DE10017824A1 - Vorrichtung zur parallelen photometrischen Fluoreszenz- oder Limineszenzanalyse mehrerer voneinander getrennter Probenbereiche auf einem Objekt - Google Patents
Vorrichtung zur parallelen photometrischen Fluoreszenz- oder Limineszenzanalyse mehrerer voneinander getrennter Probenbereiche auf einem ObjektInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur parallelen optischen Analyse mehrerer voneinander getrennter, in sich im wesentlichen jeweils homogener Probenbereiche (18, 118) auf einem Objekt (20, 120), mit einer Anregungslichtquelle (10), einem Detektor (32, 132) sowie einer Optik (12, 14; 114, 140, 142), um die Probenbereiche mit Anregungslicht zu beleuchten und von den Probenbereichen emittiertes Licht auf den Detektor zu leiten, wobei die Optik so ausgebildet ist, dass jedem Probenbereich mindestens ein eigenes fokussierendes optisches Element zugeordnet ist, welches dafür sorgt, dass Anregungslicht auf dem zugeordneten Probenbereich fokussiert wird und gleichzeitig dazu dient, von der Fokusregion emittiertes Licht aufzusammeln. Zwischen den fokussierenden optischen Elementen und dem Detektor (32, 132) ist eine optische Einheit (12, 30; 112, 130) vorgesehen, welche die fokussierenden optischen Elemente oder eine so nahe bei diesen liegende Ebene, dass eine getrennte Abbildung von Emissionslicht aus benachbarten Probenbereichen auf den Detektor noch möglich ist, auf den Detektor abbildet.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum parallelen optischen Abtas
ten mehrerer voneinander getrennter Probenbereiche auf einem Objekt, insbesondere einer
Mikrotiter-Platte oder einem DNA-Chip, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Zur gleichzeitigen Fluoreszenz- oder Luminiszenz-Analyse einer großen Anzahl biologischer
Einzelproben werden häufig Mikrotiter-Platten oder DNA-Chips verwendet, bei denen die
Untersuchungobjekte räumlich voneinander getrennt in Form diskreter Felder angeordnet
sind. Bei Mikrotiter-Platten werden diese Felder, bei denen es sich um Vertiefungen ("wells")
handelt, durch Wände von den Nachbarfeldern abgetrennt, wobei gegenwärtig verwendete
Mikrotiter-Platten 96, 384 oder 1536 solcher "wells" aufweisen. Bei DNA-Chips sind die ein
zelnen Probenfelder ("spots") kleiner und werden lediglich durch ihre eigenen Abmessungen
von denen der Nachbarspots abgegrenzt. Auf einem Chip können bis zu 10 000 verschiedene
Proben, in Zukunft wohl noch mehr, aufgebracht und untersucht werden. Ziel einer Fluores
zenz- oder Luminiszenz-Analyse solcher Vielfachpräparate ist es, eine integrale Intensitäts
information für die einzelnen Probenbereiche zu erhalten. Häufig genügt es dabei nicht, diese
Intensität nur einmal zu ermitteln, vielmehr ist man an einer Kinetik interessiert und möchte
die Änderung der Intensität nach dem Start einer - z. B. durch Zugabe eines bestimmten Rea
genzes angeregten - Reaktion verfolgen. Mit steigender Anzahl der zu untersuchenden Proben
auf einer Platte oder einem Chip besitzt eine parallele Abtastung wesentliche Geschwindig
keitsvorteile gegenüber dem sequentiellen (rasternden) Abtasten, insbesondere wenn, wie o
ben beschrieben, kinetische Information gefragt ist.
Bei der parallelen Abtastung wird üblicherweise das abzubildende Objekt, d. h. die Mikrotiter-
Platte oder der DNA-Chip, mittels einer geeigneten Optik auf einen Flächensensor. z. B. eine
CCD-Kamera, abgebildet. Ein wesentliches Problem bei der Parallelabtastung liegt darin, daß
das abzubildende Objekt im allgemeinen größer als der zur Aufnahme verwendete Sensor (z. B.
