DE10232680A1

DE10232680A1 - Automatisches Analyseverfahren zur optischen Analyse von Proben und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10232680A1
Application number: DE2002132680
Authority: DE
Inventors: Arne Dr. Hengerer; Heike Sieber; Marcus Dr. Pfister
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-07-18
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2004-02-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein automatisches Analyseverfahren und eine Vorrichtung zur optischen Analyse von Proben, mit einem in einer Analysekammer (1) angeordneten Lichtdetektor (4), der von einer Probe (3) reflektiertes und/oder fluoreszierendes Licht (20) detektiert und auswertet, das von einer Lichtquelle (8, 9) auf die Probe (3) geworfen wurde, wobei die Probe (3) automatisch in einen Lichtstrahl (19) der Lichtquelle (8, 9) eingebracht wird. Die Probe (3) befindet sich mit Vorteil vor dem Einbringen in den Lichtstrahl (19) in einer Probenkammer (10), die z. B. mit der Analysekammer (1) mittels einer Schleuse (16) lichtdicht verbunden ist. So ist eine automatische und wiederholte Untersuchung der Proben ohne manuelles Zutun möglich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein automatisches Analyseverfahren zur optischen Analyse von Proben nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 7 und vorteilhafte Verwendungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung, die in den Patentansprüchen 14 und 15 gekennzeichnet sind.

Analyseverfahren zur optischen Analyse von Proben mit einem in einer Analysekammer angeordneten Lichtdetektor, der Licht detektiert, das von einer Probe reflektiert wurde und das zuvor von einer Lichtquelle auf die Probe geworfen wurde, sind bereits bekannt. Bei den bekannten optischen Bildgebungsverfahren können mit Hilfe von optischen Kontrastmitteln (KM), die im nahen Infrarot fluoreszieren, Stoffwechselvorgänge sowohl im lebenden Kleintier als auch in Zellkulturen und im Gewebe beobachtet werden. Zu diesem Zweck wird die Probe zunächst mit einem optischen Kontrastmittel versehen und in den Lichtstrahl einer Lichtquelle eingebracht, die vorzugsweise Licht einer Wellenlänge im oder nahe des Infrarotbereichs emittiert. Die durch das Kontrastmittel sichtbar gemachten Stoffwechselvorgänge werden mittels des von der Probe reflektierten Lichts von einem Lichtdetektor, wie beispielsweise einer CCD-Kamera, detektiert und ev. ausgewertet und einer Datenverarbeitungseinrichtung zugeführt.

Die verbreitete Anwendung derartiger Analyseverfahren und entsprechender Vorrichtungen sind beispielsweise bei der Kontrastmittelentwicklung von Vorteil, da die in den Zellkulturen erprobten Substanzen relativ schnell durch eine Adaption der Versuchsprotokolle auf das Kleintier oder auf Gewebeproben übertragen werden können. Die flexible Methode der optischen Bildgebung gewinnt aufgrund Ihres breiten Spektrums zunehmend an Bedeutung in der biologischen, medizinischen und pharmazeutischen Forschung. Auch bei der Entdeckung und Entwicklung von Medikamenten spielt es eine grosse Rolle, dass derartige Analyseverfahren schnell und effizient durchgeführt werden, um einen hohen Durchsatz der zu untersuchenden Proben zu erreichen.

Bei den herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen musste die zu untersuchende Probe per Hand in das optische Bildgebungsgerät, d.h. in den von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahl, eingebracht werden. Dieses Verfahren erforderte Zeit und war für eine Steigerung des Durchsatzes an zu untersuchenden Proben hinderlich. Zudem weisen die bekannten Verfahren den Nachteil auf, dass beim Transport der Proben mit der Hand die Gefahr besteht, dass die Proben mit Mikroorganismen oder sonstigen Schmutzstoffen kontaminiert werden. In diesem Fall werden weitere Analysen der Probe verfälscht oder sogar unbrauchbar. Bei der Untersuchung sehr empfindlicher Zelllinien, d.h. solchen Zellen, die sehr sensitiv auf Veränderungen ihrer Umgebung, insb. auf Schwankungen der Luftfeuchtigkeit, der Temperatur und des Kohlendioxidgehalts, reagieren, ist es wichtig, die Analyse sehr schnell durchzuführen, um die Abweichungen von den optimalen Kulturbedingungen so gering wie möglich zu halten.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, herkömmliche Analyseverfahren und Vorrichtungen derart zu verbessern, dass diese einen hohen Durchsatz von Proben ermöglichen, eine schnelle und zuverlässige Analyse der Proben gewährleisten und eine Kontamination der Proben mit chemischen oder biologischen Schmutzstoffen verhindern.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und dort bean sprucht. Zwei vorteilhafte Anwendungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 14 und 15 gekennzeichnet.

