WO2001002837A1 - Method and device for obtaining data for determining reaction kinetics - Google Patents

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WO2001002837A1
WO2001002837A1 PCT/DE2000/002119 DE0002119W WO0102837A1 WO 2001002837 A1 WO2001002837 A1 WO 2001002837A1 DE 0002119 W DE0002119 W DE 0002119W WO 0102837 A1 WO0102837 A1 WO 0102837A1
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image
measurement
reaction
light
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PCT/DE2000/002119
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Gunter Fischer
Gerhard KÜLLERTZ
Mike Schutkowski
Susanne FÜSSEL
Bernd Heinrich
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MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/27Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
    • G01N21/272Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration for following a reaction, e.g. for determining photometrically a reaction rate (photometric cinetic analysis)
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
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    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/251Colorimeters; Construction thereof
    • G01N21/253Colorimeters; Construction thereof for batch operation, i.e. multisample apparatus

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for obtaining data which provide information about the course of the reactions of reactants at different measuring sites in one or more samples of compositions.
  • the temporal resolution of the measurements is limited by the speed with which one can go from measuring location to measuring location.
  • Conventional photometers achieve speeds of up to 2 measuring points per second when registering kinetics in titer plates with 96 cavities.
  • the time interval between successive measurements at the same measuring location depends on the number of measuring locations (ie the number of reaction vessels). However, the number of measurements taken per unit of time essentially determines the quality of the assessment of the registered chemical reaction for a given measurement signal.
  • each specimen of a plurality of samples is assigned its own lens system, which produces an image of part of the sample in question.
  • Each of these lens systems consists of a mini lens arranged close to the sample in question, which generates an image of the part of the sample of interest in an intermediate plane, and each of these intermediate images is imaged on a respectively assigned CCD element by means of a common field lens.
  • the channel separation i.e. the assignment of the light measurement values obtained to the individual samples is determined by the spatial relationship between the sample arrangement and CCD elements and by the split construction and the physical orientation of the optical system.
  • the radiation from different samples is transmitted to different locations of the image recording area of an image recording device for the detection of the light signals, which is scanned cyclically during the expected duration of the reactions in order to obtain a series of successive light measurement values for the different samples almost simultaneously.
  • the radiation is transmitted by means of a light guide bundle, which is formed in a funnel shape as a so-called "taper", the larger end face of which covers the sample arrangement and the smaller end face of which covers the image recording area.
  • the object of the invention is to provide a technique which can be used with less equipment than before in order to obtain data about the reaction kinetics by photometric observation of a multiplicity of measuring sites quasi-in parallel with high temporal resolution and good measuring sensitivity, where neither the resolution nor the total measurement time depends significantly on the number of measurement locations. This object is achieved by the method described in claim 1 and by the apparatus described in claim 12.
  • An apparatus contains an image recording device for transmitting radiation from different measuring locations of a sample arrangement to different locations of an image recording surface and for cyclical scanning of the image recording surface in order to obtain a series of successive light measurement values for different image locations, and processing means for separate evaluation of those for the different ones Image locations received measured light values.
  • the image pick-up device contains a lens which images the overall view of the sample arrangement onto the image pick-up surface
  • the processing means contain a device for superimposing a virtual mask with a plurality of openings on the image signals generated during the scanning, each of which has a number of pixels from it Delimiting a respectively assigned copy of the measuring locations.
  • the processing means are designed to derive and evaluate the rows of successive light measurement values assigned to the measurement sites concerned from these delimited pixel quantities.
  • this delimitation takes place by means of image processing software, by superimposing a virtual network as a mask, the shape of which corresponds to the respective format of the vessel. arrangement is adjusted.
  • the mask ensures that the light signals are evaluated on the basis of measured values which are derived from components of image signals which are generated during the cyclic raster scans of the image recording area each time the raster regions containing the individual measurement site images are scanned.
  • Such a mask can be called up from a supply of pre-stored masks; however, it can also be redefined on a case-by-case basis while observing the overall picture of the sample arrangement. With real-time evaluation, the mask must of course be defined before starting the reactions.
  • the sample arrangement can consist of a large number of samples which are located in assigned separate reaction vessels, for example in the cavities of a titer plate.
  • a preferred embodiment of the invention consists in evaluating the light measurement values selected by mask overlay in order to determine the kinetic constants of the reactions which take place in the different samples.
  • there can be parallax effects because different samples naturally differ due to their differently wide displacement with respect to the optical axis different viewing angles can be "seen" by the lens.
  • the parallax inevitably influences the amount of light received on the image recording surface and thus has the effect that the absolute values of the detected light signals from samples at the edges of the visual field are subject to a different scale factor than the light signals from centrally located samples.
  • the series of measured values obtained for the individual samples are therefore not only dependent on the course of the reaction in the sample, but are also subject to a scale dependent on the location of the sample because of the parallax.
  • the sample arrangement is provided as a plurality of samples in associated reaction vessels and each containing a composition which leads to a first-order reaction, and the superimposed mask is designed so that each of its openings is a Defines the amount of pixels from the illustration of a respectively assigned copy of the samples. The series of successive measured values derived from each delimited number of pixels is used to determine the Kinetic constant of the reaction evaluated according to the first-order time law in the sample in question.
  • the determination of the kinetic constant amounts to determining the time constant of an exponential function. This time constant is independent of any "scale factors”. That is, in contrast to
  • the subsequent definition of the virtual mask is also of particular advantage if, for example, when a cell culture is plated onto a solid culture medium, the position of the growing cultures develops in a random, unpredictable manner.
  • any device can be used as the image recording device which is capable of recording successive individual images of the sample arrangement in such a way that processable image signals can be derived therefrom.
  • a video camera is preferably used, which is operated during the expected reaction time in the usual manner for the periodic scanning of its image grid in order to evaluate the ones to be evaluated
  • the measured values to be used for evaluation can be derived "live” in real time from image signals while the camera is in operation; the measured values can, however, which is preferable in some cases, be derived from a recording of the electrical image signals.
  • a photosensitive medium such as e.g. record a film, which is then scanned (after development and fixing) to generate processable electrical signals by means of a scanner.
  • Fig. 1 shows schematically, partly in block form, an example of the construction of an apparatus for performing the method according to the invention
  • FIG. 2 schematically shows the top view of the cavities of a titer plate as an example of a typical arrangement of a large number of reaction vessels;
  • FIG. 3 shows the shape of a virtual mask for imaging the vessel arrangement according to FIG. 2;
  • FIG. 5 shows an enlarged illustration of a pattern of how it can form in the course of a reaction in a single reaction vessel.
  • FIGS. 6 and 7 show an example of the formation of cell cultures in a reaction vessel and the arrangement of suitable mask openings for their observation.
  • the apparatus shown in FIG. 1 contains a vessel device designated overall by 10, in the case shown having a large number of reaction vessels 11 (shown in a sectional view).
  • the reaction vessels 11 contain samples 12 of compositions in which reactions take place which are to be monitored photometrically in order to register light signals which are characteristic of the reaction processes.
  • the vessel device 10 can be a titer plate, the cavities of which form the reaction vessels 11. Any arrangement of other reaction vessels can also be used, for example an arrangement of individual cuvettes or a carrier material such as a cellulose matrix in which individual spots form the reaction vessels.
  • Each of the vessels or each spot forms a separate, discrete measuring location for a photometric measurement to be carried out.
  • each vessel can in turn contain a sum of discrete measuring locations, which are selective with delimit and evaluate a virtual mask in a captured image.
  • the vessel device 10 can also be a single vessel for receiving a sample, in which reactions with different kinetics can take place at different points. In this case, the locations of the sample to be monitored form discrete measuring locations.
  • the apparatus shown in the drawing also contains an illumination device 31, 32 in order to irradiate the measurement locations in the vessel device 10 in such a way that the reaction processes can be observed using light signals.
  • the type of lighting is selected depending on what type of light appearance or optical property is to be used as an indication for the progress of the reactions taking place.
  • the camera 20 is provided with four lamps 31 offset by 90 ° (of which only the two front ones can be seen), which irradiate the samples 12 from above, and a lamp 32 which is arranged under the (transparent) vascular device 10 and which irradiates the samples 12 from below.
  • Another geometry suitable for light measurement can also be selected for the arrangement of the illumination source (s).
  • a suitable stimulating radiation is used for the illumination, e.g. UV light, preferably from all lamps 31 and 32
  • filters can be used, preferably focus filters (eg transmission range between 280 and 360 nm) on the UV lamps (not shown) and a focus filter 22 (eg 430 ⁇ 10 nm) for transmitting the luminescent light in front of the camera lens 21 ,
  • the samples can be illuminated by visible light.
  • incident light using lamps 31 and / or with transmitted light using lamp 32.
  • lamp 32 is preferably used as the transmitted light illumination source.
  • filters if necessary adapted to the respective dye, can also be used on the lamps or in front of the camera lens.
  • any desired color selection can also be carried out electronically during signal processing by appropriate relative weighting of the primary color components of the color image signal (e.g. the red, green and blue components in an RGB video signal).
  • the apparatus shown in the drawing further includes a computer 40, a monitor 50 and a recording and playback device 60 for video signals.
  • the video signal output of camera 20 leads to device 60 and from there to video signal inputs of monitor 50 and computer 40.
  • the computer 40 contains processors 41 and storage devices 42 for program-controlled processing and evaluation of the video signals.
  • An input device generally shown as block 70, contains means for user input (keyboard, mouse) on the computer 40.
  • Further peripheral devices represented by block 80, can output devices such as e.g. contain a printer or additional data carrier.
  • the usual data communication connection is provided between the computer 40 and the monitor 50 in order to process image signals, graphics processed by the computer as results of the evaluation of video signals and icons, command and display fields, masks, windows, messages, menus and the like generated by the computer. the like play.
  • the vascular device 10 is filled with the sample (s) to be observed and brought into the field of view of the video camera 20, and if desired the lighting 31 and / or 32 and the video camera 20 are switched on.
  • the image seen by the camera 20 after it is switched on is reproduced on the screen of the monitor 50.
  • a freely defined virtual network can be created as a template or mask and positioned on the screen such that the inside of the network openings or the Frame "meshes" of the network image sections, each of which defines a measurement location as an area on the screen.
  • the type of geometry of these surfaces can be of any type, for example circular or rectangular.
  • FIG. 3 shows an example of a virtual network 90 in the form of a mask with 24 square partial areas 91, which represent individual mask openings.
  • This network 90 is designed to be superimposed on the image of the vascular device 10 according to FIG. 2.
  • Each network area 91 corresponds to a "measurement site", i.e. it defines an image area which corresponds to an area of the samples contained in the vessels 11 to be evaluated.
  • the values of several or all pixels of the individual network areas 91 can each be integrated using customary algorithms. Since each network area corresponds to a measurement location, the integrated data from each individual area per raster scanning period (full video image) represent a light measurement value from the measurement location in question. Data can also be integrated over several full-screen periods to form a light measurement value. By gradually evaluating the video images, chronologically ordered series of measured values can be obtained, with which the kinetics of the chemical reaction, which takes place in all reaction vessels, can be described.
  • kinetic constants can be calculated from these measurement data, which can be stored for further evaluations or displayed graphically.
  • a graphical representation can also be reproduced on the screen of the monitor 50.
  • the calculated measured value curves can each be reproduced in their own small field on the screen image, these graphic images preferably being arranged in the same spatial arrangement relative to one another as corresponds to the arrangement of the measurement locations.
  • the amount of graphic images can either be displayed on the screen or in a separate section of the screen next to the measurement location.
  • the samples are provided in the reaction vessels 11 by choosing the concentration ratios so that first-order reactions take place, which lead to non-linear measured value curves according to exponential functions. In this case, as explained above
  • reaction order the individual measurement values (data points) can be obtained non-equidistantly if desired, adapted to the non-linearity in accordance with the reaction order and the size of the reaction constant.
  • FIG. 4 An example of a non-equidistant measurement is qualitatively illustrated in FIG. 4. This figure shows the time course of the light intensity L observable on a sample in the case of a first-order reaction. The measured variable rises steeply after the start of the reaction and then becomes increasingly flatter. For precise evaluation, a high temporal resolution of the measurement is sufficient only in the areas of steep increases, while in other areas one can be content with a lower resolution in order to reduce the amount of data.
  • the principle shown in FIG. 4 follows this principle in that the time intervals of the measurement taking at the beginning of the reaction are selected to be very small and then increasingly larger, as the discrete points in FIG. 4 illustrate purely qualitatively.
  • a time interval of 0.4 seconds can be selected at the beginning, which is gradually increased to about 80 seconds until the end of the reaction in order to obtain only about 500 measured values in total ( instead of 2250 measured values in the case of a continuous, unchanged time resolution of 0.4 seconds).
  • a 96 x 140 mm carrier material (cellulose, Whatman 540) is used to form the reaction vessels, on which a peptide library of the sequence QUE-XaaXaaF-FLU-Z, in the QUE as a fluorescence quencher, Xaa as a possible natural amino acid and FLU serve as a fluorogen, is synthesized in a spot matrix of 400 (20x20 spots).
  • a trough under the carrier material and above it are a commercially available color video camera 20 at a distance of 30 cm and four UV lamps to the side of it 31 (as shown in the drawing) are attached.
  • a focus filter 22 (430 ⁇ 15 nm) is attached directly in front of the camera lens 21.
  • the tub is filled with 10 ml of a buffered chymotrypsin solution (0.1 mg / ml chymotrypsin; 0.1 M phosphate buffer pH 7.8).
  • the reaction is started by immersing the spot matrix in the chymotrypsin solution.
  • the increase in fluorescence due to chymotryptic hydrolysis is determined by means of the video camera 20 at an image refresh rate of 20 full images
  • a virtual network of 20 by 20 individual areas is arranged on the screen of the monitor 50 in such a way that representative circular areas of the 400 spots are delimited.
  • the comparison of the synthesized peptide sequences with the calculated kinetic constants allows conclusions to be drawn about the substrate specificity of the protease used.
  • a titer plate with 96 cavities is used here as an arrangement of reaction vessels.
  • 137 ⁇ l of a solution of 7 ⁇ l serum, 50 ⁇ l substrate solution (123 mg / L succinyl-Phe-Pro-Phe-4-nitroanilide in 35 mmol / L HEPES buffer, pH 7.8) and 80 ⁇ l chymotrypsin are placed in the wells Solution (1 g / L chymotrypsin in 35 mmol / L HEPES buffer, pH 7.8) is pipetted.
  • the reaction is started by adding the 50 ⁇ l substrate solution simultaneously to all wells using a commercially available pipetting system.
  • the titer plate is uniformly illuminated from below by means of white light (for example by the lamp 32 in the apparatus shown in the drawing).
  • the change in light absorption is recorded by means of video camera 20 at a refresh rate of 20 frames per second for 20 minutes after the start of the reaction.
  • the suitable light signal is obtained by connecting a focus filter 22 (390 ⁇ 5 nm) upstream of the optics 21 of the video camera 20.
  • a still image of the 96 cavities is generated on the screen of the monitor 50, and a virtual network of 8 by 12 individual areas is arranged on the screen in such a way that representative areas of the 96 spots are separated be delimited.
  • the change in the light absorption of all 96 cavities is recorded by integrating 3 by 3 pixels per individual area.
  • the reaction can be evaluated in accordance with a "first order" concentration-time law.
  • the reaction rate constants are in the range between 4-10 ⁇ and 3-10 -2 per second.
  • data collection rates are used which correspond to the following time law:
  • AI, A2, A3, A4, A5, A6 stand for peptides, but preferably amino acids, but also compounds that can be incorporated within peptide chains and fluoresce when excited with a suitable wavelength, or also compounds that have the appropriate geometry and suitable Distance from the fluorescent compound quench this fluorescence
  • a special characteristic of these substrates is that, under suitable conditions, a temporarily stable connection can form between chemical functionalities, which can lead to ring closure, which include the amino acid proline.
  • This ring closure leads to the special property of these substrates that the concentration of the conformation of the peptidyl-prolyl bond this ring differs from the concentration that this substrate forms without such a ring in aqueous solutions with physiological properties.
  • Another special feature of these substrates is the property that this molecular geometry difference between open-chain and ring-shaped structure leads to a difference in fluorescence.
  • the ring can be opened by physical methods, for example by a flash of light if the ring closure is sensitive to light, but it can also be triggered by chemical reagents (starters) if the ring closure has chemically sensitive groups such as protease-sensitive interfaces , If the ring is opened so quickly by a suitable experimental arrangement that the setting of the conformer equilibrium becomes speed-determining, its catalysis can be observed on the basis of the change in fluorescence.
