用带有相对小的工作间距、尤其最小直至1mm的工作间距和由此能相应地大的数值孔径的显微镜或物镜,这特别是在拉曼测量中的改善的信噪比方面是有利的。
带有弯曲的、例如球形或柱形的底部几何结构或测量腔室几何结构的解决方案不及根据本发明的解决方案,因为弯曲的测量腔室几何结构不适用于使用带有短的工作间距的物镜,而是适用于更大的工作间距、尤其超过5mm的工作间距,并且相应地需要较小的数值孔径,以便补偿测量腔室遮盖部相对于底部的增大的间距。
这样的弯曲的测量腔室几何结构的数值孔径由此尤其相比于根据本发明的带有平面的底部和尤其平面的测量窗的液体池单元(在相同的透镜直径的情况下)是其三分之一还多,这导致针对拉曼信号的低超过9倍的收集效率。
此外,弯曲的测量腔室几何结构揭露光学再聚焦、尤其激励光的光学再聚焦的危险,这能够导致误差信号。
根据本发明,液体池单元的底部在密封件的支承的区域中平坦地亦或平面地实施,即尤其不具有凹口。这样成形的底部在密封件支承的区域中尤其平面地且与底部的如下区域形状配合地成形,在所述区域上施加所述试样或所述区域由测量腔室包围。
利用这样设计的底部也能够使用非常低的密封件。此处,尤其表明,例如能够有利地使用由特氟龙组成的密封件(也就是说聚四氟乙烯,PTFE),尤其呈特氟龙薄膜或其他起密封作用的薄的材料、例如聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯的形式。这样的薄膜的厚度(和由此,所产生的密封件的高度)尤其处于少数微米的范围内,例如处于50μm与500μm之间。
尤其无凹口的液体池单元的优点尤其液体池单元或底部的简化的清洁,因为已知地每个凹口均构造针对污物的沉积区域(例如在棱边处)。
扁平的密封件也能够具有比厚的密封件明显更大的支承面,因为所述扁平的密封件不必能接合到凹口中。这样的增大的支承面提高密封件的机械稳定性,尤其在小的密封件厚度的情况下,并且改善可操纵性。
此外,这种扁平的用于无凹口的或平面的液体池单元的密封件以有利的方式允许,不同于测量体积的扁柱状的配置方案并且使用例如扁方形的体积。后者允许在将液体池单元用作通流池单元的情况下,更适宜的流动轮廓作为如下构造,在所述构造中,例如在入口与出口之间的中间的流动横截面变得更宽,如其在扁柱状体积的情况下是这种情况那样。
因此,根据本发明的另一种实施方式设置成,液体池单元具有方形的测量腔室。
根据本发明的液体池单元能够有利地被用于如下显微镜中,所述显微镜具有关于光程的Epi几何结构、或反射光几何结构,其中,经由相同的透镜或相同的物镜不仅实现试样的照明而且实现试样的测量信号(Epi-配置)。这种几何结构经常证明为有利的,因为这样例如流进开口和还有流出开口能够布置在底部中,液体池单元的底部即可供用于例如调温或产生通流这样的任务使用,而不与显微镜的光学装置产生干扰。
根据本发明的液体池单元能够有利地被用于组合式的测量设备,所述测量设备在反射光几何结构中不仅执行图像采集而且执行图像支持的拉曼光谱法。这样的根据本发明的液体池单元能够由部件简单地构造并且能够特别经济地制造。液体池单元的每个部件尤其能够模块化地替换。
根据一种实施方式,底部具有流进开口和流出开口,以用于在测量腔室中充注,排空,抽真空和/或产生通流,其中,流进开口和/或流出开口尤其布置在底部的如下区域中,该区域是测量腔室的一部分。这些开口能够包括另外的联接部或具有这样的联接部。
流进开口和流出开口尤其构造成用于使较大的液体量相对快速地泵送通过和/或挤压通过。其中,用于液体量的开口尤其设计成每分钟20μl至100μl。
