DE102021212505A1

DE102021212505A1 - Optische Vorrichtung zum Anregen einer Probe, Analysegerät und Verfahren zum Anregen einer Probe

Info

Publication number: DE102021212505A1
Application number: DE102021212505.0A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Fiess; Ingo Ramsteiner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-11-08
Filing date: 2021-11-08
Publication date: 2023-05-11
Also published as: WO2023078817A1

Abstract

Eine optische Vorrichtung (200) zum Anregen einer Probe (202) in einer in einem Aufnahmebereich eines Analysegeräts angeordneten mikrofluidischen Einrichtung (105) weist eine Lichtquelle (205) zum Ausgeben eines Lichtstrahls (λ) und ein holografisch optisches Element (215) zum Umleiten zumindest eines Teils (220) des Lichtstrahls (λ) auf eine Projektionsfläche (225) der mikrofluidischen Einrichtung (105) auf, um die in der mikrofluidischen Einrichtung (105) angeordnete Probe (202) anzuregen, wenn die mikrofluidische Einrichtung (105) in dem Aufnahmebereich des Analysegeräts angeordnet ist. Dabei umfasst das holografisch optische Element (215) Hologrammbereiche (230, 250), die ausgebildet sind, Licht unterschiedlicher Wellenlängen (λ_A, λ_B) des Lichtstrahls (λ) in unterschiedlichen Strahlrichtungen auf einen Projektionsbereich (260) der Projektionsfläche (225) umzuleiten.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einer optischen Vorrichtung zum Anregen einer Probe, einem Analysegerät und einem Verfahren zum Anregen einer Probe nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.
Zum Analysieren von Probenmaterial können sogenannte Lab-on-Chip-Kartuschen mit einer Probe in Analysegeräte eingegeben und prozessiert werden. Dabei kann zum Beispiel ein molekulardiagnostisches Assay auf einer Kunststoffkartusche mit einem mikrofluidischen Netzwerk angeordnet sein. Das Analysegerät kann konstruiert sein, solche Kartuschen zu prozessieren, das heißt es kann mikrofluidische Vorgänge auf der Kartusche steuern und beispielsweise bestimmte Bereiche heizen oder beleuchten.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine verbesserte optische Vorrichtung zum Anregen einer Probe, ein verbessertes Analysegerät und ein verbessertes Verfahren zum Anregen einer Probe gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Die hier vorgestellte optische Vorrichtung ermöglicht vorteilhafterweise eine effiziente Projektion von Licht zu einer zu beleuchtenden Fläche mit variablen Beleuchtungsmöglichkeiten. Zudem ist die Vorrichtung in kompakter Bauweise und insbesondere im Hinblick auf die lange Lebensdauer kostenschonend umsetzbar.
Es wird eine optische Vorrichtung zum Anregen einer Probe in einer in einem Aufnahmebereich eines Analysegeräts angeordneten mikrofluidischen Einrichtung vorgestellt, wobei die optische Vorrichtung eine Lichtquelle aufweist, die ausgebildet ist, um einen Lichtstrahl auszugeben. Zudem umfasst die optische Vorrichtung ein holografisch optisches Element zum Umleiten zumindest eines Teils des Lichtstrahls auf eine Projektionsfläche der mikrofluidischen Einrichtung, um die in der mikrofluidischen Einrichtung angeordnete Probe anzuregen, wenn die mikrofluidische Einrichtung in dem Aufnahmebereich des Analysegeräts angeordnet ist. Dabei umfasst das holografisch optische Element zumindest einen ersten Hologrammbereich und einen zweiten Hologrammbereich, wobei der erste Hologrammbereich ausgebildet ist, um Licht einer ersten Wellenlänge des Lichtstrahls in einer ersten Strahlrichtung auf einen ersten Projektionsbereich der Projektionsfläche umzuleiten und der zweite Hologrammbereich ausgebildet ist, um Licht einer zweiten Wellenlänge des Lichtstrahls in einer zweiten Strahlrichtung auf den ersten Projektionsbereich und zusätzlich oder alternativ einen zweiten Projektionsbereich der Projektionsfläche umzuleiten.
