用于不需要光学透镜而光学分析样品的容器及系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在样品(诸如细胞培养物之类的生物样品)的光学分析时用于接收样品的容器。进一步地，本发明涉及一种用于光学分析样品(诸如细胞培养物之类的生物样品)的系统。
【背景技术】
[0002]现有技术的状况包括用于生命细胞成像的所谓的时差显微术(time-lapsemicroscopy)。传统的时差显微系统包括光学显微镜、数码相机、计算机软件和控制样品的细胞环境的恒温箱。但是，传统的时差显微系统非常昂贵及复杂。进一步地，将时差显微系统集成到实验室的工作环境中是困难的，因为就集成到传统的恒温箱中而言，时差显微系统太庞大且太复杂。最后，临床应用中要求将传统的时差显微系统与自动细胞培养(“细胞养殖”)一起使用，而这是困难的。
[0003]进一步地，现有技术的状况包括所谓的皮氏培养皿(Petri dishes)，皮氏培养皿是在对样品进行光学分析(例如在先前提到的时差显微术期间)时用于接收样品的容器。
[0004]此外，在Zheng等人所著“TheePetri dish, an on-chip cell imaging platformbased on sub-pixel perspective sweeping microscopy (SPSM)，，(美国国家科学院院干Ij(PNAS)，2011)中公开所谓的伊皮氏培养皿(ePetri dishes)。根据该观点，将细胞培养物直接放置在CMOS图像传感器的表面而不需要任何光学透镜在中间。但是，CMOS图像传感器因与细胞培养物的直接接触而被污染。因此，每次细胞培养物的测量均需要新的CMOS图像传感器或者需要对使用过的CMOS图像传感器进行彻底清洁。
【发明内容】
[0005]因此，本发明的目的是提供一种用于光学分析样品(诸如细胞培养物之类的生物样品)的改进的系统。
[0006]进一步地，本发明的目的是提供一种改进的容器，该容器适合于用于光学分析样品的新型系统。
[0007]通过根据独立权利要求的系统和容器来实现这些目的。
[0008]首先，本发明提供一种在样品的光学分析时用于接收样品的新型容器，其中，该容器包括底部，底部至少部分地透明，以使可以通过图像传感器从底部的下面对容器内的样品进行光学分析。
[0009]相对于传统的皮氏培养皿，根据本发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许使用所谓的“阴影成像(shadow imaging) ”来对容器内的样品进行光学分析。在所谓的阴影成像时，将具有样品的容器直接放置在图像传感器(诸如CCD传感器或CMOS传感器)的光感区域上而不需要任何光学透镜在容器和图像传感器之间。为了改善阴影成像的对比度和清晰度，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)，，(美国国家科学院院刊(PNAS)，2011)中对所谓的阴影成像的原理进行了说明。因此，该出版物的内容通过弓I用包括在本文中。
[0010]进一步地，容器的薄底部还允许气体扩散经过容器的底部，以使不必提供传统的隔膜用于0)2交换(碳酸盐缓冲液)。
[0011]此外，为了改善成像的光学对比度，根据本发明的容器可以发挥作用。在一个实施例中，上偏振滤光片布置在样品之上且在样品和从上面照射容器内的样品的光源之间。进一步地，下偏振滤光片布置在样品之下且在样品和从下面观察样品的图像传感器之间。此夕卜，光学波导结构布置在上偏振滤光片和下偏振滤光片之间。上偏振滤光片和下偏振滤光片相互垂直对齐，从而将来自光源被图像传感器接收的光限制为特定的光学模式，从而与传统的成像方法相比，实现了光学对比度的改善。
[0012]上偏振滤光片可以布置在容器的盖中，而下偏振滤光片可以布置在容器的底部中。进一步地，先前提到的波导结构也可以布置在容器的底部中面向样品的表面上。
[0013]在本发明的另一个实施例中，上滤色片布置在样品之上且在样品和从上面照射样品的光源之间，其中，来自光源的照射的波长优选地在上滤色片的通带内，以使来自光源的照射穿过上滤色片。进一步地，下滤色片可以布置在样品之下且在样品和从下面观察样品的图像传感器之间，其中，样品响应于光源的照射的光而发射的波长优选地在下滤色片的通带内，以使由样品发射的光经过下滤色片。
