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WO2017013198A1 - Device for monitoring the three-dimensional movement of objects located in a liquid - Google Patents

Device for monitoring the three-dimensional movement of objects located in a liquid Download PDF

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Publication number
WO2017013198A1
WO2017013198A1 PCT/EP2016/067379 EP2016067379W WO2017013198A1 WO 2017013198 A1 WO2017013198 A1 WO 2017013198A1 EP 2016067379 W EP2016067379 W EP 2016067379W WO 2017013198 A1 WO2017013198 A1 WO 2017013198A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
liquid
light
objects
observation chamber
movement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2016/067379
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ulrich Benjamin Kaupp
René Pascal
Luis Alvarez
Jan Jikeli
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Original Assignee
Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research filed Critical Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Publication of WO2017013198A1 publication Critical patent/WO2017013198A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10Investigating individual particles
    • G01N15/14Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1456Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry without spatial resolution of the texture or inner structure of the particle, e.g. processing of pulse signals
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10Investigating individual particles
    • G01N15/14Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1434Optical arrangements
    • G01N2015/144Imaging characterised by its optical setup
    • G01N2015/1445Three-dimensional imaging, imaging in different image planes, e.g. under different angles or at different depths, e.g. by a relative motion of sample and detector, for instance by tomography

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for observing the three-dimensional movement of, in particular, living objects in a liquid.
  • Liquids and organisms have many opportunities to perceive chemical and / or physical properties in the environment and to navigate their distribution, especially along their gradients.
  • a chemical attractant diffuses out of an egg cell of the sea urchin Arbacia franata, so that over time a three-dimensional gradient of this attractant forms around the egg cell.
  • Sperm can perceive this chemical attractant and orient themselves on their way to its rising gradient. This allows them to navigate directly towards the egg cell. This process is called chemotaxis.
  • Defocusing can spatially capture an object.
  • the object of the present invention is now to provide a device and a method with which the said biochemical movement processes can be investigated in three dimensions.
  • an apparatus and a method are provided for observing the three-dimensional movement of objects which are located in a liquid and whose behavior depends on the local distributions of special parameters prevailing in the liquid.
  • the movement of the objects in the device should be observed.
  • Relevant parameters are in particular the temperature and / or the chemical composition of the liquid and / or the distribution of the amount of light per volume element and in particular their gradients understood.
  • the apparatus comprises a viewing chamber for receiving the liquid, a first exposure device for locally changing the properties of the liquid, and an optical recording unit for optically detecting the behavior of the particles in the liquid.
  • the device according to the invention is characterized in that the first exposure device is set up in such a way that a specific amount of light can be introduced into the observation chamber in a targeted manner and in a desired three-dimensional distribution in order to influence the spatial distribution of the parameters within the fluid.
  • a second light source in particular a laser, is provided, which radiates coherent light into the observation chamber.
  • a holographic recording unit With a holographic recording unit then the three-dimensional movement of the objects is detected and converted into electronic signals that can be displayed on a screen. .
  • the spatial information of the object can be detected directly.
  • the volume can be detected without time offset between the different focal planes.
  • the disadvantageous temporal offset between different focal planes can be avoided and the movement of the objects spatially detected.
  • the inventive method is intended for observation of the movement of particular biological living objects, which are in a liquid and their behavior, in particular their movement, is dependent on the prevailing in the liquid distribution of certain parameters, in particular the temperature, the chemical composition or the lighting conditions.
  • the method comprises the steps: the defined local change of the parameters within the liquid by targeted introduction of first light rays into the observation chamber and the optical detection of the objects in the liquid.
  • the method is characterized in that based on the first light beams a defined amount of light is introduced in a desired three-dimensional distribution in the observation chamber that second light rays of coherent light are irradiated into the observation chamber and that the movement of the objects of a holographic recording unit spatially detected and in corresponding electronic signals that can be displayed on a screen is converted.
  • objects or “particles” is especially taken to mean cells, organisms and biological or chemical particles, such as latex beats or synthetic micro-floats.
  • the essence of the invention is now in particular that in the device specifically the properties of the liquid can be changed individually spatially.
  • the generated effects of the targeted adjustable spatial distribution of the properties on the objects are also spatially detectable and can be subsequently analyzed.
  • the liquid contains deliberately introduced components that change their properties when exposed to optical light rays at a certain wavelength.
  • the first exposure device and the liquid are preferably matched to one another in such a way that the chemical composition can be selectively changed at individual locations of the observation chamber by the action of the first exposure device.
  • so-called caged connections (English, cage-compound) are used. These are chemical compounds that release a certain substance when irradiated with light of certain wavelengths. This released substance then generates a desired reaction. By controlling the amount of light introduced to a location, the desired reaction can thus be specifically initiated at this location.
