DE102015001033A1 - High-throughput screening system for performing optical measurements - Google Patents

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Torsten Frosch
Jürgen Popp
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochdurchsatz-Screening-System zur Durchführung von optischen Messungen, insbesondere die Spektroskopie. Die Aufgabe der Erfindung, ein Hochdurchsatz-Screening-System zur Durchführung von spektroskopischen Messungen, insbesondere für die Ramam-Spektroskopie bereitzustellen, welches ermöglicht, dass alle Spektren sämtlicher Kavitäten einer Mikrotiterplatte gleichzeitig und schnell in den Kavitäten vermessen werden können, wird dadurch gelöst, dass das Hochdurchsatz-Screening-System eine Anregungseinheit mit einem Laser und einem optischen Leitweg, eine Ausleseeinheit mit einem Faserbündel aus optischen Fasern und einem Spektrometer, eine Mikrotiterplatte mit Kavitäten für einzelne Proben und eine Bewegungs- und Positioniereinheit für die Anordnung der Kavitäten der Mikrotiterplatte gegenüber dem Faserbündel umfasst, wobei das Faserbündel ein dimensionsreduzierendes Faserbündel ist, welches auf seiner der Probe zugewandten Seite eine rechteckige oder quadratische Anordnung der optischen Fasern und auf seiner dem Spektrometer zugewandten Seite einen linienförmige Anordnung der optischen Fasern aufweist, und dass eine optische stark multimodige Beleuchtungsfaser über eine Linse und ein Mikrolinsen-Array in eine Zwischenbildebene vervielfacht abbildbar ist und anschließend über zwei weitere Linsen in die Ebene der Probe abbildbar ist, wobei alle Kavitäten gleichzeitig durch die Anregungs- und Ausleseeinheit mit einer Strahlung beleucht- und vermessbar ist, in dem die erzeugbare zu messende Strahlung über ein System optischer Linsen von den Kavitäten auf das linienförmig angeordnete Faserbündel und von diesem in das Spektrometer übertragbar ist.The present invention relates to a high-throughput screening system for performing optical measurements, in particular spectroscopy. The object of the invention to provide a high-throughput screening system for carrying out spectroscopic measurements, in particular for Ramam spectroscopy, which enables all spectra of all microtiter plate wells to be simultaneously and rapidly measured in the wells is achieved by the high-throughput screening system comprises a laser and optical path excitation unit, an optical fiber fiber optic fiber bundle readout unit and a spectrometer, a microtiter plate having individual sample wells, and a microtiter plate well and positioning unit for positioning the microtiter plate wells Fiber bundle, wherein the fiber bundle is a dimensionally reducing fiber bundle, which on its side facing the sample a rectangular or square arrangement of the optical fibers and on its side facing the spectrometer a line-shaped arrangement having the optical fibers, and that an optical highly multimode illumination fiber is multiplied over a lens and a microlens array multiplied in an intermediate image plane and can then be imaged via two further lenses in the plane of the sample, all cavities simultaneously through the excitation and readout unit can be illuminated and metered with a radiation in which the radiation to be generated can be transmitted via a system of optical lenses from the cavities to the line-shaped fiber bundle and from this into the spectrometer.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochdurchsatz-Screening-System zur Durchführung von optischen Messungen, insbesondere der Spektroskopie.The present invention relates to a high-throughput screening system for performing optical measurements, in particular spectroscopy.

Hochdurchsatz-ScreeningHigh-throughput screening

Hochdurchsatz-Messungen mit Hilfe von Mikrotiterplatten sind in der Biologie, Medizin und Pharmazie weit verbreitet. Durch die Verwendungen von Automaten können je nach Anwendungen mehr als 100000 Proben pro Tag untersucht werden.High-throughput measurements using microtiter plates are widely used in biology, medicine and pharmacy. The use of vending machines allows more than 100,000 samples a day, depending on the application.

Hochdurchsatz-Messungen werden für verschiedene Analysemethoden durchgeführt.High-throughput measurements are performed for different analysis methods.

Bei optischen Methoden zur Untersuchung der Streustrahlung entscheiden der Streuquerschnitt und die maximale Leistung, welche ohne Zerstörung der Probe verwendet werden kann, über die für einen Container (eine Kavität) der Mikrotiterplatte notwendige Messzeit. Die Probencontainer (Kavitäten) werden durch Automaten mit mehreren Pipetten gleichzeitig gefüllt. Das Auslesen geschieht häufig in einem Raster, sodass jeder Container (Kavität) einzeln ausgelesen wird.In optical methods for the investigation of scattered radiation, the scattering cross section and the maximum power which can be used without destroying the sample decide on the measurement time required for a container (one well) of the microtiter plate. The sample containers (cavities) are filled by machines with several pipettes at the same time. The reading is often done in a grid, so that each container (cavity) is read out individually.

Auch Raman-spektroskopische Untersuchungen eignen sich grundsätzlich zur Untersuchung diverser Eigenschaften von Stoffen. So offenbart die WO 2013/064159 A1 bspw. eine Methode zur Bestimmung von Kern-DNA in Spermien und die DE 102 37 394 A1 offenbart bspw. ein Verfahren zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften von Polymerprodukten. Dabei wird von mindestens einem Spermium bzw. einem Polymerprodukt ein Raman-Spektrum aufgenommen und aus dem Raman-Spektrum des mindestens einen Spermiums/Polymerproduktes die mindestens eine biochemische/mechanische Eigenschaft des Spermiums/Polymerproduktes berechnet, so dass eine schnelle, nicht-invasive, reproduzierbare und ohne Probenvorbereitung auskommende Methode zur biochemischen/mechanischen Charakterisierung von Spermien/Polymerprodukten bereitgestellt wird.Also, Raman spectroscopic investigations are generally suitable for the investigation of various properties of substances. So revealed the WO 2013/064159 A1 For example, a method for the determination of nuclear DNA in sperm and the DE 102 37 394 A1 discloses, for example, a method for determining mechanical properties of polymer products. In this case, a Raman spectrum is recorded by at least one sperm or a polymer product and from the Raman spectrum of the at least one sperm / polymer product, the at least one biochemical / mechanical property of the sperm / polymer product is calculated, so that a fast, non-invasive, reproducible and providing a biochemical / mechanical characterization of sperm / polymer product without sample preparation.

Darüber hinaus sind aus der EP 1 463 392 A1 sowie EP 1 651 934 A1 Verfahren zur Detektion pathogener Mikroorganismen, aus der Schrift EP 1 766 350 A1 spektroskopische Verfahren zur Analyse von Komponententeilchen, aus der EP 1 766 351 A1 ein multimodales Verfahren zur Identifizierung von gefährlichen Mitteln und aus der WO 2012/165837 A3 eine Anordnung und ein Verfahren zum Hochdurchsatz-Screening mittels Raman-Spektroskopie mit core-capshell-Nanopartikeln zur Wirkstoffsuche bekannt. Nachteilig an der technischen Lösung gemäß WO 2012/165837 A3 ist, dass durch die Verwendung von Filtern nur schlechte oder überhaupt keine Spektren erfasst werden können.In addition, from the EP 1 463 392 A1 such as EP 1 651 934 A1 Method for the detection of pathogenic microorganisms, from the document EP 1 766 350 A1 spectroscopic method for the analysis of component particles, from EP 1 766 351 A1 a multimodal procedure for the identification of dangerous substances and of the WO 2012/165837 A3 an arrangement and a method for high-throughput screening by means of Raman spectroscopy with core-cap-shell nanoparticles for drug discovery known. A disadvantage of the technical solution according to WO 2012/165837 A3 is that the use of filters only poor or no spectra can be detected.

Um die Messzeit bei Hochdurchsatz-Messungen unter Verwendung von Mikrotiterplatten so gering wie möglich zu halten, ist es notwendig mehrere Container (Kavitäten) der Mikrotiterplatte gleichzeitig auszulesen. Die Spektren müssen möglichst schnell und ohne zeitlichen Versatz ausgelesen werden. Dafür ist es notwendig die Beleuchtungsleistung zu maximieren und einen möglichst großen Anteil der Streustrahlung zu übertragen. Für die Verwendung größtmöglicher Beleuchtungsleistungen ist es notwendig, die Probencontainer (die Kavitäten der Mikrotiterplatte) homogen und in ihrer Fläche so weit wie möglich auszuleuchten. Dafür ist eine inkohärente Beleuchtung von Vorteil. Außerdem muss die Beleuchtung für jeden Probencontainer (jede Kavität der Mikrotiterplatte) identisch sein. Die Wände der Mikrotiterplatte sollen nicht beleuchtet werden, so wird die Erzeugung von unerwünschter Streustrahlung vermieden. Zusätzlich kann es je nach spektroskopischer Analysemethode von Vorteil sein, die Probe mit depolarisiertem Licht zu bestrahlen, wodurch auch eine einfache Einstellung der Polarisation über einen linearen Polarisationsfilter ermöglicht wird. Um die Vergleichbarkeit der Spektren der einzelnen Probencontainer zu gewährleisten muss eine Normierung durchgeführt werden können.In order to keep the measuring time as low as possible for high-throughput measurements using microtiter plates, it is necessary to read several containers (wells) of the microtiter plate at the same time. The spectra must be read out as quickly as possible and without any time delay. For this it is necessary to maximize the lighting performance and to transmit as much of the scattered radiation as possible. For the use of the greatest possible illumination performance, it is necessary to illuminate the sample containers (the wells of the microtiter plate) homogeneously and in their area as far as possible. For this, incoherent lighting is an advantage. In addition, the illumination for each sample container (each well of the microtiter plate) must be identical. The walls of the microtiter plate should not be illuminated, so the generation of unwanted scattered radiation is avoided. In addition, depending on the spectroscopic analysis method, it may be advantageous to irradiate the sample with depolarized light, thereby also allowing for easy polarization adjustment via a linear polarizing filter. In order to ensure the comparability of the spectra of the individual sample containers, a standardization must be carried out.

