DE10017824B4 - Vorrichtung zur parallelen photometrischen Fluoreszenz- oder Lumineszenzanalyse mehrerer voneinander getrennter Probenbereiche auf einem Objekt - Google Patents

Vorrichtung zur parallelen photometrischen Fluoreszenz- oder Lumineszenzanalyse mehrerer voneinander getrennter Probenbereiche auf einem Objekt Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur parallelen optischen Analyse mehrerer voneinander getrennter, in sich im wesentlichen jeweils homogener Probenbereiche auf einem Objekt, mit einer Anregungslichtquelle, einem Detektor sowie einer Optik, 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 eine eigene Mikrolinse zugeordnet ist, welche dafür sorgt, dass Anregungslicht auf dem zugeordneten Probenbereich fokussiert wird, und gleichzeitig dazu dient, von der Fokusregion emittiertes Licht aufzusammeln, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Mikrolinsen (Mikrolinsenarray 114) und dem Detektor (132) eine erste optische Einheit (Tubuslinse 112, Objektiv 130) vorgesehen ist, welche die Mikrolinsen oder eine so nahe bei diesen liegende Ebene, dass eine getrennte Abbildung von Emissionslicht aus benachbarten Probenbereichen auf getrennte Bereiche des Detektors noch möglich ist, auf den Detektor abbildet und ferner eine zweite optische Einheit (Objektiv 140, Tubuslinse 142) vorgesehen ist, welche die Probenbereiche (118) in die objektseitigeFokalebene (Bildebene 122) der jeweiligen Mikrolinse(n) abbildet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum parallelen optischen Abtasten mehrerer voneinander getrennter Probenbereiche auf einem Objekt, insbesondere einer Mikrotiter-Platte oder einem DNA-Chip, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. 16.
  • Zur gleichzeitigen Fluor eszenz- 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 („welk") handelt, durch Wände von den Nachbarfeldern abgetrennt, wobei gegenwärtig verwendete Mikrotiter-Platten 96, 384 oder 1536 solcher „welk" aufweisen. Bei DNA-Chips sind die einzelnen 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 Fluoreszenz- oder Luminiszenz-Analyse solcher Vielfachpräparate ist es, eine integrale Intensitätsinformation 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 Reagenzes angeregten – Reaktion verfolgen. Mit steigender Anzahl der zu untersuchenden Proben auf einer Platte oder einem Chip besitzt eine parallele Abtastung wesentliche Geschwindigkeitsvorteile gegenüber dem sequentiellen (rasternden) Abtasten, insbesondere wenn, wie oben 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 Helmholtz-Lagrange'schen Invarianzprinzip nimmt jedoch mit zunehmender optischer Verkleinerung 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. Damit ist jedoch der Raumwinkel des von einem Objekt ausgehenden Lichtes, welches aufgesammelt 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"-Zechnologie, 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 dises Problems im Falle von Mikrotiterplatten wurde deshalb gemäß WO 99/23474 A1 welcher eine gattungsgemäße Vorrichtung beschrieben ist, vorgeschlagen ein Mikrolinsenarray einzusetzen, welches jedem „well" ein Linsenelement zuordnet und das in einer Zwischenbildebene ein vergrößertes Bild der einzelnen Probenbereiche erzeugt. Diese Zwischenbildebene, in der sich zur Vermeidung von Übersprechen 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 A2 ist ein optisches System bekannt, welches für Lithographie-Anwendungen oder die Raster-Reflexionsanalyse einer Probenfläche gedacht ist, bei welchem ein Mikrolinsen-Array verwendet wird, um einfallendes Licht auf je einen Punkt auf der Probenfläche zu fokussieren und gleichzeitig von diesem Punkt der Probenfläche reflektiertes Licht aufzusammeln. Das Mikrolinsen-Array, d.h. die Ebene, in welcher dieses liegt, wird von einer Optik 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 entspricht. Um ein zufriedenstellendes Rasterbild zu erhalten, ist die Verwendung von hochwertigen optischen Komponenten erforderlich.
  • In der nachveröffentlichten älteren deutschen Patenteldung DE 199 19 092 A1 ist eine ähnliche Vorrichtung wie in WO 99/23474 A1 beschreiben, wobei jedoch nicht die Objektebene, sondern das Mikrolinsenarray auf dem Detektor abgebildet wird.
