Vorrichtung und Verfahren zur Lumineszenzanalyse mehrerer Proben

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur parallelen Lumineszenzanalyse mehrerer Proben,

Stand der Technik

Aus EP1681555 ist die „Fluoreszenzabbildung mittels telezentrischer Anregungs- und Abbil- dungsoptiken“ bekannt, welche aufgrund des benötigten großen Abstandes der Feldlinse zur Probe zu sehr großen Baugrößen führt. Außerdem nachteilig ist eine niedrige Sammeleffizienz der Probenlumineszenz durch intrinsisch niedrige numerische Apertur der telezentrischen Opti- ken.

In EP1681556 wir nur die „Fluoreszenzabbildung mittels Telezentrizität“ erreicht wobei das An- regungslicht nicht auf der optischen Achse eingekoppelt wird. Dies löst aber das zugrundlie- gende Problem der Baugröße nicht. In telezentrischen Systemen wird zudem eine Feldlinse be- nötigt. Die niedrige Sammeleffizienz der Probenlumineszenz ist auch für diese Lösung charak- teristisch.

In EP2148187A1 wird die „Anregungs- und Abbildungsoptik für die Fluoreszenzdetektion“ prä- sentiert, Die Feldlinse wird hier durch ein Feldlinsen-Array ersetzt. Für die unterschiedliche Mikrotiterplatten werden individuelle Feldlinsen-Arrays benötigt.

In EP1027591B1 - „Optical array System and reader for micro titer plates” wurde dieses Kon- zept bereits vorgestellt, allerdings nicht in den Zusammenhang mit der PCR gesetzt.

In EP1511990B1 wird ein „Fluoreszenzmessgerät mit Anregungsquelle“ vorgestellt. Hier wird die Baugröße durch mehrmaliges Falten der Beleuchtung und Detektion verkleinert. Die Lösung erfordert einen komplexen Doppelspiegelaufbau. Andere Methoden wie WO 2008/011875 AI - „Anordnung und Verfahren zur mehrkanaligen Fluoreszenzmessung in PCR-Proben“ verwen- den andere - wie hier z.B. faserbasierte - Verfahren zur Anregung und Detektion der Fluores- zenz. Alle faserbasierten Lösungen erfordern individuelle optische Vorrichtungen für unter- schiedliche Mikrotiterplatten. Aus DE102010010741 A1 ist eine Lichtleitervorrichtung zum Abstrahlen und Empfangen von Licht bekannt. Dabei wird ein Lichtleiterbündel verwendet. Nachteilig ist die komplizierte Hand- habung von Lichtleiterfaserbündeln.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines einfachen Verfahrens für eine Lumines- zenzanalyse einer Vielzahl von Proben, sowie eine Vorrichtung hierfür. Insbesondere soll das Verfahren geeignet sein für eine gleichzeitige quantitativen Lumineszenzanalyse mehrerer bio- chemischen Proben, die in tiefen matrixähnlichen Gefäßen wie z.B. Mikrotiterplatten verarbeitet werden. Die Probengefäße mit unterschiedlicher Anzahl der Probenkavitäten sollen möglichst ohne Modifikation der Vorrichtung analysiert werden können. Ein Teil der optischen Vorrichtung soll in einen eventuell erforderlichen Heißdeckel, der die Proben von Verdünsten während ther- mischen Prozessieren schützt, integriert werden können.

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach An- spruch 14.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung stellt ein einfaches Verfahren für eine Fluoreszenzanalyse einer Vielzahl von Pro- ben, sowie eine Vorrichtung hierfür zur Verfügung. Darüber hinaus sind auch andere Lumines- zenzanalysen möglich. Mit der vorliegenden Erfindung kann eine Titerplatte mit Proben analy- siert werden, ohne das Erfordernis einer objektseitig telezentrischen Optik oder eines Scanners. Außerdem kann die Lichtstärke auf dem Lichtsensor höher sein als bei bisher bekannten Ver- fahren. Die faseroptische Platte kann gleichzeitig als Deckel zum Abdecken eines Probenarrays für eine Lumineszenzanalyse dienen.

Insbesondere stellt die Erfindung ein einfaches Verfahren für eine Fluoreszenzanalyse von bio- chemische n Proben, die in flachen matrizenähnlichen Behälter, wie z.B, Mikrotiterplatten ange- ordnet sind, sowie eine Vorrichtung hierfür zur Verfügung, Darüber hinaus sind auch andere gleichzeitige quantitative Lumineszenzanalysen möglich. Die über das gesamte Sichtfeld bis unter 10 μm homogene Faserstruktur der faseroptischen Platte (FOP) erlaubt, die einzelnen Ka- vitäten unterschiedlicher Mikrotiterplatten (MTP) wie z.B. 98er und 384er Mikrotiterplatten gleichermaßen gut zu erfassen. Dadurch, dass die FOP eine optische „Nulldicke“ besitzt und die FOP zudem eine unten näher erläuterte Vermischung der Azimutwinkel einfallender Strah- len bewirken kann, kann die optische Deckeldicke „genullt“ und die numerische Apertur des op- tischen Systems und damit seine Sammeleffizienz in Bezug auf die Probenlumineszenz we- sentlich erhöht werden. Die FOP kann auch das Crosstalk-Verhalten der Lumineszenzanalyse verbessern. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt Lumineszenzanalysen unabhängig von der Füllmenge einziger Teilgefäße der Mikrotiterplatte.

Ein Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, nämlich die faseroptische Platte, kann in den De- ckel bzw, Heißdeckel integriert werden und zum Abdecken eines Probenarrays für eine Lumi- neszenzanalyse dienen.

