Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Vorrichtungen zur Aufnahme von Mikroskopie-Bildern, insbesondere linsenlose Mikroskope, sowie Systeme zur Überwachung von Proben, insbesondere von biologischen Zellen.

Hintergrund der Erfindung

Die Überwachung einer Probe mit biologischen Zellen, insbesondere die Aufzeichnung und Quantifizierung von Zellwachstum oder -mobilität, ist von großer Bedeutung in der Forschung und Entwicklung mit biologischen Zellen. So sollen die Wachstumsbedingungen in einem Experiment mit lebenden Zellen beispielsweise in der Krebsforschung und in einer Studie in der Medikamentenentwicklung reproduzierbar sein, damit Experimente oder Entwicklungen miteinander verglichen werden können.

Im Rahmen der Forschung und Entwicklung befinden sich die biologischen Zellen typischerweise in einer kontrollierten Umgebung, z.B. in einem Inkubationsschrank mit beschränktem Volumen, welche eine Regelung von Temperatur, 02-, CO2-Umgebung/- Gehalt und Luftfeuchtigkeit etc. aufweist. Des Weiteren wird regelmäßig eine große Anzahl von Zellproben parallel kultiviert oder in zellbasierten Experimenten verwendet.

Die Überwachung solcher Zellkulturen oder die Experimente mit Zellkulturen erfolgen beispielsweise anhand von Parametern wie Zellwachstum, Morphologie, Zellmobilität, Zellkonfluenz. Anhand dieser Parameter kann erkannt werden, ob der gewünschte Zellzustand schon erreicht wurde oder Unregelmäßigkeiten auftreten und Maßnahmen zur Behebung ergriffen werden müssen, z.B. Erneuerung des Nährmediums, Entsorgen aufgrund von Infektionen, Transfizieren der Zellen, Hinzugeben eines Wirkstoffes oder Splitten von Zellen, oder eine Kombination des Vorstehenden

Die Überwachung der Zellkulturen erfolgt regelmäßig manuell, d.h. durch Öffnung des Inkubators, Entnahme der Zellkultur, Platzieren der Zellkultur unter einem Mikroskop, Inaugenscheinnahme durch einen erfahrenen Labormitarbeiter und Dokumentation der wesentlichen Parameter.

Eine solche Überwachung weist eine Reihe von Nachteilen auf, unter Anderem, dass die kontrollierten Wachstumsbedingungen durch Entnahme aus dem Inkubator gestört werden, dass Untersuchungen nur zu wenigen Zeitpunkten möglich sind und stichprobenartig verlaufen und dass die Quantifizierung der Parameter subjektiven Eindrücken des Labormitarbeiters unterliegt und damit die Reproduzierbarkeit durch verschiedenen Nutzern begrenzt ist.

Es besteht ein Bedarf an Vorrichtungen und Systemen zur automatisierten kontinuierlichen Überwachung von Zellkulturen, welche in den verwendeten Inkubator- Schränken eine Parallelisierung von Kultivierung bzw. Versuchen erlauben, objektive Ergebnisse liefern und ohne negativen Einfluss auf die Zellkulturbedingungen, insbesondere die Temperatur und die Umgebungsbedingungen, eingesetzt werden können.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gegenüber den genannten und anderen Nachteilen verbesserte Systeme zur Überwachung von Proben, insbesondere biologischen Zellen, sowie Vorrichtungen zur Aufnahme von Mikroskopie-Bildern bereitzustellen.

Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird gelöst durch Vorrichtungen und Systeme gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Die abhängigen Ansprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen.

In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Aufnahme von Mikroskopie-Bildern. Die Vorrichtung umfasst eine partiell kohärente Lichtquelle und einen Bildsensor. Der Bildsensor umfasst einen Sensorkopf und eine Sensorausleseeinrichtung, wobei der Sensorkopf und die Lichtquelle derart voneinander beabstandet angeordnet sind, dass Sensorkopf und Lichtquelle einen dazwischenliegenden Probenraum zur Aufnahme eines Substrats mit einer Probe, im Folgenden Probenraum, definieren.

Ferner sind der Sensorkopf und die Lichtquelle derart angeordnet, dass eine optische Abbildung einer Probe (z.B. der Zellen, Zellcluster, Sphäroide, Mikrokolonien oder dergleichen) in dem Probenraum durch die partiell kohärente Lichtquelle auf den Sensorkopf ein Intensitätsmuster darstellt.

Die Probe kann etwa Objekte oder Lebewesen aufweisen, welche optisch transparent, halbtransparent oder opak sind und wobei jedes Objekt/Lebewesen ab von 1 pm (Mikrometer), bevorzugt im Bereich von 5 bis 50 pm (Mikrometer) misst. Bei der Probe kann es sich insbesondere um biologische Zellen handeln, beispielsweise um Epithel -Zellen (z.B. HeLa- Zellen), Fibroblasten-Zellen (z.B. 3T3-Zellen), oder Karzinom-Zelllinien (z.B. HuH7-Zellen oder A549-Zellen); oder um Ansammlungen von Zellen (Sphäroide, Cluster).

In manchen Ausführungsformen kann die Sensorausleseeinrichtung vom Sensorkopf beabstandet angeordnet sein. Dabei ist der Abstand zwischen den Bauteilen so ausgelegt, dass sich der Probenraum zur Aufnahme der Probe nicht oder im Wesentlichen nicht durch den Betrieb der Bauteile erwärmt. Somit wird die Probe von der Abwärme der Sensorausleseeinrichtung (insbesondere deren Elektronik) nicht beeinflusst. Durch eine derartige Anordnung wird ermöglicht, dass der Sensorkopf in unmittelbarer Nähe von biologischen Zellen betrieben werden kann, ohne z.B. die biologischen Zellen durch Abwärme der Sensorausleseeinrichtung zu beeinträchtigen. In konventionellen Sensoren sind die Sensorausleseeinrichtung und der Sensorkopf hingegen benachbart zueinander angeordnet.

Die Beabstandung von Sensorausleseeinrichtung und Sensorkopf kann in einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung auch in einer Vorrichtung vorgesehen sein, in der die Lichtquelle nicht notwendigerweise eine partiell kohärente Lichtquelle ist (und die optische Abbildung durch die Lichtquelle auf den Sensorkopf nicht notwendigerweise ein Intensitätsmuster darstellt).

Die partiell kohärente Lichtquelle kann in manchen Ausführungsformen eine lichtemittierende Diode (LED) sein. Durch die partielle Kohärenz der Lichtquelle wird einerseits sichergestellt, dass - im Gegensatz zu einer nicht-kohärenten Lichtquelle - die optische Abbildung der Probe auf den Sensorkopf ein Intensitätsmuster darstellt (welches - anders als bei einer kohärenten Lichtquelle - nicht holographisch rekonstruiert werden muss) und dass - im Vergleich zu einer kohärenten Lichtquelle - eine erleichterte und günstigere Herstellung bei kompakteren Abmessungen, nicht-invasiver Benutzung (z.B. durch Strahlenbelastung oder Phototoxizität) und geringerer Wärmeentwicklung erreicht wird. Je nach Ausführungsform kann die Vorrichtung eine oder mehrere Lichtquellen oder verschiedene spektrale Spektren umfassen. Ferner kann es sich bei der Lichtquelle auch um einen Ausgang einer Glasfaser handeln, welche das Licht leitet.