  • In dem Konferenzbericht „Optische Mikrosysteme für die Umweltmeßtechnik",in Laser und Optoelektronik, 30, 1998, Seiten 33–35, ist eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Fluoreszenzanalyse von in einer Mikrotiterplatte bzw. einer Nanotiterplatte befindlichen Proben beschrieben.
  • In DE 197 25 050 A1 ist ein Fluoreszenzanalysesystem beschrieben, bei welchem biologische Proben in einer Mikrotiterplatte mittels einer oberhalb der Proben vorgesehenen Wellenleiterschicht beleuchtet werden, wobei Fluoreszenzlicht mittels eines Mikrolinsenarrays aufgesammelt wird und auf ein Detektorelement eines Detektorarrays gerichtet wird. Alternativ kann die Wellenleiterschicht auch unterhalb der Probenbereiche vorgesehen sein.
  • In DE 199 41 167 A1 ist eine Vorrichtung zum Abbilden von in einer Mikrotiterplatte angeordneten Proben auf einen CCD-Sensor mittels einer Fresnel-Linse beschrieben.
    •
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung 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. 16 sowie eine Verwendung gemäß Anspruch 17. Dadurch, daß bei der vorliegenden Erfindung auf eine direkte Abbildung der Probenbereiche in korrespondierende Detektorbereiche verzichtet wird und statt dessen die gewünschte eindeutige Zuordnung zwischen Proben- und Detektorbereich durch eine Abbildung der einzelnen fokussierenden Elemente auf den Detektor erzielt wird und insbesondere auch kein Abrastern der einzelnen Probenbereiche vorgesehen ist, kann bei einfacher Justage eine hohe Sammeleffizienz mit einer Optik erzielt werden, an die keine besonders hohen Ansprüche, wie z.B. Achromatizität, gestellt werden müssen.
  • Im Gegensatz zu der aus WO 97/34171 A2 bekannten Vorrichtung ist bei der vorliegenden Erfindung 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 Eigenschaften 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 von Mikrolinsen gebildet, wobei jeder Probenbereich 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, jedoch 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 16 wird, im Gegensatz zur Lösung gemäß 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 zwei Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert, wobei
  • 1 schematisch den Aufbau bzw. Strahlengang einer nicht unter die vorliegende Erfindung fallenden Vorrichtung zeigt, welche vor allem für Mikrotiterplatten geeignet ist,
  • 2 in ähnlicher Darstellung wie 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt, welche bevorzugt zum Auslesen von DNA-Chips herangezogen werden kann, und
  • 3 eine Methode zur parallelen Anregung kleinster Probenvolumina beschreibt, welche nicht auf eine starke Fokussierung mit quasikonfokaler Auslese beruht, sondern sich zu diesem Zwecke der totalen internen Reflexion bedient.
  • Die in 1 schematisch dargestellte, einfache Anordnung, die nicht unter die vorliegende Erfindung fällt, ist insbesondere für relativ ausgedehnte Probenbereiche geeignet, wie sie in der Regel bei Mikrotiterplatten vorliegen. Die gewählte telezentrische Abbildung wird in den meisten Fällen vorteilhaft sein, sie kann jedoch durchaus auch nach den Regeln der Optik abgewandelt werden.
  • Zur Beleuchtung des Präparats ist eine (zumeist monochromatische) Lichtquelle 10 vorgesehen, die mittels einer Linse 12 ins Unendliche abgebildet wird. Die rückwärtige Brennebene der Linse 12 fällt mit der vorderseitigen Brennebene 16 eines Mikrolinsenarrays 14 zusammen, wobei die Anordnung und der Abstand der Mikrolinsen auf die Anordnung und den Abstand der „wells" 18 einer Mikrotiterplatte 20 abgestimmt ist. Gleichzeitig muß die numerische Apertur der Lichtquelle 10 dergestalt sein, daß das Mikrolinsenarray 14 vollständig und möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet wird. Die Mikrolinsen erzeugen in ihrer rückwärtigen Brennebene 22, welche in den „wells" 18, d.h. in der Probe plaziert wird, ein Spotmuster zur Anregung der gewünschten Fluoreszenz. Mit Spot ist 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 flächendeckendes Muster von Einzelpunkten anlegen, um in den einzelnen Probenbereichen repräsentative Flächen zu erfassen. Das aus den so angeregten Flächen emittierte Licht wird vom Mikrolinsenarray 14 aufgesammelt, d.h. die vielfachen Spots werden ins unendliche abgebildet, und die große Linse 12 erzeugt ein gemeinsames Bild aller Spots in einer Bildebene 26. Mit Hilfe eines dichroitischen Strahlteilers 24 können dabei Anregungs- und Emissionsstrahlengang voneinander getrennt werden. In der zur Brenebene 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 Brennebene 22 in der Probe stammt, wirkungsvoll 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 Mikrolinsenarray 14 bzw. dessen Brennebene 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 Anregungsstrahlengang wirkt und dabei eine stark bündelnde Wirkung besitzt, ist zur Beleuchtung des Arrays 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 Möglichkeit, 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; Hintergrundfluoreszenz 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 Ausdehnung des von den jeweiligen Mikrolinsen beleuchteten Probenbereichs kann z.B. eine Zellpopulation 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 Mikroeinsenarrays 14 nicht notwendigerweise zentrosymmetrisch 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 zentrosymmetrischen Linsen größere, im Idealfall nahezu vollständige Nutzung der Anregungsenergie möglich. Gleichzeitig wird eine maximale Sammeleffizienz für die vom beleuchteten Objekt ausgehenden 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 Anordnung so aus, daß der Linsenabstand dem well-Abstand bei einer Platte mit 1536 „wels" entspricht, kann man mit der gleichen Optik auch Mikrotiterplatten mit weniger „wels" verwenden, es kommen dann eben entsprechend mehr Linsen auf ein „well".