  • starters chemical reagents
  • the enzymatic catalysis is carried out by adding 10 ⁇ l of a solution of cyclophylin as peptidylprolyl cis / trans isomerase.
  • the ring can be opened in each cavity within 7 seconds.
  • the necessary quick mixing is achieved within this time using a non-contact method.
  • the starter is added by means of a 16-fold dosing device sequentially in successive 16 rows of cavities, within a time of 4 seconds for all 16 by 24 cavities.
  • the respective 16 series comes to the evaluation within 3 seconds after the start of the reaction.
  • all cavities are measured over a period of 20 minutes in accordance with the spectroscopic conditions as in Example 1 and with a data collection rate which varies similarly as shown in FIG. 4, in accordance with a first-order time law on the basis of a speed constant of 4- 10 ⁇ 3 s -1 and a total of 999 measurements per cavity.
  • the top view of the titer plate is recorded by the video camera 20 and displayed as an overall image on the monitor 50. Via this image, a virtual network of 16 by 24 rectangular individual areas is arranged on the screen such that they each delimit a section of the sample images in the cavities 11 of the titer plate.
  • Example 3 corresponds essentially to Example 3. However, it demonstrates in a special way the use of the measurement method within a mass screening ("high throughput").
  • a new measuring cycle begins.
  • the preparation of the titer plate involves pipetting in all the necessary reagents in the appropriate amounts so that the reaction to be assessed can be started by adding a starting reagent. The following steps then run automatically without manual intervention:
  • the titer plate is sequentially provided with a starting reagent.
  • the individual cavities of the titer plate are rested homogeneously mixed by adding a pulsed air stream.
  • the titer plate moves directly into the zone of observation, i.e. m the field of view of the camera 20. 4. The automatic movement of the titer plate takes place
  • Reading of the titer plate identifier using a bar code reader Reading of the titer plate identifier using a bar code reader.
  • the measurement signals are registered over 20 minutes, as described in Example 3. 6.
  • the 383616 original measurement data (16 times 24 times 999) are automatically stored on a data carrier (server) by the computer 40 as a data file, which can be recognized by the titer plate coding and the date.
  • the results relating to the cavity are likewise automatically stored on a data carrier (server) by the computer 40 as a data file which can be recognized by the titer plate coding and the date.
  • non-plausible measurements in particular those with unexpectedly extreme measured values
  • those for which an evaluation criterion in the sense of a so-called "hit" has been fulfilled are output on a connected printer.
  • the titer plate is moved out of the observation zone and removed from the measuring slide using suitable aids. 11. The next cycle is started by feeding another titer plate.
  • each check of the checkered line pattern means e.g. a pixel (or a defined pixel group) of the mask opening 91 shown in FIG. 3 (from FIG. 3), which delimits the measurement location showing the agglutination structure.
  • agglutination center Z which represents the density center
  • the density distribution can be determined depending on the radius (i.e. as a function of the distance from the center of the density). From the staggered calculations This density distribution can thus be used to determine a measure of the agglutination rate, also based on the size of the agglutination yard.
  • the different discrete measurement locations can also be different areas of a sample in a single reaction vessel, the virtual mask being adaptable from case to case in such a way that measurement values are only derived for those areas of the sample which show a reaction to be evaluated.
  • FIGS. 6 and 7. show the image of a reaction vessel 11 after the end of a reaction time in which a large number of discrete cell cultures, which can be recognized as spots, have developed.
  • a mask is defined on the screen, the openings 91 of which delimit the individual cultures. The recording of the image sequence is then played back again, and the image signals selected in accordance with the mask openings are evaluated.
  • the detection of the spots and the placement of the mask openings can also take place automatically using suitable image processing software.
  • suitable image processing software For the evaluation, one can work with global measurement values for each measurement location by spatially integrating the measurement location pixels, or else with sets of spatially resolved local measurement values for pattern analysis, as described above.
  • the present invention can also be implemented with image recording devices which do not themselves convert image information into electrical signals, but e.g. Record on photographic media.
  • the image signals to be processed are obtained by scanning these image carriers using a suitable scanner (e.g. using a film scanner if the image carrier is a photographic cinema film).

Abstract

According to the invention, in order to obtain data which provides information about the reaction process of reactants in a sample assembly which contains one or more samples (12) prepared simultaneously from compositions, the reaction processes are optically monitored at a large number of different measurement points on the sample assembly and the light signals which are detected in this procedure are evaluated. In order to detect said light signals, the global view of the sample assembly is directly displayed on the image-recording surface of an image-recording device (20), using a lens (21). The image-recording surface is scanned in a cyclic manner and a virtual mask is superposed onto the image signals obtained in the scanning process, in order to select the measurement values to be used in the evaluation. The openings in said mask each delimit a quantity of pixels for each measurement point image. The measurement value sequence for the relevant measurement point which is to be evaluated, is subsequently derived from each of these pixel quantities.

Description

Bezeichnung der Erfindung: Title of the invention:
Verfahren und Apparatur zum Gewinnen von Daten für die Bestimmung der ReaktionskinetikMethod and apparatus for obtaining data for the determination of reaction kinetics
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Apparatur zum Gewinnen von Daten, die Aufschluß geben über den Ablauf der Reaktionen von Reaktanten an unterschiedlichen Meßorten in einer oder mehreren Proben von Zusammensetzungen.The invention relates to a method and an apparatus for obtaining data which provide information about the course of the reactions of reactants at different measuring sites in one or more samples of compositions.
Die Kinetik chemischer Reaktionen wird üblicherweise anhand meßbarer physikalischer Eigenschaften verfolgt, die sich abhängig von der Konzentration bestimmter Reaktanten oder des Endproduktes der Reaktion in der jeweils beobachteten Zusammensetzung ändern. Gebräuchlich sind insbesondere photometrische Messungen im Bereich sichtbaren oder ultravioletten Lichtes zur Erfassung von Fluoreszenz, Lumineszenz und opti- scher Eigenschaften wie z.B. des Lichtabsorptionsvermögens in ausgewählten Spektralbereichen, häufig unter Verwendung von Indikatorfarbstoffen. Um das jeweils zu messende Licht hervorzurufen, kann die beobachtete Probe der Zusammensetzung mit anregender Strahlung (z.B. UV-Licht zur Anregung von Fluoreszenz oder Lumineszenz) oder mit dem erforderlichenThe kinetics of chemical reactions are usually tracked on the basis of measurable physical properties which change depending on the concentration of certain reactants or the end product of the reaction in the composition observed in each case. In particular, photometric measurements in the range of visible or ultraviolet light are used to detect fluorescence, luminescence and optical properties such as e.g. of light absorption in selected spectral ranges, often using indicator dyes. In order to produce the light to be measured in each case, the observed sample of the composition can be excited with radiation (e.g. UV light to excite fluorescence or luminescence) or with the necessary one
Einfallslicht (zur Messung der Absorption) bestrahlt werden. Das zu messende Licht kann aber auch Licht sein, das in der Zusammensetzung originär erzeugt wird und dessen Intensität sich in charakteristischer Weise während des Reaktionsablaufs ändert, wie dies als Chemolumineszenz bekannt ist.Incident light (to measure the absorption) are irradiated. However, the light to be measured can also be light that is originally generated in the composition and whose intensity changes in a characteristic manner during the course of the reaction, as is known as chemiluminescence.
Wird die Reaktion in einem einzigen Reaktionsgefäß untersucht, kann das der Reaktion entsprechende physikalische Signal in einfacher Weise unter ununterbrochener Beobachtung durch ein Photometer unmittelbar registriert werden. Soll die Reaktion im Sinne eines großen Durchsatzes, wie es im Rahmen von Suchtests (Screening) notwendig ist, mehrfach mit unterschiedlicher Zusammensetzung untersucht werden, bedient man sich üblicherweise sequentieller Verfahren unter Verwendung mehrerer Reaktionsgefäße. Als Reaktionsgefäße werden übli- cherweise handelsübliche Küvetten, Mikrotiterplatten aber auch verschiedene Trägermaterialien genutzt, die sowohl einer kinetischen Signalregistrierung zugänglich als auch zur Durchführung der chemischen Reaktion geeignet sind.If the reaction is examined in a single reaction vessel, the physical signal corresponding to the reaction can be registered directly in a simple manner under continuous observation by a photometer. If the reaction is to be examined several times with different compositions in the sense of a high throughput, as is necessary in the context of search tests (screening), sequential methods are usually used using several reaction vessels. Commercially available cuvettes, microtiter plates, but also various carrier materials are usually used as reaction vessels, which are both accessible to kinetic signal registration and are suitable for carrying out the chemical reaction.
Bei einer ersten Variante sequentieller Verfahren läßt man die chemische Reaktion nacheinander in den verschiedenen Reaktionsgefäßen ablaufen, und das zur Lichtmessung verwendete Photometer wird nacheinander an den einzelnen Gefäßen eingesetzt. Die zur Bewertung einer chemischen Reaktion in einem Reaktionsgefäß notwendige Registrierdauer wird also vollständig für die Registrierung nur dieser Reaktion aufgewendet. Nach Beendigung dieser Registrierung wird der Vorgang separat mit dem nächsten Reaktionsgefäß durchlaufen. Dies wird wiederholt, bis die Reaktion in allen Reaktionsgefäßen registriert wurde. Die Gesamtmeßzeit dieser Verfahren setzt sich hier hauptsächlich zusammen aus der Summe aller einzelnen Registrierdauern. Die Anzahl der Meßpunkte je Zeiteinheit, die zur Auswertung der kinetischen Reaktion zur Verfügung stehen, wird ausschließlich durch das Meßgerät bestimmt und liegt bei gebräuchlichen Photometern im Bereich von 10 bis 100 Meßpunkten je Sekunde. Nachteil dieses Verfahrens ist die notwendige lange Meßzeit für eine große Anzahl von Proben.In a first variant of sequential processes, the chemical reaction is allowed to take place in succession in the different reaction vessels, and the photometer used for light measurement is used in succession on the individual vessels. The registration time required for evaluating a chemical reaction in a reaction vessel is therefore fully used for the registration of this reaction only. After this registration has been completed, the process is carried out separately with the next reaction vessel. This is repeated until the reaction has been registered in all reaction vessels. The total measuring time of these methods is mainly composed of the sum of all individual registration periods. The number of measuring points per unit of time available for evaluating the kinetic reaction is determined exclusively by the measuring device and, in the case of conventional photometers, is in the range from 10 to 100 measuring points per second. The disadvantage of this method is the long measurement time required for a large number of samples.
Bei anderen sequentiellen Verfahren wird, zur Verkürzung der Gesamtmeßzeit, die zu beobachtende Reaktion in allen Reaktionsgefäßen so zeitversetzt gestartet, daß während Reaktionsablaufes in einem Reaktionsgefäß bereits die Reaktion im jeweils nächsten Reaktionsgefäß beginnt. Die Reaktionsabläufe werden hierbei beobachtet, indem die jeweiligen Meßorte, also die einzelnen Reaktionsgefäße, nacheinander, entsprechend dem Maß der Startzeitversetzung, vom Photometer zur Meßwertnah e anvisiert werden und diese Folge zyklisch wiederholt wird, bis zum Ende der zuletzt gestarteten Reaktion. Die Gesamtmeßzeit dieser Verfahren setzt sich hauptsächlich zusammen aus der Zeitdifferenz zwischen dem Meßbeginn am ersten Meßort und dem Meßbeginn am letzten Meßort (Summe der Startzeitversetzungen) und der Meßdauer für eine einzelne Reaktion.In other sequential processes, in order to shorten the total measuring time, the reaction to be observed is started in such a time-delayed manner in all reaction vessels that during the course of the reaction in one reaction vessel the reaction already begins in the next reaction vessel. The reaction sequences are observed by targeting the respective measuring locations, i.e. the individual reaction vessels, one after the other, according to the degree of the start time offset, from the photometer to the measured value and repeating this sequence cyclically until the end of the last started reaction. The total measuring time of these methods mainly consists of the time difference between the start of measurement at the first measurement location and the start of measurement at the last measurement location (sum of the start time offsets) and the measurement duration for a single reaction.
Während das zuletzt beschriebene Verfahren die Gesamtmeßzeit also deutlich verkürzen kann, ist die zeitliche Auflösung der Messungen begrenzt durch die Geschwindigkeit, mit welcher von Meßort zu Meßort gegangen werden kann. Gebräuchliche Photometer erreichen bei der Registratur von Kinetiken in Titerplatten mit 96 Kavitäten Geschwindigkeiten von bis zu 2 Meßpunk- ten je Sekunde. Hinzu kommt, daß der zeitliche Abstand zwischen au einanderfolgenden Meßwertnahmen am jeweils selben Meßort von der Anzahl der Meßorte (also der Anzahl der Reaktionsgefäße) abhängt. Die Anzahl der Meßwertnahmen je Zeiteinheit bestimmt aber bei vorgegebenem Meßsignal im wesentlichen die Qualität der Beurteilung der registrierten chemischen Reaktion.While the method described last can thus significantly shorten the total measuring time, the temporal resolution of the measurements is limited by the speed with which one can go from measuring location to measuring location. Conventional photometers achieve speeds of up to 2 measuring points per second when registering kinetics in titer plates with 96 cavities. In addition, the time interval between successive measurements at the same measuring location depends on the number of measuring locations (ie the number of reaction vessels). However, the number of measurements taken per unit of time essentially determines the quality of the assessment of the registered chemical reaction for a given measurement signal.
Die vorstehend erwähnten Einschränkungen gelten für alle Verfahren, bei denen verschiedene Meßorte in einer optisch zu überwachenden Probenanordnung nacheinander ausgewählt werden durch mechanische Relativbewegung zwischen dieser Anordnung und einer Photodetektoreinrichtung. Bekannte Verfahren dieser Art sind z.B. in der EP 0 841 557 A2 und in der DE 38 36 716 AI beschrieben.The above-mentioned restrictions apply to all methods in which different measuring locations in a sample arrangement to be optically monitored are selected one after the other by mechanical relative movement between this arrangement and a photodetector device. Known methods of this type are described, for example, in EP 0 841 557 A2 and in DE 38 36 716 AI.
Neben den oben behandelten sequentiellen Verfahren sind auch parallele oder quasi-parallele Verfahren bekannt. Bei einem in der DE 197 48 211 AI beschriebenen parallelen Verfahren wird jedem Exemplar einer Mehrzahl von Proben ein eigenes Linsensystem zugeordnet, welches eine Abbildung eines Teils der betreffenden Probe erzeugt. Jedes dieser Linsensysteme besteht aus einer dicht an der betreffenden Probe angeordneten Minilinse, welche ein Bild des interessierenden Teils der Probe in einer Zwischenebene erzeugt, und jedes dieser Zwischenbilder wird auf ein jeweils zugeordnetes CCD-Element abgebildet, mittels einer gemeinsamen Feldlinse. Die Kanaltrennung, d.h. die Zuordnung der gewonnenen Lichtmeßwerte zu den einzelnen Proben, wird durch die räumliche Relation zwischen Probenanordnung und CCD-Elementen und durch die gesplittete Konstruktion und die körperliche Ausrichtung des optischen Systems festgelegt.In addition to the sequential methods discussed above, parallel or quasi-parallel methods are also known. In a parallel method described in DE 197 48 211 A1, each specimen of a plurality of samples is assigned its own lens system, which produces an image of part of the sample in question. Each of these lens systems consists of a mini lens arranged close to the sample in question, which generates an image of the part of the sample of interest in an intermediate plane, and each of these intermediate images is imaged on a respectively assigned CCD element by means of a common field lens. The channel separation, i.e. the assignment of the light measurement values obtained to the individual samples is determined by the spatial relationship between the sample arrangement and CCD elements and by the split construction and the physical orientation of the optical system.
Bei quasi-parallelen Verfahren wird zur Detektion der Lichtsignale Strahlung aus verschiedenen Proben an unterschiedliche Orte der Bildaufnahmefläche einer Bildaufnahmeeinrichtung übertragen, die während der zu erwartenden Dauer der Reaktionen zyklisch abgetastet wird, um für die verschiedenen Proben nahezu gleichzeitig jeweils eine Reihe aufeinanderfolgender Lichtmeßwerte zu erhalten. In einer bekannten Ausführungsform, wie sie in der DE 197 45 373 AI beschrieben ist, erfolgt die Übertragung der Strahlung mittels eines Lichtleiterbündels, das trichterförmig als sogenannter "Taper" ausgebildet ist, dessen größere Stirnseite die Probenanordnung abdeckt und dessen kleinere Stirnseite die Bildaufnahmefläche abdeckt.In the case of quasi-parallel methods, radiation from different samples is transmitted to different locations of the image recording area of an image recording device for the detection of the light signals, which is scanned cyclically during the expected duration of the reactions in order to obtain a series of successive light measurement values for the different samples almost simultaneously. In a known embodiment, as described in DE 197 45 373 AI, the radiation is transmitted by means of a light guide bundle, which is formed in a funnel shape as a so-called "taper", the larger end face of which covers the sample arrangement and the smaller end face of which covers the image recording area.