Beschreibung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Lumineszenzanalyse mehrerer Proben, Dabei kann die Lumineszenzstrahlung der Proben analysiert werden. Die Lumineszenzstrahlung kann eine Lichtstrahlung im sichtbaren oder im infraroten Bereich sein. Die erfindungsgemäße Vor- richtung umfasst a, wenigstens eine faseroptische Platte (abgekürzt: FOP) aufweisend eine Unter- seite und eine der Unterseite gegenüberliegende Oberseite, wobei jeder Probe mehrere Fasern der faseroptischen Platte zugeordnet sind, wobei eine auf die Unterseite einfallende Lichtstrahlung durch die faseroptische Platte von der Un- terseite zur Oberseite durchleitbar ist, b, wenigstens eine Kameraoptik, c, wenigstens ein Lichtsensorarray, wobei in einem Beobachtungsstrahlengang nacheinander die jeweilige Probe, die faseroptische Platte, die Kameraoptik und das Lichtsensorarray angeordnet sind, wobei die Unterseite der faseroptischen Platte eben ausgebildet ist und den Proben zugewandt angeordnet ist. Eben kann bedeuten: als eine ebene Fläche,

Unter Lumineszenz kann man beispielsweise Elektrolumineszenz, Chemilumineszenz, Cando- lumineszenz, Biolumineszenz, Kathodolumineszenz, Radiolumineszenz, lonolumineszenz, Pho- tolumineszenz , Thermolumineszenz, Sonolumineszenz, Tribolumineszenz, Fractolumineszenz, Lyolumineszenz, Kristallolumineszenz oder Piezolumineszenz verstehen. Insbesondere kann die Erfindung zur Analyse der Photolumineszenz, insbesondere der Fluoreszenz und/ oder Phosphoreszenz von Proben eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft zur quantitativen und/oder gleichzeitigen Lu- mineszenzanalyse mehrerer Proben verwendet werden. Dabei können beispielweise die Inten- sitäten und/oder die Spektren der Lumineszenzstrahlung der Proben qualitativ und/oder quanti- tativ untersucht werden.

Die Kameraoptik kann eine oder mehrere Linsen umfassen. Die Kameraoptik kann ein Objektiv bzw, Kameraobjektiv umfassen. Die Kameraoptik kann, muß aber nicht, außerdem eine Tubus- linse umfassen. Die Kameraoptik kann vorteilhaft bildseitig telezentrisch ausgebildet sein.

Die faseroptische Platte kann eine Vielzahl optischer Fasern, welche als Lichtleitfasern ausge- bildet sein können, umfassen. Die FOP kann vollflächig mit Fasern belegt sein. Ebenfalls vor- teilhaft kann die FOP segmentiert ausgeführt sein. Das kann bedeuten, dass nur einzelne aktive Stellen (Segmente) der FOP mit jeweils einer Vielzahl von Fasern ausgestattet sind, während zwischen den Segmenten inaktive Stellen vorhanden sind, welche frei von Fasern sind, Zweck- mäßigerweise können die mit Fasern ausgestatteten aktiven Stellen in z-Richtung über den Proben angeordnet sein, während die inaktiven Stellen in den Regionen zwischen den Proben angeordnet sein können. Die Fasern können parallel mit einer Faserachsenrichtung z angeord- net sein. Die Unterseite kann normal zu der Faserachsenrichtung z in einer xy Ebene liegend ausgebildet sein. Die Richtungen x, y und z können ein rechtwinkliges Koordinatensystem bil- den, Die Fasern können vorteilhaft einen Kerndurchmesser von 5μm bis 500μm aufweisen, be- sonders vorteilhaft zwischen 5μm und 20Öμm, ganz besonders vorteilhaft zwischen 5μm und SOμm, Vorteilhaft kann die FOP derart ausgeführt sein, dass jeder Probe wenigstens 10, beson- ders vorteilhaft wenigstens 100 einzelne Fasern der FOP zugeordnet sind. Darunter kann man verstehen, dass das Licht jeder Probe auf die genannte Anzahl Fasern auftrifft. Durch die ge- nannte Ausführung der FOP kann die unten beschriebene Durchmischung der Azimutwinkel der Lichtstrahlen besser funktionieren im Vergleich zu einer Ausführung mit weniger zugeordneten Fasern je Probe, Die optischen Fasern der FOP können jeweils zwei Faserendflächen, nämlich eine erste Faserendfläche und eine zweite Faserendfläche aufweisen. Die ersten Faserendflä- chen können auf der Unterseite der FOP angeordnet sein. Die zweiten Faserendflächen können auf der Oberseite der FOP angeordnet sein. Die optischen Fasern können vorteilhaft geradlinig und vorteilhaft parallel zueinander und besonders vorteilhaft sowohl geradlinig als auch parallel zueinander - beispielsweise in einer Faserachsenrichtung - von der Unterseite der FOP zur Oberseite der FOP verlaufen. Die Fasern können also jeweils an der Unterseite und an der Oberseite der FOP enden. Die FOP kann durch die ersten Faserendflächen und die zweiten Fa- serendflächen begrenzt sein. Die optischen Fasern können über deren gesamte Länge in der FOP fest eingebettet sein,

Proben im Sinne der vorliegenden Erfindung können als Untersuchungsobjekte beispielsweise pflanzliche, tierische oder eukaryotische Zellen oder Zellverbände, Zellorganellen, beispiels- weise Chromosomen, Viren, Bakterien, Antikörper, Pollen, Spermien, Makromoleküle, beispiels- weise Proteine, und/ oder Molekülverbände umfassen. Die Proben können als Untersuchungs- objekte auch DNA, RNA oder Abschnitte davon umfassen. Die vorgenannten Untersuchungsob- jekte können in einer wässrigen Suspension vorliegen. Die Untersuchungsobjekte können diese fluoreszierend und/oder lumineszierend sein. Die Proben können außerdem Marker, beispiels- weise molekulare Marker, vorzugsweise fluoreszierende Marker, umfassen. Außerdem können Substanzen zum Codieren der Proben, vorzugsweise fluoreszierende Substanzen zugegeben werden, um die jeweiligen Proben identifizieren oder unterscheiden zu können.