Beispielsweise kann es sich bei dem Analysegerät um ein Gerät zum Durchführen von diagnostischen Tests, wie beispielsweise PCR-Schnelltests, handeln. Dabei kann eine Probe, bei der es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit mit Probenmaterial oder eine feste Probe handeln kann, zum Beispiel in eine geeignete mikrofluidische Einrichtung eingegeben werden, bei der es sich beispielsweise um eine Lab-on-Chip-Kartusche mit einem mikrofluidischen Netzwerk zum Prozessieren der Probe handeln kann. Die mikrofluidische Einrichtung mit der Probe kann beispielsweise manuell in den Aufnahmebereich des Analysegeräts eingegeben werden, um innerhalb des Analysegeräts prozessiert zu werden. Dabei kann das Analysegerät die hier beschriebene optische Vorrichtung, die auch als Optikeinheit bezeichnet werden kann, umfassen, um die Probe durch ein Beleuchten derselben anzuregen. Hierfür kann die in der Vorrichtung verwendete Lichtquelle zum Beispiel eine oder mehrere phosphorkonvertierte Laserdioden aufweisen. Diese haben den Vorteil, dass ein optimales Fokussieren des Lichts ermöglicht werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Lichtquelle LEDs umfassen. Ausgehend von der Lichtquelle kann die Beleuchtungsverteilung beispielsweise mittels eines Lichtprojektors, wie zum Beispiel einem sogenannten Flying-Spot-Projektor, kontrolliert werden, indem der Lichtstrahl beispielsweise mit Hilfe eines mikromechanischen Spiegels gelenkt werden kann. Das Licht wird dabei aber nicht direkt auf die zu beleuchtende Fläche, die Lab-on-Chip-Kartusche, gelenkt, sondern indirekt über das holografisch optische Element (HOE), das eine Wellenlängenselektion vornimmt. Das holografisch optische Element kann eine Fläche aus mehreren Bereichen aufweisen. Jeder dieser Hologrammbereiche kann ein Hologramm umfassen, vorzugsweise ein Volumenhologramm, das einen vom Projektor kommenden Lichtstrahl auf einen bestimmten Punkt der Projektionsfläche umleitet. Wegen der intrinsischen Wellenlängenselektivität des Hologramms kann jedoch nur Licht um eine bestimmte Wellenlänge entsprechend umgelenkt werden. Die dem ersten Hologrammbereich zugeordnete erste Wellenlänge kann sich von der zweiten Wellenlänge unterscheiden. Entsprechend kann sich die erste Strahlrichtung von der zweiten Strahlrichtung unterscheiden. Die erste Wellenlänge kann auch für einen ersten Wellenlängenbereich und die zweite Wellenlänge entsprechend für einen zweiten Wellenlängenbereich stehen. Entsprechend ist ein Merkmal des HOEs, dass die einzelnen Flächen für unterschiedliche Wellenlängen wirksam sein können. Die optische Vorrichtung ist also vorteilhafterweise ausgebildet, um bestimmte Bereiche der Kartusche mit Licht eines definierten Wellenlängenbereichs beleuchten, beispielsweise um dort Fluoreszenz anzuregen. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen kann das holografisch optische Element eine beliebige geeignete Anzahl von Hologrammbereichen aufweisen, um Licht einer beliebigen geeigneten Anzahl unterschiedlicher Wellenlängen auf eine geeignete Anzahl unterschiedlicher Projektionsbereiche umzuleiten. Beispielsweise kann das holografisch optische Element zumindest eine Gruppe mit einer beliebigen geeigneten Anzahl von Hologrammbereichen aufweisen, um Licht unterschiedlicher Wellenlängen auf den gleichen, der Gruppe zugeordneten Projektionsbereich umzuleiten. Dabei kann jedem Hologrammbereich der Gruppe eine Wellenlänge zugeordnet sein, die sich von den Wellenlängen der anderen Hologrammbereiche der Gruppe unterscheidet. Wenn das holografisch optische Element eine Mehrzahl solcher einander entsprechender Gruppen aufweist, kann jede der Gruppen ausgebildet sein, um Licht auf jeweils einen anderen, der entsprechenden Gruppe zugeordneten Projektionsbereich umzuleiten. Somit kann jeder Gruppe ein eigener Projektionsbereich zugeordnet sein, der sich von den Projektionsbereichen der anderen Gruppen unterscheiden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die optische Vorrichtung eine Lenkeinrichtung aufweisen, die ausgebildet sein kann, um ansprechend auf ein Lenksignal den Lichtstrahl auf einen der Hologrammbereiche zu lenken. Dabei kann die Lenkeinrichtung zum Beispiel einen mikromechanischen Spiegel umfassen, der beispielsweise unter Verwendung des Lenksignals in bestimmten Winkeln eingestellt werden kann, um dadurch den Lichtstrahl auf einen gewünschten Hologrammebereich zu lenken. Beispielsweise können die Hologrammbereiche zeitlich nacheinander angesteuert werden, zum Beispiel zuerst der erste Hologrammbereich und anschließend der zweite Hologramme Bereich, wobei der durch die Hologrammbereiche umgelenkte Lichtstrahl zum Beispiel zum Anregen der gleichen Probe oder zum Anregen von zwei verschiedenen Proben eingesetzt werden kann. Vorteilhafterweise kann durch das präzise Lenken des Lichtstrahls ein Analyseprozess optimiert und zugleich Energie eingespart werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die optische Vorrichtung eine Steuereinrichtung aufweisen, die ausgebildet sein kann, um das Lenksignal bereitzustellen und zusätzlich oder alternativ um ein Aktionssignal zum Ein- und Ausschalten der Lichtquelle bereitzustellen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, um eine Vielzahl von Analyseprozessen anzusteuern und dadurch vorteilhafterweise die Durchführung eines Analyseprozesses zu optimieren. So kann die Steuereinrichtung zum Beispiel ausgebildet sein, um beispielsweise unter Verwendung eines Identifikationssignals ein Einsetzen der mikrofluidischen Vorrichtung und zusätzlich oder alternativ den Typ der eingesetzten mikrofluidische Einrichtung zu identifizieren und entsprechend zum Beispiel das Aktionssignal sowie das Lenksignal bereitzustellen.