Zur Verwendung von Mikrotiterplatten verschiedener Größe muss das System leicht auf dieses einstellbar sein.To use different sized microtiter plates, the system must be easily adjustable to this.

Durch die bekannten Rastermethoden können Spektren nur einzeln aufgenommen werden, was (je nach untersuchter Strahlung) zu sehr langen Messzeiten und dazu führt, dass bei zeitlich veränderlichen Proben keine gleichzeitigen Untersuchung der einzelnen Container (Kavitäten) möglich sind. Außerdem werden die einzelnen Container (Kavitäten der Mikrotiterplatte) durch eine einfache Fokussierung in der Probenebene nicht homogen ausgeleuchtet, wodurch die maximale Probenleistung stark begrenzt ist. Übliche Weit-Feld-Methoden führen zu wesentlich schlechteren Ergebnissen, als diese die bei Verwendung eines Spektrometers erreicht werden. Eine Bildgebung dieser Art ist darüber hinaus überflüssig und störend, da nur einzelne Container (Kavitäten) und keine kompletten chemischen Bilder ausgelesen werden sollen.Due to the known screening methods, spectra can only be recorded individually, which (depending on the examined radiation) leads to very long measuring times and leads to the fact that with temporally variable samples no simultaneous examination of the individual containers (cavities) is possible. In addition, the individual containers (wells of the microtiter plate) are not homogeneously illuminated by a simple focusing in the sample plane, whereby the maximum sample performance is severely limited. Conventional wide-field methods lead to significantly worse results than those achieved when using a spectrometer. An imaging of this kind is also superfluous and annoying, since only individual containers (cavities) and no complete chemical images are to be read.

Nachteilig bei den bekannten technischen Lösungen ist, dass durch ein Screening mit Hilfe der Spektroskopie an einer Mikrotiterplatte nicht alle Spektren gleichzeitig und schnell in den Kavitäten vermessen werden können und die Anregungsleistung für sämtliche Kavitäten und die Intensität der übertragenden Streustrahlung (insbesondere bei der Raman-Spektroskopie) nicht hoch sind.A disadvantage of the known technical solutions is that not all spectra can be measured simultaneously and quickly in the cavities and the excitation power for all cavities and the intensity of the transmitted scattered radiation (in particular in Raman spectroscopy ) are not high.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Hochdurchsatz-Screening-System zur Durchführung von spektroskopischen Messungen, insbesondere für die Raman-Spektroskopie bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere ermöglicht, dass alle Spektren der Kavitäten einer Mikrotiterplatte gleichzeitig und schnell in den Kavitäten vermessen werden können. The invention is therefore based on the object to provide a high-throughput screening system for performing spectroscopic measurements, in particular for Raman spectroscopy, which avoids the disadvantages of the prior art, in particular allows all spectra of the wells of a microtiter plate simultaneously can be quickly measured in the cavities.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des 1. und des 6. Patentanspruchs gelöst. Weitere günstige Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den nachgeordneten Patentansprüchen angegeben.According to the invention this object is achieved by the characterizing features of the first and the sixth claim. Further favorable embodiments of the invention are specified in the subordinate claims.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass bei dem Hochdurchsatz-Screening-System zur Durchführung von optischen Messungen in der Spektroskopie ein dimensionsreduzierendes Faserbündel zur Aufnahme/zur Erfassung der spektroskopischen Strahlung und ein spezielles Beleuchtungs- und Abbildungssystem eingesetzt werden.The essence of the invention is that in the high-throughput screening system for performing optical measurements in spectroscopy, a dimension-reducing fiber bundle for receiving / detecting the spectroscopic radiation and a special illumination and imaging system are used.

Dazu umfasst das Hochdurchsatz-Screening-System eine Anregungseinheit mit einem Laser und einem optischen Leitweg, eine Ausleseeinheit mit einem Faserbündel aus optischen Fasern und einem Spektrometer, eine Mikrotiterplatte mit Kavitäten für einzelne Proben und eine Bewegungs- und Positioniereinheit für die Anordnung der Kavitäten der Mikrotiterplatte gegenüber dem Faserbündel.For this purpose, the high-throughput screening system comprises a laser and optical path excitation unit, a fiber optic fiber optic bundle readout unit and a spectrometer, a microtiter plate with individual sample wells, and a microtiter plate microtiter plate well positioning and positioning unit opposite the fiber bundle.

Wesentlich ist, dass das Faserbündel ein dimensionsreduzierendes Faserbündel ist, welches auf seiner der Probe zugewandten Seite eine quadratische Anordnung der optischen Fasern und auf seiner dem Spektrometer zugewandten Seite eine linienförmige Anordnung der optischen Fasern aufweist, und dass eine optische stark multimodige Beleuchtungsfaser über eine Linse und ein Mikrolinsen-Array in eine Zwischenbildebene vervielfacht abbildbar ist und anschließend über zwei weitere Linsen in die Ebene der Probe abbildbar ist, wobei alle Kavitäten gleichzeitig durch die Anregungs- und Ausleseeinheit mit einer Strahlung beleucht- und vermessbar ist, in dem die erzeugbare zu messende Strahlung über ein System optischer Linsen von den Kavitäten auf das Faserbündel und von diesem in das Spektrometer übertragbar ist.It is essential that the fiber bundle is a dimension-reducing fiber bundle, which has on its side facing the sample a square array of optical fibers and on its side facing the spectrometer a line-shaped arrangement of the optical fibers, and that an optical highly multimode illumination fiber via a lens and a microlens array is multiplied in an intermediate image plane and can then be imaged via two further lenses in the plane of the sample, wherein all cavities can be simultaneously illuminated and measured by the excitation and readout unit with a radiation in which the producible radiation to be measured via a system of optical lenses from the cavities to the fiber bundle and from this into the spectrometer is transferable.

Die Beleuchtungsfaser weist eine große Länge im Bereich mehrere Dekameter auf und ist mit einer Vibrationseinrichtung versehen, so dass die Polarisation und die Kohärenz der von dem Laser aussendbaren Strahlung in der Faser durch die Vibrationseinrichtung und die Länge der Faser zerstörbar ist, dergestalt, dass die Probe mit gleichmäßig unpolarisiertem Licht bzw. bei Verwendung eines linearen Polarisationsfilters mit linear polarisiertem Licht beliebiger Polarisationsrichtung bestrahlt werden kann.The illumination fiber has a large length in the range of several decameters and is provided with a vibration device, so that the polarization and coherence of the laser-emissive radiation in the fiber by the vibrator and the length of the fiber is destructible, such that the sample can be irradiated with uniformly unpolarized light or when using a linear polarizing filter with linearly polarized light of any polarization direction.

Im Rahmen der Erfindung liegt auch, dass neben der mit einer Vibrationseinrichtung versehenen Beleuchtungsfaser bei einer CCD Beleuchtungszeiten verwendet werden, welche groß gegenüber der inversen Vibrationsfrequenz sind, wodurch die Kohärenz der Beleuchtung der Probe zerstört wird und die beleuchteten Flächen der Probe mit gleicher Intensität und homogen beleuchtet werden können.It is also within the scope of the invention that, in addition to the illumination fiber provided with a vibrator, illumination times at a CCD are used which are large in relation to the inverse vibration frequency, thus destroying the coherence of the illumination of the sample and the illuminated areas of the sample with equal intensity and homogeneity can be illuminated.

Der optische Leitweg führt dabei von dem Laser über die optische Beleuchtungsfaser und einen Linienfilter, so dass die in der Faser erzeugte Streustrahlung entfernbar ist.The optical path leads from the laser via the optical illumination fiber and a line filter, so that the scattered radiation generated in the fiber is removable.

Das Faserbündel besteht aus lichtleitenden Fasern mit eckigem oder rundem Querschnitt, zwischen denen sich nichtlichtleitende Zwischenfasern mit rundem Querschnitt befinden, welche die lichtleitenden Fasern auf der dem Spektrometer zugewandten Seite voneinander beabstanden.The fiber bundle consists of light conducting fibers of angular or circular cross section, between which are nonconductive intermediate fibers of round cross section which space the photoconductive fibers on the side facing the spectrometer.