Die Proben können Lichtstrahlen aussenden, Äquivalent zu dem o.g. rechtwinkligen Koordina- tensystem kann ein Kugelkoordinatensystem definiert werden mit einer Zenitrichtung z und ei- ner dazu senkrechten Äqutorialebene, d.h. einer yx Ebene, Dabei kann der Elevationswinkel ei- nes Lichtstrahls eine Differenz 90° minus dem Neigungswinkel des Lichtstrahls gegenüber der Richtung z betragen. Der Lichtstrahl kann in dem Kugelkoordinatensystem ebenso einen Azi- mutwinkel aufweisen, der relativ zur x-Achse definiert werden kann. Die Richtung der optischen Achse kann z sein.

Bekanntermaßen wird eine FOP gewöhnlich derart verwendet, dass ein abzubildendes Objekt direkt an der lichteintrittsseitigen Oberfläche der FOP angeordnet ist. Im Gegensatz dazu kann bei der vorliegenden Erfindung zwischen den Proben und der Unterseite der FOP jeweils ein Abstand a vorgesehen sein. Dieser Abstand a kann unterschiedlich sein beispielsweise infolge unterschiedlicher Füllhöhe der in der Probenaufnahmevorrichtung vorhandenen Kavitäten mit Probensubstanzen. Die Füllhöhe kann allerdings auch gleich sein für alle Kavitäten. Die Füll- höhe kann beispielsweise weniger als 90% des Volumens der Kavitäten, vorteilhaft weniger als 70% und ganz besonders vorteilhaft weniger als 80% betragen. Dann kann der Verbrauch von Reagenzien verringert und ggf. eine PCR schneller durchgeführt werden. Es kann sogar mög- lich sein, Proben zu analysieren, die weniger als 10% des Volumens der Kavität ausmachen. Als Abstand a kann der Abstand der Probenoberfläche zur Unterseite der FOP betrachtet wer- den, Der Abstand a kann beispielsweise größer als 0,3mm, vorteilhaft größer als 0,5mm, be- sonders vorteilhaft größer als 1mm und ganz besonders vorteilhaft größer als 2mm sein. Es kann sogar möglich sein, Proben zu analysieren, deren Oberfläche einen Abstand a von mehr als 10mm zur FOP hat. Zum genauen Modellieren der Strahlengänge mittels Raytracing- Me- thoden sollte man erforderlichenfalls berücksichtigen, dass die Probe auch aus tieferen Berei- chen des Probenvolumens Licht emittieren kann. Das verstärkt den nachstehend beschriebe- nen Effekt, Der Abstand a kann, ebenso wie eine Lichtemission aus tieferen Bereichen der Probe, eine unscharfe Abbildung der Probe auf das Lichtsensorarray bewirken. Während ein direkt an der Unterseite der FOP anliegender Gegenstand scharf auf die Oberseite der Platte abgebildet werden würde, wird ein von der VOR beabstandet angeordneter Gegenstand schon kein scharfes Abbild auf die Oberseite der FOP erzeugen. Jedes von einer Stelle der Probe ausgehende divergente Strahlenbündel kann daher die über der jeweiligen Kavität befindliche Stelle der FOP flächig ausleuchten und in z-Richtung durch die FOP zur Oberseite der FOP ge- leitet werden. Beim Durchleiten durch die FOP kann zudem der Azimutwinkel der Eingangs- strahlung verlorengehen, der Elevationswinkel kann jedoch erhalten bleiben. Dadurch kann die von der Oberseite ausgehende Lichtstrahlung einerseits hinsichtlich der Abstrahlungsrichtung homogenisiert und andererseits über jeweils ein Probenvolumen gemittelt werden, wobei die von benachbarten Probenvolumina ausgehenden Lichtstrahlungen an der Oberseite nicht über- lagert, sondern voneinander getrennt vorliegen können. Bildet man nun mittels der Kameraoptik die Oberseite der Platte auf das Lichtsensorarray ab, können die Strahlungen der einzelnen Probenvolumina voneinander getrennt und gleichzeitig über jeweils ein Probenvolumen gemit- telt detektiert werden. Dadurch kann man auch die am weitesten von der optischen Achse ent- fernten Proben gut auswerten, ohne eine telezentrische Optik oder einen Scanner benutzen zu müssen. Aufgrund der Mittelung der Lichtstrahlung über jeweils ein Probenvolumen kann zu- dem ein preisgünstiger Bildsensor mit niedriger Auflösung und geringer Empfindlichkeit ausrei- chend sein. Die Lichtsensorarrayebene und die Oberseite der FOP können konjugierte Ebenen sein. Die Konjugation kann bezüglich der Kameraoptik, ggf, in Verbindung mit einer eventuell vorgesehenen Feldlinse oder in der Nähe der Oberseite der FOP angeordneten Sammellinse, definiert werden.

Das Vorsehen eines Abstands a zwischen der Probenoberfläche und der FOP kann außerdem den Vorteil haben, dass eine Verunreinigung der FOP durch die Proben vermieden werden kann. Vorteilhaft kann die Vorrichtung außerdem wenigstens eine Heizeinrichtung zum Beheizen der faseroptischen Platte umfassen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass keine in der Probe enthaltene Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, verdunstet und an der faseroptischen Platte o- der der Verschlussfolie der Probe kondensieren kann. Falls die FOP inaktive Stellen aufweist, kann die Heizeinrichtung, beispielsweise als wenigstens ein Heizdraht und/oder eine elektrisch beheizbare Schicht ausgebildet sein, welche an den inaktiven Stellen angeordnet ist. Die Stel- len über den Proben, an welchen ein Durchleiten von Licht durch die FOP erfolgen soll, können frei von der Heizeinrichtung sein. Das kann den Vorteil haben, dass mehr Nützlicht zur Detek- tion zur Verfügung steht.