Hierzu kann die Steuereinrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einer Steuereinrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Steuereinrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Lichtquelle ausgebildet sein, um den Lichtstrahl mit zumindest einem breiten Wellenlängenband und zusätzlich oder alternativ mit einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten Wellenlängenlinien oder Wellenlängenbändern auszugeben. Beispielsweise kann die optische Vorrichtung, beziehungsweise ein in der optischen Vorrichtung verwendeter Projektor, auf einer weißen Lichtquelle basieren, beispielsweise auf einem phosphorkonvertierten Laser beziehungsweise einem Phosphormix mit mehreren schmalen Emissionsbanden, die auch als scharfe Wellenlängenlinien bezeichnet werden können. Dabei ist der Begriff „weiß“ nicht unbedingt als Farbeindruck zu verstehen, sondern so, dass das Spektrum nicht aus einem einzelnen, schmalen Wellenlängenband bestehen kann, sondern beispielsweise aus einem oder mehreren breiten Bändern oder zumindest mehreren scharfen Linien. Vorteilhafterweise kann der von der Lichtquelle ausgegebene Lichtstrahl somit alle Wellenlängen enthalten, die zur Beleuchtung der Projektionsfläche verwendet werden sollen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das holografisch optische Element zumindest einen weiteren Hologrammbereich umfassen, der ausgebildet sein kann, um Licht einer weiteren Wellenlänge des Lichtstrahls in einer weiteren Strahlrichtung auf den ersten Projektionsbereich und zusätzlich oder alternativ den zweiten Projektionsbereich und zusätzlich oder alternativ einen weiteren Projektionsbereich der Projektionsfläche umzuleiten. Beispielsweise kann das holografisch optische Element mit einer beliebigen Anzahl von Hologrammbereichen ausgeformt sein, die Licht einer entsprechenden Anzahl unterschiedlicher Wellenlängenbereiche umleiten können. Somit kann jeder Hologrammbereich verwendet werden, um Licht umzulenken, das sich in Bezug auf seine Wellenlänge von Licht unterscheidet, mit denen die anderen der Hologrammbereiche bestrahlt werden. Beispielsweise können zwischen 4 und 6 entsprechende Hologrammbereiche vorgesehen sein. Dadurch kann vorteilhafterweise der Lichtstrahl einerseits auf eine für die Analyse der Probe optimale Wellenlänge reduziert werden und andererseits kann die Strahlrichtung jeweils möglichst exakt auf den Projektionsbereich geleitet werden, an dem die Probe angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das holografisch optische Element ausgebildet sein, um zumindest einen weiteren Teil des Lichtstrahls zu transmittieren. Beispielsweise kann jeder Hologrammbereich mit einer spezifischen intrinsischen Wellenlängenselektivität ausgebildet sein, wodurch nur Licht einer bestimmten Wellenlänge umgelenkt werden kann. Die übrigen Lichtanteile, die beispielsweise für den durchgeführten Analyseprozess irrelevant sein können, können zum Beispiel durch das holografisch optische Element hindurchtreten und dahinter in einer Strahlfalle versacken oder einer geeigneten Oberfläche absorbiert werden. So kann vorteilhafterweise jede Probe unter Verwendung ausschließlich einer vorbestimmten Wellenlänge beleuchtet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung ausgebildet sein, um die Projektionsfläche lückenlos beleuchten zu können. Beispielsweise kann das holographisch optische Element mit einer Vielzahl von Hologrammbereichen ausgeformt sein, wobei jeder Hologrammbereich einen bestimmten Teil des Lichtstrahls auf einen voneinander jeweils verschieden angeordneten Projektionsbereich umlenken kann. Dabei können die einzelnen Projektionsbereiche direkt aneinander angrenzen. Dafür den Vorteil, dass eine Probe unabhängig von ihrer Anordnung auf der Projektionsfläche optimal beleuchtet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung ausgebildet sein, um den ersten Projektionsbereich und den zweiten Projektionsbereich mit der gleichen Intensität zu beleuchten. Hierfür kann beispielsweise ein Projektionsraster auf die intrinsische Strahldivergenz abgestimmt sein oder die einzelnen Hologramme können so ausgelegt sein, dass sie nicht nur den Lichtstrahl umlenken, sondern auch die Wellenfront des umgelenkten Lichtstrahls formen können. Das hat den Vorteil, dass jede Probe optimal angeregt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das holografisch optische Element zumindest einen zusätzlichen ersten Hologrammbereich umfassen, wobei der zusätzliche erste Hologrammbereich ausgebildet sein kann, um Licht der ersten Wellenlänge des Lichtstrahls in einer zusätzlichen Strahlrichtung auf den ersten Projektionsbereich und zusätzlich oder alternativ auf den zweiten Projektionsbereich der Projektionsfläche umzuleiten. Beispielsweise kann das holographisch optische Element mehrere Hologrammbereiche aufweisen, die zum Beispiel identische Punkte auf dem Projektionsbereich mit dem gleichen Wellenlängentyp beleuchten können. Vorteilhafterweise ist es damit möglich, die Beleuchtungsrichtung zu variieren. Dies kann zum Beispiel im Zusammenhang mit inhomogenen Proben ausgenutzt werden, bei denen die Fluoreszenz zum Beispiel nicht allein von der Intensität, sondern auch von der Einfallsrichtung des Anregungslichts abhängig sein kann. Zusätzlich oder alternativ können beispielsweise der erste und der zweite Projektionsbereich mit der gleichen Wellenlänge belichtet werden, zum Beispiel um zwei gleiche Proben gleichzeitig anzuregen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das holografisch optische Element flächig ausgeformt sein und zusätzlich oder alternativ können die Hologrammbereiche des holografisch optischen Elements matrixartig angeordnet sein. Vorteilhafterweise kann das holografisch optische Element sowohl in der Ausformung als auch in Anzahl und Anordnung der Hologrammbereiche auf die Anforderungen des Analyseprozesses optimiert werden. Somit kann die Anzahl der in Bezug auf die jeweils umzuleitenden Wellenlängen unterschiedlichen Hologrammbereiche und die Gesamtzahl der Hologrammbereiche sowie deren Anordnung geeignet gewählt werden.