Diese bekannten parallelen und quasi-parallelen Verfahren haben mehrere Nachteile. Erstens muß für die räumliche Anordnung der Reaktionsgefäße bzw. Meßorte ein bestimmtes Format vorgegeben werden. Dies bringt Probleme, wenn die Anordnung von Reaktionsgefäßen verändert werden soll oder wenn sich die räumlichen Anordnungen der Proben in nicht vorhersehbarer Weise ändern. Dies kann z.B. bei Verwendung von Trägermaterialien wie Zellulosematrizen, bei denen einzelne Spots als Reaktionsgefäße bzw. Meßorte benutzt werden, durch die Einwirkung wäßriger Medien auf diese Trägermaterialien in unerwünschter Weise vorkommen. Des weiteren ist in den bekannten Fällen der apparative Aufwand für die Kanaltrennung, also das Splitten der Lichtübertragung über getrennter Linsensysteme oder Lichtleiter, recht groß und teuer. Auch leidet die Meßempfindlichkeit, weil zwangsläufig nur Teilaus- schnitte jedes Meßortes auf der Bildaufnahmefläche abgebildet werden und darüberhinaus die getrennten Lichtübertragungswege relativ viel Licht verschlucken, was die nutzbare Lichtausbeute vermindert .These known parallel and quasi-parallel methods have several disadvantages. First, a certain format must be specified for the spatial arrangement of the reaction vessels or measuring locations. This creates problems when the arrangement of reaction vessels is to be changed or when the spatial arrangements of the samples change in an unpredictable manner. For example, when using carrier materials such as cellulose matrices, in which individual spots are used as reaction vessels or measuring locations, this can occur in an undesirable manner due to the action of aqueous media on these carrier materials. Furthermore, in the known cases, the outlay in terms of apparatus for channel separation, that is to say the splitting of light transmission via separate lens systems or light guides, is quite large and expensive. The measurement sensitivity also suffers because inevitably only partial sections of each measurement location are imaged on the image recording surface and, moreover, the separate light transmission paths swallow a relatively large amount of light, which reduces the usable light yield.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Technik vorzusehen, die mit weniger apparativem Aufwand als bisher auskommen kann, um Daten über die Reaktionskinetik durch photometrische Beobachtung einer Vielzahl von Meßorten quasi-paral- lel mit hoher zeitlicher Auflösung und guter Meßempfindlich- keit zu gewinnen, wobei weder die Auflösung noch die Gesamtmeßzeit nennenswert von der Anzahl der Meßorte abhängt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren und durch die im Anspruch 12 beschriebene Apparatur gelöst.The object of the invention is to provide a technique which can be used with less equipment than before in order to obtain data about the reaction kinetics by photometric observation of a multiplicity of measuring sites quasi-in parallel with high temporal resolution and good measuring sensitivity, where neither the resolution nor the total measurement time depends significantly on the number of measurement locations. This object is achieved by the method described in claim 1 and by the apparatus described in claim 12.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Gewinnung von Daten, die Aufschluß geben über den Ablauf der Reaktionen von Reaktanten in einer Probenanordnung, welche eine oder mehrere gleichzeitig bereitgestellte Proben von Zusammensetzungen enthält, durch optische Überwachung derThe invention accordingly relates to a method for obtaining data which provide information about the course of the reactions of reactants in a sample arrangement which contains one or more simultaneously provided samples of compositions by optical monitoring of the
Reaktionsabläufe an einer Vielzahl unterschiedlicher Meßorte in der Probenanordnung und Auswertung der dabei detektierten Lichtsignale, wobei zur Detektion der Lichtsignale Strahlung aus den unterschiedlichen Meßorten an unterschiedliche Orte der Bildaufnahmefläche einer Bildaufnahmeeinrichtung übertra- gen wird, die während der zu erwartenden Dauer der Reaktionen zyklisch abgetastet wird, um für verschiedene Bildorte jeweils eine Reihe aufeinanderfolgender Lichtmeßwerte zu erhalten. Erfindungsgemäß wird die Gesamtansicht der Probenanordnung über ein Objektiv der Bildaufnahmeeinrichtung auf die Bildaufnahmefläche abgebildet, und zur Auswahl der für dieReaction processes at a variety of different measuring locations in the sample arrangement and evaluation of the light signals detected in the process, radiation for the detection of the light signals being transmitted from the different measuring locations to different locations of the image recording surface of an image recording device, which is scanned cyclically during the expected duration of the reactions in order to obtain one for different image locations To obtain a series of successive light measurements. According to the invention, the overall view of the sample arrangement is imaged onto the image recording surface via a lens of the image recording device, and for the selection of those for the
Auswertung herangezogenen Lichtmeßwerte wird den Bildsignalen der aufgenommenen Bilder eine virtuelle Maske überlagert, deren Öffnungen jeweils eine Menge von Pixeln jeder Meßortabbildung abgrenzen. Aus jeder dieser Pixelmengen wird die Reihe aufeinanderfolgender Lichtmeßwerte des betreffenden Meßortes für die Auswertung abgeleitet.Evaluation of the light measurement values used is superimposed on the image signals of the recorded images by a virtual mask, the openings of which each delimit a set of pixels of each measurement location image. The series of successive light measurement values of the relevant measurement location is derived from each of these pixel sets for the evaluation.
Eine erfindungsgemäße Apparatur enthält eine Bildaufnahmeeinrichtung zum Übertragen von Strahlung aus unterschiedli- chen Meßorten einer Probenanordnung an unterschiedliche Orte einer Bildaufnahmefläche und zum zyklischen Abtasten der Bildaufnahmefläche, um für verschiedene Bildorte jeweils eine Reihe aufeinanderfolgender Lichtmeßwerte zu erhalten, und Verarbeitungsmittel zur getrennten Auswertung der für die verschiedenen Bildorte erhaltenen Lichtmeßwerte. Erfindungsgemäß enthält die Bildaufnahmeeinrichtung ein Objektiv, das die Gesamtansicht der Probenanordnung auf die Bildaufnahmefläche abbildet, und die Verarbeitungsmittel enthalten eine Einrichtung, um den bei der Abtastung erzeugten Bildsignalen eine virtuelle Maske mit einer Vielzahl von Öffnungen zu überlagern, deren jede eine Menge von Pixeln aus der Abbildung eines jeweils zugeordneten Exemplars der Meßorte abgrenzt. Die Verarbeitungsmittel sind ausgebildet, um aus diesen abgegrenzten Pixelmengen die den betreffenden Meßorten zugeordneten Reihen aufeinanderfolgender Lichtmeßwerte abzuleiten und auszuwerten. Vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.An apparatus according to the invention contains an image recording device for transmitting radiation from different measuring locations of a sample arrangement to different locations of an image recording surface and for cyclical scanning of the image recording surface in order to obtain a series of successive light measurement values for different image locations, and processing means for separate evaluation of those for the different ones Image locations received measured light values. According to the invention, the image pick-up device contains a lens which images the overall view of the sample arrangement onto the image pick-up surface, and the processing means contain a device for superimposing a virtual mask with a plurality of openings on the image signals generated during the scanning, each of which has a number of pixels from it Delimiting a respectively assigned copy of the measuring locations. The processing means are designed to derive and evaluate the rows of successive light measurement values assigned to the measurement sites concerned from these delimited pixel quantities. V orteilhafte embodiments and embodiments of the invention are characterized in the subclaims.
Mit der Erfindung lassen sich mit einfacher, wenig aufwendiger Optik Lichtsignale von einer Vielzahl verschiedener Meßorte nahezu gleichzeitig und in schneller Folge registrieren und auswerten. Da die Kanaltrennung bzw. Zuordnung der detek- tierten Lichtsignale zu den einzelnen Meßorten mit Hilfe ei- ner virtuellen Maske erfolgt, bedarf es keines gesplitteten optischen Systems wie Minilinsen-Arrays oder Lichtleiterbündel im Lichtübertragungsweg zwischen Probenanordnung und Bildaufnahmefläche. Es genügt die erfindungsgemäße Abbildung der Gesamtansicht der Probenanordnung allein über ein einzi- ges Objektiv, d.h. es genügt ein konventionelles Objetivlin- sensystem, wie es bei Kameras üblich ist, ohne Zerteilung des Lichtstroms in getrennt geführte Strahlenbündel. Somit gibt es auch keine Ausrichtprobleme bei Änderung der Geometrie der Probenanordnung .With the invention, light signals from a multiplicity of different measuring locations can be registered and evaluated almost simultaneously and in rapid succession with simple, less complex optics. Since the channel separation or assignment of the detected light signals to the individual measurement locations is carried out with the aid of a virtual mask, no split optical system such as mini-lens arrays or optical fiber bundles are required in the light transmission path between the sample arrangement and the image recording area. It is sufficient to image the overall view of the sample arrangement according to the invention solely via a single objective, i.e. a conventional objective lens system, as is customary with cameras, is sufficient without dividing the luminous flux into separately guided beams. This means that there are no alignment problems when changing the geometry of the sample arrangement.
Änderungen oder Unterschiede in der räumlichen Anordnung der Meßorte, z.B. unterschiedliche Formate der Anordnung der Reaktionsgefäße oder unterschiedliche Formen bzw. Größen in der Ausdehnung eines zu beobachteten Probenbereiches, können leicht verkraftet werden. Für die Detektion der Lichtsignale, also die Bildaufnahme, muß lediglich sichergestellt sein, daß alle gewünschten Meßorte gleichzeitig von der Bildaufnahmeeinrichtung "sichtbar" sind. Nur für die Auswertung der aufgenommenen Signale bedarf es einer besonderen Berücksich- tigung des Formates, um die Bildbestandteile bzw. Pixel jeder einzelnen Meßortabbildung gegenüber den anderen Meßortabbildungen und gegenüber den übrigen Bildbereichen abzugrenzen.Changes or differences in the spatial arrangement of the measuring locations, e.g. Different formats of the arrangement of the reaction vessels or different shapes or sizes in the extent of a sample area to be observed can easily be coped with. For the detection of the light signals, that is to say the image acquisition, it only has to be ensured that all the desired measurement locations are “visible” at the same time by the image acquisition device. A special consideration of the format is required only for the evaluation of the recorded signals in order to distinguish the image components or pixels of each individual measurement location image from the other measurement location images and from the other image areas.
Diese Abgrenzung geschieht erfindungsgemäß mittels Bildverar- beitungs-Software, durch Überlagerung eines virtuellen Netzes als Maske, deren Gestalt dem jeweiligen Format der Gefäß- anordnung angepaßt ist. Die Maske sorgt dafür, daß die Auswertung der Lichtsignale anhand von Meßwerten erfolgt, die abgeleitet werden aus Bestandteilen von Bildsignalen, welche während der zyklischen Rasterabtastungen der Bildaufnahme- fläche jeweils bei Abtastung der die einzelnen Meßortabbildungen enthaltenden Rasterbereiche erzeugt werden. Eine solche Maske kann aus einem Vorrat vorgespeicherter Masken abgerufen werden; sie kann aber auch von Fall zu Fall neu definiert werden, unter Beobachtung des aufgenommenen Gesamt- bildes der Probenanordnung. Bei Realzeit-Auswertung muß die Maske natürlich vor dem Start der Reaktionen definiert werden .According to the invention, this delimitation takes place by means of image processing software, by superimposing a virtual network as a mask, the shape of which corresponds to the respective format of the vessel. arrangement is adjusted. The mask ensures that the light signals are evaluated on the basis of measured values which are derived from components of image signals which are generated during the cyclic raster scans of the image recording area each time the raster regions containing the individual measurement site images are scanned. Such a mask can be called up from a supply of pre-stored masks; however, it can also be redefined on a case-by-case basis while observing the overall picture of the sample arrangement. With real-time evaluation, the mask must of course be defined before starting the reactions.
In vielen Fällen ist es jedoch vorteilhafter, die Maske erst nach erfolgter Aufzeichnung der Bildsignale zu definieren, unter Beobachtung eines Standbildes aus der Aufzeichnung, um die Maske optimal auf die Gegebenheiten des tatsächlich stattgefundenen Reaktionsablaufes abzustimmen. Die Ableitung der Meßwerte mittels der Maske und die Auswertung geschieht dann anschließend anhand der wiederabgespielten Aufzeichnung. Hierbei kann die Abspielung mit verlangsamter Geschwindigkeit erfolgen, zur Anpassung an die Leistungsfähigkeit der verwendeten Verarbeitungsmittel.In many cases, however, it is more advantageous to define the mask only after the image signals have been recorded, while observing a still image from the recording, in order to optimally adapt the mask to the conditions of the reaction sequence actually taking place. The derivation of the measured values using the mask and the evaluation then takes place on the basis of the replayed recording. Here, playback can take place at a slower speed, in order to adapt to the performance of the processing means used.
Die Probenanordnung kann aus einer Vielzahl von Proben bestehen, die sich in zugeordneten getrennten Reaktionsgefäßen befinden, z.B. in den Kavitäten einer Titerplatte. In solchen Fällen besteht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darin, die durch Maskenüberlagerung selektierten Lichtmeß- werte zur Bestimmung der kinetischen Konstanten der Reaktionen auszuwerten, die in den verschiedenen Proben ablaufen. Allerdings kann es bei der Abbildung der Gesamtansicht der Probenanordnung mittels eines klassischen Objektivs, wie es die vorliegende Erfindung vorsieht, Parallaxen-Effekte geben, weil verschiedene Proben wegen ihrer unterschiedlich weiten Versetzung gegenüber der optischen Achse naturgemäß aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln vom Objektiv "gesehen" werden. Die Parallaxe beeinflußt zwangsläufig die an der Bildaufnahmefläche empfangene Lichtmenge und bewirkt somit, daß die Absolutwerte der detektierten Lichtsignale aus Proben an den Rändern des Gesichtsfeldes einem anderen Maßstabsfaktor unterliegen als die Lichtsignale aus zentral gelegenen Proben. Die für die einzelnen Proben erhaltenen Meßwertreihen sind bei herkömmlicher Linsenabbildung demnach nicht nur abhängig vom Reaktionsverlauf in der Probe, sondern unterlie- gen wegen der Parallaxe auch einem vom Ort der Probe abhängigen Maßstab.The sample arrangement can consist of a large number of samples which are located in assigned separate reaction vessels, for example in the cavities of a titer plate. In such cases, a preferred embodiment of the invention consists in evaluating the light measurement values selected by mask overlay in order to determine the kinetic constants of the reactions which take place in the different samples. However, when imaging the overall view of the sample arrangement using a classic objective, as provided by the present invention, there can be parallax effects because different samples naturally differ due to their differently wide displacement with respect to the optical axis different viewing angles can be "seen" by the lens. The parallax inevitably influences the amount of light received on the image recording surface and thus has the effect that the absolute values of the detected light signals from samples at the edges of the visual field are subject to a different scale factor than the light signals from centrally located samples. In the case of conventional lens imaging, the series of measured values obtained for the individual samples are therefore not only dependent on the course of the reaction in the sample, but are also subject to a scale dependent on the location of the sample because of the parallax.
Unterschiedliche Maßstabsfaktoren ihrerseits wirken sich in unterschiedlicher Weise auf das Ergebnis der Berechnung der Reaktionskinetik aus, wenn es sich um eine Reaktion nullter Ordnung handelt. Bei Reaktionen nullter Ordnung folgt der zeitliche Verlauf der Konzentrationen der Reaktanten bekanntlich jeweils einer Geraden, deren Steigung die kinetische Konstante definiert. Dementsprechend beschreibt auch die Reihe von Lichtmeßwerten für jede Probe jeweils eine Gerade, deren Steigung jedoch gleich dem Produkt der Kinetikkonstante und des Maßstabsfaktors der Messung ist. Unterliegen die Meßwertreihen von Probe zu Probe nicht alle dem gleichen Maßstab, ist eine genaue Bestimmung der Kinetikkonstante verschiedener Proben (durch vergleichende Messung der Steigungen an den jeweiligen Meßwert-Geraden) erschwert.Different scale factors in turn affect the result of the calculation of the reaction kinetics in a different way if it is a zero order reaction. In reactions of zero order, the course of the concentrations of the reactants over time follows a straight line, the slope of which defines the kinetic constant. Accordingly, the series of light measurement values describes a straight line for each sample, the slope of which, however, is equal to the product of the kinetic constant and the scale factor of the measurement. If the measured value series from sample to sample are not all on the same scale, an exact determination of the kinetic constant of different samples is difficult (by comparative measurement of the slopes on the respective measured value straight line).