In manchen Ausführungsformen sind die Lichtquelle und der Sensorkopf so angeordnet, dass sie für eine linsenlose Bildgebung eingerichtet sind. Insbesondere können sie so angeordnet sein, dass sie für eine linsenlose Mikroskopie eingerichtet sind, deren Sensordaten keine Transformation oder Rückberechnung benötigen, sondern als Bilddaten direkt verwendet werden können. Dies spart Rechenleistung, da keine Berechnungsschritte notwendig sind. Zudem erleichtert die Verwendung von linsenloser Bildgebung das Erzielen von stabilen Bildserien selbst in Langzeitexperimenten, da keine (Rekonstruktions-) Fokusebene benötigt wird, beispielsweise um die Bilddaten holographisch zu entschlüsseln. Des Weiteren werden - im Gegensatz zu in-line-Holographie-basierten Ansätzen, in denen Artefakte wie „twin images“ zu entfernen sind - nicht pro zeitlichem Messpunkt mehrere Bildserien mit unterschiedlichen Wellenlängen oder Abstandsvarianten benötigt. Damit sind für eine einzelne Abbildung keine weiteren Lichtquellen oder mechanisch verfahrbaren oder beweglichen Komponenten (z.B. um die Probe, den Sensor oder die Lichtquelle zu bewegen) notwendig. Eine linsenlose Bildgebung ermöglicht also eine kompakte Bauweise, sodass der Innenraum eines Inkubators effizient genutzt werden kann, und eine weitere Reduzierung des Wärmeintrags in den Inkubator.

Bevorzugt ist hierzu zwischen der Lichtquelle und dem Bildsensor keine Linse angeordnet. Unter dem Begriff Linse soll zum Zwecke der Beschreibung der vorliegenden Erfindung eine optische Komponente verstanden werden, welche eine Lichtbrechung und/oder eine Lichtbündelung erlaubt. Bevorzugt werden lebende Zellen, selbst wenn sie Lichtbrechung oder Lichtbündelung verursachen könnten, nicht als optische Komponente angesehen. Filter, die eine selektive Transmission oder Reflexion zulassen, sollen von dem Begriff „Linse“ nicht umfasst sein.

Insbesondere ist in manchen Ausführungsformen keine Linse zwischen der Lichtquelle und dem Probenraum und/oder zwischen dem Sensorkopf und dem Probenraum angeordnet. Zudem oder alternativ sind in dem Probenraum keine Linse und/oder keine optische Komponente, welche die optische Kohärenz des Lichts der Lichtquelle beeinflussen, angeordnet.

Bei der linsenlosen Bildgebung werden kompakte Abmessungen ermöglicht, denn die Mindestbauhöhe wird in diesen Fällen nicht durch eine Linse und insbesondere deren Brennweite bestimmt. Stattdessen kann eine geringe Bauhöhe erreicht werden. Eine geringe Bauhöhe ist vorteilhaft insbesondere angesichts des knappen Raumangebots in Inkubator- Schränken und angesichts der gewünschten Parallelisierung der Überwachung. So ermöglicht eine geringe Bauhöhe eine Stapelung von mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen.

In manchen Ausführungsformen ist der Abstand der Sensorausleseeinrichtung von dem Sensorkopf derart, dass sich der Probenraum im Betrieb der Sensorausleseeinrichtung durch den Betrieb im Wesentlichen nicht erwärmt. Bevorzugt liegt die Erwärmung des Probenraums während des Betriebs einer (oder mehrerer) Vorrichtungen bei weniger als 1°C, bevorzugt weniger als 0,l°C. Beispielsweise kann der Abstand mehr als 1 cm betragen, bevorzugt mehr als 5, 10 oder 100 cm. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Abstand derart ist, dass der Sensorkopf dazu eingerichtet ist, in einem Inkubatorschrank angeordnet zu werden und die Sensorausleseeinrichtung dazu eingerichtet ist, außerhalb des Inkubatorschranks angeordnet zu werden. In anderen Ausführungsformen kann sich die Sensorausleseeinrichtung in einem Inkubator schrank befinden. In manchen Ausführungsformen kann der Abstand in Abhängigkeit der elektrischen Leistung des Sensors vorbestimmt sein.

Des Weiteren kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, dass die Sensorausleseeinrichtung in einer zeitlichen Abfolge an- bzw. ausgeschaltet wird. Als digitale Schaltung kann beispielsweise ein Multiplexer, MOSFET, schaltbarer USB -Hub oder Relais vorgesehen sein. Insbesondere kann die Sensorausleseeinrichtung in einer Taktfolge angeschaltet werden, welche der gewünschten Überwachungsfrequenz oder Sampling-Rate entspricht. Je nach Zellkultur kann eine Bestimmung der wesentlichen Wachstums- oder Mobilitätsparameter ein Mal pro Sekunde, Minute, Stunde oder Tag, oder einem Vielfachen davon geschehen. Beispielsweise kann eine Überwachung jede Minute, jede zwei Minuten, jede fünf Minuten oder jede zehn Minuten geschehen. Durch ein solches selektives Anschalten der Sensorausleseeinrichtung zu bestimmten Zeitpunkten wird der Wärmeeintrag in den Inkubator geringgehalten. Die Sensorausleseeinrichtung erzeugt somit keine Wärme während Zeiten, in denen sie keine Bilder aufnimmt oder den Bildsensor ausliest. Gleiches gilt für den Sensorkopf.

Des Weiteren kann die Vorrichtung eine passive Kühlung umfassen. Beispielsweise kann die Sensorausleseeinrichtung an einer von dem Sensorkopf abgewandten oder zugewandten Seite ein wärmeleitendes Material aufweisen. Insbesondere kann die Vorrichtung ohne aktive Kühlung auskommen. Dies erleichtert eine kompakte Bauweise und vermindert die Entstehung von Temperaturgradienten.

Das Intensitätsmuster stellt ein Muster von (lokalen) Intensitätsmaxima und Intensitätsminima dar. Es kann beispielsweise ein Brechungs-, Absorptions-, Abschattungs-, Beugungs- oder Interferenzmuster sein, welches durch Brechung an der Probe, insbesondere verursacht durch eine einzelne Zelle, welche auch als („lebende“) Mikrolinse fungiert, verursacht wird. Bevorzugt können hierzu Proben verwendet werden, deren Oberfläche gekrümmt ist und/oder deren Volumen einen anderen Brechungsindex aufweist als das sie umgebende Medium.

Das Intensitätsmuster stellt keine real e/photographi sch korrekte Abbildung der Probe dar, da dafür optischen Baugruppen wie Abbildungslinsen notwendig sind. Es erscheint dem menschlichen Auge im Vergleich zu normalen mikroskopischen Bildern vielmehr als ein Bild mit ungewohnten Intensitätsverläufen, welches jedoch - im Vergleich zu einer holographischen Abbildung - selbst bei höheren Zelldichten unter anderem eine direkte und eindeutige Zuordnung der Zellen erlaubt und Informationen wie Morphologie der Zellen enthält. Eine direkte Zuordnung zu einer echten Abbildung ist möglich, da alle Informationen enthalten sind und eine räumliche Abgrenzung zum Hintergrund (in der Regel Bereiche ohne Zellen) eindeutig möglich ist. Die Optik und die Auswertealgorithmen sind so ausgelegt, dass daraus eine Quantifizierung der relevanten Zellparameter vorgenommen werden kann.

