Eine gattungsgemäße Vorrichtung zur optischen Untersuchung einer Zelle ist aus der EP 0 881 490 A2 bekannt. Diese Vor- richtung umfasst ein Substrat, insbesondere ein Halbleiter- substrat, mit einer für die Aufnahme von Zellen geeigneten Oberfläche, einer Anzahl von unterhalb der Oberfläche ausge- bildeten Photodetektoren sowie mehreren oberhalb der Oberflä- che angeordneten Lichtquellen. Die matrixartig angeordneten Detektoren erfassen das durch die Lichtquellen ausgesendete Licht, das bedingt durch eine auf die Oberfläche aufgebrachte Zelle an verschiedenen Detektoren unterschiedliche Lichtin- tensitäten hervorruft, aus welchen eine Information über die Geometrie der Zelle gewonnen werden kann.

Für einige Anwendungen, beispielsweise in der Pharmafor- schung, ist es besonders relevant, das Verhalten von Zellen bei einer chemischen oder biochemischen Anregung untersuchen zu können. Vor allem die Untersuchung von Stoffwechselvorgän- gen an lebenden Zellen ist von besonderem Interesse, da damit z. B. der Einfluss eines neuen potentiellen Medikamentes beo- bachtet werden kann. Eine häufig durchgeführte Messung ist hierbei die intrazelluläre Kalziumbestimmung mittels kalzium- sensitiver Farbstoffe, z. B. Fura II. Aus A. L. Miller, E.

Karplus, L. F. Jaffe : "Coeneterate Imaging [Ca2+] i with Aequo-<BR> rin Using a Photon Imaging Detector. ", Meth Cell Biol 40,305 (1994), ist es bekannt, Zellen, beispielsweise mittels osmo- tischer Schockbehandlung, mit einem biolumieszenten Stoff,

beispielsweise Aqueorin, zu beladen. Intrazelluläre Kalzium- signale als Antwort auf chemische Reize werden dabei durch die Biolumineszenz des Aequorin sichtbar gemacht.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine kompakte und einfach realisierbar Vorrichtung und ein Verfahren zur Detek- tion von zellulären Vorgängen mittels Lumineszenzmessungen bei chemischen oder biochemischen Anregungen zur Verfügung zu stellen.

Dieses Ziel wird durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß der Merkmale des An- spruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein Trägerelement mit einer für das direkte oder indirekte Ankoppeln von Zellen präparierten Oberfläche, wenigstens einen optischen Detektor zum Empfangen eines Lumineszenzsignals, der in dem Trägerele- ment unterhalb der Oberfläche integriert ist, eine die Ober- fläche unter Bildung eines Hohlraumes überdeckende Abdeckung, die eine Zuflussöffnung und eine Abflussöffnung aufweist, so- wie eine an die Zuflussöffnung angeschlossene Anregungsquel- le.

Die Anregungsquelle bildet ein Reservoir für eine chemische oder biologische Substanz, die beispielsweise den Stoffwech- sel der Zelle beeinflusst, wobei die Stoffwechselvorgänge durch Lumineszenz sichtbar gemacht und mittels des wenigstens einen Detektors detektiert werden.

Unter dem Begriff"Lumineszenz"werden im folgenden sämtli- che, durch ein von der Anregungsquelle abgegebenes Medium hervorgerufenen Lichtemissionen, im weiteren Sinne auch die Aussendung von ultravioletter und infraroter Strahlung zusam- mengefasst, die nicht durch hohe Temperaturen, sondern durch vorangegangene biologische oder chemische Anregung verursacht

wird. Die Lumineszenz zeigenden Stoffe werden Luminophore ge- nannt. Wie dem Fachmann bekannt ist, kann eine solche Lumi- neszenz hervorgerufen werden durch chemische Anregung, die dann als Chemolumineszenz oder Biolumineszenz bezeichnet ist.