Um dieses Problem zu umgehen, wird in besonderer Ausgestaltung der Erfindung die Probenanordnung bereitgestellt als eine Vielzahl von Proben in zugeordneten Reaktionsgefäßen und jeweils enthaltend eine Zusammensetzung, die zu einer Reaktion erster Ordnung führt, und die überlagerte Maske wird so gestaltet, daß jede ihrer Öffnungen eine Menge von Pixeln aus der Abbildung eines jeweils zugeordneten Exemplars der Proben abgrenzt. Die aus jeder abgegrenzten Pixelmenge abgeleitete Reihe aufeinanderfolgender Meßwerte wird zur Bestimmung der kinetischen Konstante der Reaktion nach dem Zeitgesetz erster Ordnung in der betreffenden Probe ausgewertet.To avoid this problem, in a particular embodiment of the invention, the sample arrangement is provided as a plurality of samples in associated reaction vessels and each containing a composition which leads to a first-order reaction, and the superimposed mask is designed so that each of its openings is a Defines the amount of pixels from the illustration of a respectively assigned copy of the samples. The series of successive measured values derived from each delimited number of pixels is used to determine the Kinetic constant of the reaction evaluated according to the first-order time law in the sample in question.
Folgen nämlich die zu beobachtenden Reaktionen einem Zeit- gesetz erster Ordnung, was durch Wahl der Konzentrationsverhältnisse der Reaktanten beim Start der Reaktion eingestellt werden kann, dann läuft die Bestimmung der kinetischen Konstante darauf hinaus, die Zeitkonstante einer Exponentialfunktion zu bestimmen. Diese Zeitkonstante ist unabhängig von irgendwelchen "Maßstabsfaktoren". D.h., im Gegensatz zurIf the reactions to be observed follow a first-order time law, which can be set by selecting the concentration ratios of the reactants at the start of the reaction, then the determination of the kinetic constant amounts to determining the time constant of an exponential function. This time constant is independent of any "scale factors". That is, in contrast to
Steigung einer linearen Funktion, ändert sich die aus einer Exponentialfunktion abgeleitete Zeitkonstante nicht, wenn die Funktion selbst mit irgendeinem Faktor multipliziert wird. Somit wirken sich Parallaxen-Effekte, wie sie bei der Proben- abbildung mittels Objektiv auftreten, im Falle von Reaktionen erster Ordnung überhaupt nicht auf die Berechnung der kinetischen Konstante aus.Slope of a linear function, the time constant derived from an exponential function does not change if the function itself is multiplied by any factor. In the case of first-order reactions, parallax effects, such as those that occur during sample imaging using an objective, do not have any effect on the calculation of the kinetic constant.
Die Bereitstellung der Proben zur Herbeiführung von Reaktio- nen erster Ordnung ist eine Abkehr vom bisherigen Stand der Technik. In der bisherigen Praxis, insbesondere für Kinetikmessungen in kommerziellen oder industriellen Analyseverfahren, war man stets bestrebt, die zu beobachtenden Proben auf Reaktionen nullter Ordnung auszurichten, da man hierbei mit geringer Datenmenge (weniger Meßpunkte pro Reaktion) auskommen kann und die Berechnung der Kinetikkonstanten durch Bestimmung der Steigung einer Geraden einfacher ist als die Auswertung einer Exponentialfunktion. Dabei mußte man die Auswirkung des Parallaxen-Effektes entweder in Kauf nehmen, oder man mußte die Optik durch apparativen Aufwand parallaxenfrei machen (z.B. durch die Verwendung von Lichtleitern wie im Falle der oben erwähnten DE 197 45 373 AI) .The provision of the samples for bringing about reactions of the first order is a departure from the previous state of the art. In previous practice, in particular for kinetic measurements in commercial or industrial analysis processes, efforts have always been made to align the samples to be observed with zero-order reactions, since one can manage with a small amount of data (fewer measuring points per reaction) and the calculation of the kinetic constants by determination the slope of a straight line is easier than evaluating an exponential function. The effect of the parallax effect either had to be accepted, or the optics had to be made parallax-free using equipment (e.g. by using light guides as in the case of DE 197 45 373 AI mentioned above).
Eine Verringerung der Datenmenge kann man bei der nichtlinea- ren Kinetik erster Ordnung erreichen, indem man die zurA reduction in the amount of data can be achieved with nonlinear first-order kinetics by using the
Auswertung herangezogenen Meßwerte für jeden Meßort zeitlich nicht äquidistant sondern derart ableitet, daß der Abstand aufeinanderfolgender Meßwerte in zeitlich hochaufzulösenden Abschnitten des Reaktionsverlaufes größer ist als in Abschnitten, wo eine geringere zeitliche Auflösung tolerierbar ist. So kann man den zeitlichen Abstand der zur Auswertung herangezogenen aufeinanderfolgenden Meßwerte in Abschnitten schnellerer Lichtsignaländerungen kleiner wählen als in Abschnitten langsamerer Lichtsignaländerungen.Evaluation of the measured values used for each measuring location does not equidistantly, but derives in such a way that the spacing of successive measured values is greater in sections of the course of the reaction to be resolved over time than in sections where a lower temporal resolution is tolerable. In this way, the time interval between the successive measured values used for evaluation can be selected to be smaller in sections of faster light signal changes than in sections of slower light signal changes.
Anstelle der Kinetikkonstanten ist häufig auch die räumliche Verteilung der Lichtintensität innerhalb einer Probe von Interesse, die sich zeitlich mit dem Reaktionsablauf ändert und zur Bestimmung der Reaktionskinetik aufschlußreich sein kann. So gibt es Reaktionen, zu deren Eigenart es gehört, daß sich charakteristische Muster durch sichtbare Konzentrationsinhomogenitäten im betreffenden Reaktionsgefäß ausbilden.Instead of the kinetic constants, the spatial distribution of the light intensity within a sample is often of interest, which changes over time with the course of the reaction and can be informative for determining the reaction kinetics. There are reactions, the nature of which includes that characteristic patterns are formed by visible concentration inhomogeneities in the reaction vessel in question.
Bei Agglutinationen, z.B. bei der Hämagglutination von Erythrozyten, wie sie zur Prüfung der Verträglichkeit von Bluttransfusionen benutzt wird, können diese Konzentrationsinhomogenitäten z.B. zur Ausbildung charakteristischer konzentrischer Ringe führen. Beim Wachstum von Zellkolonien auf geeigneten Kulturmedien können sich durch die Wirkung lytischer Enzyme an der Oberfläche dieser Kolonien auf das Kulturmedium oft schon mit bloßem Auge sichtbare Ringe, sogenannte "Höfe", ausbilden.In agglutinations, e.g. In hemagglutination of erythrocytes, such as is used to test the compatibility of blood transfusions, these concentration inhomogeneities can e.g. lead to the formation of characteristic concentric rings. When cell colonies grow on suitable culture media, the action of lytic enzymes on the surface of these colonies on the culture medium can often form rings which are visible to the naked eye, so-called "courtyards".
Zur Sichtbarmachung solcher Zellkolonien sind zahlreiche Indikatorreaktionen bekannt, z.B. unter Verwendung von pH- Indikatoren, die das sich um die Zellkolonien ändernde pH- Milieu sichtbar machen. Andere Verfahren wiederum nutzen immunologische Methoden oder aber auch ganz spezielle Nachweisverfahren, um Unterschiede zwischen verschiedenen Zellkolonien sichtbar zu machen. Diese Unterschiede können in der Verschiedenartigkeit der Kulturen selbst begründet sein; sie können aber auch durch die Verwendung unterschiedlicher Ein- flußfaktoren auf die Zellkulturen hervorgerufen werden, z.B. durch unterschiedliche Zusätze zum Kulturmedium.Numerous indicator reactions are known for the visualization of such cell colonies, for example using pH indicators which make the pH environment around the cell colonies visible. Other methods in turn use immunological methods or even very special detection methods to make differences between different cell colonies visible. These differences can be due to the diversity of cultures themselves; but you can also use different inputs flow factors on the cell cultures are caused, for example by different additives to the culture medium.
All diesen Methoden ist gemeinsam, daß sich visuell unter- scheidbare Muster zeitabhängig ausbilden können. Mit spektroskopischen Verfahren, die nur global die Änderung des Gesamtlichtsignals an einem Reaktionsgefäß erfassen, sind die genannten Musteränderungen nicht mit befriedigender Orts- und Zeitauflösung zu erfassen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfah- ren lassen sich jedoch solche Musteränderungen erfassen, indem man verschiedene Orte in der Gesamtabbildung einer Probe durch passend gelegte Öffnungen der virtuellen Maske abgrenzt und die hieraus abgeleiteten Meßwertreihen einzeln auswertet. Hierbei ist die Auswertung anhand einer Aufzeich- nung besonders zu empfehlen. Es kann nämlich von Vorteil sein, nur bestimmte Einzelmuster oder Teile eines Musters auszuwerten. So kann z.B. ein aus der Aufzeichnung gewonnenes Standbild des Endergebnisses des durch die Reaktion entstandenen Musters genutzt werden, um die virtuelle Maske, welche die kinetisch zu bewertenden Teilbereiche als diskrete Meßorte festlegt, zu definieren. Nach dieser Festlegung können während eines erneuten Vorlaufs der Aufzeichnung selektiv diese Teilbereiche kinetisch ausgewertet werden.All of these methods have in common that visually distinguishable patterns can develop over time. With spectroscopic methods that only detect the change in the total light signal at a reaction vessel globally, the pattern changes mentioned cannot be detected with a satisfactory resolution of location and time. With the method according to the invention, however, such pattern changes can be detected by delimiting different locations in the overall image of a sample by suitably placed openings in the virtual mask and evaluating the series of measured values derived therefrom individually. The evaluation based on a record is particularly recommended. It can be advantageous to evaluate only certain individual samples or parts of a sample. For example, a still image obtained from the recording of the end result of the pattern created by the reaction can be used to define the virtual mask, which defines the subareas to be kinetically evaluated as discrete measurement locations. After this determination, these sub-areas can be selectively evaluated kinetically during a further advance of the recording.
Die nachträgliche Definition der virtuellen Maske ist auch dann von besonderem Vorteil, wenn sich etwa beim Ausplattieren einer Zellkultur auf ein festes Kulturmedium die Lage der anwachsenden Kulturen in zufälliger, nicht vorhersagbarer Weise ausbildet.The subsequent definition of the virtual mask is also of particular advantage if, for example, when a cell culture is plated onto a solid culture medium, the position of the growing cultures develops in a random, unpredictable manner.
Allgemein gilt, daß die Abgrenzung der auzuwertenden Bildbereiche mittels einer virtuellen Maske zu einer wesentlichen Verminderung der zu verarbeitenden Datenmenge führt. Die Datengewinnung kann jeweils auf das Wesentliche konzentriert werden, so daß trotz möglicher hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung die Datenflut in vertretbaren Grenzen gehalten werden kann.In general, the delimitation of the image areas to be evaluated by means of a virtual mask leads to a substantial reduction in the amount of data to be processed. The data acquisition can be concentrated on the essentials, so that the flood of data is kept within reasonable limits despite the possible high spatial and temporal resolution can be.
Bei allen Ausführungsformen der Erfindung kann als Bildaufnahmeeinrichtung im Grunde jede Einrichtung verwendet werden, die in der Lage ist, aufeinanderfolgende Einzelbilder der Probenanordnung so aufzunehmen, daß sich hieraus verarbeitbare Bildsignale ableiten lassen. Vorzugsweise wird eine Videokamera verwendet, die während der zu erwartenden Reaktionsdauer in der üblichen Weise zur periodischen Abtastung ihres Bildrasters betrieben wird, um die auszuwertendenIn all embodiments of the invention, basically any device can be used as the image recording device which is capable of recording successive individual images of the sample arrangement in such a way that processable image signals can be derived therefrom. A video camera is preferably used, which is operated during the expected reaction time in the usual manner for the periodic scanning of its image grid in order to evaluate the ones to be evaluated
Bildsignale direkt als Videosignale zu erzeugen. Brauchbar ist aber auch eine elektronische Kamera, die aufeinanderfolgende Einzelbilder jeweils als Standbild nach jeweiliger Einzel-Auslösung aufnimmt und entsprechende elektrische Bildsignale liefert. Die zur Auswertung heranzuziehenden Meßwerte können in diesen beiden Fällen in Realzeit "live" aus Bildsignalen schon während des Betriebs der Kamera abgeleitet werden; die Meßwerte können aber auch, was in manchen Fällen vorzuziehen ist, aus einer Aufzeichnung der elektri- sehen Bildsignale abgeleitet werden. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, die Einzelbilder mittels einer Laufbildoder Einzelbildkamera auf ein photoempfindliches Medium wie z.B. einen Film aufzuzeichnen, das dann (nach Entwicklung und Fixierung) zur Erzeugung verarbeitbarer elektrischer Signale mittels eines Scanners abgetastet wird.Generate image signals directly as video signals. However, it is also possible to use an electronic camera that takes successive individual images as a still image after each individual release and supplies corresponding electrical image signals. In these two cases, the measured values to be used for evaluation can be derived "live" in real time from image signals while the camera is in operation; the measured values can, however, which is preferable in some cases, be derived from a recording of the electrical image signals. Within the scope of the invention it is also possible to place the individual images on a photosensitive medium such as e.g. record a film, which is then scanned (after development and fixing) to generate processable electrical signals by means of a scanner.
Die Anzahl der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beobachtbaren Meßorte wird durch das Auflösungsvermögen der verwendeten Bildaufnahme- bzw. Abtasteinrichtung bestimmt. Bereits das Auflösungsvermögen relativ billiger Videokameras von einigen hunderttausend Pixeln pro Vollbild kann gut ausreichen, die Reaktionen an mehr als hundert verschiedenen Meßorten gleichzeitig photometrisch zu registrieren. Die Vielzahl der Meßorte können Proben von Zusammensetzungen in einer entsprechenden Vielzahl von Reaktionsgefäßen sein, es können aber auch verschiedene Orte in einer Probe sein, z.B. um die zeitliche Änderung der räumlichen Verteilung der Lichtintensität innerhalb der Probe zu messen.The number of measurement locations observable with the method according to the invention is determined by the resolution of the image recording or scanning device used. Even the resolution of relatively cheap video cameras of a few hundred thousand pixels per frame can be sufficient to record the reactions at more than a hundred different measuring locations simultaneously photometrically. The multiplicity of measuring locations can be samples of compositions in a corresponding multiplicity of reaction vessels, but there can also be different locations in a sample, for example to measure the temporal change in the spatial distribution of light intensity within the sample.
Es wurde gefunden, daß die Signale etwa einer Videoaufnahme, wie sie vorzugsweise genutzt wird, eine weitgehend lineare Abhängigkeit zwischen Konzentration eines Indikatorfarbstoffes in einer Probe und dem Farbwert des Videosignals der betreffenden Probenabbildung besitzen. In den meisten Fällen können also Pixelwerte des Videosignals in linearem Maßstab die Farbstoffkonzentration anzeigen, was die Auswertung sehr vereinfacht. In davon abweichenden Fällen kann man eine nichtlineare Abhängigkeit durch Mitführen geeigneter Konzentrationsreihen berücksichtigen: Durch Anpassen nichtlinearer Kurven mittels geeigneter Verfahren, wie z.B. mittels einer Spline-Funktion, kann diese Abhängigkeit mathematisch definiert werden. Diese Funktion kann dann weiterhin genutzt werden um die unmittelbar durch das Bildsignal registrierten Farbwerte in entsprechender Weise zu korrigieren, d.h. auf die tatsächliche Konzentration zu eichen.It has been found that the signals of, for example, a video recording, as is preferably used, have a largely linear dependency between the concentration of an indicator dye in a sample and the color value of the video signal of the relevant sample image. In most cases, pixel values of the video signal can indicate the dye concentration on a linear scale, which greatly simplifies the evaluation. In deviating cases, a non-linear dependency can be taken into account by carrying out suitable concentration series: By adapting non-linear curves using suitable methods, e.g. This dependency can be defined mathematically using a spline function. This function can then still be used to correct the color values registered directly by the image signal in a corresponding manner, i.e. to calibrate to the actual concentration.