Vorteilhaft können die Proben in wenigstens einer Probenaufnahmevorrichtung angeordnet sein. Die Probenaufnahmevorrichtung kann mehrere voneinander getrennte Kavitäten zur Auf- nahme der Proben aufweisen. Die Proben können in einer xy Ebene angeordnet sein. Die Pro- benaufnahmevorrichtung kann plattenförmig ausgebildet sein. Die Probenaufnahmevorrichtung kann eine Plattennormale aufweisen, die in der z-Richtung angeordnet sein kann. Die Proben- aufnahmevorrichtung kann als eine Titerplatte (well plate), beispielsweise einer Mikrotiterplatte (micro well plate), ausgebildet sein. Die Kavitäten können lichtreflektierende Wände aufweisen. Dazu können die Wände der Kavitäten lichtreflektierend beschichtet sein. Durch diese Maß- nahme können das Anregungslicht und/oder die zu delektierende Lichtstrahlung der Lumines- zenz der Proben besser ausgenutzt werden.

Vorteilhaft kann die Unterseite der faseroptischen Platte auf der Probenaufnahmevorrichtung aufliegend angeordnet sein. Vorteilhaft kann die faseroptische Platte die Kavitäten verschlie- ßen, Alternativ können die Kavitäten auch mittels einer transparenten (Verschluss-)Folie abge- deckt und/oder oder versschlossen sein. Dann kann die faseroptische Platte auf die Folie auf- gesetzt sein. Vorteilhaft kann die Folie elektrisch beheizbar ausgeführt sein, beispielsweise als elektrisch leitfähige Folie. Vorteilhaft kann jede Probe in der jeweiligen Kavität einen Füllstand aufweisen. Vorteilhaft kann der Füllstand geringer sein als randvoll, vorteilhaft weniger als 80% des maximalen Füllstands, besonders vorteilhaft weniger als 50%. Vorteilhaft kann dadurch eine Verunreinigung der Abdeckung der Mikrotiterplatte bzw, der faseroptischen Platte vermie- den werden. Die Proben können in einem bestimmten Abstand zur FOP angeordnet sein. Die FOP kann bewirken, dass die Azimutwinkel der einfallenden Strahlung durchmischt werden, während die Elevationswinkel erhalten bleiben. Dadurch kann eine Homogenisierung der je- weite von einer Probe ausgehenden Lichtstrahlung auftreten, ohne dass ein zusätzliches Uber- sprechen der jeweiligen Lichtstrahlung in den Lichtweg einer benachbarten Probe bewirkt wird. Dadurch kann die Fluoreszenzanalyse, insbesondere eine über das jeweilige Probenvolumen gemittelte quantitative Fluoreszenzanalyse erleichtert werden.

Vorteilhaft kann an der Unterseite der faseroptischen Platte eine transparente Schutzschicht an- geordnet sein.

Vorteilhaft kann die Heizeinrichtung als eine elektrisch leitfähige transparente Schicht auf der Unterseite und/oder der Oberseite der faseroptischen Platte ausgebildet sein. Dann kann die FOP elektrisch beheizbar ausgebildet sein. Die elektrisch leitfähige transparente Schicht kann beispielsweise eine Indium-Zinnoxid Schicht oder eine leitfähige Polymerschicht umfassen.

Die Heizeinrichtung kann auch Heizdrähte umfassen. Die Heizeinrichtung kann auch derart ausgebildet sein, dass die Ränder der FOP beheizbar sind und die FOP vom Rand aus aufge- heizt werden kann.

Ebenfalls vorteilhaft kann die Heizeinrichtung als ein auf die faseroptische Platte gerichteter Inf- rarotstrahler ausgebildet sein. Ebenfalls vorteilhaft kann die FOP mittels eingekoppeltem und in der Platte absorbiertem Ultraschall beheizt werden.

Vorteilhaft kann die Oberseite der faseroptischen Platte konvex ausgebildet sein. Das kann be- deuten, dass die FOP in der Mitte dicker ist als am Rand, Vorteilhaft können die Normalen der auf der Oberseite der faseroptischen Platte befindlichen Faserendflächen gegenüber der Faser- achse z jeweils eine Neigung aufweisen. Diese Neigung kann vorteilhaft für in einem zentralen Bereich der FOP Null sein nach außen zunehmen. Das kann alternativ mittels einer fresnelarti- gen Struktur der Oberseite der faseroptischen Platte erreicht werden. Das kann bewirken, dass die austrittsseitigen (bezüglich der FOP) Strahlenbündel gegenüber den eintrittsseitigen Strah- lenbündeln in Richtung der Kameraoptik gekippt werden können. Damit kann man eine noch gleichmäßigere Helligkeitsverteilung auf dem Lichtsensorarray erreichen und/oder den Abstand der Kameraoptik zur Oberseite der FOP verringern.

Vorteilhaft kann zwischen der Oberseite der faseroptischen Platte und der Kameraoptik eine Sammellinse angeordnet sein. Die Sammellinse kann als eine sphärische Linse ausgebildet sein. Die Sammellinse kann plankonvex ausgebildet sein. Die Sammellinse kann direkt auf Oberseite der FOP angeordnet sein. Sie kann als eine Fresnellinse ausgeführt sein.

