用于不需要光學透鏡而光學分析樣品的容器及系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種在樣品(諸如細胞培養物之類的生物樣品)的光學分析時用于接收樣品的容器。進一步地，本發明涉及一種用于光學分析樣品(諸如細胞培養物之類的生物樣品)的系統。
【背景技術】
[0002]現有技術的狀況包括用于生命細胞成像的所謂的時差顯微術(time-lapsemicroscopy)。傳統的時差顯微系統包括光學顯微鏡、數碼相機、計算機軟件和控制樣品的細胞環境的恒溫箱。但是，傳統的時差顯微系統非常昂貴及復雜。進一步地，將時差顯微系統集成到實驗室的工作環境中是困難的，因為就集成到傳統的恒溫箱中而言，時差顯微系統太龐大且太復雜。最后，臨床應用中要求將傳統的時差顯微系統與自動細胞培養(“細胞養殖”)一起使用，而這是困難的。
[0003]進一步地，現有技術的狀況包括所謂的皮氏培養皿(Petri dishes)，皮氏培養皿是在對樣品進行光學分析(例如在先前提到的時差顯微術期間)時用于接收樣品的容器。
[0004]此外，在Zheng等人所著“TheePetri dish, an on-chip cell imaging platformbased on sub-pixel perspective sweeping microscopy (SPSM)，，(美國國家科學院院干Ij(PNAS)，2011)中公開所謂的伊皮氏培養皿(ePetri dishes)。根據該觀點，將細胞培養物直接放置在CMOS圖像傳感器的表面而不需要任何光學透鏡在中間。但是，CMOS圖像傳感器因與細胞培養物的直接接觸而被污染。因此，每次細胞培養物的測量均需要新的CMOS圖像傳感器或者需要對使用過的CMOS圖像傳感器進行徹底清潔。
【發明內容】
[0005]因此，本發明的目的是提供一種用于光學分析樣品(諸如細胞培養物之類的生物樣品)的改進的系統。
[0006]進一步地，本發明的目的是提供一種改進的容器，該容器適合于用于光學分析樣品的新型系統。
[0007]通過根據獨立權利要求的系統和容器來實現這些目的。
[0008]首先，本發明提供一種在樣品的光學分析時用于接收樣品的新型容器，其中，該容器包括底部，底部至少部分地透明，以使可以通過圖像傳感器從底部的下面對容器內的樣品進行光學分析。
[0009]相對于傳統的皮氏培養皿，根據本發明的容器包括厚度小于500 μ m、200 μ m、150 μ m或甚至小于120 μ m的非常薄的底部。容器的薄底部有利地允許使用所謂的“陰影成像(shadow imaging) ”來對容器內的樣品進行光學分析。在所謂的陰影成像時，將具有樣品的容器直接放置在圖像傳感器(諸如CCD傳感器或CMOS傳感器)的光感區域上而不需要任何光學透鏡在容器和圖像傳感器之間。為了改善陰影成像的對比度和清晰度，使容器的底部具有非常低的厚度是重要的。在Zheng等人所著“The ePetri dish, an on-chip cellimaging platform based on sub-pixel perspective sweeping microscopy (SPSM)，，(美國國家科學院院刊(PNAS)，2011)中對所謂的陰影成像的原理進行了說明。因此，該出版物的內容通過弓I用包括在本文中。
[0010]進一步地，容器的薄底部還允許氣體擴散經過容器的底部，以使不必提供傳統的隔膜用于0)2交換(碳酸鹽緩沖液)。
[0011]此外，為了改善成像的光學對比度，根據本發明的容器可以發揮作用。在一個實施例中，上偏振濾光片布置在樣品之上且在樣品和從上面照射容器內的樣品的光源之間。進一步地，下偏振濾光片布置在樣品之下且在樣品和從下面觀察樣品的圖像傳感器之間。此夕卜，光學波導結構布置在上偏振濾光片和下偏振濾光片之間。上偏振濾光片和下偏振濾光片相互垂直對齊，從而將來自光源被圖像傳感器接收的光限制為特定的光學模式，從而與傳統的成像方法相比，實現了光學對比度的改善。
[0012]上偏振濾光片可以布置在容器的蓋中，而下偏振濾光片可以布置在容器的底部中。進一步地，先前提到的波導結構也可以布置在容器的底部中面向樣品的表面上。