Hierzu ist es vorteilhaft, wenn das Intensitätsmuster eines einzelnen Objekts / einer einzelnen Zelle möglichst wenige, z.B. zwei, Intensitäts-Extrema, beispielsweise ein (lokales) Intensitätsmaximum und ein (lokales) Intensitätsminimum, aufweist. Die Intensitäts-Extrema sind zudem räumlich möglichst lokalisiert. Mit einem Intensitätsmaximum wird unter anderem ein Bereich konstruktiver Interferenz und/oder einer erhöhten Intensität aufgrund der Lichtbündelung/-brechung durch eine Zelle bezeichnet. Mit einem Intensitätsminimum wird unter anderem ein Bereich destruktiver Interferenz und dementsprechend verringerter Intensität bezeichnet bzw. der Abschattung des Lichtes durch z.B. die Zelle/n.

Dies erlaubt, dass einerseits ein hoher räumlicher Kontrast (durch die Unterscheidung zwischen einem lokalen Intensitätsmaximum und einem lokalen Intensitätsminimum) erreicht wird. Andererseits verringert die relativ geringe Anzahl von Intensitäts-Extrema gleichzeitig die von einem Objekt/einer Zelle beeinflusste Bildfläche, sodass auch bei hohe Objekt- /Zelldichten die einzelnen Objekte/Zellen identifizierbar bleiben.

Die Verwendung einer partiell kohärenten Lichtquelle erlaubt es, dass ein einzelnes Objekt (Zelle oder Zellcluster) möglichst wenige (z.B. zwei) Intensitäts-Extrema aufweist, bei gleichzeitig hohem Kontrast zum Hintergrund.

Insbesondere kann hierzu eine Kohärenzlänge der Lichtquelle derart vorbestimmt sein, dass das Intensitätsmuster einer Probe (insbesondere einer Zelle) in dem Probenraum ein oder mehrere lokale Intensitäts-Extrema aufweist. Beispielsweise kann die Kohärenzlänge zwischen 1 und 100 pm, bevorzugt zwischen 5 und 50 pm, betragen.

Alternativ oder zusätzlich kann eine spektrale Breite der Lichtquelle derart vorbestimmt sein, dass das Intensitätsmuster einer Probe (insbesondere einer Zelle) in dem Probenraum ein oder mehrere lokale Intensitäts-Extrema aufweist. Beispielsweise kann die spektrale Breite zwischen 5 und 50 nm, bevorzugt zwischen 20 und 40 nm, betragen. Die spektrale Breite ist in diesem Zusammenhang als volle Breite bei halbem Maximum (engl. Full Width Half Maximum, FWHM) definiert.

Alternativ oder zusätzlich kann hierzu ein Divergenzwinkel der Lichtquelle derart vorbestimmt sein, dass das Intensitätsmuster einer Probe in dem Probenraum ein oder mehrere lokale Intensitäts-Extrema aufweist. Beispielsweise kann der Divergenzwinkel zwischen 0 und 5 Grad betragen.

In manchen Ausführungsformen kann die Vorrichtung ferner einen oder mehrere zwischen der Lichtquelle und dem Sensorkopf angeordnete Filter umfassen. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen oder mehrere Fluoreszenzfilter, Polarisationsfilter und/oder Neutral e-Dichte- Filter handeln. Es kann sich insbesondere um Bandpass-, Lowpass- oder Highpass-Filter handeln. Insbesondere kann der Filter direkt auf dem Sensorkopf angebracht (z.B. aufgedampft) sein. Bevorzugt sind zwischen Lichtquelle und Sensor keine Filter angeordnet, die die räumliche und zeitliche Kohärenz beeinflussen.

Fluoreszenzfilter, typischerweise bestehend aus einem Anregungsfilter zwischen Lichtquelle und Probe sowie einem Emissionsfilter zwischen Probe und Sensorkopf, können dazu dienen (linsenlose) Fluoreszenzbilder der Probe aufzunehmen.

Beispielsweise kann ein Filter auf den Sensorkopf aufgebracht sein. So kann beispielsweise durch einen aufgedampften Infrarot-Filter die Wärmestrahlung des Sensorkopfes in den Probenraum geringgehalten werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei einer offenen Bauweise der Vorrichtung, d.h. dass keine vollständige Umhausung der Vorrichtung notwendig ist. Eine offene Bauweise ermöglicht einen beschleunigten, passiven Gasaustausch (Feuchtigkeit, Sauerstoff, Kohlendioxid, etc.) und macht aktive Gasaustauschvorrichtungen wie Lüfter überflüssig. Dies erleichtert eine kompakte Bauweise und beschleunigt den Wärmeaustausch der Probe mit der Umgebung. Einer Erwärmung und Temperaturanpassung des Probenraums wird entgegengewirkt.

Des Weiteren kann ein aufgedampfter Filter den Einfluss von Umgebungslicht (z.B. bei Öffnung einer Inkubatortür) minimieren. Bevorzugt kann hierfür ein ND-Filter verwendet werden.

Die direkte Anbringung eines Filters direkt auf dem Sensorkopf kann in einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung auch in einer Vorrichtung verwirklicht werden, in der die Lichtquelle nicht notwendigerweise eine partiell kohärente Lichtquelle ist (und die optische Abbildung durch die Lichtquelle auf den Sensorkopf nicht notwendigerweise ein Intensitätsmuster darstellt).

In manchen Ausführungsformen der Vorrichtung ist der Sensorkopf ein CMOS-Sensor (CMOS steht hierbei für Komplementärer Metalloxid-Halbleiter) oder ein CCD-Sensor. Wenngleich der Sensorkopf beispielsweise für jedes Pixel/jede Photodiode eine Mikrolinse aufweisen kann, so ist eine solche Kombination aus Photodiode und Mikrolinse auch für eine „linsenlose“ Bildgebung geeignet. Die unmittelbar auf jeder Photodiode angeordneten Mikrolinsen sind demnach nicht von dem Verbot einer Linsenanordnung zwischen der Lichtquelle und dem Sensorkopf erfasst. Die Mikrolinse gilt insoweit als dem Sensorkopf zugeordnet.

In manchen Ausführungsformen ist der Probenraum dazu eingerichtet ein Behältnis für biologische Zellen, insbesondere Zellwachstums-Flasks, Petrischalen oder Zellwachstums- Plates, aufzunehmen. Das Behältnis kann ein Kompartiment zur Aufnahme einer Zellkultur oder mehrere Kompartimente zur Aufnahme von mehreren Zellkulturen aufweisen.

Die Kultivierung von biologischen Zellen oder die Durchführung von Experimenten mit Zellen kann in besonderem Maße temperaturempfindlich sein. Dies beginnt bereits beim Absetzen (oder Sedimentieren) der Zellen, d.h. zum Beispiel bevor diese adhärieren. Temperaturgradienten können zu Konvektionsströmungen führen, sodass das Sedimentieren stark beeinträchtigt wird und dessen Gleichmäßigkeit beeinträchtigt ist. Zudem können beim späteren Wachstum der Zellen im Behältnis Wärme- oder Temperaturgradienten die Migration, das Teilungsverhalten oder die Nährstoffversorgung verändern.