Zwischen der Oberseite der faseroptischen Platte und der Kameraoptik können ein erstes Mik- rolinsenarray und ein zweites Mikrolinsenarray angeordnet sein. Die zweiten Mikrolinsen des zweiten Mikrolinsenarrays können gegenüber den ersten Mikrolinsen des ersten Mikrolin- senarrays einen ortsabhängigen Versatz v(x,y) aufweisen. Der Versatz kann in einem zentralen Bereich Null sein und mit dem Abstand zum zentralen Bereich stetig zunehmen oder stetig ab- nehmen. Auf diese Weise kann eine Strahlumlenkung vorzugsweise in die Richtung der Kame- raoptik bewirkt werden.

Die Mikrolinsenarrays können anamorphische Mikrolinsen beinhalten. Außerdem können die Linsenarrays insbesondere für die Beleuchtung bzw, Lumineszenzanregung eingesetzt werden.

Vorteilhaft kann die Vorrichtung außerdem wenigstens eine Anregungslichtquelle zum Erzeu- gen wenigstens eines Anregungslichts umfassen. Das Anregungslicht kann zum Anregen einer Fluoreszenzstrahlung und/oder einer Phosphoreszenzstrahlung in der Probe vorgesehen sein. Die von der Anregungslichtquelle ausgehende Anregungslicht kann an der Oberseite in die fa- seroptische Platte einkoppelbar sein. Die Proben können mit dem an der Unterseite der faser- optischen Platte austretenden Anteil der Anregungslicht anregbar sein. Dabei kann in den Pro- ben eine Fluoreszenzstrahlung entstehen, welche mit dem Lichtsensorarray nachgewiesen wer- den kann. Das Anregungslicht kann vorteilhaft mittels eines als dichroitischer Spiegel oder Pola- risationsstrahlteiler ausgebildeten Strahlteilers in den Strahlengang, beispielsweise zwischen dem Lichtsensorarray und der Kameraoptik oder zwischen dem Objektiv und der Tubuslinse der Kameraoptik oder zwischen der Kameraoptik und der FOP, eingekoppelt werden.

Das Lichtsensorarray kann als ein Bildsensor, beispielsweise ein CCD- oder CMOS Mat- rixsensor ausgebildet sein. Das Lichtsensorarray kann auch als ein Photodiodenarray ausgebil- det sein. Das Lichtsensorarray kann vorteilhaft wellenlängensensitiv ausgebildet sein. Das Lichtsensorarray kann zum quantitativen und/oder qualitativen Nachweis der von jeder Probe ausgehenden Fluoreszenzstrahlung vorgesehen sein.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Lumineszenzanalyse mehrerer Proben umfasst folgende Schritte a. Anordnen der Proben in einer plattenförmigen Probenaufnahmevorrichtung, welche mehrere voneinander getrennte Kavitäten zur Aufnahme der Proben aufweist, b. Emittieren einer Lumineszenzstrahlung wenigstens einer der Proben c. Durchleiten wenigstens eines Teils der Lumineszenzstrahlung durch eine faseroptische Platte von der Unterseite zu einer Oberseite derselben, wobei jeder der Proben mehrere Fasern der faseroptischen Platte zugeordnet sind, d. Führen der Lumineszenzstrahlung durch eine Kameraoptik, e. Aufnehmen der auf ein Lichtsensorarray auftreffenden Lumineszenzstrahlung, wobei je- der der Proben eine über die Probe gemittelte Intensität und/oder spektrale Verteilung der Luminszenzstrahlung zuordenbar ist, wobei die von jeweils einer Probe ausgehende Lumineszenzstrahlung vor dem Auftreff fen auf das Lichtsensorarray wenigstens teilweise homogenisiert wird.

Vorteilhaft kann das Verfahren außerdem umfassen: f. Beheizen der faseroptischen Platte auf eine Temperatur einer Unterseite der faseropti- schen Platte, die gleich oder höher ist als eine Probentemperatur

Das Emittieren einer Lumineszenzstrahlung wenigstens einer der Proben kann in wenigstens einem spektralen Bereich erfolgen. Es ist aber auch möglich, dass es in mehreren spektralen Bereichen erfolgt.

Vorteilhaft können das Verfahren und/oder die Vorrichtung für eine Analyse des Verlaufs und/o- der des Ergebnisses einer Polymerase-Kettenreaktion (PCR) verwendet werden. Eine Verwen- dung kann ebenfalls für eine Restriktionsfragmentlängenpolymorphismusanalyse, SCCP-Ana- lyse (englisch single Strand conformation polymorphism), Temperaturgradientengelelektropho- reseanalyse, DNA-Sequenzierung oder Phospholipidanalyse vorteilhaft sein.

Die eintrittsseitige numerische Apertur der Kameraoptik kann größer als 0,05, vorteilhaft größer als 0,08 und besonders vorteilhaft größer als 0,12 und ganz besonders vorteilhaft größer als 0.13 sein. Dadurch kann ein kurzer Strahlengang realisiert werden, wodurch die Baugröße der Vorrichtung reduziert werden kann. So kann beispielsweise der Abstand zwischen der Ober- seite der FOP und dem Lichtsensorarray kleiner sein als 500mm, vorteilhaft kleiner als 400mm, besonders vorteilhaft kleiner als 350mm und ganz besonders vorteilhaft kleiner als 300mm sein. Die Figuren zeigen Folgendes:

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel. Fig, 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt aus dem fünften Ausführungsbeispiel,

Fig, 7 zeigt die Wirkung einer FOP.

Fig, 8 zeigt eine weitere Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels, in dem die Probenkavitä- ten sich in einer reflektierenden Aufnahme befinden.

Fig. 9 zeigt eine Beleuchtungsoption.

Fig. 10 zeigt eine weitere Beleuchtungsoption durch das Objektiv.