有利的是,流进开口和/或流出开口如此实施,使得细管顶部能与所述开口连接、安装在一起或液体配合地套装在一起。所述开口尤其具有一毫米的直径。
根据本发明的一种实施方式,底部的起反射作用的表面具有金属或金属合金,其中,尤其底部由金属或金属合金组成,表面和底部即一件式地构造。
由此,例如由不锈钢组成的底部是适合的,该底部在起反射作用的侧上被抛光成镜反射的。这样的底部以有利的方式相对于大多数溶液是惰性的,能够轻松地清洁并且具有特别长寿命。
在起反射作用的底部上,如有可能能够施加有一个层,该层例如防止悬浮物组成部分的淤积或保护起反射作用的表面以免受到溶剂或悬浮物的影响。
根据本发明的一种备选的实施方式,起反射作用的表面是布置在底部上的、例如以电镀的方式施加的、气相喷镀的或粘接的起反射作用的层,例如金、银和/或镍。
底部能够尤其具有玻璃、石英玻璃或玻璃状的基底或由玻璃、石英玻璃或玻璃状的基底组成,该玻璃状的基底用作用于起反射作用的层的基底。
根据本发明的一种实施方式,起反射作用的表面是半透明的并且尤其布置在透明基底上。所述基底尤其构造底部。
所述基底尤其具有玻璃、石英玻璃或玻璃状的物质或由玻璃、石英玻璃或玻璃状的物质组成。玻璃、石英玻璃和玻璃状的物质的优点是:这些材料具有如下特性:能够构造分子极的、也就是说非常扁平的表面,而不需要耗费的精制步骤(Veredelungsschritt)。
起反射作用的表面的半透明性涉及到,在光的给定波长的情况下,表面反射入射的光的一部分并且对于光的另一部分而言是透明的,也就是说反射度尤其小于95%并且透射度尤其大于5%。
根据本发明的一种实施方式,尤其当底部具有玻璃基底或类似物时,所述底部布置或支承在下部件上,其中,下部件尤其具有开口或凹口,尤其在中心具有开口或凹口,从而底部通过开口或凹口以光学和/或机械的方式可接近,尤其对于显微镜物镜可接近。
根据本发明的一种实施方式,半透明的表面是布置在透明基底上的、半透明的层。
这样的层能够例如具有金属或金属合金、其中,所述层尤其具有10nm至200nm的厚度、尤其50nm至150nm之间的厚度。
半透明的层尤其金层、银层或镍层,其尤其被施加、气相喷镀或粘接在由玻璃或石英玻璃组成的基底上。
这样的半透明的层允许,在相同的试样上不仅尤其实施基于透光的显微镜方法而且实施拉曼光谱法,而不必使用另一个液体池单元。
尤其,能够如此选择半透明的层的材料,使得所述层在光的第一波长范围中是半透明的并且在光的第二波长范围中主要或完全起反射作用,尤其具有超过60%的反射度。
尤其有利的是,半透明的层在基于拉曼光谱的激励的范围中、尤其在第二波长范围中主要起反射作用,尤其具有超过60%的反射度并且在所使用的透光显微镜方法的波长范围中、尤其在第一波长范围中具有至少30%的透射度。
由此,根据本发明的液体池单元在Epi-配置及还有透光显微术中实现基于拉曼光谱的测量,这开启了用于将颗粒与背景光学地分界的有利的反差机制(Kontrastmechanismen)。
在基于层的实施方式中,例如也设置成,将多个层施加到底部上,例如将金层气相喷镀到镍层上。作为这样的大量的层的最上方的层能够布置有例如功能性的分子层。
此外,这些大量的层也能够被用于实现光学的滤波层,例如布拉格反射部(Bragg-Reflektor)。
这也包括如下层,该层如上已经阐释的那样,例如防止悬浮物组成部分淤积或如有可能保护起反射作用的层以免受到悬浮物的有害影响。
根据本发明的一种实施方式,起反射作用的表面在可见光谱范围内、尤其在300nm至800nm的波长范围内、尤其在210nm至1200nm的范围内连贯地起反射作用,尤其带有超过70%的反射度。
本发明的这种变型方案以有利的方式确保,根据本发明的液体池单元在许多应用中能够独立于激励和探测波长来使用。