Zudem wird ein Analysegerät zum Analysieren einer Probe in einer mikrofluidischen Einrichtung vorgestellt, wobei das Analysegerät einen Aufnahmebereich zum Aufnehmen der mikrofluidischen Einrichtung und eine Variante der zuvor vorgestellten optischen Vorrichtung umfasst.
Zudem wird ein Verfahren zum Anregen einer Probe in einer in einem Aufnahmebereich eines Analysegeräts angeordneten mikrofluidischen Einrichtung vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Ausgebens eines Lichtstrahls umfasst. Zudem umfasst das Verfahren einen Schritt des Umleitens von Licht zumindest einer ersten Wellenlänge des Lichtstrahls in einer ersten Strahlrichtung auf einen ersten Projektionsbereich einer Projektionsfläche der mikrofluidischen Einrichtung, um die in dem ersten Projektionsbereich angeordnete Probe anzuregen, wenn die mikrofluidische Einrichtung in dem Aufnahmebereich angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ umfasst das Verfahren einen Schritt des Umleitens von Licht zumindest einer zweiten Wellenlänge des Lichtstrahls in einer zweiten Strahlrichtung auf den ersten Projektionsbereich und zusätzlich oder alternativ einen zweiten Projektionsbereich der Projektionsfläche der mikrofluidischen Einrichtung, um die in dem ersten Projektionsbereich angeordnete Probe anzuregen, wenn die mikrofluidische Einrichtung in dem Aufnahmebereich angeordnet ist.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Analysegeräts;
2 eine schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer optischen Vorrichtung;
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer optischen Vorrichtung; und
5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Anregen einer Probe gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Analysegeräts 100. Das Analysegerät 100 ist in diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um eingegebene Proben zu analysieren, wodurch zum Beispiel PCR-Tests durchführbar sind. Hierfür ist eine mikrofluidische Einrichtung 105, bei der es sich lediglich beispielhaft um eine Kartusche mit einem Kunststoffgehäuse und einem mikrofluidischen Netzwerk zum Prozessieren der Probe handelt, in einen Aufnahmebereich 110 eingebbar. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Analysegerät weiterhin ein Display 115 mit einer Touchfunktion, mittels dem lediglich beispielhaft Einstellungen zum gewünschten Analyseprozesses manuell eingebbar sind. Zudem ist das Display 115 lediglich beispielhaft ausgebildet, um Analyseergebnisse anzuzeigen.
Mit anderen Worten sieht das Konzept des Analysegeräts die Integration eines molekulardiagnostischen Assays auf einer Kunststoffkartusche mit einem mikrofluidischen Netzwerk vor. Das eigentliche Gerät ist konstruiert, solche Kartuschen zu prozessieren, das heißt es kann mikrofluidische Vorgänge auf der Kartusche steuern und bestimmte Bereiche heizen und zusätzlich oder alternativ beleuchten. Insbesondere umfasst es in diesem Ausführungsbeispiel eine optische Vorrichtung, wie sie in den folgenden 2, 4 und 5 näher beschrieben wird, die Fluoreszenzsignale anregen und auswerten kann. Beispielhaft besteht diese Einheit aus zwei Teilen: Erstens aus einer Kamera mit wechselbaren Bandpassfiltern, die einen bestimmten Bereich der Kartusche betrachtet. Zweitens aus einer Vorrichtung, die bestimmte Bereiche der Kartusche mit Licht eines definierten Wellenlängenbereichs beleuchten kann, um dort Fluoreszenz anzuregen. Diese Bereiche sind im Sichtbereich der Kamera angeordnet.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die optische Vorrichtung 200 ist in einem Analysegerät einsetzbar, wie es in der vorangegangenen Figur beschrieben wurde, um eine in einer mikrofluidischen Einrichtung 105 angeordnete Probe 202 mittels Beleuchtung anzuregen. Hierfür umfasst die optische Vorrichtung 200 eine Lichtquelle 205, die ausgebildet ist, um einen Lichtstrahl λ auszugeben. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle 205 lediglich beispielhaft als Projektor ausgebildet, wobei der Lichtstrahl λ in einem variablen Winkel ausgebbar ist. Beispielhaft sind in 2 zwei unterschiedliche Ausgaberichtungen des Lichtstrahls λ gezeigt, die gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiel gleichzeitig oder zeitlich nacheinander eingenommen werden können. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle 205 weiterhin ausgebildet, um den Lichtstrahl λ mit einer Mehrzahl von breiten Wellenlängenbändern auszugeben. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Lichtstrahl auch mit nur einem breiten Wellenlängenband oder mit einer Mehrzahl von scharfen Wellenlängenlinien ausgegeben werden.