Um die zu detektierenden Lichtsignale von störenden Signalen zu trennen, kann es von Vorteil sein, Filter einzusetzen. Im Falle einer Anregung der Lichtsignale durch UV-Bestrahlung kann z.B. ein Schwerpunktfilter mit einer Durchlässigkeit zwischen 280 und 360 nm verwendet werden, um das UV-Anregungssignal der Lichtquelle zu filtern, und des weiteren ein Schwerpunktfilter unmittelbar vor der Kameralinse, um das Signallicht zu filtern. Letzeres ist von Vorteil, wenn eine monochromatische Bildaufnahmeeinrichtung verwendet wird; im Falle einer farbtauglichen Bildaufnahmeeinrichtung können auzuwertende Farbanteile des Signallichtes gewünschtenfalls durch "elektronische Filterung" selektiert werden, d.h. durch Einstellung des Anteilsverhältnisses der Primärfarbkomponenten des Farbbildsignals.In order to separate the light signals to be detected from interfering signals, it can be advantageous to use filters. In the event of excitation of the light signals by UV radiation, e.g. a focus filter with a transmission between 280 and 360 nm can be used to filter the UV excitation signal of the light source, and a focus filter immediately in front of the camera lens to filter the signal light. The latter is advantageous if a monochromatic image recording device is used; in the case of a color-compatible image recording device, color components of the signal light to be evaluated can be selected if desired by "electronic filtering", i.e. by setting the proportion ratio of the primary color components of the color image signal.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeich- nungen und anhand einiger Ausführungsbeispiele erläutert.The invention is described below with reference to the accompanying drawings. tions and explained using some exemplary embodiments.
Fig. 1 zeigt schematisch, teilweise in Blockform, ein Beispiel für den Aufbau einer Apparatur zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;Fig. 1 shows schematically, partly in block form, an example of the construction of an apparatus for performing the method according to the invention;
Fig. 2 zeigt schematisch die Draufsicht auf die Kavitäten einer Titerplatte als Beispiel für eine typische Anordnung einer Vielzahl von Reaktionsgefäßen;2 schematically shows the top view of the cavities of a titer plate as an example of a typical arrangement of a large number of reaction vessels;
Fig. 3 zeigt die Gestalt einer virtuellen Maske für die Abbildung der Gefäßanordnung nach Fig. 2;FIG. 3 shows the shape of a virtual mask for imaging the vessel arrangement according to FIG. 2;
Fig. 4 zeigt ein Beispiel für eine nicht-äquidistante Meßwertnahme bei einer Reaktion erster Ordnung;4 shows an example of a non-equidistant measurement taking in a first order reaction;
Fig. 5 zeigt in vergrößerter Darstellung ein Muster, wie es sich im Verlauf einer Reaktion in einem einzelnen Reaktionsgefäß bilden kann.5 shows an enlarged illustration of a pattern of how it can form in the course of a reaction in a single reaction vessel.
Figuren 6 und 7 zeigen ein Beispiel für die Ausbildung von Zellkulturen in einem Reaktionsgefäß und die Anordnung geeigneter Maskenöffnungen zu deren Beobachtung.FIGS. 6 and 7 show an example of the formation of cell cultures in a reaction vessel and the arrangement of suitable mask openings for their observation.
Die in der Fig. 1 gezeigte Apparatur enthält eine insgesamt mit 10 bezeichnete Gefäßeinrichtung, im dargestellten Fall mit einer Vielzahl von Reaktionsgefäßen 11 (in Schnittansicht gezeigt) . Die Reaktionsgefäße 11 enthalten Proben 12 von Zusammensetzungen, in denen Reaktionen ablaufen, die photome- trisch überwacht werden sollen, um Lichtsignale zu registrieren, die charakteristisch für die Reaktionsabläufe sind. Die Gefäßeinrichtung 10 kann, wie als Beispiel schematisch gezeigt, eine Titerplatte sein, deren Kavitäten die Reaktionsgefäße 11 bilden. Es kann auch eine beliebige Anordnung anderer Reaktionsgefäße verwendet werden, z.B. eine Anordnung einzelner Küvetten oder ein Trägermaterial wie etwa eine Zellulosematrix, in der einzelne Spots die Reaktionsgefäße bilden. Jedes der Gefäße bzw. jeder Spot bildet einen gesonderten diskreten Meßort für eine durchzuführende photometri- sehe Messung. Jedes Gefäß kann aber selbst wiederum einer Summe diskreter Meßorte beinhalten, die sich selektiv mit einer virtuellen Maske in einem aufgenommenen Bild abgrenzen und bewerten lassen. Die Gefäßeinrichtung 10 kann aber auch ein einziges Gefäß zur Aufnahme einer Probe sein, in welcher an unterschiedlichen Stellen Reaktionen mit unterschiedlicher Kinetik ablaufen können. In diesem Fall bilden die jeweils zu überwachenden Stellen der Probe diskrete Meßorte.The apparatus shown in FIG. 1 contains a vessel device designated overall by 10, in the case shown having a large number of reaction vessels 11 (shown in a sectional view). The reaction vessels 11 contain samples 12 of compositions in which reactions take place which are to be monitored photometrically in order to register light signals which are characteristic of the reaction processes. As schematically shown as an example, the vessel device 10 can be a titer plate, the cavities of which form the reaction vessels 11. Any arrangement of other reaction vessels can also be used, for example an arrangement of individual cuvettes or a carrier material such as a cellulose matrix in which individual spots form the reaction vessels. Each of the vessels or each spot forms a separate, discrete measuring location for a photometric measurement to be carried out. However, each vessel can in turn contain a sum of discrete measuring locations, which are selective with delimit and evaluate a virtual mask in a captured image. The vessel device 10 can also be a single vessel for receiving a sample, in which reactions with different kinetics can take place at different points. In this case, the locations of the sample to be monitored form discrete measuring locations.
Oberhalb der Gefäßeinrichtung 10 ist eine Bildaufnahmeeinrichtung 20, die monochromatisch oder farbtauglich sein kann, so angeordnet, daß sie von oben die gesamte Gefäßeinrichtung 10 gleichzeitig überblickt. Die Bildaufnahmeeinrichtung 20 hat ein klassisches Objektiv 21, das z.B. ein übliches Kameraobjektiv sein kann und so eingestellt ist, daß die Draufsicht der gesamten Gefäßeinrichtung 10 direkt auf einer lichtempfindlichen Bildaufnahmefläche (z.B. einem CCD- Bildsensor im Falle einer elektronischen Kamera) abbildet. Mit anderen Worten: das Objektiv 21 bildet alle Punkte seiner sämtliche Meßorte enthaltenden Gegenstandsebene auf der Bildaufnahmefläche ab. Jeder Ort der Gegenstandsebene und somit auch jeder Meßort ist also anhand der Bildkoordinaten seiner Abbildung eindeutig identifizierbar. Die Bildaufnahmeeinrichtung 20 sei im dargestellten Beispielsfall eine Videokamera und kann gewünschtenfalls so ausgelegt sein, daß die Bildwiederholfrequenz (Rasterabtastrate bzw. Vollbildfrequenz) ver- änderbar ist.Above the vascular device 10, an image recording device 20, which can be monochromatic or color-compatible, is arranged in such a way that it simultaneously oversees the entire vascular device 10 from above. The image recording device 20 has a classic lens 21, which e.g. can be a conventional camera lens and is set so that the top view of the entire vascular device 10 images directly on a light-sensitive image recording surface (e.g. a CCD image sensor in the case of an electronic camera). In other words: the objective 21 images all points of its object plane containing all measuring locations on the image recording surface. Each location on the object level and therefore also each measurement location can therefore be clearly identified on the basis of the image coordinates of its image. In the example shown, the image recording device 20 is a video camera and, if desired, can be designed so that the image refresh rate (raster sampling rate or frame rate) can be changed.
Die in der Zeichnung dargestellte Apparatur enthält ferner eine Beleuchtungseinrichtung 31, 32, um die Meßorte in der Gefäßeinrichtung 10 derart zu bestrahlen, daß die Reaktions- ablaufe anhand von Lichtsignalen beobachtet werden können. Die Art der Beleuchtung wird abhängig davon gewählt, welche Art von Lichterscheinung oder optischer Eigenschaft als Indikation für das Fortschreiten der ablaufenden Reaktionen genutzt werden soll. Beim dargestellten Beispiel sind seit- lieh der Kamera 20 vier um 90° winkelversetzte Lampen 31 vorgesehen (von denen nur die beiden vorderen zu sehen sind) , welche die Proben 12 von oben bestrahlen, und eine unter der (transparenten) Gefäßeinrichtung 10 angeordnete Lampe 32, welche die Proben 12 von unten bestrahlt. Für die Anordnung der Beleuchtungsquelle (n) kann aber auch eine andere, für die Lichtmessung geeignete Geometrie gewählt werden.The apparatus shown in the drawing also contains an illumination device 31, 32 in order to irradiate the measurement locations in the vessel device 10 in such a way that the reaction processes can be observed using light signals. The type of lighting is selected depending on what type of light appearance or optical property is to be used as an indication for the progress of the reactions taking place. In the example shown, the camera 20 is provided with four lamps 31 offset by 90 ° (of which only the two front ones can be seen), which irradiate the samples 12 from above, and a lamp 32 which is arranged under the (transparent) vascular device 10 and which irradiates the samples 12 from below. Another geometry suitable for light measurement can also be selected for the arrangement of the illumination source (s).
Soll z.B. Fluoreszenz oder Lumineszenz als reaktionsindizie- rende Größe beobachtet werden, wird für die Beleuchtung eine entsprechende anregende Strahlung verwendet, z.B. UV-Licht, vorzugsweise aus allen Lampen 31 und 32. Um Nutzlicht vonShould e.g. If fluorescence or luminescence is observed as a reaction-indicating variable, a suitable stimulating radiation is used for the illumination, e.g. UV light, preferably from all lamps 31 and 32
Störlicht zu trennen, können Filter benutzt werden, vorzugsweise Schwerpunktfilter (z.B. Durchlässigkeitsbereich zwischen 280 und 360 nm) an den UV-Lampen (nicht dargestellt) und ein Schwerpunktfilter 22 (z.B. 430 ± 10 nm) zum Durchlas- sen des Luminenzlichtes vor dem Kameraobjektiv 21.To separate interference light, filters can be used, preferably focus filters (eg transmission range between 280 and 360 nm) on the UV lamps (not shown) and a focus filter 22 (eg 430 ± 10 nm) for transmitting the luminescent light in front of the camera lens 21 ,
Werden Indikatorfarbstoffe in den Proben verwendet, können die Proben durch sichtbares Licht beleuchtet werden. Hierbei kann mit Auflicht unter Verwendung der Lampen 31 und/oder mit Durchlicht unter Verwendung der Lampe 32 gearbeitet werden. Zur Beobachtung von Lichtabsorption verwendet man vorzugsweise nur die Lampe 32 als Durchlicht-Beleuchtungsquelle. Um Nutzlicht von Störlicht zu trennen oder bestimmte Farbeffekte in den Proben selektiv zu registrieren, können auch hier Filter, gegebenenfalls dem jeweiligen Farbstoff angepaßt, an den Lampen bzw. vor dem Kameraobjektiv benutzt werden. Im Falle einer Farbkamera kann eine eventuell erwünschte Farbselektion auch elektronisch bei der Signalverarbeitung erfolgen, durch entsprechende relative Gewichtung der Primärfarb- komponenten des Farbbildsignals (z.B. der Rot-, Grün- und Blau-Komponente bei einem RGB-Videosignal) .If indicator dyes are used in the samples, the samples can be illuminated by visible light. Here it is possible to work with incident light using lamps 31 and / or with transmitted light using lamp 32. For the observation of light absorption, only the lamp 32 is preferably used as the transmitted light illumination source. In order to separate useful light from stray light or to selectively register certain color effects in the samples, filters, if necessary adapted to the respective dye, can also be used on the lamps or in front of the camera lens. In the case of a color camera, any desired color selection can also be carried out electronically during signal processing by appropriate relative weighting of the primary color components of the color image signal (e.g. the red, green and blue components in an RGB video signal).
Soll Chemolumineszenz als reaktionsindizierende Größe beobachtet werden, bleibt die Beleuchtungseinrichtung 31, 32 vorzugsweise ausgeschaltet. Die in der Zeichnung gezeigte Apparatur enthält ferner einen Computer 40, einen Monitor 50 und ein Aufzeichnungs- und Abspielgerät 60 für Videosignale. Der Videosignalausgang der Kamera 20 führt zum Gerät 60 und von dort zu Videosignal- eingängen des Monitors 50 und des Computers 40. Es sindIf chemiluminescence is to be observed as a reaction-indicating variable, the lighting device 31, 32 preferably remains switched off. The apparatus shown in the drawing further includes a computer 40, a monitor 50 and a recording and playback device 60 for video signals. The video signal output of camera 20 leads to device 60 and from there to video signal inputs of monitor 50 and computer 40. There are
(nicht dargestellte) Schaltmittel vorgesehen, um die Videosignale von der Kamera 20 wahlweise mit oder ohne gleichzeitige Aufzeichnung im Gerät 60 auf den Monitor 50 und/oder den Computer 40 zu koppeln zu können und um aufgezeichnete Video- Signale aus dem Gerät 60 zum Monitor 50 und/oder zum Computer 40 koppeln zu können.Switching means (not shown) are provided in order to be able to couple the video signals from the camera 20 optionally with or without simultaneous recording in the device 60 to the monitor 50 and / or the computer 40 and to record video signals from the device 60 to the monitor 50 and / or to be able to couple to the computer 40.
Der Computer 40 enthält Prozessoren 41 und Speichereinrichtungen 42 zur programmgesteuerten Verarbeitung und Auswertung der Videosignale. Eine allgemein als Block 70 dargestellte Eingabevorrichtung enthält Mittel für Nutzereingaben (Tastatur, Maus) am Computer 40. Weitere Peripheriegeräte, stellvertretend durch den Block 80 dargestellt, können Ausgabeeinrichtungen wie z.B. einen Drucker oder zusätzliche Daten- träger enthalten. Zwischen Computer 40 und Monitor 50 ist die übliche Datenkommunikationsverbindung vorgesehen, um vom Computer verarbeitete Bildsignale, Graphiken als Ergebnisse der Auswertung von Videosignalen und vom Computer generierte Ikons, Befehls- und Anzeigefelder, Masken, Fenster, Mittei- lungen, Menüs u. dergl . wiederzugeben.The computer 40 contains processors 41 and storage devices 42 for program-controlled processing and evaluation of the video signals. An input device, generally shown as block 70, contains means for user input (keyboard, mouse) on the computer 40. Further peripheral devices, represented by block 80, can output devices such as e.g. contain a printer or additional data carrier. The usual data communication connection is provided between the computer 40 and the monitor 50 in order to process image signals, graphics processed by the computer as results of the evaluation of video signals and icons, command and display fields, masks, windows, messages, menus and the like generated by the computer. the like play.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Gefäßeinrichtung 10 mit der oder den zu beobachtenden Probe (n) gefüllt und in das Gesichtsfeld der Videokamera 20 gebracht, und gewünschtenfalls wird die Beleuchtung 31 und/oder 32 und die Videokamera 20 eingeschaltet. Das von der Kamera 20 nach deren Einschaltung gesehene Bild wird auf dem Bildschirm des Monitors 50 wiedergegeben. Mit Hilfe des Computers 40 kann als Schablone oder Maske ein frei definiertes virtuelles Netz erzeugt und so auf dem Bildschirm positioniert werden, daß die Innenseiten der Netzöffnungen bzw. die "Maschen" des Netzes Bildausschnitte einrahmen, welche jeweils einen Meßort als Fläche auf dem Bildschirm definieren. Die Art der Geometrie dieser Flächen kann beliebig sein, z.B. kreisförmig oder rechteckig.To carry out the method according to the invention, the vascular device 10 is filled with the sample (s) to be observed and brought into the field of view of the video camera 20, and if desired the lighting 31 and / or 32 and the video camera 20 are switched on. The image seen by the camera 20 after it is switched on is reproduced on the screen of the monitor 50. With the help of the computer 40, a freely defined virtual network can be created as a template or mask and positioned on the screen such that the inside of the network openings or the Frame "meshes" of the network image sections, each of which defines a measurement location as an area on the screen. The type of geometry of these surfaces can be of any type, for example circular or rectangular.