此外,以有利的方式能够实现带有这样的起反射作用的表面的暗场照明。
根据本发明的另一种实施方式,液体池单元具有压紧元件,该压紧元件如此构造,使得液体池单元能够在本发明的已组装的状态下引入到滑移引导部中,其中,当液体池单元被引入到滑移引导部中时,压紧元件被滑移引导部压制,从而压紧元件挤压到测量窗、密封件和底部上,从而将测量腔室密封,其中,压紧元件以第一区域布置在测量窗上或上方,并且尤其以第二区域布置在底部上或上方。
这样的液体池单元在移入的状态下是液体密封和/或气体密封的。
滑移引导部即尤其如此与压紧元件和底部共同作用,使得液体池单元被保持在一起。
压紧元件以有利的方式实现,液体池单元能够快速且不复杂地得到组装。通过将部件简单地以三明治状的方式接合在一起并且接着移入到滑移引导部中,能够获得作用良好的(funktionstüchtig)液体池单元。
压紧元件尤其能实施为保持环,从而此外即使在液体池单元经组装的状态下也可实现在显微镜下进行测量,因为在中央的测量窗的区域中能够发生激励和探测,将压紧元件环形地设计作为保持环即不与反射光显微镜的光学装置发生干涉。
根据本发明的另一种实施方式,液体池单元具有间隔元件,其中,间隔元件布置在液体池单元的底部上,尤其在测量腔室外部布置在液体池单元的底部上,其中,压紧元件以第二区域贴靠在间隔元件上,从而通过压紧元件仅能够将测量窗压紧到底部处直至预限定的间距为止,其中,间隔元件的高度限定测量窗与底部的所述间距。
通过间隔元件尤其能够调整测量腔室的高度和容积、尤其测量窗相对于测量腔室的底部的间距,尤其通过间隔元件的高度来调整。
通过间隔元件(该间隔元件例如能够是垫片或垫圈)有利地实现液体池单元的模块化原理。尤其,间隔元件不与底部固定连接。由此能够使用不同高度的间隔元件,以便实现不同高的测量腔室。
根据本发明的另一种实施方式,液体池单元具有放入元件,其中,该放入元件布置在底部与密封件之间的凹口中,从而密封件以放入元件的高度向上移位地布置在凹口中,从而尤其测量窗在通过间隔元件预限定的、测量窗与底部的间距的情况下已经如此贴靠在密封件上,使得测量腔室是密封的,其中,放入元件尤其如此确定尺寸,使得放入元件的高度与间隔元件的高度相对应,或在间隔元件的高度方面相差了固定的数值。
放入元件尤其负责,即使对于不同高的间隔元件也实现密封性。
放入元件能够例如是放入片材。尤其,放入元件不与底部固定连接并且有助于本发明的模块化特征。
尤其,能够提出一种系统,该系统除了液体池单元以外也包括大量不同的放入元件和间隔元件,所述放入元件和间隔元件根据需要来使用。由此,能够实现大量液体池单元,所述液体池单元在测量腔室的高度和容积方面改变。
尤其,通过使用不同的间隔元件和放入元件确保:一方面测量腔室中的液体层厚能够单独地针对相应的试样来调整并且另一方面测量腔室的容积也能够设计得足够大或小。
放入元件和间隔元件彼此相协调,更确切地说尤其如此彼此相协调,使得防止由于在测量窗的外棱边处的压力而断裂,并且尽管如此仍确保测量腔室的密封的压力封闭。这两个元件单个有多高必须对于本领域技术人员已知,并且尤其能够取决于凹口的深度、密封件的高度和测量窗的厚度。
根据本发明的另一种实施方式,用于光的测量窗至少在210nm至1200nm的光谱范围内、优选在532nm至785nm的光谱范围内具有大于80%的透射度,其中,测量窗尤其具有石英玻璃。
利用这样的测量窗可实现的是,例如激励且探测色氨酸荧光。
此外,根据本发明的问题也通过一种具有如下特征的系统来解决:
- 用于封闭和固定液体池单元的保持装置,
- 根据本发明的液体池单元,