Innerhalb der optischen Vorrichtung 200 ist der Lichtstrahl λ auf ein holografisch optisches Element 215 lenkbar. Das holografisch optische Element 215, oder in Abkürzung das HOE, ist ausgebildet, um einen Teil 220 des Lichtstrahls λ auf eine Projektionsfläche 225 der mikrofluidischen Einrichtung 105 umzuleiten, um die in der mikrofluidischen Einrichtung 105 angeordnete Probe 202 anzuregen. Dabei umfasst das holografisch optische Element 215 einen ersten Hologrammbereich 230, der ausgebildet ist, um Licht einer ersten Wellenlänge oder eines ersten Wellenlängenbereichs des Lichtstrahls λ in einer ersten Strahlrichtung 235 auf einen ersten Projektionsbereich 240 der Projektionsfläche 225 umzuleiten, an dem in diesem Ausführungsbeispiel die anzuregende Probe 202 angeordnet ist.
Weiterhin umfasst das holografisch optische Element 215 einen zweiten Hologrammbereich 250, der ausgebildet ist, um Licht einer zweiten Wellenlänge oder eines zweiten Wellenlängenbereichs des Lichtstrahls λ in einer zweiten Strahlrichtung 255 auf einen zweiten Projektionsbereich 260 der Projektionsfläche 225 umzuleiten. Lediglich beispielhaft ist der zweite Projektionsbereich 260 in diesem Ausführungsbeispiel mit der gleichen Intensität beleuchtbar wie der erste Projektionsbereich 240. Zudem ist in diesem Ausführungsbeispiel das holografisch optische Element 215 mit einer Mehrzahl von weiteren Hologrammbereichen flächig ausgeformt, wobei die Hologrammbereiche lediglich beispielhaft matrixartig angeordnet sind. Mittels des lenkbaren Lichtstrahls λ und der Vielzahl der Hologrammbereiche ist in diesem Ausführungsbeispiel die Projektionsfläche 225 lückenlos beleuchtbar
Mit anderen Worten ist die optische Vorrichtung 200 ausgebildet, um eine Beleuchtungsverteilung mittels eines Lichtprojektors zu kontrollieren. Dabei ist in diesem Ausführungsbeispiel mittels eines Flying-Spot-Projektors der Lichtstrahl λ lediglich beispielhaft mit Hilfe eines mikromechanischen Spiegels lenkbar. In diesem Ausführungsbeispiel basiert der Projektor auf einer weißen Lichtquelle 205, die lediglich beispielhaft auf einem phosphorkonvertierten Laser basiert. Der Begriff „weiß“ ist hier nicht unbedingt als Farbeindruck zu verstehen, sondern so, dass das Spektrum nicht aus einem einzelnen, schmalen Wellenlängenband besteht, sondern einem oder mehreren breiten Bändern oder zumindest mehreren scharfen Linien. Wichtig ist, dass es alle Wellenlängen enthält, die zur Beleuchtung der Projektionsfläche 225 verwendet werden sollen. Das Licht ist dabei aber nicht direkt auf die zu beleuchtende Fläche (die Lab-on-Chip-Kartusche) lenkbar, sondern indirekt über ein holografisch optisches Element 215, das eine Wellenlängenselektion vornimmt. Hierfür weist das holografisch optisches Element 215 lediglich beispielhaft eine Fläche aus mehreren Bereichen auf. Jeder Bereich umfasst ein Hologramm, bei dem es sich in diesem Ausführungsbeispiel jeweils um ein Volumenhologramm handelt, das den Lichtstrahl λ auf einen bestimmten Punkt der Projektionsfläche 225 leitet. Wegen der intrinsischen Wellenlängenselektivität des Hologramms wird jedoch nur Licht um eine bestimmte Wellenlänge entsprechend umgelenkt, um so die Probe 202 anzuregen.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer optischen Vorrichtung 200. Die hier dargestellte optische Vorrichtung 200 entspricht oder ähnelt der in der vorangegangenen 2 beschriebenen Vorrichtung. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Lichtstrahl λ von einem sogenannten Flying-Spot-Projektor 400 bereitstellbar, der ausgebildet ist, um einen weißen Strahl über einen bestimmten Winkelbereich zu lenken und diesen während des Scanvorgangs auch ein- und auszuschalten, um nur ausgewählte Positionen in seinem Projektionsbereich zu beleuchten. Hierfür umfasst der Flying-Spot-Projektor 400 lediglich beispielhaft die Lichtquelle 205 sowie eine Lenkeinrichtung 405, die in diesem Ausführungsbeispiel einen mikromechanisch beweglichen Spiegel umfasst und ausgebildet ist, um ansprechend auf ein Lenksignal 410 den Lichtstrahl λ auf einen der Hologrammbereiche des holografisch optischen Elements 215 zu lenken. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Lenksignal 410 lediglich beispielhaft von einer Steuereinrichtung 415 bereitstellbar. Die Steuereinrichtung 415 ist in diesem Ausführungsbeispiel zudem ausgebildet, um außer dem Lenksignal 410 auch ein Aktionssignal 420 zum Ein- und Ausschalten der Lichtquelle 205 bereitzustellen.