Ausführungsbeispiele Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen erläutert.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, Dargestellt ist eine Vorrichtung 1 zur gleichzeitigen Lumineszenzanalyse mehrerer Proben 5. Die Vorrichtung umfasst eine faseroptische Platte 7. Diese weist eine Unterseite 11 und eine der Unterseite gegenüberliegende Oberseite 12 auf. Jeder Probe sind mehrere Fasern der faseroptischen Platte 7 zugeordnet. Eine auf die Unter- seite einfallende Lichtstrahlung 15 wird durch die faseroptische Platte von der Unterseite zur Oberseite durchgeleitet und verlässt diese als Strahlenbündel 16. Ein Teil davon wird als Licht- strahlung 19 von einer Kameraoptik 23 erfasst und einem Lichtsensorarray 24 zur Detektion zu- geführt. Die Kameraoptik ist hier nur symbolisch dargestellt. In der Praxis wird man meist mehr- linsige Objektive bzw. Kombinationen von Objektiv und Tubuslinse (nicht figürlich dargestellt) benutzen.

In einer Probenaufnahmevorrichtung 2 sind Kavitäten 4 vorhanden, die zur Aufnahme von Pro- bensubstanzen 5 dienen. Einzelne Kavitäten können leer sein. Wirtschaftlich besser ist es aber, wenn man alle vorhandenen Kavitäten ausnutzt. In einem Beobachtungsstrahlengang sind nacheinander die Probe 5, die faseroptische Platte 7, die Kameraoptik 23 und das Lichtsensorarray 24 angeordnet. Der Beobachtungsstrahlengang ist der Übersichtlichkeit halber in den Figuren nur für eine der Proben beispielhaft dargestellt. Die Unterseite 11 der faseroptischen Platte 7 ist als eine ebene Fläche ausgebildet und den Proben 5 zugewandt angeordnet. Zwischen den Proben 5 und der Unterseite 11 der FOP ist je- weils ein Abstand vorhanden. Dieser Abstand kann unterschiedlich sein bei unterschiedlicher Füllhöhe der in der Probenaufnahmevorrichtung 2 vorhandenen Kavitäten 4 mit Probensubstan- zen 5, Die Füllhöhe kann allerdings auch gleich sein für alle Kavitäten. Als Abstand kann der Abstand der Probenoberfläche zur Unterseite betrachtet werden. Bei genauer Betrachtung könnte man berücksichtigen, dass die Probe auch aus tieferen Bereichen des Probenvolumens Licht emittieren kann. Dann könnte man den über das Probenvolumen gebildeten Schwerpunkt der Lichtleistung als Abstandsbezug wählen. Zum Verständnis des Prinzips der Erfindung reicht es allerdings aus, als Abstandsbezug die Probenoberfläche zu wählen.

Jedes von einer Stelle der Probe 5 ausgehende divergente Strahlenbündel 15 leuchtet die über der jeweiligen Kavität befindliche Stelle der FOP 7 flächig aus und wird in z-Richtung durch die FOP zur Oberseite 12 geleitet. Beim Durchleiten durch die FOP geht zudem der Azimutwinkel der Eingangsstrahlung verloren, der Elevationswinkel bleibt jedoch erhalten: Dadurch wird die von der Oberseite ausgehende Lichtstrahlung 16 einerseits hinsichtlich der Abstrahlungsrich- tung homogenisiert und andererseits über jeweils ein Probenvolumen gemittelt, wobei die von den einzelnen Probenvolumina ausgehenden Lichtstrahlungen an der Oberseite nicht überla- gert, sondern voneinander getrennt sind. Bildet man nun mittels der Kameraoptik 23 die Ober- seite der Platte auf das Lichtsensorarray 24 ab, bleiben die Strahlungen der einzelnen Proben- volumina voneinander getrennt, jedoch über jeweils ein Probenvolumen gemittelt. Dadurch kann man auch die am weitesten von der optischen Achse 13 entfernten Proben gut auswerten, ohne ein telezentrisches Objektiv oder einen Scanner benutzen zu müssen, ln der Fig. 1sind von einer Stelle der Probe ausgehende Randstrahlen 15. a eingezeichnet, wel- che auf die FOP einfallen und diese jeweils als erste Strahlen 16. a eines austrittsseitigen Strah- lenbündels 16 verlassen. Dabei kann jedem eintrittsseitigen Strahl 15 ein kegelmantelförmiges austrittsseitiges Strahlenbündel 16 zugeordnet werden, wie unten in Fig. 7 nebst zugehöriger Beschreibung erläutert ist. Außerdem eingezeichnet sind Nutzstrahlen 16. b austrittsseitiger Strahlenbündel 16 der Licht- strahlung 19. Die Nutzstrahlen 16. b erreichen das Lichtsensorarray, während die die außerhalb der Nutzstrahlenbündel liegenden Strahlen vom Lichtsensorarray nicht erfasst werden. Die Nutzstrahlen lassen sich rückverfolgen. Dabei können einfallende Strahlen 15. b ermittelt wer- den, welche von der FOP teilweise in die Nutzstrahlen 16. b überführt werden. Diese einfallen- den Strahlen 15. b kommen aus verschiedenen Regionen der Probe, dabei kann das gesamte Probenvolumen zum Nützlicht beitragen. Eine Abschattung bestimmter Gebiete der Probe kann durch die Wirkung der FOP vermieden werden. Von jeder Stelle der Probe können praktisch Strahlen in jede Richtung ausgehen. Dabei kann immer ein Teil der Strahlen einer Probe an ei- ner bestimmten Stelle auf das Lichtsensorarray auftreffen. Diese Stelle auf dem Lichtsenso- rarray kann eine gewisse Ausdehnung aufweisen, sie ist jedoch von der Stelle des Auftreffens der Strahlen benachbarter Proben abgegrenzt.

