DE10118156A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Beobachten einer biochemischen Substanz - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum effizienten Beobachten einer biochemischen Substanz mit genauem und schnellem Fokussieren auf die Substanz bereitgestellt, die im Inneren eines Behälters angeordnet ist. Eine Fokussiermarke, die als Bezugspunkt verwendet wird, wenn der Brennpunkt eines optischen Systems eingestellt wird, ist auf der Außenseite eines transparenten Bodens jeder Mulde in einer Mikroschale angebracht. Es wird eine Strecke für die Brennpunktverschiebung ermittelt, die einem Abstand zwischen der Marke und einer zu beobachtenden, gewünschten Position entspricht. Das optische System fokussiert auf die Marke und dann wird der Brennpunkt des Systems um die Strecke für die Brennpunktverschiebung verschoben. Diese Verschiebung gestattet, dass genau und schnell auf ein Objekt fokussiert wird, sogar wenn undeutliche Bilder erhalten werden.

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beobachten biochemischer Substanzen, wie biolo­ gischer Zellen, in einem Behälter, wie eine Mikroplatte.

Allgemeiner Stand der Technik

Bei einem biochemischen Versuch wird eine biochemische Sub­ stanz, wie tierische Zellen, pflanzliche Zellen und Bakte­ rien, die auf einer Innenfläche eines Behälters, wie einer Mikroplatte, angeordnet sind, mit einem Mikroskop beobachtet. Für dieses Beobachtungsverfahren wird im Allgemeinen die bio­ chemische Substanz, die auf der Bodenfläche in einer Mulde der Mikroplatte angeordnet ist, die aus transparenten Materi­ alien besteht, von unterhalb der Mulde mit dem Mikroskop be­ obachtet.

Das durch die Beobachtung der biochemischen Substanz, wie tierische Zellen und pflanzliche Zellen, mit dem Mikroskop erhaltene Bild weist oft eine blasse Farbe und einen ver­ schwommenen Umriss auf. Es ist schwierig zu ermitteln, ob ein zu beobachtendes Objekt scharf eingestellt ist oder nicht. Daher braucht die Fokussierung von Hand zu viel Zeit. Ferner war eine automatische Fokussierfunktion, die für eine automa­ tische Beobachtung notwendig ist, bei der Beobachtung bioche­ mischer Substanzen schwer anzuwenden.

Kurzdarstellung der Erfindung

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur schnellen genauen Scharfeinstellung biochemischer Substanzen zu deren effektiven Beobachtung bereitgestellt.

Die Beobachtungsvorrichtung umfasst ein optisches System, mit dem biochemische Substanzen, die auf einer Innenfläche eines transparenten Bereichs des Behälters angeordnet sind, von au­ ßen beobachtet werden.

Die Vorrichtung umfasst ferner die folgenden Elemente:

• a) einen Behälter mit einer Fokussiermarke, die als Bezugs­ punkt für das optische System zur Fokussierung verwendet wird und auf der Innenfläche oder Außenfläche des trans­ parenten Bereichs angebracht ist, auf dem die biochemi­ sche Substanz angeordnet ist;
• b) einen Halter für den Behälter, der den Behälter hält;
• c) eine Brennpunktverschiebungseinrichtung, die den Brenn­ punkt des optischen Systems verschiebt;
• d) eine Einrichtung zur Ausgabe der Strecke für die Brenn­ punktverschiebung zum Ausgeben einer Strecke, um die der Brennpunkt verschoben wird, als übersetzte numerische Da­ ten; und
• e) eine Speichereinheit für die Brennpunktposition, die den Brennpunkt speichert.

Ein Verfahren zum Beobachten biochemischer Substanzen unter Verwendung der obigen Vorrichtung beinhaltet die folgenden Schritte:

• a) Anordnen der biochemischen Substanzen in dem Behälter mit der Fokussiermarke;
• b) Fokussieren des optischen Systems auf die Fokussiermarke; und
• c) Fokussieren des optischen Systems auf eine zu beobachten­ de Position durch Verschieben des Brennpunkts des opti­ schen Systems um eine vorher bestimmte Strecke für die Brennpunktverschiebung zwischen der Fokussiermarke und einer gewünschten Position der biochemischen Substanz.

Dieses Verfahren gestattet dem optischen System, die Substan­ zen an der gewünschten Position genau und schnell scharf ein­ zustellen, sogar wenn das Bild der Substanzen undeutlich ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Perspektivansicht einer Beobachtungsvorrich­ tung zum Beobachten biochemischer Substanzen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist ein Funktionsblockdiagramm der Beobachtungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform.