Das Analyseverfahren zur optischen Analyse von Proben verwendet erfindungsgemäss einen vorzugsweise in einer Analysekammer angeordneten Lichtdetektor, der von einer Probe reflektiertes oder von dieser fluoreszierendes Licht, das von einer Lichtquelle auf die Probe geworfen wurde oder das zuvor von der Probe absorbiert wurde, detektiert und ggf. auswertet, wobei die Probe automatisch in den Lichtstrahl der Lichtquelle eingebracht wird. Ein manuelles Zutun entfällt. Vorzugsweise befindet sich die Probe vor dem Einbringen in den Lichtstrahl in einem Probenlager und wird nach der optischen Analyse automatisch wieder in das Probenlager zurückgebracht. Mit Vorteil ist das Probenlager mit einer Datenverarbeitungseinrichtung verbunden, um zu gewährleisten, dass stets die richtige Probe in den Lichtstrahl der Lichtquelle eingebracht und dort analysiert wird. Die Datenverarbeitungseinrichtung weist darüber hinaus ein vorgebbares Programm auf, das das automatische Einbringen der jeweiligen Probe, die Detektierung und/oder die Auswertung des reflektierten Lichts und die Erzeugung der Analysedaten steuert und ggf. die Analysedaten automatisch auswertet.

Es befinden sich vorteilhafterweise verschiedene Proben in dem Probenlager, die sukzessive und/oder wiederholt und zeitlich beabstandet in den Lichtstrahl der Lichtquelle eingebracht werden. Es ergibt sich z.B. eine automatische Rotation der Analyse der Proben, die zur Beobachtung beispielsweise des Zellwachstums in regelmässigen Abständen überprüft werden müssen.

Die automatischen Analyseprotokolle oder lediglich die jeweiligen Analyseaufnahmen des bildgebenden Geräts werden über einen Datenausgang ausgelesen und an eine Datenverarbeitungseinrichtung weitergeleitet, die die automatische Analyse steuert. Als Proben eignen sich Zellkulturen, Gewebeausschnitte oder Kleintiere, die jeweils in einem dafür geeigneten Probenlager aufbewahrt werden.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des automatischen Analyseverfahrens weist neben dem in einer Analysekammer angeordneten Lichtdetektor eine Lichtquelle auf, die Licht auf die zu analysierende Probe wirft, von wo das reflektierte bzw, fluoreszierende Licht mittels des Lichtdetektors detektiert und ausgewertet wird. Ein geeigneter Lichtdetektor ist bspw. eine CCD-Kamera, so dass die ermittelten Bilder digital an ein Bildverarbeitungsgerät oder eine Datenverarbeitungseinrichtung weitergeleitet werden können.

Eine Ladevorrichtung verbringt die Probe automatisch in den Lichtstrahl der Lichtquelle. Mit Vorteil bringt die Ladevorrichtung sukzessive Proben aus einem Probenlager in den Lichtstrahl der Lichtquelle und liefert die Proben nach der optischen Analyse wieder im Probenlager ab bzw. legt sie dort wieder ein. Mit Vorteil befindet sich das Probenlager innerhalb einer Probenkammer, die sich in unmittelbarer Nähe zur Analysekammer befindet, so dass die Ladevorrichtung, die sich beispielsweise in der Probenkammer befindet, die Proben in die Analysekammer verbringen kann, um diese dort in den Lichtstrahl der Lichtquelle einzubringen. Mit Vorteil ist dabei die Analysekammer und die Probenkammer durch eine insb. lichtdichte Schleuse verbunden, um während der Analyse das Eindringen von Streulicht in die Analysekammer zu vermeiden. Die Proben können natürlich wahlweise auch in der Analysekammer selbst gelagert werden. Die Ladevorrichtung befindet sich dann ebenfalls in der Analysekammer.