Mittels der Lenkeinrichtung 405 ist der Lichtstrahl λ in diesem Ausführungsbeispiel auf einen ersten Hologrammbereich 230, einen zweiten Hologrammbereich 250 des holografisch optischen Elements 215 lenkbar. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das holografisch optische Element 215 zusätzlich einen weiteren Hologrammbereich 430 sowie lediglich beispielhaft einen zusätzlichen Hologrammbereich 440, wobei die Hologrammbereiche 230, 250, 430, 440 lediglich beispielhaftmatrixartig angeordnet sind. Dabei ist der erste Hologrammbereich 230 ausgebildet, um Licht einer ersten Wellenlänge λ_A des Lichtstrahls λ in einer ersten Strahlrichtung auf einen ersten Projektionsbereich der Projektionsfläche 225 umzuleiten und der zweite Hologrammbereich 250 ist ausgebildet, um Licht einer zweiten Wellenlänge λ_B des Lichtstrahls λ in einer zweiten Strahlrichtung auf einen zweiten Projektionsbereich der Projektionsfläche 225 umzuleiten. Gleichermaßen ist in diesem Ausführungsbeispiel der weitere Hologrammbereich 430 ausgebildet, um Licht einer weiteren Wellenlänge λ_C des Lichtstrahls λ in einer weiteren Strahlrichtung auf einen weiteren Projektionsbereich der Projektionsfläche 225 umzuleiten und der zusätzliche Hologrammbereich 440 ist ausgebildet, um Licht einer zusätzlichen Wellenlänge λ_D des Lichtstrahls λ in einer zusätzlichen Strahlrichtung auf einen zusätzlichen Projektionsbereich der Projektionsfläche 225 umzuleiten. In diesem Ausführungsbeispiel leitet also jedes Einzelhologramm des HOEs einen wellenlängenspezifischen Teil des Lichtstrahls λ zu einem bestimmten Punkt der Projektionsfläche 225, wobei die mit A, B, C und D bezeichneten Bereiche des dargestellten HOEs jeweils nur Licht mit der Wellenlänge λ_A, λ_B, λ_C, λ_D verarbeiten. Somit repräsentiert das Licht der Wellenlängen λ_A, λ_B, λ_C, λ_D unterschiedliche Anteile des Lichtstrahls λ, die von den Hologrammbereichen 230, 250, 430, 440 selektiert und umgelenkt werden. Die gezeigten Spektren repräsentieren beispielhaft jeweils die betreffenden Strahlen. So weisen die vom Projektor zum HOE reisenden Strahlen in diesem Ausführungsbeispiel ein breites Spektrum auf, aus denen der A-Bereich lediglich beispielhaft ein schmales Wellenlängenband mit der Zentralwellenlänge λ_A umlenkt und der B-Bereich ein schmales Wellenlängenband mit λ_B.
Mit anderen Worten ist wegen der intrinsischen Wellenlängenselektivität des entsprechenden Hologramms nur Licht um eine bestimmte Wellenlänge λ_A, λ_B, λ_C oder λ_D umlenkbar. Ein weiterer Teil 450 des Lichtstrahls λ, das heißt die übrigen Lichtanteile, wird in diesem Ausführungsbeispiel transmittiert und lediglich beispielhaft durch eine geschwärzte Fläche des holografisch optischen Elements 215 absorbiert. Die betreffenden Spektralbänder der Wellenlängen λ_A, λ_B, λ_C, λ_D fehlen in den transmittierten Spektren. Dabei sind die einzelnen Flächen des HOEs für unterschiedliche Wellenlängen λ_A, λ_B, λ_C, λ_D wirksam. In diesem Ausführungsbeispiel ist das holografisch optische Element 215 zum Umleiten von vier Wellenlängen λ_A, λ_B, λ_C, λ_D mit einer Mehrzahl an Hologrammbereichen ausgebildet. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist Konzept jedoch nicht auf vier Wellenlängen beschränkt, zudem können die Bereiche des HOEs eine andere Form als die hier dargestellte quadratische oder unterschiedliche Größen aufweisen oder in ihrer Anordnung einer anderen Symmetrie folgen.
Insgesamt ermöglicht die hier dargestellte optische Vorrichtung 200 die Beleuchtung von einer oder mehrerer zusammenhängender Flächen, beispielsweise auf einer Lab-on-Chip-Kartusche, mit Licht. Anzahl, Form und Ausdehnung der Flächen sind dabei innerhalb eines gewissen Bereichs frei wählbar und flexibel elektronisch steuerbar. Das Licht selbst erfüllt in diesem Ausführungsbeispiel die Anforderungen für die Fluoreszenz-Anregung molekulardiagnostischer Assays und umfasst hierfür auch mehreren Farbkanäle. Dies bedeutet ein in Zentralwellenlänge und -breite genau definiertes Spektrum, beziehungsweise mehrere solcher Spektren, zwischen denen ein Umschalten ermöglicht ist.