Vor diesem Hintergrund kann die Vorrichtung in manchen Ausführungsformen ferner ein Auflageelement umfassen, welches dazu eingerichtet ist, eine Probe (z.B. ein Behältnis mit biologischen Zellen) auf einer Auflagefläche des Auflageelements zu tragen und den Sensorkopf aufzunehmen. Dies erlaubt eine konstante Wärmeverteilung über die Auflagefläche. Hierzu kann insbesondere die Wärmekapazität und/oder die Wärmeleitfähigkeit und/oder der Emissionsgrad des Auflageelements so vorbestimmt sein, dass sie gleich bzw. homogen über die gesamte Kontaktfläche mit dem Probenbehältnis ist.

Beispielsweise kann das Auflageelement einen ersten Teilbereich zur Aufnahme des Sensorkopfes umfassen und einen zweiten Teilbereich umfassen. Die Wärmeleitfähigkeit (k in W/(m*K)) und/oder Wärmekapazität (C in J/K) und/oder Emissionsgrad (s in %) des zweiten Teilbereichs kann so bestimmt sein, dass sie im Wesentlichen identisch zu der Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmekapazität des ersten Teilbereichs nach Aufnahme des Sensorkopfes ist. Lebende Zellen oder andere Proben werden durch Temperaturunterschiede beeinflusst. Wenn der Sensorkopf relativ zur Probe wärmer oder kälter ist, werden die Zellen entweder über diesem gesammelt, oder verdrängt. Eine im Wesentlichen identische Wärmeleitfähigkeit bzw. Wärmekapazität führt dazu, dass sich die Probe gleichmäßig über die gesamte Probe erwärmt (z.B. beim Einsetzen der kühleren Probe in den Inkubator) oder gar nicht erwärmt (z.B. beim Generieren von Bildern), sodass es solche Sammel- oder Verdrängungseffekte vermieden oder reduziert werden.

Die Auflagefläche kann zudem für die Positionierung des Behältnisses eingerichtet sein, z.B. indem sie ein Profil aufweist, welches an die Form (z.B. die Umrisse oder die Grundfläche) des Behältnisses angepasst ist. Die Anpassung ist so ausgelegt, dass der Behälter auf den Millimeter, bevorzugt auf 100 pm genau positioniert wird. So kann durch einfaches Aufsetzen des Behältnisses auf die Auflagefläche eine reproduzierbare und dauerhafte Positionierung erfolgen. So kann das Probenbehältnis etwa nach einer Entnahme wieder in die gleiche Position relativ zu dem Sensorkopf gebracht werden. Ferner wird ein Verrutschen über die Dauer eines Langzeitexperiments verringert. Dies ermöglicht zudem eine kompakte Anordnung der Vorrichtungen, wie beispielsweise eine Stapelung.

Das vorgenannte Auflageelement kann in einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung auch in einer Vorrichtung vorgesehen sein, in der die Lichtquelle nicht notwendigerweise eine partiell kohärente Lichtquelle ist (und die optische Abbildung durch die Lichtquelle auf den Sensorkopf nicht notwendigerweise ein Intensitätsmuster darstellt).

Zudem können die Vorrichtungen ebenfalls mit ineinandergreifenden Elementen (wie z.B. Nut/Federn) und/oder mit magnetischen Elementen ausgestattet sein, um die Vorrichtungen selbst über- oder nebeneinander platzieren zu können, ohne dass sie sich relativ zueinander verschieben oder voneinander fallen können.

Die Beabstandung von Sensorausleseeinrichtung und Sensorkopf kann in einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung auch in einer Vorrichtung verwirklicht werden, in der die Lichtquelle nicht notwendigerweise eine partiell kohärente Lichtquelle ist (und die optische Abbildung durch die Lichtquelle auf den Sensorkopf nicht notwendigerweise ein Intensitätsmuster darstellt).

In manchen Ausführungsformen ist der Sensorkopf und/oder die Lichtquelle beweglich gegenüber dem Probenraum zur Aufnahme des Substrats und/oder gegenüber der Lichtquelle. Insbesondere kann er bzw. können sie in einer Ebene verfahrbar sein, die im Wesentlichen parallel zu dem aufzunehmenden Substrat (und/oder im Wesentlichen senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung des Lichts aus der Lichtquelle) verläuft. Hierdurch können auf engem Raum mehrere Behälter in die Tiefe des Inkubators eingelegt werden. Eine Motorisierung des Sensorkopfes (oder auch des Behälters) ist ebenfalls möglich, womit eine Probe abgerastert werden kann, um eine Überwachung einer Zellkultur an verschiedenen Stellen der Zellkultur zu überwachen. Dies ermöglicht beispielsweise eine Überwachung der Homogenität einer Zellkultur.

Alternativ oder zusätzlich ermöglicht es die Abrasterung, ein Behältnis abzurastem, welches mehrere Kompartimente (z.B. ein Multi-well-Behältnis) mit mehreren verschiedenen Zellkulturen oder Messkonzentrationen, z.B. Wirkstoffkonzentrationen, enthält. So kann eine einzelne Vorrichtung zur Überwachung mehrerer verschiedener Zellkulturen oder Zellexperimente genutzt werden. Dies dient dazu, die Anzahl von Komponenten, die einen Wärmeeintrag verursachen könnten, in einem Inkubator zu verringern und die Kompaktheit zu erhöhen (durch beispielweise eine Reduzierung einer Verfahrachse).

Eine derartige Anordnung und Verfahrbarkeit ermöglicht eine hohe Parallelisierung auf geringem Raum und bereits mit einer einzigen erfindungsgemäßen Vorrichtung. Durch den Einsatz einer einzigen Vorrichtung zur Überwachung mehrerer Zellkulturen wird der Wärmeeintrag der Überwachungsvorrichtung in den Inkubator geringgehalten.

Alternativ oder zusätzlich kann die Probe gegenüber der Lichtquelle verfahrbar sein. Dies ermöglicht einen erleichterten Zugriff eines Nutzers auf die Probe (z.B. zum Austausch eines Nährmediums oder die Beigabe eines Wirkstoffs), ohne räumliche Beeinträchtigung der Nutzerinteraktion durch die Lichtquelle.

In manchen Ausführungsformen kann hierbei der Sensor mit der Probe verfahrbar sein, sodass die relative Positionierung von Probe zum Sensor durch die Nutzerinteraktion mit der Probe im Wesentlichen unverändert bleibt.

In manchen Ausführungsformen kann die Vorrichtung dazu ausgelegt sein, auf eine weitere (erfindungsgemäße) Vorrichtung platziert zu werden, so dass erstere Vorrichtung nicht relativ zu der weiteren Vorrichtung verschoben werden oder von ihr herunterfallen kann.

Die vorgenannten Merkmale der Beweglichkeit und/oder Verfahrbarkeit und/oder Stapelbarkeit kann in einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung auch in einer Vorrichtung verwirklicht werden, in der die Lichtquelle nicht notwendigerweise eine partiell kohärente Lichtquelle ist (und die optische Abbildung durch die Lichtquelle auf den Sensorkopf nicht notwendigerweise ein Intensitätsmuster darstellt).