[0013]在本發明的另一個實施例中，上濾色片布置在樣品之上且在樣品和從上面照射樣品的光源之間，其中，來自光源的照射的波長優選地在上濾色片的通帶內，以使來自光源的照射穿過上濾色片。進一步地，下濾色片可以布置在樣品之下且在樣品和從下面觀察樣品的圖像傳感器之間，其中，樣品響應于光源的照射的光而發射的波長優選地在下濾色片的通帶內，以使由樣品發射的光經過下濾色片。
[0014]上濾色片可以布置在容器的蓋中，而下濾色片可以布置在容器的底部。
[0015]在先前提到的包括上濾色片和下濾色片的容器的實施例中，容器的底部的上側面優選地涂布有pH敏感性熒光染料，pH敏感性熒光染料響應于光源的照射而發射光。pH敏感性熒光染料的不接觸樣品的那些部分以在下濾色片的通帶之外的發射波長來發射光，而PH敏感性熒光染料的接觸樣品的那些部分被樣品進行pH改變，從而改變pH敏感性熒光染料的發射波長，其中PH敏感性熒光染料的被改變后的發射波長在下濾色片的通帶內。就是說，光源穿過上濾色片以PH敏感性熒光染料的激發波長照射樣品，以及圖像傳感器檢測被樣品覆蓋的那些部分中的熒光。在這點上，應指出的是，上濾色片的通帶與PH敏感性熒光染料的激發波長匹配，而下濾色片的通帶與PH敏感性熒光染料的被改變后的發射波長匹配。
[0016]在本發明的另一個實施例中，容器包括用于容器的光學校準的至少一個校準元件。校準元件可以用于確定光學系統的轉移函數，轉移函數允許對容器內的樣品進行更精確的分析。
[0017]在本發明優選的實施例中，光源集成在容器中以從上面照射容器內的樣品。例如，光源可以至少部分地布置在容器的蓋中。進一步地，應指出的是，光源優選地為點狀的，從而改善樣品的圖像的光學對比度和清晰度。
[0018]在本發明的一個實施例中，光源包括燈，例如發光二極管(LED)或者有機發光二極管(OLED)，燈優選地布置在容器的蓋中。在本發明的另一個實施例中，光源包括在容器的蓋中的孔，其中，經由在容器的蓋中的孔從上面照射樣品。
[0019]可選地，光源包括在樣品之上的反射元件和燈，反射元件特別地在蓋的下側面處，燈用于從下面照射反射元件，其中，反射元件優選地為圓形或為半球形。
[0020]進一步地，應指出的是，本發明還要求保護一種用于光學分析樣品的系統，其中，根據本發明的系統包括圖像傳感器，圖像傳感器具有光感區域，光感區域具有多個光感像素，圖像傳感器特別地為CCD傳感器或CMOS傳感器。
[0021]此外，根據本發明的系統包括在樣品的分析時用于接收樣品的容器，其中，所述容器優選地按照上面所述那樣來設計。相比于最初提到的傳統時差顯微術，該容器直接布置在圖像傳感器的光感區域上而不需要任何光學透鏡在容器和圖像傳感器之間。因此，根據本發明的系統優選地允許所謂的陰影成像而不需要復雜的光學器件。
[0022]應指出的是，容器的底部下表面和圖像傳感器的光感區域之間的空氣間隙會造成多次反射，進而惡化成像過程的質量。這些空氣間隙可以通過將容器壓到光感區域上而避免。因此，根據本發明的系統優選地包括壓制裝置，壓制裝置用于將容器壓到圖像傳感器的光感區域上，從而避免容器和圖像傳感器之間的空氣間隙。
[0023]進一步地，容器的底部和圖像傳感器的光感區域之間的空氣間隙還可以通過用液體至少部分地填充這些間隙來避免，液體優選的為浸沒油或聚合物膜。
[0024]此外，可以通過垂直于光學軸(即在圖像傳感器的光感區域的平面中)相對于容器移動圖像傳感器來改善光學分辨率。接著，可以在容器相對于圖像傳感器的不同位置拍攝若干個圖像。這些單個圖像接著可以用于生成具有改善的光學分辨率的圖像。因此，根據本發明的系統優選地包括驅動器，諸如壓電驅動器，驅動器用于在圖像傳感器的光感區域的平面中相對于容器移動圖像傳感器，以提高測量的光學分辨率。在這點上，應指出的是，容器和圖像傳感器之間相對移動的幅度優選地小于圖像傳感器的相鄰像素之間的距離。
[0025]進一步地，還可以通過改變容器內的樣品的照射方向來改善光學分辨率。例如，可以通過提供燈或鏡的陣列來改變照射方向，其中燈或鏡位于樣品之上的不同地方以從不同角度連續地照射樣品。
[0026]根據本發明的光學系統優選地允許對相當大面積的樣品進行分析。因此，圖像傳感器的光感區域優選地大于200mm2或1cm2。
[0027]進一步地，應指出的是穿過樣品的光通量比在光學顯微鏡中穿過樣品的光通量小得多，以使樣品的曝光量降低。這對于活細胞的長期分析可以是重要的，活細胞可以通過強烈的長期照射而被損壞。
[0028]本發明的理念允許整個系統有小尺寸，以使整個系統可以集成到實驗室中已有的工作環境中。例如，系統可