CCD-Chip) ist, so daß das Objekt verkleinert abgebildet werden muss. Gemäß dem Helm
holtz-Lagrange'schen Invarianzprinzip nimmt jedoch mit zunehmender optischer Verkleine
rung der Auftreffwinkel (genauer sein Sinus, d. h. die numerische Apertur) in der Bildebene
zu. Dem Auftreffwinkel sind bereits dadurch Grenzen gesetzt, daß sein Sinus keine Werte
größer als 1 annehmen kann. In der Praxis erlauben moderne CCD-Chips mit der sogenannten
"Lens-on-Chip"-Technologie jedoch lediglich numerische Aperturen von kleiner als 0,2. Da
mit ist jedoch der Raumwinkel des von einem Objekt ausgehenden Lichtes, welches aufge
sammelt und auf den Chip abgebildet werden kann, noch viel kleiner. Als Beispiel sei hier
angeführt, daß bei der Abbildung einer üblichen Mikrotiter-Platte auf einen gängigen 2/3"
Flächensensor mit "Lens-on-Chip"-Technologie, lediglich ein probenseitiger Raumwinkel
von ca 1° aufgefangen werden kann. Das bedeutet, daß von ca. 20 000 emittierten Photonen
lediglich eines aufgesammelt wird.
Zur Lösung dieses Problems im Falle von Mikrotiterplatten wurde deshalb gemäß
WO 99/23474 vorgeschlagen ein Mikrolinsenarray einzusetzen, welches jedem "well" ein
Linsenelement zuordnet und das in einer Zwischenbildebene ein vergrößertes Bild der einzel
nen Probenbereiche erzeugt. Diese Zwischenbildebene, in der sich zur Vermeidung von Über
sprechen ein zum Linsenarray korrespondierendes Blendenarray anbringen läßt, wird dann mit
Hilfe einer geeigneten Optik auf einen Flächensensor abgebildet. Alternativ können auch zwei
aufeinander justierte Mikrolinsenarrays eingesetzt werden, wobei auch in diesem Falle die
Probenebene in die Detektorebene abgebildet wird. Nachteilig bei dieser bekannten Lösung ist
die kritische Justage und das Erfordernis einer hochwertigen und damit aufwendigen Optik,
um eine zufriedenstellende Abbildung der Probenbereiche zu erzielen.
Aus WO 97/34171 ist ein optisches System bekannt, welches für Lithographie-Anwendungen
oder die Raster-Reflexionsanalyse einer Probenfläche gedacht ist, bei welchem ein Mikrolin
sen-Array verwendet wird, um einfallendes Licht auf je einen Punkt auf der Probenfläche zu
fokussieren und gleichzeitig von diesem Punkt der Probenfläche reflektiertes Licht aufzu
sammeln. Das Mikrolinsen-Array, d. h. die Ebene, in welches dieses liegt, wird von einer Op
tik auf einen Detektor abgebildet. Um das gewünschte Reflexionsbild der Probenfläche zu
erhalten, wird die Probe systematisch relativ zu dem Mikrolinsen-Array verschoben, bis die
gesamte Probenfläche abgerastert wurde. Auf diese Weise wird ein paralleles Abtasten der
Probenfläche mittels einer Anzahl von Spots erreicht, die der Anzahl der Mikrolinsen ent
spricht. Um eine zufriedenstellendes Rasterbild zu erhalten, ist die Verwendung von hoch
wertigen optischen Komponenten erforderlich.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur parallelen
photometrischen Analyse der integralen Lichtemission mehrerer voneinander getrennter, für
den jeweiligen Probenbereiche repräsentativer Flächen auf einem Objekt zu schaffen, wobei
die Optik möglichst einfach und mit geringen Ansprüchen ausgebildet sein kann und dennoch
eine hohe Sammelausbeute des von den Probenflächen emittierten Lichts erzielt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw.
19 sowie eine Verfahren gemäß Anspruch 21. Dadurch, daß bei der vorliegenden Erfindung
auf eine direkte Abbildung der Probenbereiche in korrespondierende Detektorbereiche ver
zichtet wird und statt dessen die gewünschte eindeutige Zuordnung zwischen Proben- und
Detektorbereich durch eine Abbildung der einzelnen fokussierenden Elemente auf den De
tektor erzielt wird und insbesondere auch kein Abrastern der einzelnen Probenbereiche vorge
sehen ist, kann bei einfacher Justage eine hohe Sammeleffizienz mit einer Optik erzielt wer
den, an die keine besonders hohen Ansprüche, wie z. B. Achromatizität, gestellt werden müs
sen.