Fig. 3 ist eine Teilquerschnittsansicht einer Mikroplatte gemäß der Ausführungsform.

Fig. 4 stellt ein Verfahren zum Beobachten biochemischer Substanzen gemäß der Ausführungsform dar.

Fig. 5 stellt das Verfahren zum Beobachten gemäß der Ausfüh­ rungsform dar.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform Fig. 1 ist eine Perspektivansicht einer Beobachtungsvorrich­ tung zum Beobachten einer biochemischen Substanz in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist ein Funktionsblockdiagramm der Vorrichtung. Fig. 3 ist eine Teilquerschnittsansicht einer Mikroplatte. Fig. 4 und Fig. 5 stellen ein Verfahren zum Beobachten der biochemi­ schen Substanz in der Ausführungsform dar.

Ein Aufbau der Vorrichtung zum Beobachten biochemischer Sub­ stanzen wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert. In Fig. 1 weist ein Körper 2 einer Beobachtungsvorrichtung 1 für bio­ chemische Substanzen einen vorstehenden Abschnitt 2a, der am vorderen Abschnitt des Körpers 2 vorsteht, und eine Rückwand 2b auf, die vertikal am hinteren Abschnitt des Körpers 2 vor­ steht. Eine Röhre 3 des Körpers steht am Körper 2 vor. Die Röhre 3 des Körpers enthält Mehrfachobjektive 3a, die von ei­ nem Beobachter maßstäblich geändert (scaled) werden. Am obe­ ren Teil des vorstehenden Abschnitts 2a sind Okulare 4 be­ reitgestellt. Das im Körper 2 angeordnete optische System gestattet, dass das Objekt über die Objektive 3a mit den Oku­ laren 4 maßstäblich vergrößert wird. Ein Halter 6 für den Be­ hälter, der mit einer Bewegungseinrichtung 5 bewegbar ist, ist über der Röhre 3 des Körpers angeordnet. Der Halter 6 hält eine Mikroplatte 7 (im folgenden Platte 7 genannt), d. h. einen Behälter. In der Platte 7 sind vielfache Mulden ausge­ bildet, wovon jede eine schalenförmige Vertiefung ist und eine flüssige Probe enthält. Eine Mulde 8 enthält eine zu be­ obachtende biochemische Substanz, wie unten beschrieben. An der Vorderseite der Rückwand 2b sind ein Bildschirm 10 und ein Bedienungsfeld 11 angeordnet.

Eine Lampe 9 ist über dem Halter 6 für den Behälter angeord­ net, nachdem sie sich vom oberen Teil der Rückwand 2b hori­ zontal weg erstreckt.

Wenn die Lampe 9 die vom Halter 6 gehaltene Platte 7 beleuch­ tet, wird die biochemische Substanz in der Mulde 8 mit dem optischen System mit den Objektiven 3a und den Okularen 4 be­ obachtet. Der Beobachter verschiebt die Platte 7 mit der Be­ wegungseinrichtung 5 und beobachtet die Substanz an einer ge­ wünschten Position der Platte 7. Im Körper 2 ist eine Kamera eingebaut, um die Mikroskopbilder über die Objektive 3a ein­ zufangen. Die Mikroskopbilder werden auf dem Bildschirm 10 angezeigt.

Die Funktionen der Beobachtungsvorrichtung für biochemische Substanzen werden unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert. Im Halter 6 ist eine Öffnung 6a ausgebildet. Ein optisches Sys­ tem 13, das die Objektive 3a enthält, ist unter der Öffnung 6a angeordnet. Die Platte 7 wird auf dem Halter 6 gehalten. Die Position des Halters 6 wird so eingestellt, dass sich das optisches System 13 unter der Mulde 8 der Platte 7 befindet. Eine Kamera 14 ist unter dem optischen System 13 angeordnet, um die Mikroskopbilder in der Mulde 8 über das optische Sy­ stem 13 einzufangen. Das optische System 13 weist eine Steue­ rungseinrichtung 15 für den Brennpunkt auf. Die Steuerungs­ einrichtung 15 bewegt die Brennpunktposition des optischen Systems 13, während die Mikroskopbilder mit der Kamera 14 eingefangen oder direkt mit den Okularen 4 beobachtet werden. Die Steuerungseinrichtung 15 liefert numerische Daten für die Strecke der Brennpunktverschiebung zum Ändern des Brennpunkts des optischen Systems 13.