Dabei bietet die in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Ausführung mit einem Weißlicht-Flying-Spot-Projektor den Vorteil besonderer Lichteffizienz. Je nach Anforderungsprofil der konkreten Anwendung können in anderen Ausführungsbeispielen aber auch andere Projektortypen (DLP, LCOS) eingesetzt werden. Dabei sollte die Bildebene des Projektors im Bereich des HOE liegen, mit anderen Worten, das Bild des Projektors sollte auf das HOE scharfgestellt werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer optischen Vorrichtung 200. Die hier dargestellte optische Vorrichtung 200 entspricht oder ähnelt der in den vorangegangenen 2 und 3 beschriebenen Vorrichtung. Dabei umfasst das holografisch optische Element 215 in diesem Ausführungsbeispiel außer dem ersten Hologrammbereich 230 lediglich beispielhaft einen zusätzlichen ersten Hologrammbereich 500. In diesem Ausführungsbeispiel ist der zusätzliche erste Hologrammbereich 500 ausgebildet, um Licht der ersten Wellenlänge des Lichtstrahls λ in einer zusätzlichen Strahlrichtung 505 auf den zweiten Projektionsbereich 260 der Projektionsfläche umzuleiten, während der erste Hologrammbereich 230 ausgebildet ist, um Licht auf den ersten Projektionsbereich 240 umzuleiten. Lediglich beispielhaft ist dabei der erste Hologrammbereich 230 in diesem Ausführungsbeispiel als Teil einer ersten Gruppe 510 ausgebildet, die beispielhaft vier HOE-Bereiche mit verschiedenen Wellenlängen umfasst, die sich in einem gemeinsamen Projektionsbereich überlappen, der in diesem Ausführungsbeispiel dem ersten Projektionsbereich 240 entspricht. Gleichermaßen ist in diesem Ausführungsbeispiel der zusätzliche erste Hologrammbereich 500 in lediglich beispielhaft als Teil einer zweiten Gruppe 515 ausgebildet, die beispielhaft ebenfalls vier HOE-Bereiche mit verschiedenen Wellenlängen umfasst, die sich in einem gemeinsamen Projektionsbereich überlappen, der in diesem Ausführungsbeispiel dem zweiten Projektionsbereich 260 entspricht. Dadurch ist in diesem Ausführungsbeispiel mit jedem Wellenlängenkanal die Projektionsfläche lückenlos abdeckbar. Zudem ist lediglich beispielhaft mit jedem Kanal eine möglichst gleiche Intensitätsverteilungen erreichbar. Dies ist lediglich beispielhaft durch ein Überlappen der einzelnen HOE-Bereiche erzielbar und erfordert eine genaue Abstimmung des Projektionsrasters mit der Strahldivergenz, die in diesem Ausführungsbeispiel durch eine entsprechende Auslegung der einzelnen Hologramme erreicht ist, so dass diese lediglich beispielhaft nicht nur den Strahl umlenken, sondern auch die Wellenfront formen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann alternativ das Projektionsraster auf die intrinsische Strahldivergenz abgestimmt sein. Zudem kann der zusätzliche erste Hologrammbereich ausgebildet sein, um Licht der ersten Wellenlänge des Lichtstrahls in einer zusätzlichen Strahlrichtung auf den ersten Projektionsbereich der Projektionsfläche umzuleiten. Anders formuliert können mehrere Elemente des gleichen Wellenlängentyps identische Punkte auf dem Projektionsbereich beleuchten. Damit kann ermöglicht werden, die Beleuchtungsrichtung zu variieren. Dies kann im Zusammenhang von inhomogenen Proben ausgenutzt werden, bei denen die Fluoreszenz nicht allein von der Intensität, sondern auch der Einfallsrichtung des Anregungslichts abhängt.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Anregen einer Probe gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei ist die Probe in einer in einem Aufnahmebereich eines Analysegeräts angeordneten mikrofluidischen Einrichtung angeordnet. Das Verfahren 700 umfasst einen Schritt 705 des Ausgebens eines Lichtstrahls. Darauf folgt ein Schritt 710 des Umleitens in dem ein erster Anteil des Lichtstrahls, der eine erste Wellenlänge aufweist, in einer ersten Strahlrichtung auf einen ersten Projektionsbereich einer Projektionsfläche der mikrofluidischen Einrichtung umgeleitet wird, um die in dem ersten Projektionsbereich angeordnete Probe anzuregen. Zudem umfasst das Verfahren 700 in diesem Ausführungsbeispiel einen Schritt 715 des Umleitens in dem ein zweiter Anteil des Lichtstrahls, der eine zweite Wellenlänge aufweist, in einer zweiten Strahlrichtung auf einen zweiten Projektionsbereich der Projektionsfläche der mikrofluidischen Einrichtung umgeleitet wird, um die in dem ersten Projektionsbereich angeordnete Probe anzuregen.