Im Gegensatz zu der aus WO 97/34171 bekannten Vorrichtung ist bei der vorliegenden Erfin
dung keine eigentliche Abbildung gefragt, sondern lediglich ein maximaler Transport von im
Probenbereich erzeugten Fluoreszenzphotonen auf einen korrespondierenden Detektorbereich.
Das eingesetzte Array fokussierender Elemente kann deshalb in seinen optischen Eigenschaf
ten sehr flexibel gehalten werden. Werden die jedem Probenbereich zugeordneten optischen
Elemente auch dazu benutzt, das Anregungslicht in den jeweiligen Probenbereich zu leiten,
können die vom Array beleuchteten Probenbereiche sogar eine beliebige Form aufweisen, je
nachdem, was für das jeweilige Untersuchungsobjekt optimal ist. Insbesondere kann durch
eine starke Fokussierung, zumindest in einer Dimension, die Tiefenschärfe reduziert werden.
was in vielen Fällen erwünscht ist.
Die optischen Elemente werden vorzugsweise von Mikrolinsen gebildet, wobei jeder Proben
bereich vorzugsweise in der objektseitigen Fokalebene der jeweiligen Mikrolinse(n) liegt oder
eine optische Einheit vorgesehen ist, die den Probenbereich in die objektseitige Fokalebene
der jeweiligen Mikrolinse(n) abbildet.
Die Erfindung ist insbesondere für die Fluoreszenzanalyse biologischer Proben geeignet, je
doch nicht darauf beschränkt. Bei der ebenfalls möglichen Lumineszenzanalyse fällt jedoch
der Vorteil weg, durch eine Konzentrierung des Anregungslichts auf eine bevorzugte Schicht
des Präparats vorwiegend Information aus eben dieser Schicht erhalten zu können.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung gemäß Anspruch 19 wird, im Gegensatz zur Lösung ge
mäß Anspruch 1, die erwünschte Reduktion der Tiefenschärfe statt durch Fokussierung des
Anregungslichts mittels des dem jeweiligen Probenbereich zugeordneten mindestens einen
optischen Elements durch ein spezielles Trägerelement für die Probenbereiche erzielt, welches
optisch dichter als die Probenbereiche ist und in welches das Anregungslicht so eingekoppelt
wird, dass es an der Grenzfläche zu den Probenbereichen totalreflektiert wird, wodurch das
Anregungslicht nur sehr oberflächennah mit dem jeweiligen Probenbereich wechselwirken
kann, was eine sehr geringe Tiefenschärfe gewährleistet.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden werden drei Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeich
nungen beispielhaft näher erläutert, wobei
Fig. 1 schematisch den Aufbau bzw. Strahlengang einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ge
mäß einer ersten Ausführungsform zeigt, welche vor allem für Mikrotiterplatten geeignet ist,
Fig. 2 in ähnlicher Darstellung wie Fig. 1 eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt,
welche bevorzugt zum Auslesen von DNA-Chips herangezogen werden kann, und
Fig. 3 eine Methode zur parallelen Anregung kleinster Probenvolumina beschreibt, welche
nicht auf eine starke Fokussierung mit quasikonfokaler Auslese beruht, sondern sich zu die
sem Zwecke der totalen internen Reflexion bedient.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte, einfache Ausgestaltung des vorgeschlagenen Konzepts
ist insbesondere für relativ ausgedehnte Probenbereiche geeignet, wie sie in der Regel bei
Mikrotiterplatten vorliegen. Die gewählte telezentrische Abbildung wird in den meisten Fäl
len vorteilhaft sein, sie kann jedoch durchaus auch nach den Regeln der Optik abgewandelt
werden.