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur Überwachung einer Probe, insbesondere zur Überwachung von biologischen Zellen. Das System umfasst eine oder mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen. Das System ist dazu ausgelegt, dass eine Mehrzahl von Proben durch die eine oder mehreren Vorrichtungen überwacht werden kann. Hierdurch kann eine weitere Parallelisierung der Überwachung erreicht werden. Ein System kann beispielsweise mindestens zwei Vorrichtungen, mindestens drei Vorrichtungen, mindestens zehn Vorrichtungen, oder mindestens hundert Vorrichtungen umfassen.

In manchen Ausführungsformen umfasst das System zudem eine Auswerteeinrichtung. Bei der Auswerteeinrichtung kann es sich um einen Prozessor, ein Computer, ein Smartphone, einen Server oder eine Internet-Schnittstelle handeln.

In manchen Ausführungsformen umfasst das System zudem eine Ansteuerungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die mehreren Vorrichtungen in einer zeitlichen Abfolge an- bzw. auszuschalten. Hierzu kann eine Ansteuerungsvorrichtung beispielsweise einen Multiplexer umfassen. Dies erlaubt es, mehrere Sensorköpfe parallel oder seriell auszulesen.

In manchen Ausführungsformen des Systems ist der Probenraum zur Aufnahme eines Multi- well-Behältnisses mit mehreren Kompartimenten eingerichtet. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind in einem Muster angeordnet, welches derart vorbestimmt ist, dass jedes Kompartiment des Multi-well-Behältnis durch eine oder mehrere der Vorrichtungen abgebildet werden kann.

Insbesondere kann die Mehrzahl von Proben in dem einen Multi-Well-Behältnis angeordnet sein. In diesem Fall kann die Anzahl (und Anordnung) der Kompartimente des Multi-Well- Behältnisses mit der Anzahl (und Anordnung) der Vorrichtungen des Systems übereinstimmen. Alternativ kann eine (relativ zu den Kompartimenten) bewegbare Vorrichtung für jede Spalte (oder jede Zeile) des Multi -Well-Behältnisses vorgesehen sein, sodass jede Vorrichtung eine entsprechende Spalte (oder Zeile) abrastert. In manchen Ausführungsformen umfasst ein erfindungsgemäßes System mehrere Vorrichtungen, die in einer Reihe (ein-dimensionales Muster) angeordnet sind. Andere Ausführungsformen umfassen Vorrichtungen, die als zwei-dimensionales Muster in einer Ebene angeordnet sind. Noch andere Ausführungsformen umfassen Vorrichtungen, die in einem drei-dimensionalen Muster angeordnet sind. Des Weiteren kann ein System, beispielsweise mit einem zwei-dimensionalen Muster von Vorrichtungen, dazu eingerichtet sein, dass mehrere derartige Systeme gestapelt werden können. Derartige Systeme (oder Vorrichtungen) können als stapelbar bezeichnet werden. Hierdurch kann eine weitere Parallelisierung bei geringem Platzverbrauch erreicht werden. Diese Parallelisierung wird erleichtert durch die oben erwähnte sehr geringe Wärmeentwicklung ermöglicht. Selbst bei einer Vielzahl von eng benachbarten (z.B. gestapelten) Vorrichtungen ist der Wärmeeintrag in einen Inkubator reduziert. Die optisch robuste Bauweise ohne die Verwendung von Linsen o.Ä. trägt ebenfalls dazu bei, dass die Vorrichtungen gestapelt werden können und die Proben bei Bedarf manipuliert werden können, etwa um ein Nährmedium auszutauschen oder einen Wirkstoff beizugeben.

Des Weiteren können, in manchen Ausführungsformen des Systems, die nebeneinander und/oder übereinander angeordneten Vorrichtungen miteinander in physischen und/oder elektrischen und/oder magnetischen Kontakt stehen.

Erfindungsgemäße Vorrichtungen oder Systeme können des Weiteren eine oder mehrere Schubladen umfassen. Diese Schubladen sind dazu angerichtet, ein Behältnis (bspw. eine Zellkulturschale, eine Zellkulturflasche oder ein Multi-well-plate) aufzunehmen und in den Probenraum zu bewegen, bzw. aus diesem Probenraum heraus zu bewegen.

Insbesondere ist das System oder jedenfalls die Lichtquelle(n) und Sensorkopf(e) der jeweiligen erfindungsgemäßen Vorrichtungen dazu eingerichtet, in einem Inkubator angeordnet zu werden. Insbesondere können eine etwaige Sensorauswerteeinrichtung und/oder die Sensorausleseeinrichtungen innerhalb oder außerhalb des Inkubators angeordnet werden.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder eines erfindungsgemäßen Systems zur Überwachung einer Probe, insbesondere von biologischen Zellen. Beispielsweise kann die Überwachung ein Bewegen der Vorrichtung des Systems und/oder ein Bewegen der Proben umfassen.

Kurzbeschreibung der Figuren

In der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die zeigen:

FIG. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur linsenlosen

Mikroskopie;

FIG. 2A eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer

Ausführungsform;

FIG. 2B eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer weiteren

Ausführungsform;

FIG. 3 A ein Beispiel einer Abbildung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

FIG. 3B ein Beispiel einer Abbildung mit einer bekannten Vorrichtung;

FIG. 4 eine schematische Darstellung eines Sensors einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform;

FIG. 5 eine schematische Darstellung von Sensoren eines Systems gemäß einer

Ausführungsform;

FIG. 6 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer

Ausführungsform;

FIG. 7 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer

Ausführungsform;

FIG. 8 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer

Ausführungsform;

FIG. 9 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer

Ausführungsform;

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

FIG. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur linsenlosen Mikroskopie. Die Vorrichtung umfasst eine licht-emittierende Diode 12 (LED) , als Lichtquelle und einen Sensorkopf 22, welcher auf der CMOS -Technologie basiert. Die Probe 16 befindet sich dabei im Abstand zl von der LED 12. Bevorzugt ist der Abstand zl vorbestimmt durch die Dicke eines Substratträgers oder eines Behältnisses mit Zellen, z.B. einer Petrischale. Alternativ kann es sich bei dem Behältnis um Multi-well-Platten oder Zellkultur-Flasks handeln. Dementsprechend beträgt der Abstand zl bevorzugt einige cm, besonders bevorzugt zwischen 1 und 10 cm.

Ein Teil des von der LED emittierten, partiell kohärenten Licht (dargestellt durch die teilweise parallelen Wellenfronten), welches sich im Wesentlichen in Richtung der Probe ausbreitet (dargestellt durch den in der FIG. 1 vertikalen Pfeil), wird an der Probe 16 mit auf einem Substrat adhärierten biologischen Zellen 18 gestreut. Ein anderer Teil des Lichts passiert die Probe 16 im Wesentlichen ungestört, d.h. ungestreut.

Die gestreuten Lichtwellen werden gebrochen und/oder interferieren mit den ungestreuten Lichtwellen, sodass eine optische Abbildung der Probe 16 als Intensitätsmuster 22a entsteht, welches mit dem CMOS Sensorkopf 22 aufgenommen wird. Ein beispielhaftes Intensitätsmuster ist in Fig. 3 A gezeigt. Der Sensorkopf 22 befindet sich bei einem Abstand z2 von der Zellprobe 16. Bevorzugt beträgt der Abstand z2 weniger als 1 cm, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 3 mm.