  • caged compounds The main application of caged compounds is biochemical and cell biological research.
  • Biologically active compounds are equipped with a photolabile protecting group, the "cage” and thus temporarily lose their biological function.
  • the photolabile protecting group is irreversibly cleaved from the biologically active compound and the previously inactive compound again has a biological activity.
  • the amount of light is the radiant energy that is calculated from the integral of the luminous flux during a certain time. By incident on a place amount of light in a certain frequency of light, for example, at this location a corresponding concentration of attractant can be generated. Through the targeted use of lenses, the amount of light can be increased or decreased at a desired location. The closer a location is arranged at the focal point of the lens, the greater is the amount of light incident on that location or in this volume element per unit of time. When a focused light beam is applied to different locations for the same time, the areas located closer to the focal point are exposed more intensely than other locations. Consequently, there forms a greater concentration of attractants.
  • the optical pickup unit comprises a holographic camera.
  • objects can not only be detected optically, but also the distance of the objects from the optical recording unit can be detected. This can be used to create 3D films of objects that can be evaluated by image processing.
  • the observation chamber is in particular a chamber in which the liquid is kept static during the observation, that is to say it is not subject to flow during the observation. However, it is not possible to replace the fluid before or after observation or to create a flow if necessary. e. ! it e e s e e e s e se eewa
  • Composition (in mM): 9 KCl, 423 NaCl, 9.27 CaCl 2, 22.94 MgCl 2, 25.5 MgSO 4, 0.1 EDTA, and 10 HEPES, with a pH of 7.8 adjusted with NaOH. It can be a predetermined number of objects, such as 10 6 sea urchin sperm contained.
  • the liquid may contain a chemical compound, for example, a "caged compound.”
  • the chemical compound contains an attractant specific for the object In the chemical compound, preferably only a small portion of the specific attractant is freely available and therewith Preferably, the proportion of the free specific attractant is ⁇ 0.1%, more preferably ⁇ 0.05% and most preferably ⁇ 0.01% of the chemical compound.
  • the chemical compound itself is not detectable by the object.
  • the liquid together with the objects is preferably introduced into the observation chamber via a perfusion system.
  • the observation chamber preferably comprises an inlet for the sample into the observation chamber and an outlet from the observation chamber.
  • the first exposure device is provided for introducing a specific amount of light having a specific wavelength.
  • the wavelength is preferably in the visible range, or in the UV range, preferably in the wavelength range of 300-400 nm.
  • the first exposure device comprises a light emitting diode (LED) as the first light source, but alternatively a corresponding laser with a corresponding wavelength may be used become.
  • the first light beams generated in the first light source are coupled into a light guide.
  • the optical waveguide is preferably positioned so that the radiated first light beams can be introduced into the observation chamber along the optical axis of the objective via a dichoric mirror located below an objective.
  • the light intensity of the first light source is linearly adjustable.
  • an optical filter may be used so that the wavelength range can be further narrowed.
  • a system of lenses and / or a "pinhole" can be provided between the output of the light guide and the dichoric mirror.
  • the device according to the invention preferably comprises an optical recording unit, which comprises at least one objective and at least one camera.
  • the camera is a "high speed" camera which can take pictures at a rate of at least 200 pictures per second, preferably the lens used en. , orrg er eev, so too
  • Camera and the lens can be inserted.
  • a mechanical support for the introduction of additional optical components is provided.
  • the device according to the invention comprises a second exposure device which illuminates the objects located in the observation chamber with coherent light of a predetermined wavelength range.
  • the preferred coherent light source used is a laser having a wavelength range in the preferably visible range, more preferably in the wavelength range from 550 to 700 nm.
  • the partial wavelength ranges can be taken out of this wavelength range. For example, a wavelength range of 675 - 685 nm can be taken out.
  • the light from the light source is preferably coupled into an optical waveguide
  • the main propagation direction is defined by a vector pointing away from the optical waveguide on the center of the optical waveguide, the main propagation direction of the light bundle coming from the optical waveguide being positioned on the optical axis of the objective.
  • the wavelength of the light introduced by the first exposure device differs from the wavelength of the light introduced by the second light source, so that the light of the first exposure device can be used for physical and / or chemical gradients via, for example, "caged-compounds"
  • the light introduced by the first exposure means can change the chemical compounds in the sample or the temperature, or, trivially, the light intensity in a given wavelength range, without the light of the first exposure device interfering with the measurement of the holograms
  • the chemical compound in the sample for example, the PH value, for example, the C0 2 content or, for example, a hole concentration, for example, the concentration of free m Resact or another attractant such as speractum, progesterone or the like.
  • the concentration of free attractant is preferably increased by the light introduced by the first exposure device.
  • the change preferably corresponds, for example, to the concentration of the free attractant or, for example, the pH or, for example, the CO 2 content of one
  • the spatial distribution of the introduced Uchtes and the actual amount of light in the observation chamber is known, so that taking into account the diffusion of the chemical compound and the diffusion of the free attractant and taking into account the photolysis rate, the spatial distribution of the free attractant concentration can be determined in the observation chamber.