Dieser Prozess unterliegt den allgemeinen Grundsätzen der Quantenmechanik und bewirkt eine Anregung der Atome und Mole- küle, die anschließend unter Emission von Licht, welches er- findungsgemäß detektiert wird, in den Grundzustand zurückkeh- ren.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die zur chemischen Anregung der Zelle zur Detektion der ausgesendeten Lumineszenzsignale dient, umfasst bei einer Ausführungsform ein Wellenlängenfil- ter zwischen der Oberfläche und dem wenigstens einen Detek- tor. Vorzugsweise sind eine Vielzahl von Detektoren vorhan- den, wobei den einzelnen Detektoren Wellenlängenfilter mit unterschiedlichen Durchlasscharakteristiken zugeordnet sein können, um selektiv Lumineszenzsignale unterschiedlicher Wel- lenlängen detektieren zu können.

Das Trägerelement ist bei einer Ausführungsform als Halblei- terkörper ausgebildet, wobei eine an die Detektoren ange- schlossene Auswerteschaltung vorzugsweise in dem Halbleiter- körper integriert ist. Die Verwendung eines anorganischen Halbleitermaterials, wie beispielsweise Silizium, besitzt den Vorteil, dass herkömmliche, hinlänglich bekannte Technologie- prozesse, beispielsweise CMOS-Prozesse zur Herstellung des Trägers mit den Detektoren und der Auswertschaltung einge- setzt werden können.

Die Integration der Auswerteschaltung in dem Halbleiterchip ermöglicht in unmittelbarer Nähe zu der zu analysierenden Zelle eine Vorverarbeitung der Detektorssignale. Somit han- delt es sich bei dieser bevorzugten Ausführungsform der vor- liegenden Erfindung um eine"intelligente"Sensoreinrichtung, die wesentlich mehr leistet, als rein passive Sensoren. Bei- spielsweise können die Ausgangssignale der elektrooptischen

Sensoren durch eine mitintegrierte Schaltung so aufbereitet werden, dass sie über Ausgangsschaltungen und Anschlusskon- takte relativ problemlos nach außen geführt werden können.

Ferner kann die Vorverarbeitung aus der Digitalisierung der analogen Sensorsignale und ihre Umwandlung in einen geeigne- ten Datenstrom bestehen. Des weiteren kann das signal-to- noise ratio (Signal-Rausch-Verhältnis) durch die in der er- findungsgemäßen Vorrichtung verwirklichten Nähe des Detektors zum Ort der Signalverarbeitung aufgrund kurzer Signalwege sehr stark verbessert werden. Darüber hinaus sind auch weite- re Verarbeitungsschritte möglich, mit denen z. B. die Daten- menge reduziert werden kann oder die der externen Verarbei- tung und Darstellung dienen. Damit ist es möglich, dass die verbleibende Auswertung der optischen Signale und ihre Dar- stellung über einen Personal Computer (PC) erfolgen kann.

Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgestaltet sein, dass die vorzugsweise verdichteten bzw. aufbereiteten Daten über Infrarot-oder Funkverbindung an entsprechend aus- gestattete Empfangsstationen übermittelt werden können.

Darüber hinaus besteht auch die insbesondere nach Kostenge- sichtspunkten interessante Möglichkeit, organische Halblei- termaterialien, die beispielsweise in der EP-A-1085319 be- schrieben sind, für den Träger mit den Detektoren einzuset- zen.

Die Detektoren, die unterhalb der für die Aufnahme von Zellen präparierten Oberfläche angeordnet sind, sind vorzugsweise als Photodioden, CCD-Sensoren oder Photoleiter ausgebildet.

Vorzugsweise sind mehrere Detektoren matrixartig in dem Trä- ger integriert, um so eine räumlich aufgelöste Lumineszenz- messung durchführen zu können.

Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die an den Zu- fluss der Abdeckung angeschlossene Anregungsquelle angesteu- ert durch die Auswerteschaltung ein Anregungsmedium an die Zuflussöffnung, welchem die an der Oberfläche immobilisierte

Zelle ausgesetzt wird. Zur Steuerung der Medienzufuhr ist beispielsweise ein Ventil in einer Zuführleitung zwischen der Anregungsquelle und der Zuflussöffnung angeordnet, das durch die Ansteuerschaltung angesteuert ist.