Zur Beleuchtung des Präparats ist eine (zumeist monochromatische) Lichtquelle 10 vorgese
hen, die mittels einer Linse 12 ins Unendliche abgebildet wird. Die rückwärtige Brennebene
der Linse 12 fällt mit der vorderseitigen Brennebene 16 eines Mikrolinsenarrays 14 zusam
men, wobei die Anordnung und der Abstand der Mikrolinsen auf die Anordnung und den Ab
stand der "wells" 18 einer Mikrotiterplatte 20 abgestimmt ist. Gleichzeitig muß die nu
merische Apertur der Lichtquelle 10 dergestalt sein, daß das Mikrolinsenarray 14 vollständig
und möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet wird. Die Mikrolinsen erzeugen in ihrer rückwärti
gen Brennebene 22, welche in den "wells" 18, d. h. in der Probe plaziert wird, ein Spotmuster
zur Anregung der gewünschten Fluoreszenz. Mit Spot wird in diesem Fall ein verkleinertes
Bild der Lichtquelle 10 gemeint. Es kann sich dabei um einen einzelnen beugungslimitierten
Punkt handeln, im Normalfall jedoch wird man die Lichtquelle flächig oder als flächende
ckendes Muster von Einzelpunkten anlegen, um in den einzelnen Probenbereichen repräsen
tative Flächen zu erfassen. Das aus den so angeregten Flächen emittierte Licht wird vom Mik
rolinsenarray 14 aufgesammelt, d. h. die vielfachen Spots werden ins unendliche abgebildet,
und die große Linse 12 erzeugt ein gemeinsames Bild aller in einer Ebene 26. Mit Hilfe eines
dichroitischen Strahlteilers 24 können dabei Anregungs- und Emissionsstrahlengang vonein
ander getrennt werden. In der zur Präparateebene 22 konjugierten Bildebene 26 lässt sich eine
zu den Abmessungen der Lichtquelle 10 konjugierte, "quasi-konfokale Blende" 28 anbringen,
mit deren Hilfe Licht, das aus anderen als der Fokusebene 22 in der Probe stammt, wirkungs
voll ausgeblendet wird. Ein weiteres abbildendes optisches Element 30, bei dem es sich z. B.
um das gut korrigierte Objektiv einer Spiegelreflexkamera handeln kann, bildet das Mikrolin
senarray 14 bzw. dessen Austrittspupille 16 auf einen Flächensensor 32 ab.
Die Vorteile einer solchen Anordnung sind vielfältig:
- - Da das Linsenarray nicht nur auf den Emissions-, sondern bereits auf den Anregungsstrah lengang wirkt und dabei eine stark bündelnde Wirkung besitzt, ist zur Beleuchtung des Ar rays kein starker Laser notwendig, es genügt bereits das Licht einer hellen Bogenlampe, welches mittels Filter oder einer Monochromatoranordnung, wie sie z. B. in DE- 42 28 366 A1 beschrieben ist, auf jede beliebige Wellenlänge eingestellt werden kann.
- - Konzeptbedingt werden an die Qualität bzw. Achromatizität der eingesetzten Optik keine allzu hohen Anforderungen gestellt. Daraus resultiert die besonders vorteilhafte Möglich keit, auch UV-Licht zur Anregung heranzuziehen.
- - Durch die Bündelung des Anregungsstrahls wird eine starke Konzentration des Lichts in einer ausgezeichneten Ebene des Präparats, der Fokus-Ebene, erreicht; Hintergrundfluores zenz aus anderen Ebenen wird dadurch weitgehend unterdrückt.
- - Die genannte Anordnung stellt ein Vielfach-Konfokal-Mikroskop dar, das auf der einen Seite ebenso viele Feldpunkte wie Mikrolinsen, auf der anderen Seite jedoch lediglich eine "konfokale" Blende besitzt. Damit kann die "Tiefenschärfe" des Gesamtsystems durch Verstellen einer einzelnen Blende geregelt werden. Durch eine gewisse räumliche Ausdeh nung des von den jeweiligen Mikrolinsen beleuchteten Probenbereichs kann z. B. eine Zell population auf dem Boden der Mikrotiterplatte repräsentativer "abgetastet werden als durch einen einzigen, eventuell gerade zwischen zwei Zellen plazierten Spot. Um auch bei einer flächigen Anregung eine gewisse Konfokalität, zu wahren, welche aus Gründen der Unterdrückung unerwünschter Information aus anderen Schichten des Präparats vorteilhaft ist, kann z. B. an ein Punktmuster oder an eine spaltartige Beleuchtung gedacht werden.
Insbesondere im Zusammenhang mit der Erzeugung ausgedehnter Probenfelder sei darauf
hingewiesen, daß die Elemente des Linsenarrays 14 nicht notwendigerweise zentrosym
metrisch ausgelegt sein müssen. Es können vielmehr auch gekreuzte Zylinderlinsen eingesetzt
werden, welche in x- und y-Richtung eine unterschiedliche Brennweite ausweisen und damit
bereits von sich aus eine spaltartige Beleuchtung bewirken. Mit einem solchen Zylinderlinsen-
Array lässt sich leichter eine stabile Optik aufbauen, welche zudem den Vorteil eines hohen
"fill-factors" aufweist, d. h. es wird eine im Vergleich zur Verwendung von zentrosymmetri
schen Linsen größere, im Idealfall nahezu vollständige Nutzung der Anregungsenergie mög
lich. Gleichzeitig wird eine maximale Sammeleffizienz für die vom beleuchteten Objekt aus
gehenden Emissionsstrahlen erzielt.