其中,保持装置具有滑移引导部,该滑移引导部能被移入到液体池单元中,并且其中,该滑移引导部具有压紧板,该压紧板构造成用于,当液体池单元被接纳在保持装置中时将测量窗挤压到密封件上。
此外,根据本发明的问题通过一种带有如下特征的显微镜来解决。
这样的显微镜具有用于颗粒悬浮物的基于显微镜的图像采集和基于拉曼光谱的测量的器件,其中,该显微镜是光学的反射光显微镜,并且其中,该显微镜具有根据本发明的液体池单元和尤其保持装置或尤其根据本发明的系统。
利用根据本发明的显微镜能够在反射光几何结构中对颗粒悬浮物执行之前提及的检验,其中,以有利的方式尤其相比于带有不起反射作用的基底的液体池单元通过使用根据本发明的液体池单元改善了信噪比。
在本发明的意义下的显微镜是光学显微镜,该光学显微镜具有如下光学装置,所述光学装置适用于尤其200nm至1200nm的使用。
用于基于显微镜的图像采集的器件例如包括物镜、探测器例如摄像头、和/或光源、例如激光器、卤素灯或其他类型的光源,如二极管或弧光灯。
用于基于拉曼光谱的测量的器件包括例如激励激光器,点探测器,以及用于拉曼测量的适配的滤波器。
在本发明的一种实施方式中,显微镜具有如下器件,所述器件在液体池单元中实现试样的暗场照明,其中,液体池单元的起反射作用的底部用作为用于射入的暗场照明的反射部。
这样的用于暗场照明的器件例如具有专门的暗场物镜,利用该暗场物镜能够在反射光几何结构中执行这样的暗场照明。
在此,暗场照明具有如下优点:对于一定的试样和颗粒悬浮物能够达到更高的图像反差。尤其能够借助于暗场照明和根据本发明的液体池单元有利地探测和测量如下试样,所述试样的折射率仅很少地区分于溶剂。
在此,暗场照明与液体池单元的底部的起反射作用的表面的组合是特别有利的,因为底部的起反射作用的表面反射暗场照明,从而尽可能少的散射光从底部散射回到物镜中,这引起图像反差提高并且由此引起更好地识别悬浮物中的颗粒。
表面品质在暗场照明时是非常重要的,因为小的不平整度已经引起如下信号,不一定能将该信号与处于表面上的一个颗粒所产生的信号区分开。
为了良好地采集结构/颗粒,表面粗糙度不应处在和颗粒本身一样的数量级中。因为根据本发明,应在亚微米范围内或在微米范围内对颗粒进行光谱化,所以表面粗糙度相应地是较小的,即尤其在纳米或亚纳米范围内。
附图说明
随后借助对实施例的附图说明阐释本发明的另外的特征和优点。附图说明仅用于阐明一些实施例并且不应理解为本发明的所有可行的实施方式的完全的公开内容。然而,仅结合实施例公开的各个特征能够经由示例性的公开也用作权利要求中的特征,只要这些特征不与该权利要求中的其他特征相矛盾。其中:
图1示出穿过根据本发明的液体池单元的剖面的示意性映射图;
图2示出穿过根据本发明的液体池单元的变型方案的剖面的示意性映射图;
图3示出带有液体池单元的保持装置的不同图示;
图4示出起反射作用的表面作用于拉曼信号的线图;
图5示出没有放入元件的液体池单元的实施方式;
图6示出连续图,所述连续图示出根据本发明的液体池单元的组装;
图7示出穿过根据本发明的液体池单元的变型方案的剖面的示意性映射图;以及
图8示出根据本发明的液体池单元的不同视图,该液体池单元适用于透光显微术。
具体实施方式
在图1和图2中描绘沿着z轴线z(高度和拉曼激励的方向)穿过根据本发明的液体池单元1的剖面。液体池单元1具有带有起反射作用的表面4,40的底部3,其中,底部3包括凹口8,密封件6(此处呈O形环的形式)被插入到该凹口中。在密封件6与凹口8之间布置有放入元件20,此处呈放入片材的形式。凹口8在该示例中以槽的形式构造。在密封件6上布置有测量窗5。由密封件6、测量窗5和底部3围成的空间形成测量腔室2。