Die Randstrahlen sind als dünne Linien dargestellt, während die Nutzstrahlen als dicke Linien dargestellt sind.

Die erfindungsgemäße Lösung kann es ermöglichen, die numerische Apertur der Kameraoptik im Vergleich mit dem Stand der Technik (z.B, EP1681556B1) mindestens zu verdoppeln (NA=0,03 statt 0,014). Dadurch kann die Sammeleffizienz der Kameraoptik für die zu analysie- rende Lumineszenzstrahlung vervierfacht und die entsprechenden Detektionsgrenzen und Sig- nal-Rauschverhältnis deutlich verbessert werden. Außerdem kann das optische System deutlich kleiner ausgeführt werden. So kann beispielsweise der Objekt-Image-Abstand (Abstand zwi- schen der Oberseite 12 der FOP 7 und dem Lichtsensorarray 24 in Fig. 1) von 800 mm (wie in EP1681556B1) auf ca. 280 mm verringert werden. Es sei angemerkt, dass die Figuren nicht maßstäblich gezeichnet sind.

Außerdem können eine oder mehrere Anregungslichtquellen 21 vorgesehen sein, um ein Anre- gungslicht 20 bereitzustellen. Dieses Anregungslicht kann von oben, d.h. entgegen der zu ana- lysierenden Lichtstrahlung 19, durch die FOP auf die Proben geleitet werden. Mit dem Anre- gungslicht 20 kann man beispielsweise eine Fluoreszenzstrahlung der Proben anregen.

Die Vorrichtung 1 umfasst außerdem eine Heizeinrichtung 6 zum Beheizen der faseroptischen Platte 7. Diese ist als eine elektrisch leitfähige transparente Schicht ausgebildet, die mittels ei- nes elektrischen Stroms aufgeheizt werden kann. Die Unterseite 11 der faseroptischen Platte ist mit einer transparente Schutzschicht 10 verse- hen und auf der Probenaufnahmevorrichtung 2 aufliegend angeordnet,

Fig. 8 zeigt eine weitere Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels, in dem die Probenkavitä- ten sich in einer reflektierenden Aufnahme befinden. Der Übersichtlichkeit halber sind nur bei- spielhaft zwei Randstrahlen dargestellt. Diese verlassen die FOP jeweils als austrittsseitige ke- gelmantelförmige Strahlenbündel 16, Eintrittsseitig sind von mehreren Stellen der Probe ausge- hende Lichtstrahlen 15 dargestellt. Mehrere der Strahlen können infolge der Wirkung der FOP das Lichtsensorarray erreichen. Die Probe kann von jeder Stelle in jede Richtung Licht aussen- den, Somit wird von jeder Stelle der Probe Licht auf das Sensorarray treffen, so dass ein über die jeweilige Probe gemittelter Wert der Lichtstrahlung gemessen werden kann. Durch die re- flektierenden Wände der Kavität kann mehr Lumineszenzlicht der Probe genutzt werden. Au- ßerdem kann das gesamte Probenvolumen besser zum Nützlicht beitragen,

Fig, 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, In diesem Beispiel die Oberseite 12 der faseropti- schen Platte 7 konvex ausgebildet. Das bewirkt, dass die austrittsseitigen Strahlenbündel 14 gegenüber den eintrittsseitigen Strahlenbündeln 15 in Richtung der Kameraoptik 23 gekippt sind. Damit kann man eine noch gleichmäßigere Helligkeitsverteilung auf dem Lichtsensorarray erreichen und den Abstand der Kameraoptik zur Oberseite der FOP verringern.

Das Anregungslicht 20 ist mittels eines als dichroitischer Spiegel bzw, als Polarisationsstrahtei- ler ausgebildeten Strahlteilers 22 in den Strahlengang eingekoppelt,

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel. Hier ist die Oberseite 12 der FOP 7 konvex mit Fresnelstufen ausgebildet. Der Begriff konvex bezieht sich hier auf die optische Wirkung,

Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, Hier ist zwischen der Oberseite der faseroptischen Platte und der Kameraoptik eine Sammellinse 25 angeordnet ist. Diese ist als eine Fresnellinse ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die FOP 7 segmentiert ausgeführt. Die aktiven Stellen 8 umfassen Fasern, welche das Licht durchleiten. Die inaktiven Stellen 9 sind frei von Fasern und umfassen ein Matrixmaterial, beispielsweise ein Kunstharz, welches die aktiven Stellen umschließt. Die inaktiven Stellen können Heizdrähte (nicht dargestellt) und/oder elektrisch leitfähige Schichten (nicht dargestellt) als ohmsche Heizeinrichtung umfassen. Die Kavitäten 4 der Probenaufnahmevorrichtung 2 sind mit einer Folie 3 verschlossen.

Fig. 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel. Vorgesehen sind ein erstes Mikrolinsenarray 26 und ein zweites Mikrolinsenarray 29,

Fig, 6 zeigt einen Ausschnitt aus dem fünften Ausführungsbeispiel, Das erste Mikrolinsenarray 26 und das zweite Mikrolinsenarray 29 sind als ein 2f System angeordnet. Jeweils eine erste Mikrolinse 27 und eine zugeordnete zweite Mikrolinse 30 bilden jeweils ein Teleskop. Dabei weist die zweite optische Achse 31 der zweiten Linse 30 einen Versatz v(x,y), hier dargestellt als ein x-Versatz, zur ersten optischen Achse 28 der zugeordneten ersten Linse 27 auf. Das führt zu einer Verkippung eines aus der FOP austretenden Strahlenbündels 16 in ein gekipptes Strahlenbündel 17, In diesem Beispiel weist der Versatz der zweiten optische Achse 31 zur ers- ten optischen Achse 28 eine Ortsabhängigkeit auf. Beispielhaft dargestellt sind die versetzten optischen Achsen an drei Stellen, Bezüglich der optischen Achse (13 in Fig, 5) des Gesamtsys- tems weiter außen liegende Strahlen 19 werden dabei stärker gekippt.