Es versteht sich von selbst, daß die Optik auch so ausgelegt werden kann, daß jedes "well"
von mehr als einem Fokuspunkt oder Fokusspalt beleuchtet wird. Legt man z. B. die Anord
nung so aus, daß der Linsenabstand dem well-Abstand bei einer Platte mit 1536 "wells" ent
spricht, kann man mit der gleichen Optik auch Mikrotiterplatten mit weniger "wells" verwen
den, es kommen dann eben entsprechend mehr Linsen auf ein,,weil".
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die besonders für das Auslesen kleinerer
Probenfelder (z. B. von DNA-Chips) geeignet ist. Die Anordnung gemäß Fig. 2 eignet sich im
besonderen für kleine DNA-Chips 120, die durch ein Objektiv mit hoher numerischer Aper
tur, z. B. einem Mikroskop-Objektiv 140 betrachtet werden können. Das Objektiv 140 bildet
das Präparat ins Unendliche ab, eine Tubuslinse 142 formt in der Bildebene 122 ein vergrö
ßertes Bild des Präparats 120 bzw. der Probenbereiche 118. Hinter der Bildebene 122 wird ein
Mikrolinsenarray 114 plaziert, dessen Linsenabstand dem Abstand der DNA-Spots in der
Bildebene 122 entspricht und dessen vordere Brennebene mit der Bildebene 122 zusammen
fällt. Die zweite Brennebene 116 dieses Arrays 114 wird mittels einer zweiten Tubuslinse 112
ins Unendliche und mit Hilfe eines geeigneten Objektivs 130 auf den Chip eines Flächensen
sors 132 abgebildet. Die Aperturblende 128 dieses Objektivs 130 befindet sich in einer zu den
DNA-Spots konjugierten Ebene 126 und kann für alle Spots gleichzeitig als einstellbare kon
fokale Blende fungieren.
Das Fluoreszenz-Anregungslicht für den DNA-Chip 120 kann mit Hilfe eines dichroitischen
Strahlteilers 124 in den Strahlengang eingekoppelt werden. Will man die oben erwähnte Kon
fokalität wahren, plaziert man den Strahlteiler 124 nicht wie üblich zwischen dem Objektiv
140 und der Tubuslinse 142, sondern zwischen dem Mikrolinsenarray 114 und der Tubuslin
se 112 oder zwischen der Tubuslinse 112 und dem Objektiv 130. Eine solche Anordnung be
wirkt eine Bündelung des Anregungslichtes auf einzelne Anregungs-Spots und damit eine
erhöhte Anregungseffizienz. Die Sperrfilter müssen in diesem Falle besonders effizient aus
gelegt werden, um das von den diversen optischen Komponenten im Strahl zurückreflektierte
Anregungslicht vom Detektor 132 fernzuhalten. Plaziert man den Strahlteiler 124 an der ge
wohnten Stelle, d. h. zwischen dem Objektiv 140 und der Tubuslinse 142, wird das Problem
mit der Rückreflexion zwar entschärft, gleichzeitig wird jedoch wegen der fehlenden Bünde
lung die Anregungseffizienz reduziert, es sei denn, man verwendet ein zweites, zum ersten
konjugiert einjustiertes Mikrolinsenarray.
Will man ein größeres Gesichtsfeld betrachten als dies mit einem Mikroskopobjektiv möglich
ist, kann man entweder ein Objektiv mit längerer Brennweite heranziehen, oder man ver
schiebt den DNA-Chip und muss zur vollständigen Auswertung eines Chips mehrere Bilder
aufnehmen. Eine Vorrichtung zur Verschiebung des Präparats in der Präparate-Ebene ist auch
dann von Nutzen, wenn man eine über die integrale Intensität des emittierenden Flecks hi
nausgehende Detailinformation über die einzelnen Spots gewinnen möchte.