Die Fig. 2 zeigt als Beispiel eine Gefäßeinrichtung 10 mit einer Vielzahl von Reaktionsgefäßen 11 in einer Ansicht, wie sie von der Kamera 20 gesehen wird und auf dem Bildschirm 50 abgebildet werden kann. Diese Gefäßeinrichtung 10 kann eine Titerplatte sein, deren Kavitäten die Gefäße 11 bilden. Der Einfachheit halber sind nur 24 Kavitäten dargestellt, angeordnet in einer Matrix aus vier Reihen und sechs Spalten; in der Praxis kann die Titerplatte weit mehr Kavitäten aufweisen, in handelsüblichen Ausführungsformen z.B. 8x12=96 oder 16x24=384 Kavitäten. Die Reaktionsgefäße können auch einzelne Küvetten sein, oder Spots einer Spotmatrix von Proben (z.B. 20x20 Spots) auf einem geeigneten Trägermaterial.FIG. 2 shows an example of a vessel device 10 with a plurality of reaction vessels 11 in a view as seen by the camera 20 and can be displayed on the screen 50. This vessel device 10 can be a titer plate, the cavities of which form the vessels 11. For the sake of simplicity, only 24 cavities are shown, arranged in a matrix of four rows and six columns; in practice the titer plate can have far more cavities, e.g. 8x12 = 96 or 16x24 = 384 cavities. The reaction vessels can also be individual cuvettes or spots of a spot matrix of samples (e.g. 20x20 spots) on a suitable carrier material.
Die Fig. 3 zeigt als Beispiel ein virtuelles Netz 90 in Form einer Maske mit 24 quadratischen Teilflächen 91, welche einzelne Maskenöffnungen darstellen. Dieses Netz 90 ist dazu konzipiert, der Abbildung der Gefäßeinrichtung 10 nach Fig. 2 überlagert zu werden. Jede Netzfläche 91 entspricht einem "Meßort", d.h. sie definiert einen Bildbereich, der einem auszuwertenden Bereich der in den Gefäßen 11 enthaltenen Proben entspricht.3 shows an example of a virtual network 90 in the form of a mask with 24 square partial areas 91, which represent individual mask openings. This network 90 is designed to be superimposed on the image of the vascular device 10 according to FIG. 2. Each network area 91 corresponds to a "measurement site", i.e. it defines an image area which corresponds to an area of the samples contained in the vessels 11 to be evaluated.
Nach Festlegen der Datensammelrate (d.h. Meßwertnahme je Zeiteinheit) und nach dem Start der Reaktionen in den Reakti- onsgefäßen können die Werte jeweils mehrerer oder aller Pixel der einzelnen Netzflächen 91 jeweils mittels üblicher Algorithmen integriert werden. Da jede Netzfläche einem Meßort entspricht, repräsentieren die integrierten Daten aus jeder einzelnen Fläche pro Rasterabtastperiode (Videovollbild) einen Lichtmeßwert vom betreffenden Meßort. Es können auch Daten über jeweils mehrere Vollbildperioden integriert wer- den, um jeweils einen Lichtmeßwert zu bilden. Durch schrittweises Auswerten der Videobilder können also zeitlich geordnete Meßwertreihen erhalten werden, mit denen die Kinetik der chemischen Reaktion, die in allen Reaktionsgefäßen abläuft, beschrieben werden kann.After specifying the data collection rate (ie taking the measured value per unit of time) and after starting the reactions in the reaction vessels, the values of several or all pixels of the individual network areas 91 can each be integrated using customary algorithms. Since each network area corresponds to a measurement location, the integrated data from each individual area per raster scanning period (full video image) represent a light measurement value from the measurement location in question. Data can also be integrated over several full-screen periods to form a light measurement value. By gradually evaluating the video images, chronologically ordered series of measured values can be obtained, with which the kinetics of the chemical reaction, which takes place in all reaction vessels, can be described.
Mittels bekannter Rechenverfahren können aus diesen Meßdaten kinetische Konstanten berechnet werden, die für weitere Bewertungen zugänglich abgespeichert oder graphisch dargestellt werden. Eine solche graphische Darstellung kann auch auf den Bildschirm des Monitors 50 wiedergegeben werden. Beispielsweise können die berechneten Meßwertkurven in jeweils einem eigenen kleinen Feld des Schirmbildes wiedergegeben werden, wobei dieser Graphikbildchen vorzugsweise in gleicher räumli- eher Anordnung zueinander angelegt werden, wie es der Anordnung der Meßorte entspricht. Die Menge der Graphikbildchen kann entweder bildschirmfüllend oder in einem gesonderten Abschnitt des Schirms neben der Meßortabbildung wiedergegeben werden .Using known calculation methods, kinetic constants can be calculated from these measurement data, which can be stored for further evaluations or displayed graphically. Such a graphical representation can also be reproduced on the screen of the monitor 50. For example, the calculated measured value curves can each be reproduced in their own small field on the screen image, these graphic images preferably being arranged in the same spatial arrangement relative to one another as corresponds to the arrangement of the measurement locations. The amount of graphic images can either be displayed on the screen or in a separate section of the screen next to the measurement location.
In besonderer Ausführungsform werden die Proben in den Reaktionsgefäßen 11 durch Wahl der Konzentrationsverhältnisse so bereitgestellt, daß Reaktionen erster Ordnung ablaufen, die zu nichtlinearen Meßwertkurven gemäß Exponentialfunktionen führen. Wie weiter oben erläutert, haben in diesem FallIn a particular embodiment, the samples are provided in the reaction vessels 11 by choosing the concentration ratios so that first-order reactions take place, which lead to non-linear measured value curves according to exponential functions. In this case, as explained above
Parallaxen-Effekte in der Abbildung keine Auswirkung auf das Resultat der Berechnung der kinetischen Konstanten (auch als Reaktions- oder Geschwindigkeitskonstanten bezeichnet) .Parallax effects in the figure have no effect on the result of the calculation of the kinetic constants (also known as reaction or velocity constants).
Bei Kenntnis der Gesetzmäßigkeit der Reaktion (Reaktionsordnung) und der ungefähren Größe der Reaktionskonstanten (d.h. deren Größenordnung) kann die Gewinnung der einzelnen Meßwerte (Datenpunkte) gewünschtenfalls nichtäquidistant erfolgen, angepaßt an die Nichtlinearität entsprechend der Reaktionsordnung und der Größe der Reaktionskonstanten. Ein Beispiel für eine nicht-äquidistante Meßwertnahme ist qualitativ in der Fig. 4 veranschaulicht. Diese Figur zeigt den zeitlichen Verlauf der an einer Probe beobachtbaren Lichtintensität L im Falle einer Reaktion erster Ordnung. Die Meßgröße steigt nach dem Start der Reaktion steil an und wird dann zunehmend flacher. Zur genauen Auswertung genügt eine hohe zeitliche Auflösung der Meßwertnahme nur in den Bereichen steilen Anstiegs, während man sich in anderen Bereichen mit geringerer Auflösung begnügen kann, um die Datenmenge zu reduzieren. Diesem Prinzip folgt das in der Fig. 4 gezeigte Schema, indem die zeitlichen Abstände der Meßwertnahme zu Beginn der Reaktion sehr klein und dann zunehmend größer gewählt werden, wie es die diskreten Punkte in der Fig. 4 rein qualitativ veranschaulichen. Als praktisches Beispiel für eine Reaktion erster Ordnung mit einer Reaktionsdauer von 900 Sekunden kann zu Beginn ein Zeitabstand von 0,4 Sekunden gewählt werden, der bis zum Ende der Reaktion allmählich auf etwa 80 Sekunden vergrößert wird, um insgesamt nur etwa 500 Meßwerte zu erhalten (statt 2250 Meßwerte im Falle einer durchgehenden unveränderten Zeitauflösung von 0,4 Sekunden).If the law of the reaction (reaction order) and the approximate size of the reaction constants (ie their order of magnitude) are known, the individual measurement values (data points) can be obtained non-equidistantly if desired, adapted to the non-linearity in accordance with the reaction order and the size of the reaction constant. An example of a non-equidistant measurement is qualitatively illustrated in FIG. 4. This figure shows the time course of the light intensity L observable on a sample in the case of a first-order reaction. The measured variable rises steeply after the start of the reaction and then becomes increasingly flatter. For precise evaluation, a high temporal resolution of the measurement is sufficient only in the areas of steep increases, while in other areas one can be content with a lower resolution in order to reduce the amount of data. The principle shown in FIG. 4 follows this principle in that the time intervals of the measurement taking at the beginning of the reaction are selected to be very small and then increasingly larger, as the discrete points in FIG. 4 illustrate purely qualitatively. As a practical example of a first-order reaction with a reaction time of 900 seconds, a time interval of 0.4 seconds can be selected at the beginning, which is gradually increased to about 80 seconds until the end of the reaction in order to obtain only about 500 measured values in total ( instead of 2250 measured values in the case of a continuous, unchanged time resolution of 0.4 seconds).
Im folgenden werden vier spezielle Beispiele für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Reaktionen erster Ordnung beschrieben.Four specific examples for carrying out the method according to the invention with first-order reactions are described below.
Beispiel 1:Example 1:
Bei diesem Beispiel wird zur Bildung der Reaktionsgefäße ein 96 mal 140 mm großes Trägermaterial (Zellulose, Whatman 540) verwendet, auf welches eine Peptidbibliothek der Sequenz QUE- XaaXaaF-FLU-Z, in der QUE als Fluoreszenzquencher, Xaa als eine mögliche natürliche Aminosäure und FLU als ein Fluorogen dienen, in einer Spotmatrix von 400 (20x20 Spots) aufsynthetisiert wird. Unter dem Trägermaterial befindet sich eine Wanne, und darüber sind im Abstand von 30 cm eine handelsübliche Farb-Videokamera 20 und seitlich davon vier UV-Lampen 31 (wie in der Zeichnung gezeigt) angebracht sind. Unmittelbar vor dem Kameraobjektiv 21 ist ein Schwerpunktfilter 22 (430 ± 15 nm) angebracht. Die Wanne ist gefüllt mit 10 ml einer gepufferten Chymotrypsinlösung (0,1 mg/ml Chymotrypsin; 0,1 M Phosphatpuffer pH 7.8).In this example, a 96 x 140 mm carrier material (cellulose, Whatman 540) is used to form the reaction vessels, on which a peptide library of the sequence QUE-XaaXaaF-FLU-Z, in the QUE as a fluorescence quencher, Xaa as a possible natural amino acid and FLU serve as a fluorogen, is synthesized in a spot matrix of 400 (20x20 spots). There is a trough under the carrier material, and above it are a commercially available color video camera 20 at a distance of 30 cm and four UV lamps to the side of it 31 (as shown in the drawing) are attached. A focus filter 22 (430 ± 15 nm) is attached directly in front of the camera lens 21. The tub is filled with 10 ml of a buffered chymotrypsin solution (0.1 mg / ml chymotrypsin; 0.1 M phosphate buffer pH 7.8).
Durch Eintauchen der Spotmatrix in die Chymotrypsinlösung wird die Reaktion gestartet. Die Zunahme der Fluoreszenz durch chymotryptische Hydrolyse wird mittels der Videokamera 20 bei einer Bildwiederholfrequenz von 20 Vollbildern jeThe reaction is started by immersing the spot matrix in the chymotrypsin solution. The increase in fluorescence due to chymotryptic hydrolysis is determined by means of the video camera 20 at an image refresh rate of 20 full images
Sekunde für eine Dauer von 15 min nach Start der Reaktion vom Gerät 60 aufgezeichnet.Second recorded by device 60 for a period of 15 minutes after the start of the reaction.
Zur Auswertung wird, während des Abspielens der aufgezeichne- ten Videosequenzen, auf dem Bildschirm des Monitors 50 ein virtuelles Netz von 20 mal 20 Einzelflächen so angeordnet, daß repräsentative kreisrunde Flächen der 400 Spots abgegrenzt werden. Durch Integration von 16 Pixeln je Einzelfläche über jeweils 10 Vollbilder, was einer Meßwertrate von jeweils einem Meßwert je 10 Vollbilder bzw. von 2 Meßwerten pro Sekunde für jeden Spot entspricht, werden alle 400 Spots kinetisch ausgewertet, und mittels linearer Regression werden die Anfangsanstiege berechnet. Der Vergleich der synthetisierten Peptidsequenzen mit den berechneten kinetischen Konstanten läßt Rückschlüsse über die Substratspezifität der verwendeten Protease zu.For the evaluation, while the recorded video sequences are being played back, a virtual network of 20 by 20 individual areas is arranged on the screen of the monitor 50 in such a way that representative circular areas of the 400 spots are delimited. By integrating 16 pixels per individual area over 10 full images, which corresponds to a measured value rate of one measured value per 10 full images or 2 measured values per second for each spot, all 400 spots are kinetically evaluated, and the initial increases are calculated using linear regression. The comparison of the synthesized peptide sequences with the calculated kinetic constants allows conclusions to be drawn about the substrate specificity of the protease used.
Beispiel 2:Example 2:
Als Anordnung von Reaktionsgefäßen wird hier eine Titerplatte mit 96 Kavitäten verwendet. In die Kavitäten werden je 137 μl einer Lösung aus 7 μl Serum, 50 μl Substratlösung (123 mg/L Succinyl-Phe-Pro-Phe-4-nitroanilid in 35 mmol/L HEPES Puffer, pH 7,8) und 80 μl Chymotrypsin-Lösung (1 g/L Chymotrypsin in 35 mmol/L HEPES Puffer, pH 7,8) pipettiert. Die Reaktion wird jeweils durch die Zugabe der 50 μl Substratlösung gleichzeitig zu allen Kavitäten mittels eines handelsüblichen Pipettiersystems gestartet. Während der Reaktion wird die Titerplatte von unten mittels weißem Licht (z.B. durch die Lampe 32 bei der in der Zeichnung dargestellten Apparatur) gleichmäßig angestrahlt. Die Änderung der Lichtabsorption wird mittels der Videokamera 20 bei einer Bildwiederholfrequenz von 20 Vollbildern je Sekunde für 20 min nach Start der Reaktion aufgezeichnet. Das geeignete Lichtsignal wird durch Vorschalten eines Schwerpunktfilters 22 (390 ± 5 nm) vor die Optik 21 der Videokamera 20 erhalten.A titer plate with 96 cavities is used here as an arrangement of reaction vessels. 137 μl of a solution of 7 μl serum, 50 μl substrate solution (123 mg / L succinyl-Phe-Pro-Phe-4-nitroanilide in 35 mmol / L HEPES buffer, pH 7.8) and 80 μl chymotrypsin are placed in the wells Solution (1 g / L chymotrypsin in 35 mmol / L HEPES buffer, pH 7.8) is pipetted. The reaction is started by adding the 50 μl substrate solution simultaneously to all wells using a commercially available pipetting system. During the reaction, the titer plate is uniformly illuminated from below by means of white light (for example by the lamp 32 in the apparatus shown in the drawing). The change in light absorption is recorded by means of video camera 20 at a refresh rate of 20 frames per second for 20 minutes after the start of the reaction. The suitable light signal is obtained by connecting a focus filter 22 (390 ± 5 nm) upstream of the optics 21 of the video camera 20.
Zur Auswertung wird, vor dem Abspielen der aufgezeichneten Videosequenzen, auf dem Bildschirm des Monitors 50 ein ste- hendes Bild der 96 Kavitäten erzeugt, und ein virtuelles Netz von 8 mal 12 Einzelflächen wird so auf dem Bildschirm angeordnet, daß repräsentative Flächen der 96 Spots einzeln abgegrenzt werden. Während des Vorlaufs der Videosequenzen mit einer Bildwiederholfrequenz von 10 Vollbildern je Sekunde wird durch Integration von 3 mal 3 Pixeln je Einzelfläche die Änderung der Lichtabsorption aller 96 Kavitäten erfaßt.For evaluation, before the playback of the recorded video sequences, a still image of the 96 cavities is generated on the screen of the monitor 50, and a virtual network of 8 by 12 individual areas is arranged on the screen in such a way that representative areas of the 96 spots are separated be delimited. During the advance of the video sequences with a refresh rate of 10 frames per second, the change in the light absorption of all 96 cavities is recorded by integrating 3 by 3 pixels per individual area.