Die lichtleitenden Fasern auf der der Probe zugewandten Seite sind in einem Abstand zueinander im Array angeordnet, so dass nur das Licht, welches in den Proben erzeugt wird, und nicht das von den Wänden der Mikrotiterplatte ausgehende Licht aufgenommen wird.The photoconductive fibers on the sample-facing side are arranged at a distance from each other in the array, so that only the light generated in the samples and not the light emanating from the walls of the microtiter plate is received.

Das Hochdurchsatz-Screening-Systems wird bestimmungsgemäß so betrieben, dass die Proben in den Kavitäten der Mikrotiterplatten gleichzeitig mit gleichmäßig unpolarisiertem Licht oder durch die Verwendung eines zusätzlichen linearen Polarisationsfilters mit linear polarisiertem Licht, bestrahlt werden, in dem der Laser eine monochromatische Strahlung erzeugt, die über die Beleuchtungsfaser sowie den Linienfilter geführt wird, so dass in der Beleuchtungsfaser die in der Faser erzeugte Streustrahlung entfernt wird, wobei gleichzeitig mit der Vibrationseinrichtung an der Beleuchtungsfaser eine Vibration erzeugt wird, so dass die Kohärenz der von dem Laser aussendbaren Strahlung in der Beleuchtungsfaser durch die Vibrationseinrichtung zerstört wird.The high throughput screening system is designed to operate by irradiating the samples in the wells of the microtiter plates simultaneously with uniformly unpolarized light or by using an additional linear polarizer with linearly polarized light in which the laser produces monochromatic radiation is passed over the illumination fiber and the line filter, so that in the illumination fiber, the scattered radiation generated in the fiber is removed, wherein simultaneously with the vibration device on the illumination fiber, a vibration is generated, so that the coherence of the radiation emanating from the laser in the illumination fiber through the vibration device is destroyed.

Das so erzeugte Anregungslicht wird so auf die Proben in den Kavitäten abgebildet, dass die beleuchteten Flächen nach Abbildung auf das Faserbündel in ihrer Ausdehnung mit den Fasern des Faserbündels übereinstimmen, so dass homogene und intensitätsgleiche Beleuchtungsflächen in den Probe-enthaltenden Kavitäten der Mikrotiterplatte erzeugt werden.The excitation light generated in this way is imaged on the samples in the cavities such that the illuminated surfaces, after imaging on the fiber bundle, coincide in their extent with the fibers of the fiber bundle, so that homogeneous and intensity-identical illumination surfaces are produced in the sample-containing wells of the microtiter plate.

Die von den Proben ausgehende Strahlung wird mit dem Faserbündel ausgelesen.The radiation emitted by the samples is read out with the fiber bundle.

Anschließend erfolgt eine computergestützte Normierung der ausgelesenen Daten mit einer homogen streuenden Probe, um genaue quantitative Aussagen in Bezug auf die Intensitäten der von den Proben ausgehenden Streustrahlung zu erhalten. Subsequently, a computer-aided standardization of the read-out data with a homogeneously scattering sample is carried out in order to obtain accurate quantitative statements with regard to the intensities of the scattered radiation emanating from the samples.

Das Licht kann vor dem Eintritt in die Beleuchtungsfaser auch noch aufgeweitet und durch eine Lochblende in der Leistung gesteuert werden.The light can also be widened before entering the illumination fiber and controlled by a perforated panel in the power.

Im Rahmen der Erfindung liegt auch die Möglichkeit, dass die Mikrotiterplatte während der Bestrahlung so bewegt wird, dass je Kavität jeweils eine größere Probenfläche beleuchtet und damit eine höhere maximal mögliche Beleuchtungsleistung ermöglicht wird, wodurch eine kürzere notwendige Belichtungszeit oder eine höheres Verhältnis aus Signal und Rauschen ermöglicht wird.Within the scope of the invention there is also the possibility that the microtiter plate is moved during the irradiation in such a way that a larger sample area is illuminated per cavity and thus a higher maximum possible illumination power is enabled, resulting in a shorter necessary exposure time or a higher ratio of signal and noise is possible.

Darüber hinaus ist es auch möglich, durch einen Austausch der Linse zwischen der Beleuchtungsfaser und der Mikrotiterplatte das Hochdurchsatz-Screening-System sehr schnell und automatisch auf verschiedene Mikrotiterplatten einzustellen, ohne dass sich die Funktionalität der Beleuchtung dadurch an sich ändert.Moreover, by replacing the lens between the illumination fiber and the microtiter plate, it is also possible to adjust the high-throughput screening system very quickly and automatically to different microtiter plates without the functionality of the illumination thereby changing.

Das Verfahren kann auch für die Raman-Spektroskopie, die Fluoreszenzspektroskopie, die Absorptionsspektroskopie, die Transmissionsspektroskopie oder für die Kombination dieser Spektroskopiearten verwendet werden.The method can also be used for Raman spectroscopy, fluorescence spectroscopy, absorption spectroscopy, transmission spectroscopy or for the combination of these types of spectroscopy.

Es ist auch möglich, dass mehrere Laser in die Beleuchtungsfaser eingekoppelt werden, um damit lediglich durch Wechseln der Filter, bei sonst gleich bleibender Beleuchtung, Messungen bei verschiedenen Anregungswellenlängen durchführen zu können, oder dass mehrere Lichtquellen gleichzeitig in die Beleuchtungsfaser eingekoppelt werden, so dass die Probe von diesen Lichtquellen gleichzeitig angeregt, und die von der Probe ausgehende Strahlung, untersucht wird oder dass die faserbasierte Probenbeleuchtung nicht im Auflichtverfahren, sondern durch ein weitere Linse, bzw. Objektiv, im Durchlichtverfahren durchgeführt wird.It is also possible for several lasers to be coupled into the illumination fiber in order to be able to carry out measurements at different excitation wavelengths merely by changing the filters, otherwise the illumination remains constant, or that several light sources are coupled into the illumination fiber at the same time, so that the Probe is excited by these light sources simultaneously, and the radiation emitted by the sample is examined, or that the fiber-based sample illumination is performed not by the incident light method, but by another lens, or in the transmitted light method.

Das Verfahren kann bspw. zur zeitgleichen Aufnahme von mindestens zwei Spektren zur Berechnung von Differenzspektren bezogen auf das simultan gemessenes Referenzspektrum und zur Analyse kleinster spektraler Verschiebungen bei der optischen Spektroskopie verwendet werden.The method can be used, for example, for the simultaneous recording of at least two spectra for the calculation of difference spectra based on the simultaneously measured reference spectrum and for the analysis of the smallest spectral shifts in optical spectroscopy.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Ausführungsbeispiele und der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the embodiments and the figures. Showing:

1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochdurchsatz-Screening-Systems zur Durchführung von optischen Messungen in der Spektroskopie, 1 FIG. 2 shows a schematic representation of an embodiment of the high-throughput screening system according to the invention for carrying out optical measurements in spectroscopy, FIG.

2: eine Darstellung der mit einer Strahlprofilkamera aufgenommenen typischen Intensitätsverteilung, wie sie in einer einzelnen Kavität bei Verwendung des Systems gemäß 1 auftritt, 2 FIG. 2: a representation of the typical intensity distribution recorded with a beam profile camera, as in a single cavity using the system according to FIG 1 occurs

3: eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der Beleuchtung gemäß 1 in der Probenebene mit einer quadratischen Beleuchtungsfaser (Die gefüllten Quadrate stellen dabei die Beleuchtung mit monochromatischer Strahlung dar. Die gestrichelten Quadrate symbolisieren die Fasern des Faserbündels, wie sie durch die Abbildung der Streustrahlung beleuchtet werden), 3 : a schematic representation of a section of the illumination according to 1 in the sample plane with a square illumination fiber (The filled squares represent the illumination with monochromatic radiation. The dashed squares symbolize the fibers of the fiber bundle, as they are illuminated by the image of the scattered radiation),

4: eine schematische Darstellung des dimensionsreduzierenden Faserbündels gemäß 1 und 4 FIG. 2: a schematic representation of the dimension-reducing fiber bundle according to FIG 1 and

5: eine Darstellung der Polarisationsabhängigkeit der Transmission einer Beleuchtungsfaser gemäß 1 von 30 m Länge bei eingekoppelter Strahlung mit einer Wellenlänge von 532 nm (Die Dreiecke stellen dabei die Polarisations-Abhängigkeit des Lasers dar. Die Quadrate beziehen sich auf die Messung mit der Beleuchtungsfaser. Zum Vergleich wurde eine Vergleichsmessung mit einer kürzeren Faser aufgenommen. Die entsprechenden Messwerte sind als Kreise gezeichnet.). 5 FIG. 2: a representation of the polarization dependence of the transmission of an illumination fiber according to FIG 1 30 m long with coupled radiation with a wavelength of 532 nm (The triangles represent the polarization dependence of the laser.) The squares are related to the measurement with the illumination fiber For comparison, a comparison measurement with a shorter fiber was taken Measurements are drawn as circles.).