In den beiden bisher beschriebenen Ausführungsformen wird die Beschränkung des Proben
volumens durch eine starke Bündelung des Anregungsstrahls und durch eine konfokale Ausle
se erreicht. In der in Fig. 3 gezeigten Variante wird eine noch viel geringere Tiefenschärfe und
damit eine noch viel ausgeprägtere Beschränkung auf eine Probenschicht erreicht. Dazu wird
die Tatsache benutzt, daß sich das elektrische Wechselfeld der Lichtwellen bei der "totalen
internen Reflexion Fluoreszenz" (TIRF) einige zig Nanometer tief über die Grenzfläche in das
optisch dünnere Medium erstreckt und dort befindliche Chromophore anregen kann. Bei ent
sprechender Einkopplung eines hochkollimierten, vorzugsweise von einem Laser stammenden
Strahls 200 in das optisch dichtere Trägermedium 202, auf dem die zu untersuchenden Proben
204 aufgebracht sind, kann der Strahl im Trägermedium "eingefangen" und quasi gleichzeitig
zur Fluoreszenzanregung an vielen räumlich voneinander getrennten Stellen eingesetzt wer
den. Das "Einfangen" des Strahls kann dabei entweder so durchgeführt werden, daß die ge
samte Trägerfläche gleichmäßig ausgeleuchtet ist, in welchem Falle die Zuordnung zwischen
Probenfläche und Detektorfläche ausschließlich über die Detektionsoptik geleistet wird, die
wie oben beschrieben ausgebildet ist, oder die Einkopplung wird so gestaltet, daß nur be
grenzte Probenbereiche beleuchtet werden. In einer Dimension kann die Begrenzung, wie in
Fig. 3 gezeigt, durch eine geeignete Wahl von Strahldurchmesser, Strahl-Einfallswinkel und
Trägerdicke bewirkt werden, in der anderen Dimension ist dazu die Aufteilung des Strahls in
mehrere parallele Unterstrahlen erforderlich. Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang
noch, daß auf die beschriebene Weise mehrere Laser gleichzeitig in eine Träqerschicht einge
koppelt werden können.
Die beschriebene "TIRF"-Anregung kann vor allem bei Bindungsstudien vorteilhaft einge
setzt werden, wenn man Rezeptor oder Ligand am Trägermaterial immobilisiert.
Auf die vorteilhafte Kombination der beschriebenen Vorrichtungen zur Parallel-Fluoreszenz-
Abtastung mit der Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) sei ebenfalls hingewiesen.
Claims (21)
1. Vorrichtung zur parallelen optischen Analyse mehrerer voneinander getrennter, in sich
im wesentlichen jeweils homogener Probenbereiche (18, 118) auf einem Objekt (20,
120), mit einer Anregungslichtquelle (10), einem Detektor (32, 132) sowie einer Optik
(12, 14; 114, 140, 142), um die Probenbereiche mit Anregungslicht zu beleuchten und
von den Probenbereichen emittiertes Licht auf den Detektor zu leiten, wobei die Optik
so ausgebildet ist, dass jedem Probenbereich mindestens ein eigenes fokussierendes op
tisches Element zugeordnet ist, welches dafür sorgt, dass Anregungslicht auf dem zuge
ordneten Probenbereich fokussiert wird, und gleichzeitig dazu dient, von der Fokusregi
on emittiertes Licht aufzusammeln, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den fo
kussierenden optischen Elementen und dem Detektor (32, 132) eine optische Einheit
(12, 30; 112, 130) vorgesehen ist, welche die fokussierenden optischen Elemente oder
eine so nahe bei diesen liegende Ebene, dass eine getrennte Abbildung von Emissions
licht aus benachbarten Probenbereichen auf getrennte Bereiche des Detektors noch
möglich ist, auf den Detektor abbildet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Probenbe
reichen um die Probenbereiche eines DNA-Chips oder um die Wells einer Mikroti
terplatte handelt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente von
Mikrolinsen gebildet werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mikrolinse zentro
symmetrisch ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mikrolinse eine Zylin
derlinse ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinsen ein flä
chendeckendes Muster ergeben.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrolinsen ein
planares Feld bilden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Probenbereich
(18) in der objektseitigen Fokalebene (22) der jeweiligen Mikrolinse(n) liegt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Einheit
(140, 142) vorgesehen ist, welche die Probenbereiche (118) in die objektseitige Fokal
ebene (122) der jeweiligen Mikrolinse(n) abbildet.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einheit ein
Mikroskop-Objektiv (140) und eine Tubuslinse (142) umfasst, wobei die Probenberei
che (118) in der Fokalebene des Mikroskop-Objektivs liegen und von der optischen
Einheit in der objektseitige Fokalebene (122) der Mikrolinsen ein vergrößertes Zwi
schenbild der Probenbereiche erzeugt wird.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zwi
schen dem Detektor (32, 132) und den Mikrolinsen befindliche optische Einheit (12, 30;
112, 130) eine erste optische Komponente (12, 112) umfasst, welche im Zusammenspiel
mit den Mikrolinsen deren objektseitige Fokalebene (22, 122) und damit die beleuchte
ten Spots der Probenbereiche (18) selbst bzw. deren Abbilder gemeinsam in eine Zwi
schenbildebene (26, 126) abbildet, wo eine gemeinsame konfokale Blende (28, 128)
vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungslicht
annährend kollimiert auf die Mikrolinsen fällt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtfleck der Licht
quelle (10) in der objektabgewandten Fokalebene der ersten optischen Komponente (12)
der optischen Einheit liegt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das von den Mikro
linsen gesammelte emittierte Licht der Probenbereiche (18) mittels eines dichroitischen
Strahlteilers (24) aus dem Anregungslichtweg ausgekoppelt wird.
15. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungslicht
mittels eines dichroitischen Strahlteilers (124) in den Emissionslichtweg eingekoppelt
wird.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, sofern auf Anspruch 11 rückbezogen, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Strahlteiler (124) zwischen den Mikrolinsen und der ersten optischen
Komponente (112) der optischen Einheit liegt.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
es sich bei dem Detektor (32, 132) um einen zweidimensionalen Vielkanaldetektor han
delt.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
sie für die Fluoreszenzanalyse biologischer Proben ausgebildet ist.
19. Vorrichtung zur parallelen optischen Analyse mehrerer voneinander getrennter, in sich
im wesentlichen jeweils homogener Probenbereiche (204) auf einem Trägerelement
(202), mit einer Anregungslichtquelle, einem Detektor, einer Beleuchtungsoptik (202),
um die Probenbereiche mit Anregungslicht (200) zu beleuchten, sowie einer Detektion
soptik, um von den Probenbereichen emittiertes Licht auf den Detektor zu leiten, wobei
die Detektionsoptik so ausgebildet ist, dass jedem Probenbereich mindestens ein eigenes
fokussierendes optisches Element zugeordnet ist, welches zum Aufsammeln von der
Fokusregion emittiertes Licht vorgesehen ist, wobei zwischen den fokussierenden opti
schen Elementen und dem Detektor eine optische Einheit vorgesehen ist, welche die fo
kussierenden optischen Elemente oder eine so nahebei diesen liegende Ebene, dass eine
getrennte Abbildung von Emissionslicht aus benachbarten Probenbereichen auf ge
trennte Bereiche des Detektors noch möglich ist, auf den Detektor abbildet, wobei das
Trägerelement als Teil der die Beleuchtungsoptik ausgebildet ist und die Probenberei
che, die optisch dünner als das Trägerelement sind, auf seiner Außenseite trägt, und wo
bei das Anregungslicht so in das Trägerelement eingekoppelt wird, daß es an der die
Probenbereiche tragenden Grenzfläche totalreflektiert wird.
20. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche für die
optische Analyse biologischer oder chemischer Proben in den Probenbereichen.
21. Verfahren zur parallelen optischen Analyse mehrerer voneinander getrennter, in sich im
wesentlichen jeweils homogener Probenbereiche auf einem Objekt, wobei das Objekt in
Stellung gebracht wird, Anregungslicht aus einer Anregungslichtquelle mittels einer
Optik, bei welcher jedem Probenbereich mindestens ein eigenes fokussierendes opti
sches Element zugeordnet ist, auf dem zugeordneten Probenbereich fokussiert wird, und
von den Probenbereichen emittiertes Licht mittels der Optik auf einen Detektor geleitet
wird, wobei das von der Fokusregion emittierte Licht mit Hilfe des bzw. jedem zuge
ordneten optischen Elements aufgesammelt wird, und wobei zwischen den fokussieren
de optischen Elementen und dem Detektor eine optische Einheit vorgesehen ist, mittels
welcher die fokussierenden optischen Elemente oder eine so nahe bei diesen liegende
Ebene, dass eine getrennte Abbildung von Emissionslicht aus benachbarten Probenbe
reichen auf getrennte Bereiche des Detektors noch möglich ist, auf den Detektor abbil
det.
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