Die Reaktion kann gemäß einem Konzentrations-Zeitgesetz "erster Ordnung" ausgewertet werden. Die Reaktionsgeschwindig- keits-Konstanten befinden sich im Bereich zwischen 4-10~ und 3-10-2 je Sekunde. Zur Berechnung der Reaktionskonstanten werden Datensammelraten verwendet, die folgendem Zeitgesetz entsprechen:The reaction can be evaluated in accordance with a "first order" concentration-time law. The reaction rate constants are in the range between 4-10 ~ and 3-10 -2 per second. To calculate the reaction constants, data collection rates are used which correspond to the following time law:
Dsz = ln(l - A) /k, mit A = [1 - exp (-k-gZ) ] /Dp.D sz = ln (l - A) / k, with A = [1 - exp (-k-gZ)] / Dp.
Es bedeuten:It means:
Ds2 = Zeit, zu der ein Meßpunkt zur Berechnung herangezogen wird; k = kinetische Konstante einer Reaktion erster Ordnung gZ = gesamte Reaktionszeit, über die die Reaktion beob- achtet wird; Dp = Anzahl aller Datenpunkte, mit der die Reaktion beschrieben wird.Ds2 = time at which a measuring point is used for the calculation; k = kinetic constant of a first order reaction gZ = total reaction time over which the reaction is respected; Dp = number of all data points with which the reaction is described.
Mittels dieser Datenpunkte können nun die genauen kinetischen Konstanten mittels üblicher Algorithmen berechnet werden. Der Vergleich dieser Konstanten einzelner Kavitäten erlaubt die Charakterisierung der Peptidyl-prolyl-cis/trans-Isomerase- Aktivitäten in humanem Serum.Using these data points, the exact kinetic constants can now be calculated using conventional algorithms. The comparison of these constants of individual cavities allows the characterization of the peptidyl-prolyl-cis / trans-isomerase activities in human serum.
Beispiel 3:Example 3:
In eine Titerplatte mit 16 mal 24 Kavitäten werden je 70 μl Substratlösung, 10 μl Enzymlösung und 1 μl einer DMSO-Lösung pipettiert. Die DMSO-Lösung enthält jeweils unterschiedliche Naturstoffe einer Naturstoffbank, in einer Konzentration von 1 mg je ml DMSO. Einige der Lösungen enthalten als Kontrolle keine solche Zusätze. Das Substrat besitzt die Sequenz A1-A2- A3-P-A4-A5-A6. Dabei steht P für die Aminosäure Prolin. AI, A2, A3, A4, A5 , A6 stehen für Peptide, vorzugsweise aber Aminosäuren, aber auch Verbindungen, die sich innerhalb von Peptidketten einbauen lassen und bei Anregung mit einer geeigneten Wellenlänge fluoreszieren, bzw. auch Verbindungen, die bei entsprechender Geometrie und geignetem Abstand von der fluoreszierenden Verbindung diese Fluoreszenz löschen70 μl of substrate solution, 10 μl of enzyme solution and 1 μl of a DMSO solution are pipetted into a titer plate with 16 × 24 cavities. The DMSO solution contains different natural substances from a natural substance bank, in a concentration of 1 mg per ml DMSO. Some of the solutions do not contain such additives as a control. The substrate has the sequence A1-A2-A3-P-A4-A5-A6. P stands for the amino acid proline. AI, A2, A3, A4, A5, A6 stand for peptides, but preferably amino acids, but also compounds that can be incorporated within peptide chains and fluoresce when excited with a suitable wavelength, or also compounds that have the appropriate geometry and suitable Distance from the fluorescent compound quench this fluorescence
(quenchen) können. Die verwendeten Aminosäuren bzw. Peptide können mit dem Fachmann bekannten chemischen Modifizierungen weitgehend verändert sein.(quench) can. The amino acids or peptides used can be largely changed with chemical modifications known to the person skilled in the art.
Ein besonderes Kennzeichen dieser Substrate ist, daß es unter geeigneten Bedingungen zur Ausbildung einer zeitweilig beständigen Verbindung zwischen chemischen Funktionalitäten kommen kann, die zu einem Ringschluß führen können, die die Aminosäure Prolin einschließen. Dieser Ringschluß führt zu der besonderen Eigenschaft dieser Substrate, daß sich die Konzentration der Konformation der Peptidyl-Prolyl-Bindung dieses Ringes von der Konzentration unterscheidet, die dieses Substrat ohne einen solchen Ring in wäßrigen Lösungen, mit physiologischen Eigenschaften, ausbilden. Eine weitere Besonderheit dieser Substrate ist die Eigenschaft, daß dieser molekulare Geometrieunterschied zwischen offenkettiger und ringförmiger Struktur zu einem Unterschied in der Fluoreszenz führt. Die Öffnung des Ringes kann durch physikalische Methoden erfolgen, so z.B. durch einen Lichtblitz, wenn der Ringschluß lichtempfindlich ist, sie kann aber auch durch chemi- sehe Reagenzien (Starter) ausgelöst werden, wenn der Ringschluß chemisch empfindliche Gruppierungen wie z.B. protease- sensible Schnittstellen aufweist. Erfolgt die Ringöffnung durch geeignete Versuchsanordnung so schnell, daß die Einstellung des Konformerengleichgewichtes geschwindigkeits- bestimmend wird, kann dessen Katalyse anhand der Fluoreszenzänderung beobachtet werden.A special characteristic of these substrates is that, under suitable conditions, a temporarily stable connection can form between chemical functionalities, which can lead to ring closure, which include the amino acid proline. This ring closure leads to the special property of these substrates that the concentration of the conformation of the peptidyl-prolyl bond this ring differs from the concentration that this substrate forms without such a ring in aqueous solutions with physiological properties. Another special feature of these substrates is the property that this molecular geometry difference between open-chain and ring-shaped structure leads to a difference in fluorescence. The ring can be opened by physical methods, for example by a flash of light if the ring closure is sensitive to light, but it can also be triggered by chemical reagents (starters) if the ring closure has chemically sensitive groups such as protease-sensitive interfaces , If the ring is opened so quickly by a suitable experimental arrangement that the setting of the conformer equilibrium becomes speed-determining, its catalysis can be observed on the basis of the change in fluorescence.
Beim hier beschriebenen Verfahrensbeispiel erfolgt die enzy- matische Katalyse durch Zugabe von 10 μl einer Lösung von Cyclophylin als Peptidylprolyl-cis/trans-Isomerase . DieIn the process example described here, the enzymatic catalysis is carried out by adding 10 μl of a solution of cyclophylin as peptidylprolyl cis / trans isomerase. The
Ringöffnung je Kavität gelingt nach Zugabe von 40 μl Starter innerhalb von 7 sec. Eine notwendige schnelle Mischung wird durch eine berührungsfreie Methode innerhalb dieser Zeit erreicht. Die Zugabe des Starters erfolgt hierbei mittels einer 16-fach-Dosiereinrichtung sequentiell in aufeinerder- folgende 16er-Reihen der Kavitäten, innerhalb einer Zeit von 4 Sekunden für alle 16 mal 24 Kavitäten. Dabei gelangt jeweils innerhalb von 3 Sekunden nach Start der Reaktion die jeweilige 16er-Reihe zur Auswertung. Danach werden alle Kavitäten über eine Zeit von 20 Minuten gemäß den spektroskopischen Gegebenheiten wie Beispiel 1 und mit einer Datensam- melrate vermessen, die ähnlich variiert, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, entsprechend einem Zeitgesetz erster Ordnung unter Zugrundelegung einer Geschwindigkweitskonstante von 4-10~3 s-1 und einer Gesamtanzahl von 999 Meßwerten je Kavität. Die Draufsicht auf die Titerplatte wird von der Videokamera 20 aufgenommen und als Gesamtbild auf dem Monitor 50 wiedergegeben. Über dieses Bild wird ein virtuelles Netzes von 16 mal 24 rechteckigen Einzelflächen so auf dem Bildschirm angeordnet, daß diese jeweils einen Ausschnitt der Probenabbildungen in den Kavitäten 11 der Titerplatte abgrenzen. Nach dem Start der Reaktion und Vermischen der 40 μl Starterlösung in den jeweils 90 μl Vorlagelösung (10 μl Enzym- und 80 μl Substratlösung) werden, durch Integration von jeweils 4 Pixeln innerhalb jeder Einzelfläche bei oben beschriebener Registrierhäufigkeit von insgesamt 999 Meßpunkten je Kavität, alle 384 Flächen zeitbezogen ausgewertet, und nach Anpassen einer Reaktion gemäß einem Geschwindigkeitsgesetz 1. Ordnung werden die Geschwindigkeitskonstanten berechnet. Der Vergleich der Geschwindigkeitskonstanten aller Kavitäten miteinander, beispielsweise als Balkendiagramm, läßt Wirkstoffe erkennen, die die Aktivität des zugesetzten Enzyms inhibieren.After 40 μl of starter has been added, the ring can be opened in each cavity within 7 seconds. The necessary quick mixing is achieved within this time using a non-contact method. The starter is added by means of a 16-fold dosing device sequentially in successive 16 rows of cavities, within a time of 4 seconds for all 16 by 24 cavities. The respective 16 series comes to the evaluation within 3 seconds after the start of the reaction. Thereafter, all cavities are measured over a period of 20 minutes in accordance with the spectroscopic conditions as in Example 1 and with a data collection rate which varies similarly as shown in FIG. 4, in accordance with a first-order time law on the basis of a speed constant of 4- 10 ~ 3 s -1 and a total of 999 measurements per cavity. The top view of the titer plate is recorded by the video camera 20 and displayed as an overall image on the monitor 50. Via this image, a virtual network of 16 by 24 rectangular individual areas is arranged on the screen such that they each delimit a section of the sample images in the cavities 11 of the titer plate. After starting the reaction and mixing the 40 μl starter solution in the 90 μl reference solution (10 μl enzyme and 80 μl substrate solution), all are integrated by integrating 4 pixels within each individual area with the above-mentioned registration frequency of a total of 999 measuring points per cavity 384 areas are evaluated in relation to time, and after adapting a reaction in accordance with a 1st order rate law, the rate constants are calculated. A comparison of the rate constants of all cavities with one another, for example as a bar chart, reveals active substances which inhibit the activity of the added enzyme.
Beispiel 4:Example 4:
Dieses Beispiel entspricht im wesentlichem dem Beispiel 3. Es demonstriert aber in besonderer Weise den Einsatz des Meßverfahrens innerhalb eines Massenscreenings ( "Highthroughput" ) .This example corresponds essentially to Example 3. However, it demonstrates in a special way the use of the measurement method within a mass screening ("high throughput").
Nach Zuführung einer vorbereiteten Titerplatte (16 mal 24 Kavitäten) auf einen Titerplatten-Trägerschlitten des Meßplatzes beginnt jeweils einer neuer Meßzyklus. Die Vorbereitung der Titerplatte beinhaltet das Zupipettieren aller notwendigen Reagenzien in den geeigneten Mengen, so daß durch Zugabe eines Startreagenz die zu beurteilende Reaktion gestartet werden kann. Folgende Schritte laufen dann ohne manuelles Eingreifen automatisch ab:After feeding a prepared titer plate (16 x 24 cavities) onto a titer plate carrier slide of the measuring station, a new measuring cycle begins. The preparation of the titer plate involves pipetting in all the necessary reagents in the appropriate amounts so that the reaction to be assessed can be started by adding a starting reagent. The following steps then run automatically without manual intervention:
1. Die Titerplatte wird sequentiell mit Startreagenz verse- hen .1. The titer plate is sequentially provided with a starting reagent.
2. Die einzelnen Kavitäten der Titerplatte werden beruh- rungsfrei durch Zugabe eines gepulsten Luftstromes homogen gemischt.2. The individual cavities of the titer plate are rested homogeneously mixed by adding a pulsed air stream.
3. Die Titerplatte fahrt unmittelbar weiter in die Zone der Beobachtung, d.h. m das Gesichtsfeld der Kamera 20. 4. Beim automatischen Bewegen der Titerplatte erfolgt die3. The titer plate moves directly into the zone of observation, i.e. m the field of view of the camera 20. 4. The automatic movement of the titer plate takes place
Lesung der Titerplattenkennung mittels Balkencode-Lesege- rat .Reading of the titer plate identifier using a bar code reader.
5. über 20 Minuten erfolgt die Registrierung der Meßsignale, wie dies in Beispiel 3 beschrieben wurde. 6. Die 383616 Originalmeßdaten (16 mal 24 mal 999) werden automatisch vom Computer 40 als Datenfile, welches an der Titerplattenkodierung und dem Datum erkennbar ist, auf einem Datenträger (Server) abgelegt.5. The measurement signals are registered over 20 minutes, as described in Example 3. 6. The 383616 original measurement data (16 times 24 times 999) are automatically stored on a data carrier (server) by the computer 40 as a data file, which can be recognized by the titer plate coding and the date.
7. Alle Meßdaten werden kavitatsbezogen verrechnet, wie dies im Beispiel 3 beschrieben wurde.7. All measurement data are calculated on a cavitation basis, as described in Example 3.
8. Die kavitatsbezogenen Ergebnisse, wie Geschwindigkeitskonstante, Amplitude, extrapolierte Endfluoreszenz werden ebenfalls automatisch vom Computer 40 als Datenfile, welches an der Titerplattenkodierung und dem Datum er- kennbar ist, auf einem Datenträger (Server) abgelegt.8. The results relating to the cavity, such as speed constant, amplitude and extrapolated end fluorescence, are likewise automatically stored on a data carrier (server) by the computer 40 as a data file which can be recognized by the titer plate coding and the date.
9. Entsprechend einem vorher eingegebenen Bewertungsmaßstab, werden nichtplausible Messungen (dies sind insbesondere solche mit unerwartet extremen Meßwerten) aber auch solche, bei denen ein Bewertungskriterium im Sinne eines sogenannten "Hits" erfüllt wurde, auf einem angeschlossenen Drucker ausgegeben.9. In accordance with a previously entered evaluation standard, non-plausible measurements (in particular those with unexpectedly extreme measured values) but also those for which an evaluation criterion in the sense of a so-called "hit" has been fulfilled are output on a connected printer.
10. Die Titerplatte wird aus der Beobachtungszone herausgefahren und mittels geeigneter Hilfsmittel vom Meßschlitten entfernt. 11. Durch Zufuhren einer weiteren Titerplatte wird ein nächster Zyklus gestartet.10. The titer plate is moved out of the observation zone and removed from the measuring slide using suitable aids. 11. The next cycle is started by feeding another titer plate.
Weitere Ausfuhrunqsformen :Other forms of export:
Bei αen vorstehend beschrieoenen Beispielen werden die Pixel jeder Einzelflache des virtuellen Netzes jeweils über diese Fläche integriert, so daß globale Meßwerte erhalten werden, welche die Gesamtlichtintensität an den betreffenden Meßorten widerspiegeln. Die Pixel jeder Einzelfläche (oder ausgewählter Einzelflächen) des virtuellen Netzes können aber auch einzeln oder in diskreten Teilmengen ausgewertet werden, als Sätze von verschiedenen lokalen Meßwerten innerhalb des betreffenden Meßortes, um die zeitliche Änderung der räumlichen Verteilung der Lichtintensität innerhalb des betreffenden Meßortes und somit die Ausbildung charakteristischer Muster in einer Probe analysieren zu können.In the above-described examples, the pixels of each individual area of the virtual network are in each case over these Surface integrated, so that global measured values are obtained which reflect the total light intensity at the relevant measurement locations. The pixels of each individual area (or selected individual areas) of the virtual network can also be evaluated individually or in discrete subsets, as sets of different local measured values within the relevant measuring location, in order to change the spatial distribution of the light intensity within the relevant measuring location over time and thus To be able to analyze the formation of characteristic patterns in a sample.
Ein Anwendungsbeispiel hierfür ist die Beobachtung der weiter oben erwähnten Hämagglutination, bei der sich verschieden große Agglutinationhöfe oder konzentrische Ringe in den Pro- ben ausbilden. Eine entsprechende Ringstruktur kann ähnlich aussehen, wie es im linken unteren Reaktionsgefäß in Fig. 2 dargestellt ist. Die zeitlich aufgelöste Auswertung der Agglutinationsstrukturen kann vorgenommen werden anhand der Einzelwerte von Pixeln (oder Teilmengen der Pixel) , welche die lokalen Meßwerte innerhalb einer Probe darstellen. In der vergrößerten Darstellung nach Fig. 5 bedeutet jedes Karo des karierten Linienmusters ein z.B. ein Pixel (oder eine definierte Pixelgruppe) der in Fig. 3 dargestellten Maskenöffnung 91 (aus Fig. 3) , die den die Agglutinationsstruktur zeigenden Meßort abgrenzt.An application example of this is the observation of the hemagglutination mentioned above, in which agglutination yards of different sizes or concentric rings form in the samples. A corresponding ring structure can look similar to that shown in the lower left reaction vessel in FIG. 2. The temporally resolved evaluation of the agglutination structures can be carried out on the basis of the individual values of pixels (or subsets of the pixels), which represent the local measured values within a sample. In the enlarged representation according to Fig. 5, each check of the checkered line pattern means e.g. a pixel (or a defined pixel group) of the mask opening 91 shown in FIG. 3 (from FIG. 3), which delimits the measurement location showing the agglutination structure.