Es ist auch möglich, die Ladevorrichtung in der Analysekammer aufzustellen, um dann durch die lichtdichte Schleuse Proben aus der Probenkammer zu holen und in den Lichtstrahl der Lichtquelle einzubringen. Eine solche Ladevorrichtung kann beispielsweise ein Roboterarm sein, der über entsprechende Aktuatoren, wie beispielsweise Servomotoren, dreh-, schwenk-, fahr -, auszieh-, und/oder rotierbar ist. Desweiteren kann eine solche Ladevorrichtung auch aus einem Förderband bestehen, das Proben aus dem Probenlager zu derjenigen Stelle befördert, die von dem Lichtstrahl der Lichtquelle in der Analysekammer beaufschlagt wird.

Mit Vorteil ist die Probenkammer und/oder die Analysekammer steril und/oder feuchtedicht, um biologische oder chemische Verschmutzungen der Probe zu vermeiden. Mit Vorteil weist die Analysekammer ein lichtdichtes Gehäuse auf, das zumindest die Probe und den reflektierten Lichtstrahl sowie den Lichtdetektor aufnimmt. Auch die Probenkammer kann ein lichtdichtes Gehäuse aufweisen, so dass die lichtdichte Schleuse dann entfallen kann.

Als vorteilhafte Verwendungen eines solchen Analyseverfahrens bzw. einer solchen Analysevorrichtung eignen sich optische Untersuchungen von Kontrastmitteln an lebenden Zellkulturen oder die optische Untersuchung von Medikamentwirkungen am lebenden Kleintier. So können Zellkulturen aus einem Zellkulturlager, wie beispielsweise einem Inkubator hintereinander und wiederholt in zeitlichen Abständen analysiert werden um festzustellen, wie sich Kontrastmittel zur optischen Analyse verwenden lassen oder auch wie sich die Zellen unter der Einwirkung von Medikamenten verändern.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 die schematische Aufsicht auf die erfindungsgemässe Vorrichtung nach 1.
Anhand der 1 und 2 wird nun eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt 1 die schematische Seitenansicht auf eine erfindungsgemässe Analysevorrichtung während 2 die Aufsicht auf die Vorrichtung nach 1 schematisch darstellt.
In einer Analysekammer 1 befindet sich an Halterungen 2 befestigt ein Lichtdetektor 4, wie beispielsweise eine CCD-Kamera, der über eine Detektorlinse 5 und einen Filter 6 reflektiertes Licht 20 von einer Probe 3 empfängt. Die Probe 3 wird von einem Lichtstrahl 19 beaufschlagt, der von einer Lichtquelle 9 stammt. Die Lichtquelle 9 ist beispielsweise eine Laserdiode (740 nm, FWHM = 5 nm), die über einen Interferenzfilter (750 nm, FWHM = 5 nm) 17 Licht über einen Lichtleiter 15 an eine Linse 8 sendet, die das Licht entbündelt oder bündelt und auf die Probe 3 wirft. Der Lichtdetektor 4 liefert seine Daten an einen Datenausgang 7, der mit einer Datenverarbeitungseinrichtung (nicht gezeigt) verbunden ist.
Die Analysekammer 1 ist mittels einer lichtdichten Schleuse 16 mit einer Probenkammer 10 verbunden. Probenkammer 10 und Analysekammer 1 sind mit Vorteil als lichtdichtes Gehäuse 11 ausgebildet. Innerhalb der Probenkammer 10 befindet sich ein Probenlager 12, das, wie in 2 dargestellt, beispielsweise aus vier Teillagern 12a–12d bestehen kann, in dem verschiedene Proben 3₁ –3_n gelagert sind.
Ein Aktuator 14 bewegt eine Ladevorrichtung 13, die Proben 3i aus dem Probenlager entnimmt und durch die Schleuse 16 in den Lichtstrahl 19 der Lichtquelle 9 einbringt. Mit Vorteil läuft der Aktuator 14 auf einer Schiene 18, um sämtliche Proben 3 im Probenlager 12 erreichen zu können.
Schleuse 16, Ladevorrichtung 13 und Lichtquelle 9 mit Lichtdetektor 4 sind vorteilhafterweise an ein Datenverarbeitungssystem (nicht dargestellt) angeschlossen, das den automatischen Ablauf des Einbringens der Probe 3 in den Lichtstrahl 19, das Detektieren des reflektierten Lichts 20, die Weitergabe der Daten über den Datenausgang 7 und das Wiedereinordnen der Probe 3 in das Probenlager 12 steuert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Schleuse 16 aus einer lichtdicht verschliessbaren Schiebetür, die das optische Bildgebungsgerät 4 mit einem automatisierten Zellkultursystem, d.h. der Probenkammer 10, verbindet. Alternativ dazu kann die Ankopplung an die Probenkammer 10 auch durch einen lichtdicht verschliessbaren Kameraverschluss erfolgen, der in das Gerätegehäuse der Kamera integriert ist.
Durch die automatische Durchführung des Analyseverfahrens ergibt sich eine Steigerung des Durchsatzes der zu untersuchenden Proben 3. Diese werden steril gehandhabt und automatisch analysiert. Dadurch ergibt sich eine exakte zeitliche Koordination der Messungen, was insb. bei kurz aufeinanderfolgenden Untersuchungen zur Erstellung einer Kinetik von grosser Bedeutung ist. Dadurch werden die Ergebnisse reproduzierbar und gewinnen an Aussagekraft. Dieses automatische Analyseverfahren ermöglicht es, dem Anwender eine Versuchsplanung zeitlich unabhängig, d.h. ohne Rücksicht auf Tages- oder Nachtzeit, auf Wochentag, Wochenende oder Feiertag, zu gestalten. Dadurch ergibt sich auch eine Kompatibilität des erfindungsgemässen Verfahrens mit High-Throughput-Systemen der Pharmaindustrie.