Das in 1 dargestellte Hochdurchsatz-Screening-System zur Durchführung von optischen Messungen in der Spektroskopie umfasst eine Anregungseinheit mit einem Laser (1) und einem optischen Leitweg mit einer Beleuchtungsfaser (6), eine Ausleseeinheit mit einem Faserbündel (23) aus optischen Fasern und einem Spektrometer (25), eine Mikrotiterplatte (18) mit Kavitäten für einzelne Proben und eine Bewegungs- und Positioniereinheit für die Anordnung der Kavitäten der Mikrotiterplatte (18) gegenüber dem Faserbündel (23).This in 1 The high-throughput screening system for carrying out optical measurements in spectroscopy comprises an excitation unit with a laser ( 1 ) and an optical path with an illumination fiber ( 6 ), a readout unit with a fiber bundle ( 23 ) of optical fibers and a spectrometer ( 25 ), a microtiter plate ( 18 ) with cavities for individual samples and a movement and positioning unit for the arrangement of the wells of the microtiter plate ( 18 ) relative to the fiber bundle ( 23 ).

Der optische Leitweg verläuft dabei vom Laser (1) über eine Lochblende (3), eine Linse (4) oder über ein Objektiv in die Stirnseite (5) der Beleuchtungsfaser (6), so dass das Licht vom Laser (1) in die Beleuchtungsfaser (6) einkoppelbar ist.The optical path runs from the laser ( 1 ) via a pinhole ( 3 ), a lens ( 4 ) or via a lens in the front side ( 5 ) of the illumination fiber ( 6 ), so that the light from the laser ( 1 ) into the illumination fiber ( 6 ) can be coupled.

Zwischen dem Laser (1) und der Lochblende (3) kann auch noch ein Teleskop (2) angeordnet sein.Between the laser ( 1 ) and the pinhole ( 3 ) can also be a telescope ( 2 ) can be arranged.

Der Kopf der Beleuchtungsfaser (6) befindet sich dabei kurz hinter der Brennebene der Linse (4), damit eine Fokusbildung in der Beleuchtungsfaser (6) verhindert wird.The head of the illumination fiber ( 6 ) is located just behind the focal plane of the lens ( 4 ), so that a focus formation in the illumination fiber ( 6 ) is prevented.

Die Beleuchtungsfaser (6) ist eine optisch stark multimodige Faser, die über die Linse (4) und ein Mikrolinsen-Array in eine Zwischenbildebene vervielfacht abbildbar ist und anschließend über zwei weitere Linsen in die Ebene der Probe abbildbar ist, wobei alle Kavitäten gleichzeitig durch die Anregungseinheit mit einer Strahlung beleuchtbar und durch die Ausleseeinheit auslesbar (Auslesen der spektroskopischen Strahlung) sind, in dem die erzeugbare zu messende Strahlung über ein System optischer Linsen von den Kavitäten auf das linienförmig angeordnete Faserbündel (23) und von diesem in das Spektrometer (25) übertragbar ist.The illumination fiber ( 6 ) is a visually highly multimode fiber that passes through the lens ( 4 ) and a microlens array is multiplied in an intermediate image plane and can then be imaged via two further lenses in the plane of the sample, all cavities simultaneously illuminated by the excitation unit with a radiation and read by the readout unit (reading the spectroscopic radiation), in which the producible radiation to be measured via a system of optical lenses from the cavities to the line-shaped fiber bundle ( 23 ) and from this into the spectrometer ( 25 ) is transferable.

Ausgehend von dem Laser (1) als monochromatische Lichtquelle wird das Anregungslicht über die Linse (4) oder über ein Objektiv in die Stirnseite (5) der Beleuchtungsfaser (6) eingekoppelt. Der Faserkopf befindet sich dabei kurz hinter der Brennebene der Linse (4), damit eine Fokusbildung in der Faser verhindert wird.Starting from the laser ( 1 ) as a monochromatic light source, the excitation light is transmitted through the lens ( 4 ) or via a lens in the front side ( 5 ) of the illumination fiber ( 6 ) coupled. The fiber head is just behind the focal plane of the lens ( 4 ) to prevent focus formation in the fiber.

Vor der Linse befindet sich eine Lochblende (3). Diese dient der schnellen, einfachen sowie zeitlich stabilen Justage der Leistung mit der die Probe bestrahlt wird.In front of the lens is a pinhole ( 3 ). This serves for the fast, simple and temporally stable adjustment of the power with which the sample is irradiated.

Um den einstellbaren Leistungsbereich zu erhöhen kann vor der Lochblende (3) noch ein Teleskop (2) angebracht werden. Der aus dieser Leistungsanpassung folgende unterschiedliche Fokusdurchmesser im Brennpunkt der Linse (4) sowie die wechselnde nummerische Apertur bei der Einkopplung in den Faserkopf (5) der Beleuchtungsfaser (6) beeinflussen nur die Leistung mit welcher die Probe angeregt wird. Alle weiteren Eigenschaften der Beleuchtung bleiben konstant.To increase the adjustable power range can be before the aperture ( 3 ) another telescope ( 2 ). The different focus diameter at the focal point of the lens following this power adjustment ( 4 ) as well as the changing numerical aperture during the coupling into the fiber head ( 5 ) of the illumination fiber ( 6 ) only affect the power with which the sample is excited. All other properties of the lighting remain constant.

Bei der Beleuchtungsfaser (6) handelt es sich um eine stark multimodige optische Faser mit einer Länge von mehreren Dekametern. Die Länge ist entscheidend für die Generierung von depolarisiertem Licht. Die beiden Stirnseiten (5) und (8) haben die gleiche Gestalt. Die Stirnseite (5) ist dabei die dem Laser (1) zugewandte Seite und die Stirnseite (8) ist dabei die dem Laser (1) abgewandte Seite.For the illumination fiber ( 6 ) is a highly multimode optical fiber with a length of several decimeters. The length is crucial for the generation of depolarized light. The two end faces ( 5 ) and ( 8th ) have the same shape. The front side ( 5 ) is the laser ( 1 ) facing side and the front side ( 8th ) is the laser ( 1 ) side facing away.

Die Beleuchtungsfaser (6) hat einen Kern mit einer Abmessung welche die Führung, einer für die Homogenisierung ausreichender Anzahl an Moden, gewährleistet.The illumination fiber ( 6 ) has a core with a dimension which ensures the guidance, one for the homogenization of sufficient number of modes.

Die Form des Kerns (beispielsweise kreisförmig oder quadratisch) entscheidet über die Form der beleuchteten Fläche einer Probe-befüllbaren Kavität der Mikrotiterplatte (18). Die Kerne der Fasern des Faserbündels (23) haben die gleiche Form wie der Kern der Beleuchtungsfaser (6). Die Abmessungen können jedoch verschieden gewählt werden.The shape of the core (for example, circular or square) determines the shape of the illuminated area of a sample-fillable well of the microtiter plate ( 18 ). The cores of the fibers of the fiber bundle ( 23 ) have the same shape as the core of the illumination fiber ( 6 ). However, the dimensions can be chosen differently.

Über die Kopplung der Beleuchtungsfaser (6) an eine Vibrationseinrichtung (7) wird diese in eine zeitliche Schwingung versetzt. Die Schwingung führt zur zeitlichen Überlagerung der Interferenzen in der Beleuchtungsfaser (6), sodass die Kohärenz für Belichtungszeiten größer einem Vielfachem der Periodendauer der Schwingung verschwindet. Dadurch werden Interferenzmuster vermieden und es kommt zu einer homogen Leistungsverteilung auf den beleuchteten Flächen.About the coupling of the illumination fiber ( 6 ) to a vibration device ( 7 ) this is put into a temporal oscillation. The oscillation leads to the temporal superimposition of the interference in the illumination fiber ( 6 ), so that the coherence for exposure times greater than a multiple of the period of the oscillation disappears. As a result, interference patterns are avoided and there is a homogeneous power distribution on the illuminated surfaces.

Die Beleuchtungsfaser (6) selbst erzeugt durch die Anregung mit der von dem Laser (1) ausgehenden Strahlung ein Störsignal. Dieses Signal wird durch einen Linienfilter (14), welcher alle Wellenlängen außer die des monochromatischen Lasers (1) blockiert, herausgefiltert.The illumination fiber ( 6 ) itself generated by the excitation with that of the laser ( 1 ) outgoing radiation an interference signal. This signal is transmitted through a line filter ( 14 ), which covers all wavelengths except those of the monochromatic laser ( 1 ) blocked, filtered out.