呈垫片的形式的间隔元件21布置在测量腔室2外部,其中,间隔元件21在高度方面(即沿着z轴线)如此确定尺寸,使得一方面密封作用经由将测量窗5压紧到密封件6上来确保并且另一方面也确保,可通过压紧元件9与滑移引导部201相组合地传递到测量窗5上的压力不导致测量窗5的断裂。换言之,压紧元件9相对于z轴线的最深的位置通过间隔元件21来限定。此外,测量腔室2的底部3具有流进开口71和流出开口72。通过这些开口71,72能够交换试样液体或清洁测量腔室2,而不将液体池单元1彼此拆开。
液体池单元1由仅少量部件组成并且模块化地构造(见图6),也就是说该液体池单元能够被轻松地清洁。此外,通过模块化构造能够轻松地替换各个部件并且使其为了特定的应用相匹配。液体池单元1如此设计,使得待检验的试样溶液或悬浮物的层厚对于蛋白质配方(Proteinformulierung)中的颗粒的识别和图像支持的拉曼分析而言是最佳的。此外,液体池单元在所列举的示例中圆形地沿着x-z平面实施。但是,其他基本形状能毫无问题地加以考虑并且此处不应被排除在外。
液体池单元1的底部3由不锈钢制成。其由此是无锈的、耐久的且与试样不产生相互作用(惰性的)。由不锈钢组成的底部3能够被特别良好地清洁。
在图1中底部3的不锈钢表面4被磨光和/或抛光。由此,提供高度平面的且在纳米-极的平滑的起反射作用的表面4。在此,粗糙度能够借助所谓的RZ数值来表征。有利的是小于0.1、优选小于0.01的RZ数值。
在图2中描绘了液体池单元1的一种变型方案。此处,底部3在测量腔室2的侧上具有起反射作用的层40作为起反射作用的表面4,该起反射作用的层由不同于底部3的材料制成。这能够例如是薄的金层、银层或镍层,所述金层、银层或镍层被气相喷镀到目标载体上。由此,根据激励波长和待测量的试样能够使用其他起反射作用的材料。此外,这样能够提供底部3的成本适宜的一次性变型方案。此处RZ数值也小于0.1。
液体池单元的另一种变型方案在图5中描绘,一次作为单纯的剖视图来描绘并且也作为半剖面来描绘。部件的附图标记和布置基本上与图1和图2中的变型方案相同。然而区别于图1和图2,图5中的液体池单元不具有放入元件20。在该变型方案中,正好如此选择间隔元件21、密封件6的厚度和槽深度(凹口8),使得能够放弃放入元件20。
在图7中描绘了沿着z轴线z(高度和拉曼激励的方向)穿过根据本发明的液体池单元1的剖面。液体池单元1具有带有起反射作用的表面40的底部3,其中,底部3由透明基底、即玻璃制成并且起反射作用的表面是半透明的,也就是说具有仅50nm的金属层。区别于来自图1和图2的示例,底部不具有凹口,密封件6被放入到该凹口中,而是在密封件6的支承面的区域中是平的。密封件6由特氟龙薄膜制成并且仅100μm高,从而不需要凹口。利用该液体池单元基于透明的底部3和半透明的金属层不仅能够在Epi-配置下执行拉曼光谱法而且能够执行透光显微术,而不明显有损于起反射作用的液体池单元针对拉曼光谱法的优点。
在图8中以不同的视图示出本发明的另一种实施方式。详细地,在A)中示出穿过液体池单元1的剖视图,在B)中示出剖视图A)的放大的细节视图,在C)中从液体池单元1下方示出透视的剖视图并且在D)中从斜上方示出液体池单元1的透视的剖视图。
该实施方式具有底部3,该底部在玻璃基底上包括50nm厚的并且因此半透明的金层。该底部布置在下部件30上,其中,该下部件由金属制成并且在中心具有凹口31,从而该底部也可从下方尤其对于显微镜物镜而言以光学以及机械的方式接近。因此,该实施方式特别适用于也在透光下以显微镜检验液体池单元1。