Claims

Automatisches Analyseverfahren zur optischen Analyse von Proben, mit einem vorzugsweise in einer Analysekammer (1) angeordneten Lichtdetektor (4), der von einer Probe (3) reflektiertes und/oder von dieser fluoreszierendes Licht (20) detektiert und ggf. auswertet, das von einer Lichtquelle (8, 9) auf die Probe (3) geworfen wurde, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (3) automatisch in einen Lichtstrahl (19) der Lichtquelle (8, 9) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Probe (3) vor dem Einbringen in den Lichtstrahl (19) in einem Probenlager (12) befindet, und dass die Probe (3) nach der optischen Analyse automatisch in das Probenlager (10) zurückgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das automatische Einbringen der Probe (3), die Detektierung und/oder die Auswertung des reflektierten bzw. fluoreszierenden Lichts (20) und die Erzeugung der Analysedaten anhand eines vorgebbaren Programms stattfinden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Proben (3i) in dem Probenlager (12) gelagert und sukzessive und/oder wiederholt und zeitlich beabstandet in den Lichtstrahl (19) der Lichtquelle (8, 9) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass automatische Analyseprotokolle angefertigt werden, die über einen Datenausgang (7) auslesbar sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (3) eine Zellkultur, ein Gewebe oder ein Kleintier ist.
Vorrichtung zur Durchführung eines automatischen Analyseverfahrens zur optischen Analyse von Proben, mit einer Analysekammer (1), in der ein Lichtdetektor (4) angeordnet ist, der von einer Probe (3) reflektiertes und/oder von dieser fluoreszierendes Licht (20) detektiert und auswertet, das von einer Lichtquelle (8, 9) auf die Probe (3) geworfen wurde, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ladevorrichtung (13) die Probe automatisch in den Lichtstrahl (19) der Lichtquelle (8, 9) einbringt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladevorrichtung (13) sukzessive Proben (3i) aus einem Probenlager (12) holt, in den Lichtstrahl (19) der Lichtquelle (8, 9) einbringt und nach der optischen Analyse wieder in das Probenlager (12) verbringt.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ladevorrichtung (13) in einer Probenkammer (10), die neben der Analysekammer (1) liegt, befindet und die Probe (3) durch eine lichtdichte Schleuse (16) in den Lichtstrahl (19) der Lichtquelle (8, 9) einbringt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ladevorrichtung (13) in der Analysekammer (1) befindet und die Probe (3) durch eine lichtdichte Schleuse (16) aus der Probenkammer (10) holt und in den Lichtstrahl (19) der Lichtquelle (8, 9) einbringt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladevorrichtung (13) ein Roboterarm ist, der über Aktuatoren dreh-, schwenk-, fahr-, auszieh-, und/oder rotierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenkammer (10) und/oder die Analysekammer (1) steril und/oder feuchtedicht sind und/oder ein lichtdichtes Gehäuse (11) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (3) eine Zellkultur, ein Gewebe oder ein Kleintier ist.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13 zur optischen Untersuchung von Kontrastmitteln an lebenden Zellkulturen.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13 zur optischen Untersuchung von Medikamentwirkungen am lebenden Kleintier.