Das monochromatische Anregungslicht wird ausgehend von der Stirnseite (8) der Faser über eine Abbildung, bestehend aus der Linse (9) und dem Linsen-Array (10), in eine Zwischenebene (11) abgebildet. Die Stirnseite (8) der Beleuchtungsfaser (6) befindet sich dabei im Brennpunkt der Linse (9) und die Zwischenebene (11) entsteht im Brennpunkt des Linsen-Arrays (10).The monochromatic excitation light is starting from the end face ( 8th ) of the fiber via an image consisting of the lens ( 9 ) and the lens array ( 10 ), in an intermediate level ( 11 ). The front side ( 8th ) of the illumination fiber ( 6 ) is located at the focal point of the lens ( 9 ) and the intermediate level ( 11 ) arises at the focal point of the lens array ( 10 ).

Die Anzahl der Linsen des Mikrolinsen-Arrays (10) ist dabei gleich der Anzahl der Fasern im Faserbündel (23) zu wählen.The number of lenses of the microlens array ( 10 ) is equal to the number of fibers in the fiber bundle ( 23 ) to choose.

Für eine optimale Ausnutzung haben die Linsen des Mikrolinsen-Arrays (10) eine quadratische Form.For optimum utilization, the lenses of the microlens array ( 10 ) a square shape.

In der Zwischenebene (11) entstehen, entsprechend der Anzahl der Linsen im Mikrolinsen-Array (10), eine bestimmte Anzahl an Bildern der Faserendfläche (8), welche alle die gleiche Intensität und homogene Verteilung aufweisen.In the intermediate level ( 11 ), corresponding to the number of lenses in the microlens array ( 10 ), a certain number of images of the fiber end surface ( 8th ), which all have the same intensity and homogeneous distribution.

Die Zwischbildenebene (11) wird über das durch die Linse (12) und die Linse (17), bzw. das Objektiv, gebildete Unendlich-Mikroskop auf die Ebene der Mikrotiterplatte (18) abgebildet.The intermediate layer ( 11 ) is transmitted through the lens ( 12 ) and the lens ( 17 ), or the objective, formed infinity microscope on the plane of the microtiter plate ( 18 ).

Die Mikrotiterplatte (18) weist eine sehr große Anzahl an gleichartigen Kavitäten auf. Die Anzahl der Kavitäten sollte dabei mindestens so groß wie die Anzahl der Fasern im Faserbündel (23) sein.The microtiter plate ( 18 ) has a very large number of similar cavities. The number of cavities should be at least as large as the number of fibers in the fiber bundle (FIG. 23 ) be.

Über die Linse (17) und die Linse (21) wird die zu untersuchende Strahlung auf die Endfläche des Faser-Arrays (22)/des Faserbündels (23) abgebildet. Die Brennweiten der Linsen (9), (10), (12), (17) und (21) sind dabei so gewählt, dass die ausgeleuchteten Probenflächen nach der Abbildung auf die Endfläche des Faser-Arrays (22)/des Faserbündels in Position und Abmessung mit den Kernen der Fasern auf der Endfläche des Faser-Arrays (22) übereinstimmen. Dabei werden die Brennweiten so gewählt, dass die größtmögliche numerische Apertur der zu untersuchenden Strahlung übertragen werden kann.About the lens ( 17 ) and the lens ( 21 ) is the radiation to be examined on the end face of the fiber array ( 22 ) / of the fiber bundle ( 23 ). The focal lengths of the lenses ( 9 ) 10 ) 12 ) 17 ) and ( 21 ) are chosen so that the illuminated sample surfaces after imaging on the end face of the fiber array ( 22 ) / fiber bundle in position and dimension with the cores of the fibers on the end face of the fiber array ( 22 ) to match. The focal lengths are chosen so that the maximum numerical aperture of the radiation to be examined can be transmitted.

Die numerische Apertur der Beleuchtung wird über die Blende (13) so eingestellt, dass je nach Größe der Kavitäten der Mikrotiterplatte (18) es nicht zur Anregung des Materials der Mikrotiterplatte kommt.The numerical aperture of the illumination is transmitted through the aperture ( 13 ) adjusted so that, depending on the size of the wells of the microtiter plate ( 18 ) it does not come to the stimulation of the material of the microtiter plate.

Innerhalb des Strahlengangs des durch die Komponenten (12) und (17) gebildeten Unendlich-Mikroskops, wird das monochromatische Anregungslicht durch einen Strahlteiler, wie zum Beispiel einem dichroitischen Spiegel (16) im Winkel von 45° oder durch einen Kantenfilter unter sehr geringem Winkel, welcher üblicherweise kleiner als 10° ist, reflektiert. Der Filter (16) transmittiert dabei Strahlung mit einer Wellenlänge größer als die der Anregungswellenlänge und reflektiert Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner oder gleich der Anregungswellenlänge. Durch den Einsatz eines drehbaren linearen Polarisationsfilters (15) kann die Probenfläche (18) mit linear polarisiertem Licht bestrahlt werden.Within the beam path of the component ( 12 ) and ( 17 ), the monochromatic excitation light is transmitted through a beam splitter, such as a dichroic mirror ( 16 ) at an angle of 45 ° or by an edge filter at a very low angle, which is usually less than 10 °, reflected. The filter ( 16 ) transmits radiation having a wavelength greater than that of the excitation wavelength and reflects radiation having a wavelength less than or equal to the excitation wavelength. By using a rotatable linear polarizing filter ( 15 ), the sample surface ( 18 ) are irradiated with linearly polarized light.

Durch das Herausnehmen, oder Herausklappen, dieses Polarisationsfilters (15) wird die Probe in der Mikrotiterplatte (18) mit unpolarisiertem Licht bestrahlt.By removing or folding out, this polarizing filter ( 15 ), the sample is stored in the microtiter plate ( 18 ) was irradiated with unpolarized light.

Im Strahlengang des Streulichts, gebildet aus der Linse (17) und Linse (21), kann für polarisationsabhängige Messungen ein linearer Polarisationsfilter (20) eingefügt werden.In the beam path of the scattered light, formed by the lens ( 17 ) and lens ( 21 ), for polarization-dependent measurements, a linear polarization filter ( 20 ).

Zur Unterdrückung der Rayleigh-Strahlung und des von der Probe reflektierten Anregungslichts, welches von dem Laser (1) ausgeht, wird ein zusätzlicher Kantenfilter (19) eingefügt. Das Faser-Array (27) befindet sich in der Brennebene der Linse (21).For suppressing the Rayleigh radiation and the excitation light reflected from the sample, which is emitted by the laser ( 1 ), an additional edge filter ( 19 ). The fiber array ( 27 ) is located in the focal plane of the lens ( 21 ).

Durch einen Wechsel der Linse (17) werden der Anregungsstrahlengang und der Strahlengang des Streulichts in gleicher Weiße verändert, so dass weiterhin nur die durch das Faser-Array (22) abgebildeten Probenflächen über den Laser (1) beleuchtet werden. Das System kann damit sehr leicht auf verschiedene Mikrotiterplatten angepasst werden.By changing the lens ( 17 ), the excitation beam path and the beam path of the scattered light are changed to the same whiteness, so that only those passing through the fiber array ( 22 ) imaged sample surfaces over the laser ( 1 ). The system can be easily adapted to different microtiter plates.

Das Faser-Array (22) besteht aus einem Faserbündel (23) von identischen Multimode-Fasern, welche einen definierten Abstand voneinander haben. Das Faserbündel (23) zum Auslesen der Proben ist dabei ein dimensionsreduzierendes Faserbündel, welches auf seiner der Probe zugewandten Seite eine rechteckige oder quadratische Anordnung der optischen Fasern und auf seiner dem Spektrometer zugewandten Seite (24) [= Stirnseite] eine linienförmige Anordnung der optischen Fasern aufweist. Diese Stirnseite (24) befindet sich dabei genau in der Spaltebene des Spektrometers (25). In das Faserbündel (23) können weitere Fasern eingeflochten sein, welche kein Licht leiten. Diese Zwischenfasern dienen als Abstandshalter auf der Stirnseite (24). Zwischen je zwei Fasern des Faser-Arrays befindet sich dann jeweils mindestens eine Zwischenfaser auf der Stirnseite (24).The fiber array ( 22 ) consists of a fiber bundle ( 23 ) of identical multimode fibers, which have a defined distance from each other. The fiber bundle ( 23 ) for reading out the samples is a dimension-reducing fiber bundle, which on its side facing the sample a rectangular or square arrangement of the optical fibers and on its side facing the spectrometer ( 24 ) [= Front side] has a line-shaped arrangement of the optical fibers. This front page ( 24 ) is located exactly in the cleavage plane of the spectrometer ( 25 ). In the fiber bundle ( 23 ), other fibers may be interlaced which do not conduct light. These intermediate fibers serve as spacers on the front side ( 24 ). Between each two fibers of the fiber array is then in each case at least one intermediate fiber on the front side ( 24 ).

Hierdurch wird ein Übersprechen durch die Abbildung im Spektrometer vermieden.This avoids crosstalk due to imaging in the spectrometer.