Um die Zellen an die Oberfläche des Trägerelements anzubinden besteht die Möglichkeit, eine Adhäsionsmatrix oder ein die Zelladhärenz und/oder das Zellwachstum förderndes Medium, beispielsweise Gelatine, auf die Oberfläche aufzubringen und die Zellen bereits auf diesem Nährmedium wachsen zu lassen.

Außerdem besteht die Möglichkeit Zellen, auf eine die Zellen immobilisierende Schicht, beispielsweise negativ geladenes Polystyrol, auf die Oberfläche aufzubringen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass bereits herstellerseitig eine Zelle oder ein Zellverband an der Oberfläche immobilisiert ist, wodurch es einem Kunden er- möglicht wird unmittelbar Messungen an der Zelle nach Zugabe eines von ihm gewählten Anregungsmediums in die Anregungs- quelle durchzuführen.

Vorzugsweise umfasst das Trägerelement mehrere Detektoren o- der Detektorenfelder, die räumlich voneinander getrennt sind, um so parallel Messungen an mehreren Zellen oder Zellverbän- den durchführen zu können. Diese einzelnen Detektoren oder Detektorfelder sind vorzugsweise derart getrennt angeordnet, dass im wesentlichen keine Lichtemission eines Punktes oder Feldes von dem oder den Detektoren eines anderen Punktes oder Feldes empfangen werden kann. So können die einzelnen Detek- tionsorte in jeweiligen Vertiefungen angeordnet sein, wie sie zum Beispiel von üblichen Mikrotiterplatten bekannt sind. Be- vorzugt sind erfindungsgemäß muldenartige Vertiefungen und solche, deren seitlichen Wandungen im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Sensorchips angeordnet sind. Die jeweili- gen Abmessungen einer solchen Vertiefung kann der Fachmann in Kenntnis des Anwendungsbereichs frei wählen, wobei die Ver-

tiefung vorzugsweise um wenigstens 100nm in die Oberfläche des Trägerelements eingesenkt ist.

Alternativ können auf der im wesentlichen planaren Oberfläche senkrecht nach oben gerichtete Trennmittel angeordnet sein, deren Abmessungen vom Fachmann in Kenntnis des gewünschten Anwendungsbereiches und der räumlichen Abmessung der Zellen ausgewählt werden können. Die Anbringung entsprechend geeig- neter Trennmittel kann beispielsweise durch anodisches Bonden oder durch sogenannte Flip-Chip-Verfahren erfolgen. Eine solche Vorrichtung mit mehreren Detektorfeldern ermöglicht erfindungsgemäß ein sensorgestütztes elektrooptisches Bildaufnahmeverfahren.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Detektion von zel- lulären Vorgängen mittels Detektion von Lumineszenzereignis- ses in, an oder in der unmittelbaren Umgebung einer Zelle, eines Zellverbandes oder eines Gewebes, ist vorgesehen, eine Vorrichtung bereitzustellen, die ein Trägerelement mit einer für das direkte oder indirekte Ankoppeln von Zellen präpa- rierten Oberfläche, wenigstens einen in dem Trägerelement un- terhalb der Oberfläche integrierten optischen Detektor zum Empfangen eines Lumineszenzsignals, eine die Oberfläche unter Bildung eines Hohlraumes überdeckende Abdeckung mit einer Zu- flussöffnung und einer Abflussöffnung und eine an die Zu- flussöffnung angeschlossene Anregungsquelle aufweist. An der für die Aufnahme von Zellen präparierten Oberfläche wird we- nigstens eine Zelle immobilisiert, wobei anschließend ein physikalisches oder chemisches Anregungsmedium aus der Anre- gungsquelle in den Hohlraum zugeführt und daraus resultieren- de Lumineszenzereignisse mittels des wenigstens einen Detek- tors erfasst werden.

Die Lumineszenzereignisse werden vorzugsweise zeitlich aufge- löst erfasst. Das heißt, nach der Abgabe eines Anregungsmedi- ums an den Umgebung der Zelle, werden die Lichtverhältnisse

an den Detektoren zu mehreren aufeinanderfolgenden Zeitpunk- ten, beispielsweise im Takt von, lns ausgewertet.