  • 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die besonders für das Auslesen kleinerer Probenfelder (z.B. von DNA-Chips) geeignet ist. Die Anordnung gemäß 2 eignet sich im besonderen für kleine DNA-Chips 120, die durch ein Objektiv 140 mit hoher numerischer Apertur, z.B. einem Mikroskop-Objektiv betrachtet werden können. Das Objektiv 140 bildet das Präparat ins Unendliche ab, eine Tubuslinse 142 formt in der Bildebene 122 ein vergrößertes Bild des DNA-Chips 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 zusammenfällt. Die zweite Brennebene 116 dieses Mikrolisenarays 114 wird mittels einer zweiten Tubuslinse 112 ins Unendliche und mit Hilfe eines geeigneten Objektivs 130 auf den Chip eines Detektors 132, z.B eines Flächensensors abgebildet. Die Aperturblende 128 dieses Objektivs 130 befindet sich in einer zu den DNA-Spots konjugierten Zwischenbildebene 126 und kann für alle Spots gleichzeitig als einstellbare konfokale 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 Konfokalität wahren, plaziert man den Strahlteiler 124 nicht wie üblich zwischen dem Objektiv 140 und der Tubuslinse 142, sondern zwischen dem Mikrolinsenarray 114 und der Tubuslinse 112 oder zwischen der Tubuslinse 112 und dem Objektiv 130. Eine solche Anordnung bewirkt eine Bündelung des Anregungslichtes auf einzelne Anregungs-Spots und damit eine erhöhte Anregungseffizienz. Die Sperrfilter müssen in diesem Falle besonders effizient ausgelegt werden, um das von den diversen optischen Komponenten im Strahl zurückreflektierte Anregungslicht vom Detektor 132 fernzuhalten. Plaziert man den Strahlteiler 124 an der gewohnten 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 Bündelung 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 verschiebt 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 hinausgehende Detailinformation über die einzelnen Spots gewinnen möchte.
  • In der bisher beschriebenen Ausführungsform der Erfinndung wird die Beschränkung des Probenvolumens durch eine starke Bündelung des Anregungsstrahls und durch eine konfokale Auslese erreicht. In der in 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 entsprechender 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 räunilich voneinander getrennten Stellen eingesetzt werden. Das „Einfangen" des Strahls kann dabei entweder so durchgeführt werden, daß die gesamte 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 begrenzte Probenbereiche beleuchtet werden. In einer Dimension kann die Begrenzung, wie; in 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 Trägerschicht eingekoppelt werden können.