Eine Bedienungseinheit 16 beinhaltet einen Schalter und eine Tastatur, die am Bedienungsfeld 11 angeordnet sind, und ar­ beitet so, dass ein Brennpunkt bewegt wird und mit der Kamera 14 Bilder eingefangen werden. Eine Anzeige 17, in Fig. 1 der Bildschirm 10, zeigt mit der Kamera 14 eingefangene Mikro­ skopbilder und einen Anleitungsbildschirm für die Eingabe der Bedienperson an. Eine Steuerungseinheit 18, eine CPU, steuert die gesamte Beobachtungsvorrichtung für biochemische Substan­ zen. Eine Speichereinheit 19 für den Brennpunkt speichert ei­ nen vorher bestimmten Brennpunkt des optischen Systems 13. Nachdem Daten des Brennpunkts, die in der Speichereinheit 19 gespeichert sind, bereitgestellt wurden, steuert die Steue­ rungseinheit 15 das optische System 13 so, dass es auf den vorher bestimmten Brennpunkt fokussiert.

Die Mulden 8 in der Platte 7 mit biochemischen Substanzen werden unter Bezugnahme auf Fig. 3A und Fig. 3B erläutert. Die Platte 7 besteht aus transparenten Materialien, wie Har­ zen. Wie in Fig. 3A gezeigt, ist das Innere des Bodens der Mulde 8 ein transparenter Bereich, d. h. ein Anordnungsbereich 8a, auf dem die biochemische Substanz angeordnet wird. Auf der äußeren Unterseite 8b jeder Mulde 8 ist eine kreuzförmige Marke angebracht. Die Marke ist eine Fokussiermarke M, die zum Beobachten des Inneren der Mulde 8 von unterhalb verwen­ det wird. Die Fokussiermarke M wird als Bezugspunkt verwen­ det, wenn der Beobachter eine Fokussierung des optischen Sy­ stems auf das zu beobachtende Objekt veranlasst.

Fig. 3B zeigt die Mulde 8 während der Beobachtung. Eine Kul­ turlösung 20 wird in die Mulde 8 gegossen und eine biochemi­ sche Substanz 12 in der Lösung wird auf dem Anordnungsbereich 8a angeordnet. Die vertikale Position des beobachteten Be­ reichs wird durch einen kleinen Abstand (d) vom Anordnungsbe­ reich festgesetzt, wobei der Abstand (d) entsprechend dem Typ der biochemischen Substanz bestimmt wird. Das heißt: die ver­ tikale Position wird durch Addieren des Abstands (d) zur be­ kannten Dicke (t) des Bodens der Mulde bestimmt.

Die Strecke F1 für die Brennpunktverschiebung, die dem Ab­ stand (d + t) entspricht, wird ermittelt und als Brennpunkt­ daten für den Typ der biochemischen Substanz gespeichert. Das optische System fokussiert auf die Fokussiermarke M (Brenn­ punktposition F0) der äußeren Unterseite 8b und dann wird der Brennpunkt des Systems nur um die Strecke F1 für die Brenn­ punktverschiebung nach oben verschoben. Diese Verschiebung gestattet dem optischen System auf eine geeignete Position zu fokussieren.

Die Fokussiermarke M ist außen an der Unterseite der Mulde 8 angebracht und kann außerdem ausgebildet werden, indem eine transparente Folie mit einer Marke M darauf angebracht wird. Ferner kann die Marke M nicht nur auf der äußeren Unterseite 8b sondern auch auf dem Anordnungsbereich 8a ausgebildet sein.

Dann wird ein Verfahren zum Beobachten der biochemischen Sub­ stanz mit der obigen Beobachtungsvorrichtung unter Bezugnahme auf Fig. 4A bis 4D und Fig. 5A bis 5D beschrieben. In Fig. 4A ist die biochemische Substanz 12 auf dem Anordnungsbereich 8a der Mulde 8 der Platte 7 angeordnet. Die biochemische Sub­ stanz 12 wird mit der Kulturlösung 20 bedeckt. Bei deren Beo­ bachtung fokussiert das optische System 13 auf die Fokussier­ marke M, wie in Fig. 4B gezeigt. Die Brennpunktposition F0 der äußeren Unterseite 8b wird somit erfasst.