Um Stoffwechselvorgänge in der Zelle mittels Lumineszenz sichtbar zu machen, ist der Einsatz von Luminophoren erfor- derlich, die auf die interessierenden Stoffwechselprodukte mit Lumineszenz reagieren, die durch die Detektoren erfasst wird.

Für den jeweiligen Anwendungsfall geeignete Luminophore kön- nen von einem Fachmann werden abhängig von dem zu detektie- renden Stoffwechselprodukt, mit welchem die Luminophore rea- gieren sollen, in hinlänglich bekannter Weise ausgewählt wer- den.

Man kann Luminophore mit unterschiedlichen Halbwertzeiten un- terscheiden. Die Halbwertzeit gibt an, wie lange Lumineszenz nach einer Anregung messbar ist. Die Auswahl eines Lumi- nophors mit einer für den jeweiligen Anwendungsfall geeigne- ten Halbwertzeit liegt im Ermessen des Fachmanns. Besonders geeignet sind insbesondere Luminophore, deren Halbwertzeit deutlich größer als 5ns, vorzugsweise zwischen 100Ss und 2000gus, liegt.

Grundsätzlich geeignet sind organische Luminophore, Selten Erden Metalle (SEE) bzw. Lanthaniden oder Actinidenverbindun- gen,"Microspheres" (z. B. FluoSpheress Europium Luminescent Microspheres, Molecular Probes) oder Nanokristalle von Halb- leitern, wobei letztere neben ihren Lumineszenzeigenschaften insbesondere eine relativ kleine Größe (wenige nm) und eine hohe Stabilität (kein Photobleaching) aufweisen. Weitere ge- eignete Luminophore sind Erdalkalihalogenide mit Gitterfehl- stellen, wie sie z. B. durch Dotierungen (Fremdionen) oder ra- dioaktive Strahlung hergestellt werden können.

Die meisten vorgenanten Farbstoffe sind nur für die Messung an oder in der unmittelbaren Umgebung der Zellen geeignet.

Allerdings gibt es Verfahren um Zellmembranen für Farbstoffe und Reportermoleküle permeabel zu machen. Derartige Verfahren sind z. B. : - Acetoxymethyl (AM) ester loading - Acid loading (insbesondere für Pfanzenzellen) - ATP-induzierte Ppermeabilisierung - Cationic liposome delivery - Electroporation - Hypoosmotischer Shock - Influx pinocytic cell-loading reagent Ein geeignetes Beladesystem ist z. B. in K. Barber, et al. : "Delivery of Membrane-Impermeant Fluorescent Probes into Li- ving Neural Cell Populations by Lipotransfer.", Neurosci Lett 15 207,17 (1996) beschrieben.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, die durch den oder die Detektor (en) detektierten Lumineszenz- signals mit einem Referenzwert zu vergleichen. Dieser Refe- renzwert kann in einem Speicher in dem Halbleiterkörper ge- speichert werden und kann beispielsweise durch eine Messung vor der Anregung der Zelle erhalten werden. Der Referenzwert kann auch parallel zu der Messung an der Zelle erhalten wer- den, indem mehrere räumlich getrennte Detektoren oder Dete- korfelder bereitgestellt werden, wobei im Bereich eines De- tektors oder Detektorfeldes keine Zelle immobilisiert ist, so dass detektierte Lumineszenzsignale dieses Detektors oder De- tektorfeldes als Referenzwert verwendet wird, der Licht bzw.

Strahlungseinflüsse berücksichtigt, die nicht durch die zu analysierende Zelle bedingt sind, wie z. B. die Eigenfluores- zenz von Systemkomponenten, und die somit herausgerechnet werden können.

Sofern die Sensoroberfläche das Design einer Microarray- nordnung aufweist, bei der eine Vielzahl von Detektorfeldern mit jeweils einer Anzahl von Detektoren vorhanden sind, kann

die Detektion der Messfeld-bzw-punktsignalwerte sequentiell erfolgen, indem z. B. ganze Zeilen oder Spalten der Sensor- oberfläche bzw Teile derselben nacheinander detektiert werden (Multiplexanwendung).