Die technischen Vorgaben und das Ziel der Maximierung der eingesammelten numerischen Apertur führen mitunter dazu, dass nur eine relative kleine Fläche jeder Probe ausgeleuchtet werden kann. Um eine höhere Leistung zur Beleuchtung verwenden zu können, um hierdurch kleinere Belichtungszeiten bzw. ein größeres Verhältnis von Signal und Rauschen zu erhalten, kann die Mikrotiterplatte (18) während der Aufnahme so automatisiert bewegt werden, so dass insgesamt eine größere Menge jeder Probe beleuchtet und damit eine Beschädigung der Proben vermieden wird. Hierbei wird von einer homogenen Probenverteilung innerhalb einer Kavität ausgegangen und mittels des Bewegungsverfahrens ein (lateraler) Durchschnittswert des Probeninhalts gemessen.The technical specifications and the goal of maximizing the accumulated numerical aperture sometimes results in the fact that only a relatively small area of each sample can be illuminated. In order to be able to use a higher power for illumination, in order thereby to obtain smaller exposure times or a larger ratio of signal and noise, the microtiter plate ( 18 ) are moved so automatically during the recording, so that a total of a larger amount of each sample illuminated and thus damage to the sample is avoided. In this case, a homogeneous sample distribution within a cavity is assumed, and a (lateral) average value of the sample content is measured by means of the movement method.

Im Folgendem wird das Ausführungsbeispiel an Hand der 1 bis 5 noch weiter konkretisiert:
Bei der verwendeten Lichtquelle in 1 handelt es sich um einen frequenzverdoppelten Nd:YAG-Laser, welcher eine TEM00-Mode bei 532 nm abstrahlt. Der Laser wird über eine bikonvexe Linse (4) mit einer Brennweite von 2 cm in die Beleuchtungsfaser (6) eingekoppelt. Der Querschnitt von Kern und Mantel der Beleuchtungsfaser ist jeweils quadratisch. Der Seitenlänge des Kerns beträgt 160 μm und die des Mantels 200 μm. Die Beleuchtungsfaser ist 30 m lang und in FC-Stecker gefasst. Die Länge ist ausreichend um nahezu vollständig depolarisiertes Licht zu generieren.
In the following, the embodiment of the hand 1 to 5 even more concrete:
When using the light source in 1 is a frequency-doubled Nd: YAG laser that emits a TEM 00 mode at 532 nm. The laser is transmitted through a biconvex lens ( 4 ) with a focal length of 2 cm into the illumination fiber ( 6 ) coupled. The cross-section of the core and cladding of the illumination fiber is square. The side length of the core is 160 microns and that of the shell 200 microns. The lighting fiber is 30 meters long and set in FC connectors. The length is sufficient to generate almost completely depolarized light.

Zur Verdeutlichung dieser Tatsache wurde die Intensität am Ende einer 30 m langem Faser mit Hilfe eines Analysators gemessen. In 5 ist die Abhängigkeit von der Analysatorstellung dargestellt. Die als ausgefüllte Kreise dargestellten Messwerte beziehen sich dabei auf eine Referenzmessung mit einer quadratischen Faser von nur 2 m Länge. Die als ausgefüllte Dreiecke dargestellten Messwerte zeigen die polarisationsabhängige Intensität des Lasers ohne faseroptische Beleuchtung. Alle Messwerte sind zur besseren Vergleichbarkeit normiert dargestellt.To illustrate this fact, the intensity at the end of a 30 m long fiber was measured by means of an analyzer. In 5 the dependence on the analyzer position is shown. The measured values shown as filled circles refer to a reference measurement with a square fiber of only 2 m in length. The measured values shown as solid triangles show the polarization-dependent intensity of the laser without fiber optic illumination. All measured values are normalized for better comparability.

Als Vibrationseinrichtung (7) wird eine handelsübliche Zahnbürste verwendet. In 2 ist ein Abbild der Endfläche einer Beleuchtungsfaser dargestellt. In diesem Beispiel wird eine Faser mit einer Kernseitenlänge von 400 μm gewählt. Die Messung wurde mit einer Strahlprofilkamera durchgeführt. Die Standardabweichung der Intensität auf dem Plateau beträgt stets weniger als 2%.As vibration device ( 7 ) a commercial toothbrush is used. In 2 is shown an image of the end surface of a lighting fiber. In this example, a fiber with a core side length of 400 μm is chosen. The measurement was carried out with a beam profile camera. The Standard deviation of the intensity on the plateau is always less than 2%.

Die Faserendfläche (8) befindet sich im Zentrum der Brennebene einer Linse (9) mit einer Brennweite von 8 cm.The fiber end surface ( 8th ) is located in the center of the focal plane of a lens ( 9 ) with a focal length of 8 cm.

Das Mikrolinsen-Array (10) besteht aus 64 quadratisch angeordneten Linsen mit einer Brennweite von jeweils 1 cm und einem Linsenabstand von 1 mm. In der Brennebene (11) des Linsen-Arrays entstehen 64 gleiche Abbilder der Faserendfläche (8) mit einer Seitenlänge von insgesamt 8 mm. Die einzelnen Abbilder haben jeweils eine Seitenlänge von 20 μm.The microlens array ( 10 ) consists of 64 square lenses with a focal length of 1 cm and a lens spacing of 1 mm. In the focal plane ( 11 ) of the lens array, 64 identical images of the fiber end face ( 8th ) with a total side length of 8 mm. The individual images each have a side length of 20 μm.

Über die Linse (12) mit einer Brennweite von 3 cm und die Linse (17) mit einer Brennweite von ebenfalls 3 cm, wird das Zwischenbild (11) in die Probenebene übertragen.About the lens ( 12 ) with a focal length of 3 cm and the lens ( 17 ) with a focal length of 3 cm, the intermediate image ( 11 ) transferred to the sample level.

In 3 ist ein Ausschnitt einer Mikrotiterplatte (18) schematisch dargestellt (nicht maßstabsgerecht). Die Kavitäten der Mikrotiterplatte (222) haben einen Abstand von 1 mm zueinander. Die ausgefüllten Flächen (333) stellen die durch den Laser (1) beleuchteten Flächen dar. Diese Quadrate haben eine Seitenlänge von 20 μm. Bei dieser Beleuchtung werden die Wände (111) der Mikrotiterplatte (18) bis zu einer Tiefe von 5 mm nicht angeregt.In 3 is a section of a microtiter plate ( 18 ) shown schematically (not to scale). The wells of the microtiter plate ( 222 ) have a distance of 1 mm to each other. The filled areas ( 333 ) set by the laser ( 1 ) illuminated areas. These squares have a side length of 20 microns. With this lighting, the walls ( 111 ) of the microtiter plate ( 18 ) not excited to a depth of 5 mm.

Das Streulicht wird durch die Linse (17) und die Linse (21), welche eine Brennweite von 12 cm hat auf das Faser-Array abgebildet (siehe dazu 1).The scattered light is transmitted through the lens ( 17 ) and the lens ( 21 ), which has a focal length of 12 cm imaged on the fiber array (see 1 ).

Die gestrichelten Quadrate (444) in 3 symbolisieren die Fasern des Faserbündels wie sie durch die Abbildung der Streustrahlung beleuchtet werden. Der Strahlengang des Streulichts ist von dem des Anregungslichtes durch einen dichroitischen Spiegel (16) getrennt. Dieser reflektiert Licht mit einer Wellenlänge kleiner oder gleich 532 nm. Licht mit einer größeren Wellenlänge wird transmittiert. Nach dem dichroitischen Filter folgt ein Kantenfilter (19), welcher nur Licht mit einer Wellenlänge größer als 532 nm transmittiert (siehe dazu 1)The dashed squares ( 444 ) in 3 symbolize the fibers of the fiber bundle as they are illuminated by the image of scattered radiation. The beam path of the scattered light is separated from that of the excitation light by a dichroic mirror ( 16 ) separated. This reflects light with a wavelength less than or equal to 532 nm. Light with a longer wavelength is transmitted. After the dichroic filter is an edge filter ( 19 ), which transmits only light with a wavelength greater than 532 nm (see 1 )

In 4 sind das Faserbündel (2222) und dessen Stirnseiten (1111 und 3333) schematisch dargestellt. Die 64 Fasern haben auf der Array-Seite (22) einen Abstand von jeweils 4 mm voneinander. Der Kern und der Mantel einer jeden Faser sind quadratisch und haben eine Seitenlänge von 100 μm bzw. 120 μm. Auf der Stirnseite (3333) sind die Fasern in einer Linie angeordnet, wobei zwischen je zwei lichtführenden Fasern (2222) immer eine Zwischenfaser (4444) liegt. (siehe dazu 4)In 4 are the fiber bundle ( 2222 ) and its end faces ( 1111 and 3333 ) shown schematically. The 64 fibers are on the array side ( 22 ) a distance of 4 mm from each other. The core and the cladding of each fiber are square and have a side length of 100 microns and 120 microns. On the front side ( 3333 ), the fibers are arranged in a line, wherein between each two light-guiding fibers ( 2222 ) always an intermediate fiber ( 4444 ) lies. (see 4 )

Die Zwischenfasern sind quadratisch und die Seitenlänge des Mantels beträgt 120 μm.The intermediate fibers are square and the side length of the shell is 120 microns.