  • each individual hologram picked up by the optical pickup unit can be used to numerically reconstruct the shape and orientation of the object. More specifically, by using a propagator such as the Rayleigh Sommerfeld propagator, a light field analogous to the light irradiated by the second exposure apparatus is numerically calculated.
  • the numerically calculated light field can be calculated along the optical axis, also referred to below as the z axis.
  • the object along the optical axis can be reconstructed from a single hologram.
  • the position of the object on the z axis or the position of subareas of the object on the z axis can then be determined.
  • the position on the z-axis can be determined using the "Gouy phase anomaly.”
  • the "Gouy phase anomaly” is a contrast inversion, for example, from black to white, of the object at the respective focal position of the object.
  • the movement of the objects is detected spatially, without previously the properties in the liquid were defined by the first light beams influenced.
  • the properties in the liquid are then influenced in a defined manner by the first light beams.
  • the movement of the objects is again spatially detected. This approach can be used to immediately detect and analyze the effect of property changes on objects.
  • the observation chamber comprises a perfusion device, which is electronically connected to the recording unit, the first and second light source, and is controlled in such a way that after successful completion of an observation the liquid in the observation chamber is automatically exchanged.
  • a perfusion device which is electronically connected to the recording unit, the first and second light source, and is controlled in such a way that after successful completion of an observation the liquid in the observation chamber is automatically exchanged.
  • an optimal test procedure can be generated.
  • the processes can be automated. First, the liquid in the observation chamber becomes automatic au,,,
  • FIG. 1 shows schematically the movement profile of a sperm cell on the way to the egg cell
  • FIG. 2 schematically shows a perspective view of an observation chamber in which a Gaussian light distribution is generated by means of an exposure device
  • FIG. 3 schematically shows the structure of a device according to the invention
  • FIG. 1 shows a sperm cell 2 in search of an ovum 1.
  • the egg 1 exudes an attractant to attract the sperm cell 2.
  • the three-dimensional movement of the sperm cell 2 is dependent on the three-dimensional concentration in particular of the gradient of attractant, which is to be examined.
  • the egg 1 and the sperm cell 2 are in a liquid.
  • the dashed lines indicate areas of each constant concentration of the attractant.
  • On a spherical surface on which the point A is located there is a concentration C (A) which is greater than the concentration C (B) in a spherical surface on which the point B is at a greater distance from the ovum 1 as the point A has.
  • FIG. 2 now shows a three-dimensionally extended observation chamber 5, which is filled with the liquid and in which a multiplicity of sperm cells 2 can move freely.
  • the liquid is enriched with so-called caged compounds, which are sensitive to light of a specific wavelength or a specific wavelength range. If appropriate light hits the caged connection, this caged connection is split and an initially trapped substance is released. For this approved substance , , , v, rzu, to attract the sperm cells 1 is used. With a light input at the appropriate wavelength, the local release of the attractant can be controlled in three dimensions within the observation chamber.
  • a first exposure device 6 which has a first light source 7 which emits first light beams 9 in the specific wavelength. Via a lens 8, the first light beams 9 are focused and focused on a focal point F. In the focal point F, the greatest light energy is introduced over a certain time. The caged compounds are thus most heavily exposed to light of the particular wavelength at focus F, thus most attractant from the caged compounds is released there. With the focal point F, the presence of an egg 1 is simulated. In this or a similar way, a large number of different light quantity distributions can be generated.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an entire device according to the invention, which uses the exposure device according to FIG. Evident is the first light source 7 of the first exposure device 6, which emits the first light beams 9. about ,.
  • the first light beams 9 are directed in the direction of the observation chamber 5.
  • an objective 15 is arranged between the mirror 14 and the observation chamber 5.
  • a three-dimensional distribution of the attractant concentration is generated in the observation chamber 5, as explained above with reference to FIG.
  • a second light source 10 is directed to the observation chamber 5, which illuminates the observation chamber 5 for observing the movement of the objects therein.
  • the second light source 10 emits second coherent light beams 11 in a wavelength which have no influence on the caged connections.
  • the sperm cells moving in the observation chamber are illuminated by the second coherent light beams 11.
  • the holographic camera 12 the processes in the observation chamber can then be observed.
  • the holographic camera can now determine the positions of individual sperm cells in the observation chamber 5 with temporal and three-dimensional spatial resolution and convert it into electrical data.
  • the movement profile of the individual investigating sperm cells can thus be processed and visualized on a computer 13.
  • the observation chamber 5 has - as shown in Figure 4 - an inlet 19 and a drain 20.
  • the inlet 19 is connected via a hose with a controllable pump 16.
  • This pump 16 is connected to the computer 13 or other control unit, which in turn is connected to the optical pickup unit 12, to the first exposure means and to the second exposure means and to a control unit.
  • the liquid can be selectively introduced from the sample container 17 into the observation chamber 5 with the sample without the observation chamber 5 itself has to be moved or replaced.
  • the recording of the objects in the sample can be automated, this ensures a standardized and automated test procedure. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