Die partielle Kohärenz wird maßgeblich bestimmt durch räumliche Ausdehnung der Lichtquelle und durch spektrale Breite der Lichtquelle. Die räumliche Ausdehnung der Lichtquelle kann direkt durch Wahl einer entsprechenden LED oder indirekt durch Verwendung einer Glasfaser gewählt werden. Die Wahl einer räumlichen Ausdehnung kann insbesondere durch Wahl eines Divergenzwinkels der Lichtquelle bestimmt werden.

Alternativ oder zusätzlich kann eine geringe spektrale Breite, z.B. im Bereich 5-50 nm, gewählt werden.

Die in FIG. 1 dargestellte Vorrichtung weist keine Linse auf. Dementsprechend führt die partielle Kohärenz des verwendeten Lichts zu einem Intensitätsmuster.

Das mittels des Sensorkopfs aufgenommene Bild kann in einem Verfahren zur Überwachung der Zellen verwendet werden. Hierzu kann die als Intensitätsmuster aufgenommene Abbildung in ein Bild transformiert oder jedenfalls als solches interpretiert werden, welches der Abbildung mit einem konventionellen linsen-basierten Mikroskop im Wesentlichen entspricht. Dies kann beispielsweise mittels eines Algorithmus erreicht werden, der etwa durch maschinelles Lernen trainiert wurde. Alternativ kann das aufgenommene Bild ohne weiteren Transformations- oder Berechnungsschritt direkt ausgewertet werden, beispielsweise um Parameter zu bestimmen, welche die Überwachung der Zellkultur erlauben. Zur Überwachung der Zellkultur können beispielsweise Zell-Detektion oder Zell-Tracking genutzt werden. Zu den zu bestimmenden Parametern zählen insbesondere Parameter, die die Zell- Konfluenz, -Morphologie, -Motilität, -Teilung oder -Vitalitätszustand (lebend/tot) beschreiben.

FIG. 2A zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zur Aufnahme von Mikroskopie-Bildern einer Probe 16. Die Vorrichtung umfasst eine partiell kohärente Lichtquelle 12 und einen Bildsensor 20. Bei der Lichtquelle 12 handelt es sich um eine lichtemittierende Diode (LED).

Der Bildsensor 20 umfasst einen Sensorkopf 22 und eine Sensorausleseeinrichtung 24, wobei der Sensorkopf und die Lichtquelle 12 derart voneinander beabstandet angeordnet sind, dass der Sensorkopf 22 und die Lichtquelle 12 einen dazwischenliegenden Probenraum 26 zur Aufnahme eines Substrats 28 mit einer Probe 16, im Folgenden Probenraum 26, definieren.

Ferner sind der Sensorkopf 22 und die Lichtquelle 12 derart angeordnet, dass eine optische Abbildung der Probe 16 durch die Lichtquelle 12 auf den Sensorkopf 22 ein Intensitätsmuster darstellt.

Zudem sind die wärmeerzeugenden elektrischen Baugruppen auf der zellabgewandten Seite in thermischen Kontakt mit den restlichen Baugruppen, um die Wärme abzuführen. Dies kann mittels Vergussmaterial erreicht werden.

Wärmeerzeugende Prozesse (wie die Bildumwandelung) finden räumlich möglichst entfernt von dem Sensorkopf und damit auch von der Probe statt. Eine Verwendung eines MIPI- kompatiblem Sensors und einer dazugehörigen Datenpipeline ermöglicht die Optimierung des thermischen Verhaltens des Sensorkopfes, beispielweise mittels PCB (printed circuit board) - Technologie oder Sensor-PowerDown.

Zudem ist die Sensorausleseeinrichtung 24 vom Sensorkopf 22 beabstandet angeordnet, sodass sich der Probenraum 26 im Betrieb der Sensorausleseeinrichtung 24 durch den Betrieb im Wesentlichen nicht erwärmt. Der Abstand ist in Abhängigkeit der elektrischen Leistung des Sensors vorbestimmt. Der Abstand kann auch so gewählt werden, dass die Sensorausleseeinrichtung 24 außerhalb eines Inkubators, in dem sich die übrigen Komponenten der Vorrichtung 10 befinden, angeordnet werden kann.

Dementsprechend werden die biologischen Zellen 16 durch Abwärme der Sensorausleseeinrichtung 24 nicht beeinträchtigt, obwohl der Sensorkopf 22 in unmittelbarer Nähe zu den biologischen Zellen betrieben wird.

Die LED 12 und der Sensorkopf 22 sind so angeordnet, dass sie eine linsenlose Bildgebung erlauben. Insbesondere ist zwischen der Lichtquelle und dem Bildsensor keine Linse oder eine andere optische Komponente, die eine Lichtbrechung und/oder eine Lichtbündelung erlaubt, angeordnet. Dies erlaubt eine besonders kompakte Bauweise. Der Abstand zwischen Sensorkopf 22 und Probe 16 beträgt bevorzugt weniger als 1 cm, besonders bevorzugt zwischen 500 und 2000 pm (Mikrometer). Es handelt sich mithin um eine Aufnahme, welche nicht im Fernfeld stattfindet. Dieser relativ geringe Abstand ist zudem insofern vorteilhaft, als dass er die von einem Objekt/einer Zelle beeinflusste Bildfläche geringhält. Bei größeren Abständen (zwischen Sensor und Probe) überlappen sich die Intensitätsmuster von benachbarten Objekten/Zellen.

Des Weiteren erlaubt der Verzicht auf Linsen o.Ä. einen robusten Betrieb, selbst bei Langzeitexperimenten: Dieser Verzicht minimiert die Anfälligkeit bzw. das Risiko des „Driftens“ (etwa einer Fokal ebene), wie es bei linsen-basierten Mikroskopen regelmäßig auftritt.

FIG. 2B zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung 10 zur Aufnahme von Mikroskopie-Bildern einer Probe 16. Die Vorrichtung 10 gemäß Fig. 2B ist in wesentlichen Teilen identisch zu der Vorrichtung gemäß Fig. 2A. Sie umfasst ferner ein Auflageelement 23. Das Auflageelement 23 ist zum einen dazu eingerichtet, das Substrat 28 mit der Probe 16 zu tragen. Es weist hierzu eine einer Auflagefläche auf.

Zudem ist das Auflageelement 23 dazu eingerichtet, den Sensorkopf 22 aufzunehmen. Hierzu weist das Auflageelement in dem dargestellten Beispiel eine Ausnehmung auf, welche so bemessen ist, dass sie den Sensorkopf aufnimmt. An der Ausnehmung weist das Auflageelement somit eine geringere Dicke auf als an anderen Teilbereichen des Auflageelements. Durch Aufnahme des Sensorkopfes in der Ausnehmung wird die Ausnehmung insofern ausgefüllt, dass eine im Wesentlichen bündige Fläche gebildet wird, welche als Auflagefläche dient.

Das Auflageelement ist so ausgelegt, dass es eine Wärmekapazität und eine Wärmeleitfähigkeit des Auflageelements (bei aufgenommenen Sensorkopf) aufweist, welche im Wesentlichen homogen über die Auflagefläche, also die Kontaktfläche mit dem Substrat 28, ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Auflageelement mehrere Teilbereiche mit unterschiedlichen Materialien umfasst.