Über die Linsen (17) und (21) wird die Probenebene mit vierfacher Vergrößerung auf das Faser-Array abgebildet (siehe dazu 1). Da in diesem Beispiel die Anzahl der Fasern des Faserbündels geringer ist als die Anzahl der Kavitäten einer typischen Mikrotiterplatten (18), kann die Probe zusätzlich über automatisch gesteuerte Verschiebetische verschoben werden.About the lenses ( 17 ) and ( 21 ), the sample plane is mapped to the fiber array at 4x magnification (see 1 ). Since in this example the number of fibers of the fiber bundle is less than the number of wells of a typical microtiter plate ( 18 ), the sample can additionally be moved via automatically controlled translation tables.

Der Vorteil dieses Hochdurchsatz-Screening-Systems besteht darin, dass durch den Einsatz eines Faserbündels und einer besonderen Beleuchtung erreicht wird, dass alle Spektren mehrerer Kavitäten einer Mikrotiterplatte gleichzeitig und schnell in den Kavitäten vermessen werden können.The advantage of this high-throughput screening system is that the use of a fiber bundle and special illumination ensures that all spectra of several wells of a microtiter plate can be measured simultaneously and quickly in the wells.

Dadurch, dass die Fasern des Bündels auf der dem Spektrometer zugewandten Seite in einer Linie angeordnet sind und auf der der Probe zugewandten Seite Fasern in einem Array zweidimensional angeordnet sind, so dass zwischen den Fasern jeweils ein bestimmter, für alle Fasern gleicher, Abstand besteht, und die Beleuchtung auf der vielfachen Abbildung der Endfläche einer stark multimodigen optischen Faser durch ein Mikrolinsenarray basiert, wird dieses gleichzeitige Auslesen der Kavitäten ermöglicht.Characterized in that the fibers of the bundle are arranged on the side facing the specimen in a line and on the side facing the sample fibers are arranged in an array in two dimensions, so that between the fibers each have a certain, the same distance for all fibers, and the illumination is based on the multiple imaging of the end face of a highly multimode optical fiber through a microlens array, this simultaneous readout of the cavities is enabled.

Das Hochdurchsatz-Screening-System führt somit zu folgenden Vorteilen:

  • • Alle Spektren werden gleichzeitig ohne spektrale und ohne laterale Rasterung aufgenommen,
  • • die Anregung erfolgt mit depolarisierten und inkohärenten Licht,
  • • die Probenbeleuchtung für eine maximierte Anregungsleistung wird gewährleistet,
  • • ein quantitativer und qualitativer Vergleich der Proben in den Kavitäten ist möglich
  • • die Aufnahme aller Spektren ist sehr schnell und
  • • eine Maximierung der übertragenden Strahlung wird gewährleistet,
so dass dieses System alle erforderlichen Anforderungen zur Hochdurchsatzmessung in der Spektroskopie erfüllt.The high-throughput screening system thus has the following advantages:
  • • All spectra are recorded simultaneously without spectral and without lateral screening,
  • Excitation occurs with depolarized and incoherent light,
  • • sample illumination for maximized excitation power is ensured
  • • a quantitative and qualitative comparison of the samples in the cavities is possible
  • • the recording of all spectra is very fast and fast
  • • Maximizing the transmitted radiation is ensured
so that this system meets all the requirements for high-throughput measurement in spectroscopy.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, den Ansprüchen und Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All features illustrated in the description, the following exemplary embodiments, the claims and drawings can be essential to the invention both individually and in any desired combination.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Laserlaser
22
Teleskoptelescope
33
Lochblendepinhole
44
Linselens
5; 3335; 333
Stirnseite (dem Laser zugewandte Seite)Front side (laser-facing side)
6 6
Beleuchtungsfaserillumination fiber
77
Vibrationseinrichtungvibrator
88th
Stirnseite (dem Laser abgewandte Seite)Front side (side facing away from the laser)
99
Linselens
1010
Mikrolinsen-ArrayMicrolens array
1111
Zwischenebenebetween level
1212
Objektivlinse des unendlich MikroskopsObjective lens of the infinite microscope
1313
Blendecover
1414
Linienfilterline filter
1515
drehbarer linearer Polarisationsfilterrotatable linear polarization filter
1616
Filterfilter
1717
Linse des unendlich MikroskopsLens of the infinite microscope
18; 22218; 222
Mikrotiterplattemicrotiter plate
1919
Kantenfiltercut-off filter
2020
linearer Polarisationsfilterlinear polarization filter
2121
Linselens
2222
Faser-ArrayFiber array
2323
Faserbündelfiber bundles
24; 333324; 3333
Stirnseite (Spektrometer zugewandte Seite)Front side (spectrometer facing side)
2525
Spektrometerspectrometer
111111
Wände der MikrotiterplatteWalls of the microtiter plate
444444
Fasern des FaserbündelsFibers of the fiber bundle
11111111
Stirnseite (Spektrometer abgewandte Seite)Front side (side facing away from the spectrometer)
22222222
lichtführende Faserlight-conducting fiber
44444444
Zwischenfaserbetween fiber

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2013/064159 A1 [0005] WO 2013/064159 A1 [0005]
  • DE 10237394 A1 [0005] DE 10237394 A1 [0005]
  • EP 1463392 A1 [0006] EP 1463392 A1 [0006]
  • EP 1651934 A1 [0006] EP 1651934 A1 [0006]
  • EP 1766350 A1 [0006] EP 1766350 A1 [0006]
  • EP 1766351 A1 [0006] EP 1766351 A1 [0006]
  • WO 2012/165837 A3 [0006, 0006] WO 2012/165837 A3 [0006, 0006]

Claims (11)