Die Verwendung mehrerer paralleler Detektorfelder, an denen jeweils dieselben Messungen durchgeführt werden, bietet dar- über hinaus den Vorteil, dass mehrere Messergebnisse vorlie- gen, aus denen das Gesamt-Messergebnis gemittelt werden kann.

Die Ausgangssignale der Detektoren können in dem Halbleiter- chip ausgewertet oder mittels geeigneter Schaltungseinrich- tungen nach einer Analog-Digitalumsetzung einer externen Aus- werteeinrichtung zugeführt werden.

Für den Fachmann ist klar, dass die Wahl des Detektors bzw. des Materials von der zu detektierenden Emissionswellenlänge des Farbstoffes abhängt. Grundsätzlich besitzt der Detektor aufgrund des sogenannten"Halbleiterbandgaps"je nach Materi- alwahl (z. B. Silizium oder Germanium) unterschiedliche Emp- findlichkeiten bezüglich Wellenlänge der detektierten Lumi- neszenzsignals. Im bevorzugten Falle der Verwendung einer Si- lizium-Photodiode wird ein Empfindlichkeitsbereich geschaf- fen, der vom infraroten bis in das ultraviolette Wellenspekt- rum reicht, wobei die Empfindlichkeit zwischen diesen Berei- chen am größten. (s. z. B. B. Streetman :"Solid State Electro- nic Devices", , Prentice-Hall, Inc., ISBN 0-13-10 436379-5, S. 201-227 (1995).

Um Lumineszenzen unterschiedlicher Wellenlängen detektieren zu können werden entweder wellenlängenspezifische Photoele- mente oder aber herkömmliche Photodioden ausgewählt, die mit aufgelegten, aufgebrachten, aufgedampften oder integ- rierten Wellenlängenfiltern ausgestattet sind. So ist z. B. bekannt, dass Siliziumnitrid im Gegensatz zu Siliziumoxid W- Licht nicht durchläst, und dass Polysilizium UV-Strahlung ab- sorbiert (s. z. B. V. P. Iordanov et al. : "Integrated high re-

jection filter for NADH fluorescence measurements", Sensors 2001 Proceedings, Vol. 1,8-10 Mai, S. 106-111, AMA-Service (2001) ). Daher kann auf die Gateoxidschicht im Rahmen des üb- lichen CMOS-Prozesses Nitrid oder Polysilizium deponiert wer- den, wodurch auf der Photodiode entsprechende Filter geschaf- fen werden. So hat z. B. NADH (Nicotinamid Adenine Dinucleo- tid) eine Anregungswellenlänge von 350 nm und eine Emissions- wellenlänge von 450 nm. Durch Aufbringung eines Filters, der 350nm ausfiltert, kann daher die Sensitivität erhöht werden.

Dieser Effekt kann genutzt werden, um bei paralleler Verwen- dung von z. B. zwei unterschiedlichen Luminophoren, von denen beispielsweise nur einer Licht im UV-Bereich emittiert, eine differentielle Detektion zu ermöglichen, da die hierfür vor- gesehenen Detektoren W-sensitiv ausgestaltet sind oder nicht. Ferner bietet dieser Effekt die Möglichkeit, gegebe- nenfalls störende Eigenfluoreszenzen anwesender Materialien mit bekannter Emissionswellenlänge durch Bereitstellung ent- sprechender Filter aus dem Messverfahren herauszunehmen. Ein Beispiel hierfür ist die parallele Verwendung von Europium- Chelaten (Emission bei ca. 620 nm) und mit Kupfer dotiertem Zinksulfid (Emission bei ca. 525 nm), die durch hinreichend voneinander verschiedenen Emissionswellenlängenbereichen eine Zweifarbdetektion ermöglichen, z. B. innerhalb eines Bereichs eines Detektorpunktes bzw. -feldes, indem z. B. die eine Hälf-<BR> te der Sensoren eines Detektorpunktes bzw. -feldes mit einem Tiefpassfilter und die andere Hälfte der Sensoren des glei- chen Punktes oder Feldes mit einem Hochpassfilter ausgestat- tet ist.