Claims

Optische Vorrichtung (200) zum Anregen einer Probe (202) in einer in einem Aufnahmebereich (110) eines Analysegeräts (100) angeordneten mikrofluidischen Einrichtung (105), wobei die optische Vorrichtung (200) folgende Merkmale aufweist: eine Lichtquelle (205), die ausgebildet ist, um einen Lichtstrahl (λ) auszugeben; und ein holografisch optisches Element (215) zum Umleiten zumindest eines Teils (220) des Lichtstrahls (λ) auf eine Projektionsfläche (225) der mikrofluidischen Einrichtung (105), um die in der mikrofluidischen Einrichtung (105) angeordnete Probe (202) anzuregen, wenn die mikrofluidische Einrichtung (105) in dem Aufnahmebereich (110) des Analysegeräts (100) angeordnet ist, wobei das holografisch optische Element (215) zumindest einen ersten Hologrammbereich (230) und einen zweiten Hologrammbereich (250) umfasst, wobei der erste Hologrammbereich (230) ausgebildet ist, um Licht einer ersten Wellenlänge (λ_A) des Lichtstrahls (λ) in einer ersten Strahlrichtung (235) auf einen ersten Projektionsbereich (240) der Projektionsfläche (225) umzuleiten und der zweite Hologrammbereich (250) ausgebildet ist, um Licht einer zweiten Wellenlänge (λ_B) des Lichtstrahls (λ) in einer zweiten Strahlrichtung (255) auf den ersten Projektionsbereich (240) und/oder einen zweiten Projektionsbereich (260) der Projektionsfläche (225) umzuleiten.
Optische Vorrichtung (200) gemäß Anspruch 1, mit einer Lenkeinrichtung (405), die ausgebildet ist, um ansprechend auf ein Lenksignal (410) den Lichtstrahl (λ) auf einen der Hologrammbereiche zu lenken.
Optische Vorrichtung (200) gemäß Anspruch 2, mit einer Steuereinrichtung (415), die ausgebildet ist, um das Lenksignal (410) bereitzustellen und/oder um ein Aktionssignal (420) zum Ein- und Ausschalten der Lichtquelle (205) bereitzustellen.
Optische Vorrichtung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Lichtquelle (205) ausgebildet ist, um den Lichtstrahl (λ) mit zumindest einem breiten Wellenlängenband und/oder mit einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten Wellenlängenlinien oder Wellenlängenbändern auszugeben.
Optische Vorrichtung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das holografisch optische Element (215) zumindest einen weiteren Hologrammbereich (430) umfasst, der ausgebildet ist, um Licht einer weiteren Wellenlänge (λ_C) des Lichtstrahls (λ) in einer weiteren Strahlrichtung (255) auf den ersten Projektionsbereich (240) und/oder den zweiten Projektionsbereich (260) und/oder einen weiteren Projektionsbereich der Projektionsfläche (225) umzuleiten.
Optische Vorrichtung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das holografisch optische Element (215) ausgebildet ist, um zumindest einen weiteren Teil (220) des Lichtstrahls (λ) zu transmittieren.
Optische Vorrichtung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (200) ausgebildet ist, um die Projektionsfläche (225) lückenlos beleuchten zu können.
Optische Vorrichtung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (200) ausgebildet ist, um den ersten Projektionsbereich (240) und den zweiten Projektionsbereich (260) mit der gleichen Intensität zu beleuchten.
Optische Vorrichtung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das holografisch optische Element (215) zumindest einen zusätzlichen ersten Hologrammbereich (500) umfasst, wobei der zusätzliche erste Hologrammbereich (500) ausgebildet ist, um das Licht der ersten Wellenlänge (λ_A) des Lichtstrahls (λ) in einer zusätzlichen Strahlrichtung (505) auf den ersten Projektionsbereich (240) und/oder den zweiten Projektionsbereich (260) der Projektionsfläche (225) umzuleiten.
Optische Vorrichtung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das holografisch optische Element (215) flächig ausgeformt ist und/oder wobei die Hologrammbereiche (230, 250) des holografisch optischen Elements (215) matrixartig angeordnet sind.
Analysegerät (100) zum Analysieren einer Probe (202) in einer mikrofluidischen Einrichtung (105), wobei das Analysegerät (100) einen Aufnahmebereich (110) zum Aufnehmen der mikrofluidischen Einrichtung (105) und eine optische Vorrichtung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche umfasst.
Verfahren (700) zum Anregen einer Probe (202) in einer in einem Aufnahmebereich (110) eines Analysegeräts (100) angeordneten mikrofluidischen Einrichtung (105), wobei das Verfahren (700) folgende Schritte umfasst: Ausgeben eines Lichtstrahls (λ); und Umleiten von Licht zumindest einer ersten Wellenlänge (λ_A) des Lichtstrahls (λ) in einer ersten Strahlrichtung (235) auf einen ersten Projektionsbereich (240) einer Projektionsfläche (225) der mikrofluidischen Einrichtung (105), um die in dem ersten Projektionsbereich (240) angeordnete Probe (202) anzuregen, wenn die mikrofluidische Einrichtung (105) in dem Aufnahmebereich (110) angeordnet ist; und/oder Umleiten von Licht zumindest einer zweiten Wellenlänge (λ_B) des Lichtstrahls (λ) in einer zweiten Strahlrichtung (255) auf den ersten Projektionsbereich (240) und/oder einen zweiten Projektionsbereich (260) der Projektionsfläche (225) der mikrofluidischen Einrichtung (105), um die in dem ersten Projektionsbereich (240) angeordnete Probe (202) anzuregen, wenn die mikrofluidische Einrichtung (105) in dem Aufnahmebereich (110) angeordnet ist.