[0014]上滤色片可以布置在容器的盖中，而下滤色片可以布置在容器的底部。
[0015]在先前提到的包括上滤色片和下滤色片的容器的实施例中，容器的底部的上侧面优选地涂布有pH敏感性荧光染料，pH敏感性荧光染料响应于光源的照射而发射光。pH敏感性荧光染料的不接触样品的那些部分以在下滤色片的通带之外的发射波长来发射光，而PH敏感性荧光染料的接触样品的那些部分被样品进行pH改变，从而改变pH敏感性荧光染料的发射波长，其中PH敏感性荧光染料的被改变后的发射波长在下滤色片的通带内。就是说，光源穿过上滤色片以PH敏感性荧光染料的激发波长照射样品，以及图像传感器检测被样品覆盖的那些部分中的荧光。在这点上，应指出的是，上滤色片的通带与PH敏感性荧光染料的激发波长匹配，而下滤色片的通带与PH敏感性荧光染料的被改变后的发射波长匹配。
[0016]在本发明的另一个实施例中，容器包括用于容器的光学校准的至少一个校准元件。校准元件可以用于确定光学系统的转移函数，转移函数允许对容器内的样品进行更精确的分析。
[0017]在本发明优选的实施例中，光源集成在容器中以从上面照射容器内的样品。例如，光源可以至少部分地布置在容器的盖中。进一步地，应指出的是，光源优选地为点状的，从而改善样品的图像的光学对比度和清晰度。
[0018]在本发明的一个实施例中，光源包括灯，例如发光二极管(LED)或者有机发光二极管(OLED)，灯优选地布置在容器的盖中。在本发明的另一个实施例中，光源包括在容器的盖中的孔，其中，经由在容器的盖中的孔从上面照射样品。
[0019]可选地，光源包括在样品之上的反射元件和灯，反射元件特别地在盖的下侧面处，灯用于从下面照射反射元件，其中，反射元件优选地为圆形或为半球形。
[0020]进一步地，应指出的是，本发明还要求保护一种用于光学分析样品的系统，其中，根据本发明的系统包括图像传感器，图像传感器具有光感区域，光感区域具有多个光感像素，图像传感器特别地为CCD传感器或CMOS传感器。
[0021]此外，根据本发明的系统包括在样品的分析时用于接收样品的容器，其中，所述容器优选地按照上面所述那样来设计。相比于最初提到的传统时差显微术，该容器直接布置在图像传感器的光感区域上而不需要任何光学透镜在容器和图像传感器之间。因此，根据本发明的系统优选地允许所谓的阴影成像而不需要复杂的光学器件。
[0022]应指出的是，容器的底部下表面和图像传感器的光感区域之间的空气间隙会造成多次反射，进而恶化成像过程的质量。这些空气间隙可以通过将容器压到光感区域上而避免。因此，根据本发明的系统优选地包括压制装置，压制装置用于将容器压到图像传感器的光感区域上，从而避免容器和图像传感器之间的空气间隙。
[0023]进一步地，容器的底部和图像传感器的光感区域之间的空气间隙还可以通过用液体至少部分地填充这些间隙来避免，液体优选的为浸没油或聚合物膜。
[0024]此外，可以通过垂直于光学轴(即在图像传感器的光感区域的平面中)相对于容器移动图像传感器来改善光学分辨率。接着，可以在容器相对于图像传感器的不同位置拍摄若干个图像。这些单个图像接着可以用于生成具有改善的光学分辨率的图像。因此，根据本发明的系统优选地包括驱动器，诸如压电驱动器，驱动器用于在图像传感器的光感区域的平面中相对于容器移动图像传感器，以提高测量的光学分辨率。在这点上，应指出的是，容器和图像传感器之间相对移动的幅度优选地小于图像传感器的相邻像素之间的距离。
[0025]进一步地，还可以通过改变容器内的样品的照射方向来改善光学分辨率。例如，可以通过提供灯或镜的阵列来改变照射方向，其中灯或镜位于样品之上的不同地方以从不同角度连续地照射样品。
[0026]根据本发明的光学系统优选地允许对相当大面积的样品进行分析。因此，图像传感器的光感区域优选地大于200mm2或1cm2。
[0027]进一步地，应指出的是穿过样品的光通量比在光学显微镜中穿过样品的光通量小得多，以使样品的曝光量降低。这对于活细胞的长期分析可以是重要的，活细胞可以通过强烈的长期照射而被损坏。
[0028]本发明的理念允许整个系统有小尺寸，以使整个系统可以集成到实验室中已有的工作环境中。例如，系统可