  • Die beschriebene „TIRF"-Anregung kann vor allem bei Bindungsstudien vorteilhaft eingesetzt 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 (18)

  1. Vorrichtung zur parallelen optischen Analyse mehrerer voneinander getrennter, in sich im wesentlichen jeweils homogener Probenbereiche auf einem Objekt, mit einer Anregungslichtquelle, einem Detektor sowie einer Optik, 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 eine eigene Mikrolinse zugeordnet ist, welche dafür sorgt, dass Anregungslicht auf dem zugeordneten Probenbereich fokussiert wird, und gleichzeitig dazu dient, von der Fokusregion emittiertes Licht aufzusammeln, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Mikrolinsen (Mikrolinsenarray 114) und dem Detektor (132) eine erste optische Einheit (Tubuslinse 112, Objektiv 130) vorgesehen ist, welche die Mikrolinsen oder eine so nahe bei diesen liegende Ebene, dass eine getrennte Abbildung von Emissionslicht aus benachbarten Probenbereichen auf getrennte Bereiche des Detektors noch möglich ist, auf den Detektor abbildet und ferner eine zweite optische Einheit (Objektiv 140, Tubuslinse 142) vorgesehen ist, welche die Probenbereiche (118) in die objektseitige Fokalebene (Bildebene 122) der jeweiligen Mikrolinse(n) abbildet.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite optische Einheit ein Objektiv (140) und eine Tubuslinse (142) umfasst, wobei die Probenbereiche (118) in der Fokalebene des Objektivs (140) liegen und von der zweiten optischen Einheit in der objektseitigen Fokalebene (Bildebene 122) der Mikrolinsen (Mikrolinsenarray 114) ein vergrößertes Zwischenbild der Probenbereiche erzeugt wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Probenbereich zur Erzeugung eines flächendeckenden Musters von Einzelpunkten mehrere Mikrolinsen zugeordnet sind.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mikrolinse zentrosymmetrisch ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mikrolinse eine Zylinderlinse ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinsen ein flächendeckendes Muster ergeben.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrolinsen ein planares Feld bilden.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen dem Detektor (132) und den Mikrolinsen befindliche erste optische Einheit (Tubuslinse 112, Objektiv 130) eine erste optische Komponente (Tubuslinse 112) umfasst, welche im Zusammenspiel mit den Mikrolinsen deren objektseitige Fokalebene (Bildebene 122) und damit die beleuchteten Spots der Probenbereiche (118) gemeinsam in eine Zwischenbildebene (126) abbildet, wo eine gemeinsame konfokale Blende (Aperturblende 128) vorgesehen ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungslicht annähernd kollimiert auf die Mikrolinsen fällt.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtfleck der Anregungslichtquelle in der objektabgewandten Fokalebene der ersten optischen Komponente (Tubuslinse 112) der ersten optischen Einheit liegt.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das von den Mikrolinsen gesammelte emittierte Licht der Probenbereiche (118) mittels eines dichroitischen Strahlteilers (124) aus dem Anregungslichtweg ausgekoppelt wird.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungslicht mittels eines dichroitischen Strahlteilers (124) in den Emissionslichtweg eingekoppelt wird.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der dichroitische Strahlteiler (124) zwischen den Mikrolinsen und der ersten optischen Komponente (Tubuslinse 112) der ersten optischen Einheit liegt.
  14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (132) ein zweidimensionaler Vielkanaldetektor ist.
  15. Vonichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie für die Fluoreszenzanalyse biologischer Proben ausgebildet ist.
  16. Vorrichtung zur parallelen optischen Analyse mehrerer voneinander getrennter, in sich im wesentlichen jeweils homogener Probenbereiche auf einem Trägerelement, mit einer Anregungslichtquelle, einem Detektor sowie einer Optik, 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 eine eigene Mikrolinse zugeordnet ist, welche dazu dient, von der Fokusregion emittiertes Licht aufzusammeln, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Mikrolinsen (Mikrolinsenarray 114) und dem Detektor (132) eine erste optische Einheit (Tubuslinse 112, Objektiv 130) vorgesehen ist, welche die Mikrolinsen oder eine so nahe bei diesen liegende Ebene, dass eine getrennte Abbildung von Emissionslicht aus benachbarten Probenbereichen auf getrennte Bereiche des Detektors noch möglich ist, auf den Detektor abbildet und ferner eine zweite optische Einheit (Objektiv 140, Tubuslinse 142) vorgesehen ist, welche die Probenbereiche (118) in die objektseitige Fokalebene (Bildebene 122) der jeweiligen Mikrolinse(n) abbildet, wobei das Trägerelement als Teil der Beleuchtungsoptik ausgebildet ist und die Probenbereiche, die optisch dünner als das Trägerelement sind, auf seiner Außenseite trägt, und wobei das Anregungslicht so in das Trägerelement eingekoppelt wird, daß es an der die Probenbereiche tragenden Grenzfläche totalreflektiert wird.
  17. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche für die optische Analyse biologischer oder chemischer Proben in den Probenbereichen.
  18. Verwendung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Probenbereichen um die Probenbereiche eines DNA-Chips handelt.
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