测量窗5如在其他的所示出的实施方式中那样通过压紧元件9与下部件和底部连接,尤其当给液体池单元引入为其设置的保持件时,该保持件将压紧元件和底部彼此挤压。
在测量窗5与底部之间在边缘处布置有薄的特氟龙薄膜,该特氟龙薄膜用作液体池单元1的密封件6。
此外,在液体池单元处也能够布置有流进开口和流出开口(未示出),所述流进开口和流出开口例如能够实现为底部中的开口。
只要能在相应的实施方式中实现,如下的实施方案就相应地适用于液体池单元1的所有实施例。
通过起反射作用的表面4,40的镜反射效应将激励光、例如激励激光器的光两次地导引通过试样,并且由此引起理想地两倍高的拉曼信号。此外,起反射作用的表面与许多其他材料、如玻璃相反不导致本底信号(图1和2)。
图像获取通过至少在光谱的可见范围内透明的测量窗5来实现,其中,透明的范围能够延伸直到红外线范围(直到约1000nm)和紫外线范围(直到约210nm)附近。一组不同的测量窗5能够被用于液体池单元1中,从而对于每个测量能够提供带有最佳的厚度和透射度的测量窗5。
例如由石英玻璃,大猩猩玻璃,Lotus玻璃或Willow玻璃组成的带有约50mm直径的透明片材被用作测量窗5。测量窗5的厚度约为500μm并且由此一方面足够稳定以便抵抗由于压力而引起的变形和断裂,另一方面足够薄以便使光学的畸变和由此图像获取和光谱法的恶化最小。
为了激励出带有266nm的色氨酸自发荧光,优选使用由石英组成的测量窗5,该测量窗不仅在UV中而且在可见光谱范围中均是透明的。
悬浮物的层厚能够通过底部3相对于测量窗5的间距调整到50μm与500μm之间。在该范围中一方面可实现良好地聚焦到到试样颗粒上,另一方面通过窗材料的拉曼激励所引起的本底信号是小的。
构造测量腔室2的材料所有都是高度惰性的。
环形槽的外直径(在该示例中相应于凹口8)为45mm,从而限定了测量腔室2的可映射的面。槽深度为1.7mm。首先放入片材作为放入元件20放入到该槽中,然后将密封件6放置到该槽上。待检验的液体的层厚处于50μm(没有放入片材或放入片材的高度非常小)与500μm(放入片材是500μm高)之间,并且经由间隔元件21的高度来确定,其中,放入元件20(此处即放入片材)的高度相应地匹配,从而测量腔室是密封的。即待检验的试样体积也通过间隔元件21的高度来确定并且由此为80μl与800μl之间。O形环6具有PTFE或Viton,其是耐溶剂的并且不与待检验的液体产生相互作用。O形环具有2mm的线厚度(高度)。槽深度和O形环厚度基本上保持不变。放入元件20的高度与间隔元件21的高度相匹配。
液体池单元的组装
在图6中作为连续图示出根据本发明的液体池单元的组装。在A)中开始,组装的步骤按字母执行直至F),以便得到经组装的液体池单元。
A) 模块化的液体池单元的所有单个部件仍没有被接合在一起,而是分开地存在。在该示例中,所述部件是底部3、测量窗5(此处利用虚线廓线示出)、放入片材作为放入元件20、垫片作为间隔元件21、密封件6、以及压紧元件9。在该示例中,底部不具有流进开口和流出开口。但是备选地,也能考虑带有这些开口71,72的底部3。
B) 将放入片材20放入到底部3的凹口8中。
C) 然后将密封件6放置到底部3的凹口8中的放入片材上。
D) 接着将间隔元件21放置到底部3上。
E) 然后将测量窗5放置到密封件6上。
F) 然后将压紧元件9放置到测量窗5和间隔元件21上。
在这种经组装的状态下,液体池单元1能利用滑移引导部201移入到保持装置200中。保持装置200布置在显微镜台203上。此外,保持装置200在滑移引导部201的区域中包括压紧板202,该压紧板构造成用于,将压力施加到滑移引导部201中的被移入的液体池单元1的侧上。这两个部件形成根据本发明的系统。