Hochdurchsatz-Screening-System zur Durchführung von optischen Messungen in der Spektroskopie umfassend eine Anregungseinheit mit einem Laser (1) und einem optischen Leitweg, eine Ausleseeinheit mit einem Faserbündel (23) aus optischen Fasern und einem Spektrometer (25), eine Mikrotiterplatte (18) mit Kavitäten für einzelne Proben und eine Bewegungs- und Positioniereinheit für die Anordnung der Kavitäten der Mikrotiterplatte (18) gegenüber dem Faserbündel (23), dadurch gekennzeichnet, dass das Faserbündel (23) ein dimensionsreduzierendes Faserbündel ist, welches auf seiner der Probe zugewandten Seite (22) eine rechteckige oder quadratische Anordnung der optischen Fasern und auf seiner dem Spektrometer zugewandten Seite (24) eine linienförmige Anordnung der optischen Fasern aufweist, und dass eine optische stark multimodige Beleuchtungsfaser (6) über eine Linse und ein Mikrolinsen-Array (10) in eine Zwischenbildebene (11) vervielfacht abbildbar ist und anschließend über zwei weitere Linsen (12; 17) in die Ebene der Probe abbildbar ist, wobei alle Kavitäten gleichzeitig durch die Anregungs- und Ausleseeinheit mit einer Strahlung beleucht- und vermessbar sind, in dem die erzeugbare zu messende Strahlung über ein System optischer Linsen (17; 21) von den Kavitäten auf das Faserbündel (23) und von der dem Spektrometer zugewandten Seite (24) des Faserbündels (23) in das Spektrometer (25) übertragbar ist.High-throughput screening system for performing optical measurements in spectroscopy, comprising an excitation unit with a laser ( 1 ) and an optical route, a readout unit with a fiber bundle ( 23 ) of optical fibers and a spectrometer ( 25 ), a microtiter plate ( 18 ) with cavities for individual samples and a movement and positioning unit for the arrangement of the wells of the microtiter plate ( 18 ) relative to the fiber bundle ( 23 ), characterized in that the fiber bundle ( 23 ) is a dimension-reducing fiber bundle, which on its side facing the sample ( 22 ) a rectangular or square arrangement of the optical fibers and on its side facing the spectrometer ( 24 ) has a line-shaped arrangement of the optical fibers, and that an optical highly multimode illumination fiber ( 6 ) via a lens and a microlens array ( 10 ) in an intermediate image plane ( 11 ) multiplied and then over two more lenses ( 12 ; 17 ) can be imaged in the plane of the sample, wherein all cavities can be simultaneously illuminated and measured by the excitation and read-out unit with a radiation in which the producible radiation to be measured is transmitted via a system of optical lenses ( 17 ; 21 ) from the cavities to the fiber bundle ( 23 ) and from the side facing the spectrometer ( 24 ) of the fiber bundle ( 23 ) into the spectrometer ( 25 ) is transferable. Hochdurchsatz-Screening-System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsfaser (6) eine hohe Länge im Bereich mehrere Dekameter und eine Vibrationseinrichtung (7) aufweist, so dass die Polarisation der von dem Laser (1) aussendbaren Strahlung in der Beleuchtungsfaser (6) durch die Vibrationseinrichtung (7) und die Länge der Beleuchtungsfaser (6) zerstörbar ist.High-throughput screening system according to claim 1, characterized in that the illumination fiber ( 6 ) a high length in the range of several decameters and a vibration device ( 7 ), so that the polarization of the laser ( 1 ) emissive radiation in the illumination fiber ( 6 ) by the vibration device ( 7 ) and the length of the illumination fiber ( 6 ) is destructible. Hochdurchsatz-Screening-System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Leitweg von dem Laser (1) über die Beleuchtungsfaser (6) und einen Linienfilter (14) führt, so dass die in der Beleuchtungsfaser (6) erzeugte Streustrahlung entfernbar ist.High-throughput screening system according to claim 1, characterized in that the optical path from the laser ( 1 ) over the illumination fiber ( 6 ) and a line filter ( 14 ), so that in the illumination fiber ( 6 ) is removable. Hochdurchsatz-Screening-System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserbündel (23) aus lichtleitenden optischen Fasern (2222) mit runden oder eckigem Querschnitt besteht, zwischen denen sich nichtlichtleitende Zwischenfasern (4444) mit eckigen oder rundem Querschnitt befinden, welche die lichtleitenden Fasern (2222) auf der dem Spektrometer (25) zugewandten Seite (24; 3333) voneinander beabstanden.High-throughput screening system according to claim 1, characterized in that the fiber bundle ( 23 ) of optical fibers ( 2222 ) having a round or angular cross-section, between which non-conductive intermediate fibers ( 4444 ) are square or round cross-section, which the light-conducting fibers ( 2222 ) on the spectrometer ( 25 ) facing side ( 24 ; 3333 ) spaced from each other. Hochdurchsatz-Screening-System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtleitenden Fasern (2222) auf der der Probe zugewandten Seite sind in einem Abstand zueinander im Array angeordnet, so dass nur das Licht, welches in den Proben erzeugt wird, und nicht das von den Wänden der Mikrotiterplatte (18) ausgehende Licht aufnehmbar ist.High-throughput screening system according to claim 1, characterized in that the light-conducting fibers ( 2222 ) on the sample-facing side are arranged at a distance from each other in the array, so that only the light which is generated in the samples, and not that from the walls of the microtiter plate ( 18 ) outgoing light is receivable. Verfahren unter Verwendung eines Hochdurchsatz-Screening-Systems gemäß einem oder mehrerer der voran stehenden Ansprüche 1 bis 5 bei dem die Proben in den Kavitäten der Mikrotiterplatte (18) gleichzeitig mit gleichmäßig unpolarisiertem Licht oder durch die Verwendung eines zusätzlichen linearen Polarisationsfilters (15) mit linear polarisiertem Licht, bestrahlt werden, in dem der Laser (1) eine monochromatischen Strahlung erzeugt, die über die Beleuchtungsfaser (6) sowie den Linienfilter (14) geführt wird, so dass in der Beleuchtungsfaser (6) die Streustrahlung entfernt wird, wobei gleichzeitig mit der Vibrationseinrichtung (7) an der Beleuchtungsfaser (6) eine Vibration erzeugt wird, so dass die Polarisation und die Kohärenz der von dem Laser (1) aussendbaren Strahlung in der Beleuchtungsfaser (6) durch die Vibrationseinrichtung (7) und auf Grund der Länge der Beleuchtungsfaser (6) zerstört wird, und das so erzeugte Anregungslicht so auf die Proben abgebildet wird, dass die beleuchteten Flächen nach Abbildung auf das Faserbündel (23) in ihrer Ausdehnung mit den Fasern (444) des Faserbündels (23) übereinstimmen, so dass homogene und intensitätsgleiche Beleuchtungsflächen in den Probe-enthaltenden Kavitäten der Mikrotiterplatte (18) erzeugt werden, die von den Proben ausgehende Strahlung mit dem Faserbündel (23) ausgelesen wird und anschließend eine computergestützte Normierung der ausgelesenen Daten mit einer homogen streuenden Probe erfolgt, um genaue quantitative Aussagen in Bezug auf die Intensitäten der von den Proben ausgehenden Streustrahlung zu erhalten.Method using a high-throughput screening system according to one or more of the preceding claims 1 to 5, in which the samples in the wells of the microtiter plate ( 18 ) simultaneously with uniformly unpolarized light or by using an additional linear polarizing filter ( 15 ) are irradiated with linearly polarized light, in which the laser ( 1 ) generates a monochromatic radiation which is transmitted via the illumination fiber ( 6 ) as well as the line filter ( 14 ), so that in the illumination fiber ( 6 ) the scattered radiation is removed, wherein simultaneously with the vibration device ( 7 ) on the illumination fiber ( 6 ) a vibration is generated so that the polarization and the coherence of the laser ( 1 ) emissive radiation in the illumination fiber ( 6 ) by the vibration device ( 7 ) and due to the length of the illumination fiber ( 6 ) is destroyed, and the excitation light thus generated is imaged onto the samples so that the illuminated surfaces after imaging on the fiber bundle ( 23 ) in their extent with the fibers ( 444 ) of the fiber bundle ( 23 ), so that homogeneous and intensity-identical illumination surfaces in the sample-containing wells of the microtiter plate ( 18 ), the radiation emanating from the samples with the fiber bundle ( 23 ) and then a computer-aided standardization of the data read out with a homogeneously scattering sample in order to obtain accurate quantitative statements with respect to the intensities of the scattered radiation emanating from the samples. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht vor dem Eintritt in die Beleuchtungsfaser (6) aufgeweitet und durch eine Lochblende (3) in der Leistung gesteuert wird.A method according to claim 6, characterized in that the light before entering the illumination fiber ( 6 ) and through a pinhole ( 3 ) is controlled in performance. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrotiterplatte (18) während der Bestrahlung so bewegt wird, dass je Kavität jeweils eine größere Probenfläche beleuchtet und damit eine höhere maximal mögliche Beleuchtungsleistung ermöglicht wird, wodurch eine kürzere notwendige Belichtungszeit oder eine höheres Verhältnis aus Signal und Rauschen ermöglicht wird.A method according to claim 6, characterized in that the microtiter plate ( 18 ) is moved during the irradiation so that each cavity illuminates a larger sample area and thus a higher maximum possible illumination power is enabled, whereby a shorter necessary exposure time or a higher ratio of signal and noise is possible. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Austausch der Linse (9) zwischen der Beleuchtungsfaser und der Mikrotiterplatte (18) das Hochdurchsatz-Screening-System sehr schnell und automatisch auf verschiedene Mikrotiterplatten (18) eingestellt werden kann, ohne dass sich die Funktionalität der Beleuchtung ändert.Method according to claim 6, characterized in that by replacing the lens ( 9 ) between the illumination fiber and the microtiter plate ( 18 ) the high-throughput screening system very quickly and automatically to different microtiter plates ( 18 ) can be adjusted without the functionality of the lighting changing. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Laser (1) in die Beleuchtungsfaser (6) eingekoppelt werden, um damit lediglich durch Wechseln der Filter (14; 16), bei sonst gleich bleibender Beleuchtung, Messungen bei verschiedenen Anregungswellenlängen durchführen zu können, oder dass mehrere Laser (1) gleichzeitig in die Beleuchtungsfaser (6) eingekoppelt werden, so dass die Probe von diesen Lichtquellen gleichzeitig angeregt, und die von der Probe ausgehende Strahlung, untersucht wird oder dass die faserbasierte Probenbeleuchtung nicht im Auflichtverfahren, sondern durch ein weitere Linse, bzw. Objektiv, im Durchlichtverfahren durchgeführt wird.Method according to claim 6, characterized in that several lasers ( 1 ) into the illumination fiber ( 6 ) can be coupled in order to do so only by changing the filters ( 14 ; 16 ), with otherwise constant illumination, to be able to perform measurements at different excitation wavelengths, or that several lasers ( 1 ) simultaneously into the illumination fiber ( 6 ), so that the sample is excited by these light sources at the same time, and the radiation emanating from the sample is examined, or that the fiber-based sample illumination is carried out not by the incident light method, but by another lens, or in the transmitted light method. Verwendung des Verfahrens gemäß einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche 6, bis 10 zur zeitgleichen Aufnahme von mindestens zwei Spektren zur Berechnung von Differenzspektren bezogen auf das simultan gemessenes Referenzspektrum, zur Analyse kleinster spektraler Verschiebungen bei der optischen Spektroskopie.Use of the method according to one or more of the preceding claims 6, to 10 for the simultaneous recording of at least two spectra for calculating difference spectra based on the simultaneously measured reference spectrum, for the analysis of the smallest spectral shifts in optical spectroscopy.
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