Zusätzlich oder alternativ können unterschiedliche Luminopho- ren parallel eingesetzt werden, sofern ihre physikalischen bzw. optischen Eigenschaften hinreichend voneinander abwei- chen. Beispielsweise werden erfindungsgemäß die unterschied- lichen Anregungswellenlängen zweier zu verwendender Lumi- nophore A und B und/oder deren unterschiedlichen Halbwertzei-

ten genutzt. Dies kann z. B. durch Bereitstellung von zwei un- terschiedlich dotierten Nanokristallen erfolgen.

Die Signale der Detektoren werden durch eine Auswertungsein- heit aufgenommen. Die Auswertungseinheit besitzt einen sehr schnellen Konverter zur Umwandlung analoger Detektorsignale in digitale Werte, die gespeichert werden. Eine Auswertung der digitalen Werte wird vorzugsweise in Echtzeit vorgenom- men, kann jedoch auch zeitlich verzögert erfolgen. Zur Aus- wertung der digitalen Werte kann ein gewöhnlicher Mikropro- zessor verwendet werden. Für den Fall, dass das Lumineszenz- signal für eine eindeutige Detektion zu schwach ist, kann im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der Detektion eine Erhöhung der Nachweissensitivität über eine Integration meh- rerer Einzelmessungen erreicht werden. Dabei erfolgt eine i- dentische Messung mehrfach und die Messergebnisse werden aufaddiert. Dies kann sowohl direkt auf dem Sensorchip als auch nach der Messung über geeignete Software erfolgen.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei- spielen anhand von Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigt : Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge- mäßen Vorrichtung zur Detektion von zellulären Vor- gängen mittels Lumineszenzmessungen in Seitensicht im Querschnitt, Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsge- mäßen Vorrichtung in Seitenansicht im Querschnitt, Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge- mäßen Vorrichtung in Seitenansicht im Querschnitt, Figur 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge- mäßen Vorrichtung in Seitenansicht im Querschnitt.

In den Figuren bezeichnen sofern nicht anders angegeben glei- che Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion eines Lumineszenze- reignisses in, an oder in der unmittelbaren Umgebung einer Zelle, eines Zellverbandes oder eines Gewebes, wobei in Figur 1 zu Zwecken der Veranschaulichung lediglich eine Zelle 6 dargestellt ist. Die Vorrichtung umfasst ein Trägerelement 1 mit einer für das direkte oder indirekte Ankoppeln von Zellen präparierten Oberfläche 100. Hierzu umfasst die Oberfläche beispielsweise eine Gelatineschicht, auf der die Zelle be- reits gewachsen ist, oder eine andere für die Immobilisierung einer Zelle oder eines Zellverbandes geeignete Substanz. O- berhalb der Oberfläche 100 ist eine einen Hohlraum 70 bilden- de Abdeckung vorhanden, wobei die Zelle in diesem Hohlraum angeordnet ist. Die Abdeckung umfasst einen Zufluss 8 und ei- nen Abfluss 9, wobei der Zufluss 8 an eine ein Anregungsmedi- um aufnehmende Anregungsquelle 21 angeschlossen ist.

Die Vorrichtung dient zur Untersuchung des Verhaltens der Zelle 6 bei einer chemischen oder biochemischen Anregung durch das in der Anregungsquelle 21 enthaltene Anregungsmedi- um mittels Lumineszenzmessungen. Die Lumineszenz wird durch Luminophore erzeugt, die in hinlänglicher bekannter Weise in die Zelle oder in eine Nährlösung in der Umgebung der Zelle eingebracht sind, und die beispielsweise mit einem Stoffwech- selprodukt der Zelle reagieren. Die Lumineszenz wird durch Detektoren 2, beispielsweise Photodioden detektiert, die un- terhalb der Oberfläche 100 in dem Trägerelement integriert sind. In dem Beispiel ist eine Wellenlängenfilter 4 zwischen der Oberfläche 100 mit der Zelle 6 und den Detektoren 2 aus- gebildet, wobei auf den Detektoren 6 vorzugsweise eine nicht näher dargestellte optisch transparente Isolationsschicht aufgebracht ist, die Leckströme über die Oberfläche 100 ver- hindert, sofern das Filter 4 nicht elektrisch isolierend ist. zusätzlich mit einem Filter 4 versehen sein.