Ein erster Teilbereich kann beispielweise durch die oben genannte Region verringerter Dicke an der Ausnehmung für den Sensorkopf ausgebildet sein. Die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität dieses ersten Teilbereichs 23a kann etwa dadurch verringert werden, dass ein Material mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit und geringer Wärmekapazität und geringem Emissionsgrad (insbesondere ein Wärmeisolator, wie z.B. Plexiglas oder poröse Materialien mit hohem Luftanteil) gewählt wird. Hierdurch kann die relativ größere Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität und Emissionsgrad des Sensorkopfes (dessen Material im Wesentlichen z.B. eine Metall/Halbleiter/Isolator-Komposition darstellt) ausgeglichen oder kompensiert werden.

Ein zweiter Teilbereich 23b des Auflageelements kann beispielweise durch die oben genannte(n) Region(en) mit nicht-verringerter Dicke, d.h. um die Ausnehmung herum, ausgebildet sein. Die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität dieses zweiten Teilbereichs 23b kann etwa so gewählt werden, dass sie der kombinierten Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des ersten Teilbereichs 23a mit in der Ausnehmung aufgenommenen Sensorkopfs 22 entspricht. Eine über die Auflagefläche im Wesentlichen homogene Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des Auflageelements erlaubt es, etwaige Temperaturunterschiede (insbesondere zwischen der Auflagefläche einerseits und Substrat/Probe, beispielsweise beim Einsetzen einer Probe in die Vorrichtung 10, welche sich bereits in einem Inkubator befindet) gleichmäßig abzuleiten, wobei Temperaturgradienten entlang der Auflagefläche vermieden oder verringert (z.B. auf unter 1°C, bevorzugt auf 0,1 °C) werden. Die Vermeidung oder Verringerung von Temperaturgradienten entlang der Auflagefläche minimiert das Risiko von Konvektionsströmungen, welche zu Inhomogenitäten in der Probe führen können. Derartige Konvektionsströmungen können beispielweise dazu führen, dass die Sedimentation (das Absetzen) von biologischen Zellen ungleichmäßig erfolgt, da die Zellen durch die Konvektionsströmungen in Richtung des Temperaturgradienten entlang der Auflagefläche fließen. Die Materialien sind derart gewählt, dass keine oder im Wesentlichen keine Konvektionsströmungen während der Thermalisierung der Probe mit der Umgebung, welche regelmäßig jedenfalls vor Betrieb der Vorrichtung auftreten können (bspw. Temperaturangleichung zwischen Zellmedium inkl. biologischen Zellen an die Inkubatorumgebung) entstehen, die eine Umverteilung der Zellen verursachen.

FIG. 3 A zeigt ein Beispiel eines mit einem linsen-losen Mikroskop aufgenommenen Bildes. Das Intensitätsmuster stellt keine photographisch korrekte Abbildung der Probe dar. Die Aufnahme weist trotz der geringen Bauhöhe der verwendeten Vorrichtung ein weites Sichtfeld (field of view) auf und ist im Wesentlichen durch die Größe des Sensorkopfes limitiert, nicht jedoch durch eine (nicht vorhandene) optische Abbildung mittels Linsen. Insbesondere ist ein Intensitätsmuster zu erkennen, welches eine Abbildung der Zellen auf den Sensorkopf darstellt.

Insbesondere weist das Intensitätsmuster einen Bereich von hoher Intensität (hell) im Zentrum der Zellen auf. Um diesen Bereich hoher Intensität ist ein Bereich niedriger Intensität (dunkel) dargestellt, welcher nicht nur eine geringere Intensität als das Zentrum (Intensitätsmaximum) aufweist, sondern auch eine geringere Intensität als der Hintergrund (grau).

Im Gegensatz dazu zeigt FIG. 3B ein Beispiel eines mit einem linsen-basierten Mikroskop aufgenommenen Bildes der gleichen Probe. Das linsen-basierte Mikroskop erlaubt zwar ebenfalls die Überwachung von Parametern, die die Zellkonfluenz, -motilität oder -teilung beschreiben. Es erfordert im Vergleicht jedoch eine größere Bauhöhe und eine aufwendigere Herstellung. Zudem muss der Abstand der optischen Komponenten manuell eingestellt werden, um ein "scharfes" Bild zu erhalten. Des Weiteren ist eine nicht-invasive Beobachtung über einen längeren Zeitraum (z.B. mehrere Tage) erschwert, insofern ein „Driften“ der optischen Komponenten zu einer Defokussierung führen kann.

FIG. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensors 20, wie er beispielsweise in der Vorrichtung 10 gemäß FIG. 2A oder gemäß Fig. 2B zum Einsatz kommen kann. Der Bildsensor 20 umfasst einen Sensorkopf 22 und eine Sensorausleseeinrichtung 24.

Die Sensorausleseeinrichtung 24 ist vom Sensorkopf 22 beabstandet angeordnet. Im dargestellten Fall beträgt der Abstand ein Mehrfaches der Größe der Sensorausleseeinrichtung 24 und des Sensorkopfs 22, hier etwa in einem Abstand von 1 - 2 cm. Durch eine derartige Anordnung wird ermöglicht, dass der Sensorkopf in unmittelbarer Nähe von biologischen Zellen betrieben werden kann, ohne die biologischen Zellen durch Abwärme der Sensorausleseeinrichtung zu beeinträchtigen.

Der Bildsensor 20 ist ein CMOS-Sensor und weist eine photoaktive Rasterplatte auf, dessen photosensitive Pixelelemente eine räumliche Auflösung zur Abbildung der Bestrahlungsstärke ermöglichen. Als Pixelelemente werden dabei Photodioden verwendet, die in bekannter Weise zu einem Halbleiterdetektor in CMOS-Herstellung zusammengesetzt werden.

Die Sensorausleseeinrichtung umfasst elektronische Schaltkreise, welche derart mit dem Sensorkopf verbunden sind, dass sie Signale der einzelnen Pixelelemente auslesen und zu einem Bild zusammensetzen.

Die Sensorausleseeinrichtung 24 ist dazu eingerichtet, dass sie in einer zeitlichen Abfolge an- bzw. ausgeschaltet werden kann. Hierzu kann die Schaltungsvorrichtung durch eine Ansteuerungsvorrichtung (z.B. einem Multiplexer, MOSFET, schaltbarer USB-Hub oder Relais) angesteuert werden. Somit kann die Sensorausleseeinrichtung in einer Taktfolge angeschaltet werden, welche der gewünschten Überwachungsfrequenz oder Sampling-Rate entspricht. Je nach Zellkultur kann eine Bestimmung der wesentlichen Wachstums- oder Mobilitätsparameter ein Mal pro Sekunde, Minute, Stunde oder Tag, oder einem Vielfachen davon geschehen. Beispielsweise kann eine Überwachung jede Minute, jede zwei Minuten, jede fünf Minuten oder jede zehn Minuten geschehen. Durch ein solches selektives Anschalten der Sensorausleseeinrichtung zu bestimmten Zeitpunkten wird der Wärmeeintrag in den Inkubator geringgehalten.