Für die maschinelle Auswertung der Musterstrukturen können an sich bekannte Bewertungsverfahren angewandt werden. Beispielsweise kann, in einem ersten Schritt, durch Vergleich der Dichte dunkler (oder heller) Pixel in verschiedenen Zonen der Meßortabbildung (Maskenöffnung) mittels mathematischer Algorithmen das Agglutinationszentrum Z gefunden werden, welches den Dichtemittelpunkt darstellt. In einem zweiten Schritt kann die Dichteverteilung in Abhängigkeit vom Radius (also als Funktion der Entfernung vom Dichtemittelpunkt) bestimmt werden. Aus den zeitlich versetzten Berechnungen dieser Dichteverteilung kann somit ein Maß für die Agglutinationsgeschwindigkeit ermittelt werden, auch bezogen auf die Größe des Agglutinationshofes.Known evaluation methods can be used for the mechanical evaluation of the pattern structures. For example, in a first step, by comparing the density of dark (or lighter) pixels in different zones of the measurement location image (mask opening) using mathematical algorithms, the agglutination center Z, which represents the density center, can be found. In a second step, the density distribution can be determined depending on the radius (i.e. as a function of the distance from the center of the density). From the staggered calculations This density distribution can thus be used to determine a measure of the agglutination rate, also based on the size of the agglutination yard.
Wie bereits erwähnt, können die verschiedenen diskreten Meßorte auch verschiedene Bereiche einer Probe in einem einzelnen Reaktionsgefäß sein, wobei die virtuelle Maske von Fall zu Fall so angepaßt werden kann, daß Meßwerte nur für diejenigen Bereiche der Probe abgeleitet werden, die eine auszuwertende Reaktion zeigen. Ein Beispiel hierfür ist in den Figuren 6 und 7 dargestellt. Die Fig. 6 zeigt das Bild eines Reaktionsgefäßes 11 nach Ablauf einer Reaktionszeit, in welcher sich eine Vielzahl diskreter, optisch als Flecken erkennbarer Zellkulturen entwickelt hat. Anhand dieses "letz- ten" Bildes einer zuvor aufgezeichneten Bilderfolge wird auf dem Bildschirm eine Maske definiert, deren Öffnungen 91 die einzelnen Kulturen umgrenzen. Die Aufzeichnung der Bilderfolge wird dann wieder abgespielt, und die entsprechend den Maskenöffnungen selektierten Bildsignale werden ausgewertet. Das Erkennen der Flecken und die Plazierung der Maskenöffnungen kann auch durch geeignete Bildverarbeitungs-Software automatisch erfolgen. Für die Auswertung kann mit Globalmeßwerten für jeden Meßort durch räumliche Integration der Meßortpixel gearbeitet werden, oder aber mit Sätzen räumlich aufgelöster lokaler Meßwerte zur Musteranalyse, wie weiter oben beschrieben.As already mentioned, the different discrete measurement locations can also be different areas of a sample in a single reaction vessel, the virtual mask being adaptable from case to case in such a way that measurement values are only derived for those areas of the sample which show a reaction to be evaluated. An example of this is shown in FIGS. 6 and 7. FIG. 6 shows the image of a reaction vessel 11 after the end of a reaction time in which a large number of discrete cell cultures, which can be recognized as spots, have developed. On the basis of this “last” image of a previously recorded sequence of images, a mask is defined on the screen, the openings 91 of which delimit the individual cultures. The recording of the image sequence is then played back again, and the image signals selected in accordance with the mask openings are evaluated. The detection of the spots and the placement of the mask openings can also take place automatically using suitable image processing software. For the evaluation, one can work with global measurement values for each measurement location by spatially integrating the measurement location pixels, or else with sets of spatially resolved local measurement values for pattern analysis, as described above.
Wie weiter oben angesprochen, läßt sich die vorliegende Erfindung auch mit Bildaufnahmeeinrichtungen realisieren, die Bildinformation nicht selbst in elektrische Signale umwandeln, sondern z.B. auf photographische Bildträger aufzeichnen. In diesem Fall werden die zu verarbeitenden Bildsignale durch Abtastung dieser Bildträger mittels eines geeigneten Scanners gewonnen (z.B. mittels eines Filmabtasters, wenn der Bildträger ein photographischer Kinofilm ist) . As mentioned above, the present invention can also be implemented with image recording devices which do not themselves convert image information into electrical signals, but e.g. Record on photographic media. In this case, the image signals to be processed are obtained by scanning these image carriers using a suitable scanner (e.g. using a film scanner if the image carrier is a photographic cinema film).

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Gewinnung von Daten, die Aufschluß geben über den Ablauf der Reaktionen von Reaktanten in einer Probenanordnung, welche eine oder mehrere gleichzeitig bereitgestellte Proben von Zusammensetzungen enthält, durch optische Überwachung der Reaktionsabläufe an einer Vielzahl unterschiedlicher Meßorte in der Probenanordnung und Auswertung der dabei detektierten Lichtsignale, wobei zur Detektion der Lichtsignale Strahlung aus den unterschiedlichen Meßorten an unterschiedliche Orte der Bildaufnahmefläche einer Bildaufnahmeeinrichtung (20) übertragen wird, die während der zu erwartenden Dauer der Reaktionen zyklisch abgetastet wird, um für verschiedene Bildorte jeweils eine Reihe aufeinanderfolgender Lichtmeßwerte zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtansicht der Probenanordnung über ein Objektiv (21) der Bildaufnahmeeinrichtung (20) auf die Bildaufnahmefläche abgebildet wird daß zur Auswahl der für die Auswertung herangezogenen Lichtmeßwerte den Bildsignalen der aufgenommenen Bilder eine virtuelle Maske (90) überlagert wird, deren Öffnungen (91) jeweils eine Menge von Pixeln jeder Meßortabbildung abgrenzen, und daß aus jeder dieser Pixelmengen die Reihe aufeinanderfolgender Lichtmeßwerte des betreffenden Meßortes für die Auswertung abgeleitet wird.1. A method for obtaining data which provide information about the course of the reactions of reactants in a sample arrangement which contains one or more simultaneously provided samples of compositions by optical monitoring of the reaction processes at a large number of different measuring locations in the sample arrangement and evaluation of the results Detected light signals, with radiation for the detection of the light signals being transmitted from the different measuring locations to different locations of the image recording surface of an image recording device (20), which is cyclically scanned during the expected duration of the reactions in order to obtain a series of successive light measurement values for different image locations, characterized in that the overall view of the sample arrangement is imaged on the image recording surface via an objective (21) of the image recording device (20), that for the selection of the light measurement values used for the evaluation Image signals of the recorded images are superimposed on a virtual mask (90), the openings (91) of which each delimit a quantity of pixels of each measurement location image, and that the series of successive light measurement values of the measurement location in question is derived from each of these pixel quantities for evaluation.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenanordnung bereitgestellt wird als eine Vielzahl von Proben in zugeordneten Reaktionsgefäßen (11) und jeweils enthaltend eine Zusammensetzung, die zu einer Reaktion erster Ordnung führt, und daß jede Öffnung (91) der überlagerten Maske (90) eine Menge von Pixeln aus der Abbildung eines jeweils zugeordneten Exemplars der Proben abgrenzt und daß die aus jeder abgegrenzten Pixelmenge abgeleitete Reihe aufeinanderfolgender Meßwerte zur Bestimmung der kinetischen Konstante der Reaktion nach dem Zeitgesetz erster Ordnung in der betreffenden Probe ausgewertet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the sample arrangement is provided as a plurality of samples in assigned reaction vessels (11) and each containing a composition which leads to a first-order reaction, and that each opening (91) of the superimposed mask (90) delimits a set of pixels from the image of a respectively assigned specimen of the samples and that the series of successive measurement values derived from each delimited pixel set for determining the kinetic constant of the reaction according to the first-order time law is evaluated in the sample in question.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Auswertung der Lichtsignale herangezogenen3. The method according to claim 2, characterized in that the used for evaluating the light signals
Meßwerte für jede Probe als eine nicht-äquidistante Folge aus der Reihe aufeinanderfolgender Lichtmeßwerte abgeleitet werden, derart daß der Abstand aufeinanderfolgender auszuwertender Meßwerte in zeitlich hochaufzulösenden Abschnitten des Reaktionsverlaufes größer ist als in Abschnitten, wo eine geringere zeitliche Auflösung tolerierbar ist.Measured values for each sample are derived as a non-equidistant sequence from the series of successive light measured values, so that the distance between successive measured values is greater in sections of the course of the reaction that can be resolved over time than in sections where a lower temporal resolution is tolerable.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der zur Auswertung herangezogenen aufeinan- derfolgenden Meßwerte in Abschnitten schnellerer Lichtsignaländerungen kleiner gewählt wird als in Abschnitten langsamerer Lichtsignaländerungen.4. The method according to claim 3, characterized in that the distance between the successive measured values used for the evaluation is selected to be smaller in sections of faster light signal changes than in sections of slower light signal changes.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl diskreter Meßorte verschiedene Orte in einer Probe einer Zusammensetzung sind.5. The method according to claim 1, characterized in that the plurality of discrete measuring locations are different locations in a sample of a composition.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pixelwerte in mindestens einer der abgegrenzten Pixelmengen wiederholt und über jeweils eine vorgewählte Anzahl n≥l von zyklischen Abtastungen integriert werden, um für den betreffenden Meßort eine Reihe aufeinanderfolgender Globalmeßwerte zu erhalten, anhand derer die Auswertung erfolgt.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the pixel values are repeated in at least one of the delimited pixel quantities and are integrated over a preselected number n≥l of cyclic scans in order to obtain a series of successive global measured values for the measurement location in question which is evaluated.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Bildaufnahmeeinrichtung (20) eine Einrichtung zur Aufnahme von Farbbildern verwendet wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a device for recording color images is used as the image recording device (20).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Bildaufnahmeeinrichtung (20) eine Videokamera verwendet wird.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a video camera is used as the image recording device (20).
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bei den aufeinanderfolgenden zyklischen Abtastungen erhaltenen Signale aufgezeichnet werden und daß die zur Auswertung der herangezogenen Meßwerte aus der wiederabgespielten Aufzeichnung abgeleitet werden.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the signals obtained in the successive cyclic scans are recorded and that the evaluation values used are derived from the replayed recording.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für mindestens eine der Meßortabbildungen aufeinanderfolgende Sätze von jeweils mehreren lokalen Meßwerten erzeugt werden, wobei jeder lokale Meßwert abgeleitet wird aus jeweils einer zugeordneten lokal defi- nierten Teilmenge der abgegrenzten Pixelmenge aus der betreffende Meßortabbildung.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that successive sets of in each case a plurality of local measured values are generated for at least one of the measurement location images, each local measurement value being derived from an assigned locally defined subset of the delimited pixel quantity from the measurement location image in question ,
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die lokalen Meßwerte in den aufeinanderfolgenden Meßwertsätzen zur Bestimmung der zeitlichen Entwicklung der Intensitätsverteilung der Lichtsignale über den räumlichen Bereich des betreffenden Meßortes ausgewertet werden.11. The method according to claim 10, characterized in that the local measured values are evaluated in the successive sets of measured values for determining the temporal development of the intensity distribution of the light signals over the spatial area of the measurement site in question.
12. Apparatur zur Gewinnung von Daten, die Aufschluß geben über den Ablauf Kinetik der Reaktionen von Reaktanten in einer Probenanordnung, welche eine oder mehrere gleichzeitig bereitgestellte Proben von Zusammensetzungen enthält, durch optische Überwachung der Reaktionsabläufe an einer Vielzahl unterschiedlicher Meßorte in der Probenanordnung und Auswertung der dabei detektierten Lichtsignale, mit einer Bildaufnahmeeinrichtung (20) zum Übertragen von Strahlung aus den unterschiedlichen Meßorten an unterschiedliche Orte einer Bildaufnahmefläche und zum zyklischen Abtasten der Bildaufnahmefläche, um für verschiedene Bildorte jeweils eine Reihe aufeinanderfolgender Lichtmeßwerte zu erhalten, und mit Verarbeitungsmitteln (40) zur getrennten Auswertung der für die verschiedenen Bildorte erhaltenen Lichtmeßwerte, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildaufnahmeeinrichtung (20) ein Objektiv (21) enthält, das die Gesamtansicht der Probenanordnung auf die Bildaufnahmefläche abbildet, und daß die Verarbeitungsmittel (40) eine Einrichtung enthalten, um den bei der Abtastung erzeugten Bildsignalen eine virtuelle Maske mit einer Vielzahl von Öffnungen zu überlagern, deren jede eine Menge von Pixeln aus der Abbildung eines jeweils zugeordneten Exemplars der Meßorte abgrenzt, und daß die Verarbeitungsmittel ausgebildet sind, um aus diesen abgegrenzten Pixelmengen die den betreffenden Meßorten zugeordneten Reihen aufeinanderfolgender Lichtmeßwerte abzuleiten und auszuwerten.12. Apparatus for obtaining data that provide information about the kinetics of the reactions of reactants in a sample arrangement, which contains one or more simultaneously provided samples of compositions, by optical monitoring of the reaction sequences at a large number of different measuring locations in the sample arrangement and evaluation of the detected light signals, with an image recording device (20) for transmitting Radiation from the different measuring locations to different locations of an image recording surface and for cyclically scanning the image recording surface in order to obtain a series of successive light measurement values for different image locations, and with processing means (40) for separate evaluation of the light measurement values obtained for the different image locations, characterized in that the image pickup device (20) contains a lens (21) which images the overall view of the sample arrangement onto the image pickup surface, and the processing means (40) contain a device for superimposing a virtual mask with a plurality of openings on the image signals generated during the scanning , each of which delimits a set of pixels from the illustration of a respectively assigned copy of the measurement locations, and that the processing means are designed to use these delimited pixel quantities to determine the rows of successive L assigned to the measurement locations concerned derive and evaluate non-measured values.
13. Apparatur nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsmittel (40) ausgebildet sind, um aus den abgeleiteten Reihen aufeinanderfolgender Lichtmeßwerte die kinetischen Konstanten der an den betreffenden Meßorten ablaufenden Reaktionen nach dem Zeitgesetz erster Ordnung zu bestimmen.13. Apparatus according to claim 12, characterized in that the processing means (40) are designed to determine the kinetic constants of the reactions taking place at the measurement sites concerned according to the first-order time law from the derived series of successive light measurements.
14. Apparatur nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildaufnahmeeinrichtung (20) zur Aufnahme von Farbbildern ausgelegt ist.14. Apparatus according to claim 12 or 13, characterized in that the image recording device (20) is designed for taking color images.
15. Apparatur nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildaufnahmeeinrichtung (20) eine Videokamera ist.15. Apparatus according to one of claims 12 to 14, characterized in that the image recording device (20) is a video camera.
16. Apparatur nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildwiederholfrequenz der Videokamera (20) veränder- bar ist.16. The apparatus according to claim 15, characterized in that the refresh rate of the video camera (20) is changeable.
17. Apparatur nach einem der Ansprüche 12 bis 16, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (31, 32) zur Beleuchtung des Inhaltes der Gefäßeinrichtung (10).17. Apparatus according to one of claims 12 to 16, characterized by a device (31, 32) for illuminating the contents of the vessel device (10).
18. Apparatur nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (60) vorgesehen ist zum Aufzeichnen der von der Bildaufnahmeeinrichtung (20) aufgenommenen Einzelbilder und zum Abspielen von aus der Aufzeichnung gewonnenen Bildsignalen an die Verarbeitungsmittel (40) .18. Apparatus according to one of claims 12 to 17, characterized in that a device (60) is provided for recording the individual images recorded by the image recording device (20) and for playing back image signals obtained from the recording to the processing means (40).
19. Apparatur nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsmittel (40) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet sind. 19. Apparatus according to one of claims 12 to 18, characterized in that the processing means (40) are designed to carry out the method according to one of claims 1 to 11.
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