Auf den Träger 1 ist in dem Beispiel ein Kratzschutz 3 mit einer Oberflächenbeschichtung 5, beispielsweise einem Edelme- tall oder einem hydrophoben/hydrophilen Material, aufge- bracht, wobei dieser Kratzschutz 3 oberhalb der Detektoren eine Aussparung aufweist, am Boden derer das Filter 4 und die für die Aufnahme der Zelle präparierte Oberfläche 100 vor- handen ist.

In dem Trägerelement, beispielsweise einem Halbleiterchip, ist in dem Beispiel weiterhin eine-in der Figur 1 schema- tisch dargestellte-Auswerteschaltung 11 integriert, die an die Detektoren 2 angeschlossen ist. Leitungsverbindungen 21 zwischen der Auswerteschaltung 11 und den Detektoren 2 sind in Figur 1 lediglich schematisch dargestellt.

Dem Hohlraum 70 ist aus einem Flüssigkeitsreservoir 71 eine zum Aufbewahren bzw. Nasshalten oder auch Waschen der Zelle geeignete Flüssigkeit zuführbar, beispielsweise eine Nährlö- sung. Zur Anregung der Zelle wird dieser Flüssigkeit das An- regungsmedium aus der Anregungsquelle zugeführt, wobei die Zufuhr des Anregungsmediums in dem Beispiel mittels eines in der Zuführleitung 8 angeordneten Ventils 81 steuerbar ist.

Die Steuerung dieses Ventils 81 erfolgt in dem Beispiel durch die integrierte Auswerteschaltung 11.

Das Anregungsmedium ist beispielsweise so gewählt, dass es den Stoffwechsel der Zelle beeinflusst, wobei Stoffwechsel- vorgänge durch die erläuterten Luminophore sichtbar und durch die Detektoren 2 detektiert werden. Vorzugsweise sind mehrere Anregungsquellen 21 vorhanden, die unabhängig voneinander ein Anregungsmedium abgeben, um so zeitlich aufeinanderfolgend das Zellenverhalten bei verschiedenen Anregungsmedien unter- suchen zu können.

Um eine die Zelle 6 anregende chemische Substanz nach Ende der Untersuchung abzuführen wird beispielsweise mit der Flüs-

sigkeit aus dem Reservoir 71 gespült, wodurch das Medium über den Abfluss 9 abfließt, oder die Flüssigkeit wird abgesaugt.

Die Flüssigkeitszufuhr aus diesem Reservoir wird vorzugsweise ebenfalls über ein Ventil 72 gesteuert, das durch die Auswer- teschaltung angesteuert ist.

Die Steuerung der Ventile kann auch mittels einer externen Ansteuerschaltung 12 erfolgen, der auch ein von den Ausgangs- signalen der Detektoren 2 abhängiges Signal der Auswerte- schaltung 11 zugeführt sein kann, wie dies in Figur 2 darge- stellt ist.

Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemäßen Vorrichtung, bei der zwei räumlich voneinander getrennte Detektoren 2 unterhalb einer für die Aufnahme von Zellen 6 geeigneten Oberfläche in einem Träger 1, beispiels- weise einem, Halbleiterkörper 1 integriert sind. Dabei ist nur oberhalb eines der beiden Detektoren 2 eine Zelle 6 immo- bilisiert. Der andere Detektor dient zur Bereitstellung eines Referenzwertes für den durch den Detektor 2 unterhalb der Zelle 6 gelieferten Messwert. Der Referenzwert berücksichtigt dabei gegebenenfalls unabhängig von einer Anregung vorhande- ne, beispielsweise aus einer Eigenfluoreszenz der Systemkom- ponenten resultierende Lumineszenzsignale, die aus dem Mess- ergebnis herauszurechnen sind. Wie gestrichelt dargestellt ist, ist vorzugsweise eine senkrecht von dem Träger 1 aufra- gende Trennwand 14 vorhanden, die verhindert, dass der den Referenzwert erzeugende Detektor 2 durch spezifische Lumines- zenzsignale aus der Zelle 6 oder der Umgebung der Zelle be- einflusst wird.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Trägeranordnung, die sich bezüglich der Anordnung der Detektoren 2 von den beiden vorherigen Ausfüh- rungsbeispielen unterscheidet. Auf die Darstellung der Anre- gungsquelle und der Auswerteschaltung die selbstverständlich

auch vorhanden sind, ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 verzichtet.