在图3中,描绘了由保持装置200组成的系统,其带有被移入的液体池单元1。滑移引导部201例如围绕压紧元件9作用。底部3通过滑移引导部201中的压紧板202向上受压地(方向z轴线)挤压到上引导部处,从而压紧元件9将液体池单元1密封并且液体池单元1稳定地保持组装。
在图3中,底部3具有流进开口71和流出开口72。
液体池单元的操纵/充注
给液体池单元1充注试样液体能够在(带有打开的测量窗或没有测量窗5的)液体池单元1打开时或在(带有关闭的贴靠的测量窗5的)液体池单元1关闭时实现。在液体池单元1关闭时,试样液体能经由流进开口71和流出开口72充入或抽出。
在此,流进开口71和流出开口72如此布置在液体池单元1的底部3中,使得测量腔室2能够被充注和排出空气。经由流出开口72能够在测量腔室2中产生负压,该负压实现测量腔室2的无气泡的充注。由此避免了,悬浮物中的空气或气体气泡使自动的颗粒识别出错。测量腔室2的充注例如利用移液管/移液管顶部或通过经由Luer系统联接软管来实现。
图像获取然后在显微镜的反射光几何结构中实现。测量腔室2的整个面能够得到描绘。在此,颗粒识别例如自动地通过算法来实现。
显微镜
适合的显微镜对于图像采集和颗粒识别具有10倍的物镜(典型的NA 0.25)或20倍的物镜(典型的NA 0.45)。相应的景深处于约20μm或约5μm。在此,图像采集优选利用暗场-照明来实现,该暗场照明可基于底部3的平滑的、起反射作用的表面4来实现。由此,在颗粒与背景之间达到更高的反差,该反差改善自动的计算机支持的颗粒识别。
尤其在带有可变的层厚的液体池单元1的实施方案中,这样能够分别优化针对不同大小的颗粒的条件。对于小的颗粒调整小的层厚并且使用20倍物镜,对于较大的颗粒调整大的层厚并且使用10倍物镜。
独立于所使用的物镜,在使用在UV下起传播作用的测量窗5的情况下能够经由色氨酸自发荧光实现图像采集。
颗粒通过自动化的、图像支持的拉曼光谱法来分析。为此使用带有波长为532nm的激光,其被蛋白质强烈散射。激光的射入以及拉曼信号的探测能够通过50倍或100倍物镜来实现。
在图4中示出相比于由大猩猩玻璃102组成的基底,起反射作用的镍表面101对所测量的拉曼信号103,104的作用。
在线图的左上角中,插入镍表面101的基于显微镜的图像以及大猩猩玻璃表面的映射图。这些图像在反差方面几乎相同,从而在图像采集时不能确定区别。在液体池单元中的明场中所接收的图像示出相应一个可对照的颗粒的位置,在该位置处接收相应的拉曼光谱。
然而蛋白质的拉曼测量103,104明显地示出区别。与相同的悬浮物在起反射作用的镍表面103上可对照的测量相比,在大猩猩玻璃基底上所测量的拉曼信号104具有明显更小的蛋白质信号高度100。虽然在镍表面中,本底(虚线)也增加,但该本底能够简单地从信号103减去,以便得到经修正的信号。镍表面103上的蛋白质的信号高度100明显高于在大猩猩玻璃104上测量时的信号高度。
此外,在镍表面101,103上不能探测基底本身的拉曼信号。然而在大猩猩玻璃基底102,104上能识别出对于试样而言外来的(probenfremd)信号105。
此处公开的根据本发明的液体池单元,由液体池单元和保持装置200组成的系统和根据本发明的显微镜即显著地有助于改善在反射光显微镜中对蛋白质悬浮物的图像支持的、基于拉曼光谱的分析。
Claims (10)
1.一种液体池单元(1),其用于在反射光显微镜中进行颗粒悬浮物的基于显微镜的图像采集和基于拉曼光谱的材料分析,所述液体池单元至少具有如下部件:
- 测量腔室(2),所述测量腔室具有底部(3)、与所述底部(3)相对而置的测量窗(5)和密封件(6),其中,
- 所述底部(3)至少在所述密封件(6)的支承的区域中平面地实施,
其特征在于,
所述底部(3)具有起反射作用的表面(4),所述起反射作用的表面具有这样的性质,使得通过所述测量窗(5)射入的拉曼激励光在所述起反射作用的表面(4)处被有指向性地反射,从而颗粒的拉曼信号尤其由于两次的激励机会被提高。
2.根据权利要求1所述的液体池单元,其特征在于,所述底部(3)的起反射作用的表面(4)具有金属或金属合金、其中,尤其所述底部(3)由金属或金属合金组成。
3.根据权利要求1或2所述的液体池单元,其特征在于,所述起反射作用的表面(4)是布置在所述底部(3)上的起反射作用的层(40),其中,所述起反射作用的层(40)尤其半透明的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的液体池单元,其特征在于,所述底部(3)具有流进开口(71)和流出开口(72),用于在所述测量腔室(2)中充注、排空、抽真空和/或产生通流,其中,所述流进开口和/或所述流出开口(71,72)尤其布置在所述底部(3)的如下区域中,所述区域是所述测量腔室(2)的一部分。
5.根据前述权利要求中任一项所述的液体池单元,其特征在于,所述起反射作用的表面(4)在300nm至800nm、尤其210nm至1200nm的波长范围内连贯地起反射作用。
6.根据前述权利要求中任一项所述的液体池单元,其特征在于,所述液体池单元(1)具有压紧元件(9),所述压紧元件如此构造,使得所述液体池单元(1)能够被引入到滑移引导部中,其中,所述压紧元件(9)被所述滑移引导部压制,从而所述压紧元件(9)挤压到所述测量窗(5)、所述密封件(6)和所述底部(3)上以及尤其挤压到下部件(30)处,从而所述测量腔室(2)被密封,其中,所述压紧元件(9)以第一区域布置在所述测量窗(5)上或上方,并且尤其以第二区域布置在所述底部(3)上或上方。
7. 根据权利要求6所述的液体池单元,其特征在于,所述液体池单元具有间隔元件(21),其中,所述间隔元件(21)布置在所述液体池单元(1)的底部(3)上、尤其在所述测量腔室(2)的外部布置在所述液体池单元(1)的底部(3)上,其中,所述压紧元件(9)以所述第二区域贴靠在所述间隔元件(21)上,从而通过所述压紧元件(9)仅能够将所述测量窗(5)压紧到所述底部(3)处直至预限定的间距为止,其中,所述间隔元件(21)的高度预设所述测量窗(5)与所述底部(3)的所述间距。
8.一种系统,其具有
- 用于封闭和固定液体池单元(1)的保持装置(200),
- 根据前述权利要求中任一项所述的液体池单元(1),
其中,所述保持装置(200)具有滑移引导部(201),所述液体池单元(1)能够移入到所述滑移引导部中,并且其中,所述滑移引导部(201)具有压紧板(202),所述压紧板构造成用于,当所述液体池单元(1)被接纳在所述保持装置(200)中时将所述测量窗(5)挤压到所述密封件(6)上。
9.一种显微镜,其具有用于基于显微镜的图像采集和基于拉曼光谱地测量颗粒悬浮物的器件,其中,所述显微镜是反射光显微镜,并且其中,所述显微镜具有根据权利要求1至7中任一项所述的液体池单元(1),或尤其具有根据权利要求8所述的系统。
10.根据权利要求9所述的显微镜,其特征在于,所述显微镜设置成用于暗场照明,并且所述液体池单元(1)的底部(3)的起反射作用的表面(4)用作为用于射入的暗场照明的反射部。
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