Fig, 7 zeigt die Wirkung einer FOP, In diesem theoretischen sechsten Beispiel zur Veranschau- lichung des Wirkungsprinzips ist ein schmales paralleles Strahlenbündel 14 dargestellt, welches unter einem bestimmten Elevationswinkel und einem bestimmten Azimutwinkel auf die Unter- seite einer FOP 7 fällt. Der Zenit ist die optische Achse 13, welche in z-Richtung verläuft. Das parallele Strahlenbündel 14 ist gegen die optische Achse geneigt. Aufgrund der Lichtleitwirkung der FOP mit in z-Richtung angeordneten Fasern wird das Strahlenbündel senkrecht zur Ober- seite 12 der FOP durchgeleitet. An der Oberseite tritt das Strahlenbündel aus, wobei der Eleva- tionswinkel jedes Strahls erhalten bleibt, die Azimutwinkel der Einzelstrahlen aber statistisch verteilt, im Idealfall gleichverteilt, sind. Dadurch ergibt sich lichtaustrittsseitig ein kegelmantelför- miges divergentes Strahlenbündel 16. In einem hinreichend großen Abstand kann man theore- tisch in einer xy Ebene eine kreisringförmige Lichtverteilung 18 beobachten, deren Durchmes- ser von dem Elevationswinkel des einfallenden Strahlenbündels abhängt. Zur besseren Sicht- barkeit der Lichtstrahlen in der Darstellung ist die FOP 7 ausgebrochen dargestellt.

Tatsächlich wird von einer Probe nicht nur ein Parallelstrahlbündel emittiert, sondern in der Lichtstrahlung der Probe ist eine statistische Verteilung, ggf, eine Gleichverteilung oder eine Lambertsche Verteilung, von Elevationswinkeln vorhanden. Daher wird das austretende diver- gente Strahlenbündel in der Praxis nicht kegelmantelförmig sein, sondern kann kegelförmig ausgebildet sein. Für jede einzelne Strahlrichtung kommt es dabei zum Durchmischen der Azi- mutwinkel.

Fig. 9 zeigt ein siebentes Ausführungsbeispiel für Anregungslichtquellen mit einem Lichtkon- denserobjektiv 33, wie es vorteilhaft in den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen anstelle der dort dargestellten Anregungslichtquellen eingesetzt werden kann. Das Lichtkondenserob- jektiv kann z.B. als, Linsenarray, auch als Fliegenaugenarray (Fly's Eye Array) bekannt, ausge- führt werden. Das Fliegenaugenarray ist ein zweidimensionales Array einzelner optischer Ele- mente, die zu einem einzigen optischen Element zusammengesetzt oder geformt sind und dazu verwendet werden, Licht räumlich von einer ungleichmäßigen Verteilung 20 in eine gleichmä- ßige Verteilung 32 in einer Beleuchtungsebene umzuwandeln. Die Oberflächenform der opti- schen Elemente kann sphärisch oder anamorph sein. Ein zweites Linsenarray, auch als Feld- array bekannt, verbessert die Gleichmäßigkeit der Beleuchtungsgleichmäßigkeit und wird durch die Anzahl der Kanäle oder des Linsenarrays bestimmt, wobei eine höhere Anzahl von Elemen- ten zu einer gleichmäßigeren Gleichmäßigkeit führt. Der Abstand zwischen dem Längenarray hängt von der Brennweite der Linsenelemente ab. Die Brennweite, die Größe und der Abstand der beiden Arrays bestimmen die Abmessung der Beleuchtungsebene mit einer gewissen Ver- größerung, Das Anregungslicht 20 ist mittels eines als dichroitischer Spiegel ausgebildeten Strahlteilers 22 in den Strahlengang eingekoppelt.

Fig. 10 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel für das Einkoppeln einer Anregungslichtquelle, wie es vorteilhaft in den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen anstelle der dort dargestellten Anregungslichtquellen eingesetzt werden kann. Dabei wird das Beleuchtungslicht bzw, Anre- gungslicht durch eine Beleuchtungsoptik 34 und einen dichroitischen Strahlteiler 22 oder einen Polarisationsstrahlteiler in den Strahlengang zwischen dem Objektiv 23a und der Tubuslinse 23b eingekoppelt, um die Proben zu beleuchten. Die in allen Figuren einheitlich verwendeten Bezugszeichen sind Folgende:

1. Vorrichtung

2. Probenaufnahmevorrichtung

3. Folie

4. Kavität

5. Probe

6. Heizeinrichtung

7. Faseroptische Platte

8. Aktive Stelle

9. Inaktive Stelle

10. Schutzschicht

11. Unterseite

12. Oberseite

13. Optische Achse

14. Paralleles Strahlenbündel eintrittsseitig

15. Strahl, Strahlenbündel eintrittsseitig a. Randstrahlen b. Nutzstrahlen

16. Strahlenbündel austrittsseitig a. Randstrahlen b. Nutzstrahlen

17. Gekipptes Strahlenbündel

18. Kreisring im Fernfeld

19. Lichtstrahlung

20. Anregungslicht

21. Anregungslichtquelle

22. Strahlteiler

23. Kameraoptik a. Objektiv b. Tubuslinse

24. Lichtsensorarray

25. Sammellinse

26. Erstes Mikrolinsensrray 27. Erste Mikrolinse

28. Erste optische Achse

29. Zweites Mikrolinsenarray

30. Zweite Mikrolinse 31 Zweite optische Achse

32. Anregungslicht vom Lichtkondenserobjektiv

33. Lichtkondenserobjektiv

34. Beleuchtungsoptik