Der vorzugsweise aus einem Halbleiterchip gebildete Träger umfasst in dem Beispiel zwei Detektorfelder 20, die jeweils mehrere Detektoren umfassen. Hierdurch können mehrere Messun- gen gleichzeitig durchgeführt werden, wodurch eine statisti- sche Abschätzung des spezifischen erhaltenen Messsignals ab- geleitet werden kann. Beispielsweise wird hierdurch ermög- licht, dass zwischen unspezifischen und spezifischen Signalen differenziert werden kann, wobei spezifische Signale die aus Stoffwechselvorgängen in der Zelle resultierenden Signal und unspezifische Signale andere Signale, beispielsweise Störsig- nale, sind. Diese unspezifischen Signale besitzen eine andere Verteilung als die spezifischen Signale, so dass eine Unter- scheidung möglich wird.

Figur 4 zeigt eine Abwandlung eines in Figur 3 dargestellten Trägerelements 2, das ein zusammenhängendes Detektorfeld 20 mit einer Vielzahl von Detektoren 2 aufweist, welches dazu geeignet ist mehrere Zellen gleichzeitig zu untersuchen. Die- se Vorrichtung ermöglicht es, identische Zellen unter ver- gleichbaren Bedingungen zu untersuchen und deren Signale zu detektieren, wobei diese unter gleichen Bedingungen gewonne- nen Signale zur statistischen Absicherung in einer Auswerte- einheit gemittelt werden können.

Ein Verfahren zur Herstellung eines für die erfindungsgemäße Vorrichtung geeigneten Trägers wird nachfolgend kurz erläu- tert : Ein Halbleiterchip wird unter Verwendung von 6" (Inch) Wafern mit einem 0.5 mm CMOS-Prozess gefertigt. Die Detektoren 2 werden als pn-Photodioden in einer n-Wanne auf einem p- Substrat angeordnet. Nach der Feldoxidation folgen die Defi- nition der p-Gebiete der Photodiode und die Aufbringung einer 10 nm dicken Gateoxidschicht. Gewünschtenfalls kann an dieser

Stelle zusätzlich noch ein strukturiertes Nitrid (z. B. LPCVD oder PECVD) als UV-Filter aufgebracht werden. Dann erfolgt die Auflagerung und Strukturierung einer Siliziumdioxid- Schicht. Anschließend werden die weiteren üblichen CMOS- Schritte durchgeführt, wie z. B. das Aufbringen einer Verdrah- tungsschicht und die Oberflächenpassivierung (Kratzschutz).

Der so hergestellte CMOS-Sensor wird durch Beschichten mit einem geeigneten Zellwachstumssubstrat, z. B. Gelatine, modi- fiziert. Auf dieses Substrat werden dann vereinzelte Zellen (z. B. trypsinisierte Epithelzellen) ausgesät und mit Zellkul- turmedium (z. B. DMEM-FI2) zum Wachsen gebracht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich beispielsweise zur Untersuchung des Kalziumstoffwechsels von Herzmuskelzel- len. Dabei werden die Zellen zunächst durch osmotische Schockbehandlung mit Aqueorin beladen. Intrazelluläre Kalzi- umsignale als Antwort auf chemische Reize durch die aus der Anregungsquelle 21 abgegebene chemische Substanz werden durch die Biolumineszenz des Aqueorins sichtbar und durch die De- tektoren detektiert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Untersuchung intrazellu- lärer Vorgänge nach einer biologischen oder chemischen Anre- gung ist besonders kompakt und mittels bekannter Verfahren herstellbar.