FIG. 5 zeigt eine schematische Darstellung von mehreren Sensoren 20a - 20d. Diese können Bestandteil eines erfindungsgemäßen Systems sein. Die vier Sensoren sind in einem 2x2 - Muster angeordnet. Andere Zahlen von Sensoren und andere Muster sind ebenfalls möglich.

Jeder der Sensoren 20a - 20d weist einen Sensorkopf und eine Sensorausleseeinrichtung auf. So weist beispielsweise der Bildsensor 20c einen Sensorkopf 22c und eine Sensorausleseeinrichtung 24c auf.

In anderen Ausführungsformen können mehrere Sensoren eine gemeinsame S ensorausl eseeinri chtung aufwei sen .

Jedenfalls ist/sind die Sensorausleseeinrichtung(en) beab standet von den Sensorköpfen angeordnet, sodass keine der Sensorausleseeinrichtungen die Umgebung eines der Sensorköpfe erwärmt und den Probenraum (und somit die zu beobachtende Probe) im Wesentlichen nicht erwärmt.

FIG. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 30. Das System 30 umfasst mehrere Vorrichtungen zur Aufnahme von Mikroskopie-Bildern mit jeweils einem Bildsensor 20. Insgesamt sind vier Sensoren 20 dargestellt. Jeder der Sensoren 20 weist einen Sensorkopf 22 und eine Sensorausleseeinrichtung 24 auf.

Die vier Sensoren 20 sind in einem 4x1 -Muster angeordnet um vier unterschiedliche Bereiche einer Probe zu überwachen. Im dargestellten Fall ist die Probe in einer Zellkulturflasche 28.

Des Weiteren umfasst das System 30 eine Auswerteeinrichtung 36. Die Auswerteeinrichtung 36 ist - im Gegensatz zu den Sensoren 20 und der Probenflasche 28 - außerhalb eines Zellkultur-Inkubators 34 angeordnet. Hierdurch wird der Wärmeeintrag in den Inkubator durch die Auswerteeinrichtung weiter geringgehalten. Zudem ermöglicht die Anordnung der Auswerteeinrichtung außerhalb des Inkubators ein Ablesen der Überwachungsergebnisse ohne Öffnen des Inkubators. Im dargestellten Fall handelt es sich bei der Auswerteeinrichtung um einen Computer. Alternativ kann die Auswerteeinrichtung einen Prozessor, ein Smartphone, ein Touch-Screen, einen Server oder eine Internet-Schnittstelle umfassen. Insbesondere kann die Auswertung lokal stattfinden und auf einem entfernt angeordneten Server oder in einer Server-Cloud.

FIG. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 30, welches in wesentlichen Teilen identisch zu dem System gemäß FIG. 6 ist. Das System 30 gemäß FIG. 7 umfasst ebenfalls mehrere Vorrichtungen, insbesondere mehrere Sensorköpfe 22. Im Gegensatz zu FIG. 6 sind diese mehreren Sensorköpfe 22 jedoch über einen Multiplexer 25 mit einer (einzelnen) Sensorausleseeinrichtung 24 verbunden. Diese eine Sensorausleseeinrichtung 24 dient als Sensorausleseeinrichtung für jeden der Sensorköpfe 22. Der Multiplexer ist dazu ausgelegt, die jeweiligen Signale der mehreren Sensorköpfe 22 in geeigneter Weise an die Sensorausleseeinrichtung 24 zu übermitteln. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Multiplexer dazu ausgelegt, im Inneren des Inkubators angeordnet zu werden, sodass eine einzelne Kabelverbindung aus dem Inneren des Inkubators zur außerhalb des Inkubators platzierten Sensorausleseeinrichtung geführt werden kann. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Multiplexer außerhalb des Inkubators angeordnet werden, um den Wärmeeintrag weiter zu verringern.

Zudem kann der Multiplexer oder die Sensorausleseeinrichtung als Ansteuerungsvorrichtung dienen, die dazu eingerichtet ist, die mehreren Sensorköpfe in einer zeitlichen Abfolge an- bzw. auszuschalten. Dies erlaubt es, mehrere Sensorköpfe parallel oder seriell auszulesen. Insbesondere können die Sensorköpfe in einer Taktfolge geschaltet werden, welche der gewünschten Überwachungsfrequenz oder Sampling-Rate entspricht. Durch ein solches selektives Anschalten der Sensorköpfe zu bestimmten Zeitpunkten wird der Wärmeeintrag in den Inkubator geringgehalten.

FIG. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform. Die dargestellte Vorrichtung ist in wesentlichen Teilen ähnlich zu der in FIG. 2A dargestellten Vorrichtung.

Zusätzlich umfasst die Vorrichtung 10 gemäß FIG. 8 einen Filter 14, welcher zwischen dem Sensorkopf 22 und der Probe 16 angeordnet ist. Bei dem Filter 14 handelt es sich um einen Infrarot-Filter zur Minimierung der Wärmestrahlung des Sensorkopfes auf die Probe. Der Filter kann beispielsweise auf den Sensorkopf aufgedampft werden.

In anderen Ausführungsformen kann es sich bei dem Filter um einen Fluoreszenzemissionsfilter handeln. In diesen Fällen kann ein weiterer Filter, ein Fluoreszenzanregungsfilter, zwischen der LED und der Probe 16 angeordnet sein.

FIG. 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 30 gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Das System 30 weist umfasst vier erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Aufnahme von Mikroskopie, angeordnet in einem 4xl-Muster. Jede dieser Vorrichtungen umfasst eine Lichtquelle 12 und einen Sensorkopf 22. Die Lichtquellen und die Sensorköpfe sind mittels eines Gehäuses 40 derart miteinander verbunden, dass sie gemeinsam entlang einer Achse bewegt werden können. Das Gehäuse umfasst ferner eine gemeinsame Sensorausleseeinrichtung 24, welche in anderen Ausführungsformen auch außerhalb des Inkubators angeordnet werden kann.

Der Probenraum ist zur Aufnahme eines Multi-well-Behältnisses 32 mit mehreren Kompartimenten eingerichtet. Im dargestellten Fall befindet sich ein 36-well-Plate, mit 36 Kompartimenten in einem 4x9-Muster, in dem Probenraum zur Überwachung.

Die vier Aufnahmevorrichtungen sind in einem 4x1 -Muster angeordnet, sodass jedes Kompartiment des Multi-well-Behältnis durch eine der Vorrichtungen abgebildet werden kann.

Die miteinander verbundenen Lichtquellen 12 und Sensorköpfe 22 sind beweglich gegenüber dem Probenraum zur Aufnahme des Substrats und somit gegenüber dem Multi-well-Behältnis 32. Insbesondere sind sie in einer Ebene verfahrbar, die im Wesentlichen parallel zu dem aufzunehmenden Substrat verläuft. Im vorliegenden Fall sind sie entlang einer Achse verfahrbar, sodass das multi -well-plate 32 abgerastert wird, um jedes der Kompartimente zu überwachen. Hierzu weist das System einen Linearmotor 38 auf.

In anderen Ausführungsformen kann ein erfindungsgemäßes System mehrere Motoren für eine Verfahrbarkeit in mehreren Dimensionen umfassen. Beispielsweise kann eine einzelne Vorrichtung zur Aufnahme von Mikroskopie-Bildern (d.h. mit einem Sensor) genutzt werden um ein Multi-well-plate abzurastem.