Dann verschiebt, wie in Fig. 4C gezeigt, die Steuerungsein­ richtung 15 für den Brennpunkt den Brennpunkt des optischen Systems um die Strecke F1 für die Brennpunktverschiebung, die vorher gespeichert wird, von der Brennpunktposition F0 verti­ kal nach oben. Diese Verschiebung kompensiert eine Versetzung eines Brennpunkts zwischen der beobachteten Position und der Fokussiermarke M. Folglich fokussiert das optische System 13 richtig auf das zu beobachtende Objekt, wie in Fig. 4D ge­ zeigt. In dieser Situation wird die biochemische Substanz 12 über das optische System 13 mit der Kamera 14 eingefangen und beobachtet.

Ein weiteres Verfahren zur Beobachtung des biochemischen Sub­ strats wird unter Bezugnahme auf Fig. 5A bis 5D erläutert. Das Verfahren erfordert die folgenden Vorgänge, bevor das oben genannte Verfahren durchlaufen wird. In Fig. 5A und Fig. 5B fokussiert das optische System 13 auf die Fokussiermarke M auf der äußeren Unterseite 8b, ähnlich Fig. 4A und Fig. 4B. Dann wird, wie in Fig. 5C gezeigt, die biochemische Substanz 12 beobachtet, während die Steuerungseinrichtung 15 den Brennpunkt des optischen Systems 13 allmählich von der Brenn­ punktposition F0 vertikal nach oben verschiebt. Eine Brenn­ punktposition, bei der ein gewünschtes Bild erhalten wird, wird als Strecke F2 für die Brennpunktverschiebung, ein Ab­ stand von der Brennpunktposition F0, ermittelt. Die Strecke F2 für die Brennpunktverschiebung wird in der Speichereinheit 19 für die Brennpunktposition gespeichert.

Danach wird die biochemische Substanz in der gleichen Proze­ dur wie in Fig. 4A bis Fig. 4D gezeigt beobachtet. Bei der Beobachtung wird anstatt der Strecke F1 für die Brennpunkt­ verschiebung, wie in Fig. 4C gezeigt, die Strecke F2 für die Brennpunktverschiebung verwendet.

Gemäß einer Ausführungsform kann sogar, wenn das erhaltene Bild undeutlich ist und wenn das optische System kaum auf die biochemische Substanz fokussiert, durch Bezugnahme auf die Fokussiermarke auf die Substanz fokussiert und sie beobachtet werden. Folglich wird der Vorgang der Beobachtung an Effi­ zienz verbessert und kann der genaue Fokussiervorgang bei ei­ ner automatischen Fokussierfunktion verwendet werden.

Claims (4)

1. Beobachtungsvorrichtung zum Beobachten einer Substanz, welche umfasst:
einen Behälter, der einen transparenten Bereich beinhal­ tet, auf dessen Innenfläche die Substanz angeordnet wird;
ein optisches System zum Beobachten der Substanz von ei­ ner Außenfläche des transparenten Bereichs aus;
eine Fokussiermarke, die auf einer der Innenfläche und der Außenfläche des transparenten Bereichs angebracht ist;
eine Brennpunktverschiebungseinrichtung zum Verschieben eines Brennpunkts des optischen Systems;
eine Einrichtung zur Ausgabe der Strecke für die Brenn­ punktverschiebung zum Ausgeben einer Strecke für die Brennpunktverschiebung; und
eine Speichereinheit für die Brennpunktposition zum Speichern der Strecke für die Brennpunktverschiebung.

2. Verfahren zum Beobachten einer Substanz mit einer Beobachtungsvorrichtung, welche umfasst: einen Behälter mit einem transparenten Bereich, auf dessen Innenfläche die Substanz angeordnet wird und an dem eine Fokussier­ marke angebracht ist, und ein optisches System zum Beo­ bachten der Substanz von einer Außenfläche des transpa­ renten Bereichs aus, wobei das Verfahren umfasst:
Veranlassen einer Fokussierung des optischen Systems auf die Fokussiermarke;
Verschieben eines Brennpunkts des optischen Systems um eine Strecke für die Brennpunktverschiebung, die einem Abstand zwischen einer Position der Fokussiermarke und einer beobachteten Position der Substanz entspricht; und
Veranlassen einer Fokussierung des optischen Systems auf die beobachtete Position.

3. Verfahren nach Anspruch 2, das ferner umfasst:
Ermitteln der beobachteten Position während des Ver­ schiebens des Brennpunkts des optischen Systems; und
Ermitteln der Strecke für die Brennpunktverschiebung auf der Basis der beobachteten Position.

4. Verfahren nach Anspruch 3, das ferner das Speichern der Strecke für die Brennpunktverschiebung umfasst.