The invention relates to a device for monitoring the three-dimensional movement of objects (2), in particular biological objects, which are being held in a liquid and the behavior, in particular the movement, of which depends on the local properties in the liquid, in particular the temperature, the chemical composition, or the light conditions. The device comprises the following: - a monitoring chamber (5) for receiving the liquid provided with the objects (2), - a first lighting device (6) with a light source (7), said lighting device being equipped to locally change the properties in the liquid, and - an optical capturing unit (12) which is equipped to optically detect the objects (2) in the liquid, wherein the first lighting device (6) is equipped to introduce a light quantity into the monitoring chamber (5) in a desired three-dimensional distribution in a controlled manner, and the optical capturing unit is equipped to spatially detect the movement of the objects (2) and convert same into corresponding electronic signals.

Description

Vorrichtung zur Beobachtung der dreidimensionalen Bewegung von Objekten, die sich in einer Flüssigkeit befinden  Device for observing the three-dimensional movement of objects that are in a liquid

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beobachtung der dreidimensionalen Bewegung von insbesondere lebenden Objekten in einer Flüssigkeit. The invention relates to a method and a device for observing the three-dimensional movement of, in particular, living objects in a liquid.

In Flüssigkeiten befindliche Zellen und Organismen verfügen über vielfältige Möglichkeiten, chemische und/oder physikalische Eigenschaften in der Umgebung wahrzunehmen und entsprechend deren Verteilung, insbesondere entlang deren Gradienten, zu navigieren. So diffundiert beispielsweise aus einer Eizelle des Seeigel Arbacia Punctulata ein chemischer Lockstoff, so dass sich mit der Zeit ein dreidimensionaler Gradient dieses Lockstoffes um die Eizelle herum ausbildet. Spermien können diesen chemischen Lockstoff wahrnehmen und orientieren sich auf ihrem Weg an dessen ansteigenden Gradienten. So können sie unmittelbar in Richtung der Eizelle navigieren. Dieser Prozess wird Chemotaxis genannt. Liquids and organisms have many opportunities to perceive chemical and / or physical properties in the environment and to navigate their distribution, especially along their gradients. Thus, for example, a chemical attractant diffuses out of an egg cell of the sea urchin Arbacia punctulata, so that over time a three-dimensional gradient of this attractant forms around the egg cell. Sperm can perceive this chemical attractant and orient themselves on their way to its rising gradient. This allows them to navigate directly towards the egg cell. This process is called chemotaxis.

Bislang konnte der chemische Gradient unter Laborverhältnissen nur in zwei Dimensionen erzeugt werden, so dass entsprechend auch nur eine Beobachtung der zweidimensionalen Bewegung von Spermien entlang eines zweidimensionalen Gradienten möglich war. Beispielsweise wird in dem Artikel„Ca2+ spikes in the flagellum control chemotactic behaviour of sperm" (M. Böhmer et. al.in the EMBO Journal Vol 24, NO 15, 2005, S. 2741-2752) ein Verfahren beschrieben, mit dem die Bewegung von Spermien in zwei Dimensionen erfasst werden kann. Dabei werden gezielt zweidimensionale Gradienten der Lockstoffkonzentration erzeugt und deren Einfluss auf die Bewegung der Spermien in eine Ebene untersucht. Allerdings sind die gewonnenen Erkenntnisse nur bedingt aussagekräftig, da eine freie Bewegung der der Spermien durch die engen Begrenzungen der Beobachtungskammer und durch hydrodynamische Effekte unterdrückt wird. Die zugrunde liegenden biochemischen Prozesse lassen sich damit nur unzureichend untersuchen. Until now, the chemical gradient could only be produced in two dimensions under laboratory conditions, so that only a single observation of the two-dimensional movement of sperm along a two-dimensional gradient was possible. For example, a method is described in the article "Ca 2+ spikes in the flagellum control chemotactic behavior of sperm" (M. Böhmer et al., In the EMBO Journal Vol 24, NO 15, 2005, pp. 2741-2752) The sperm movement can be detected in two dimensions, whereby two-dimensional gradients of the attractant concentration are selectively generated and their influence on sperm movement in one plane is investigated the narrow confines of the observation chamber and hydrodynamic effects are suppressed, so that the underlying biochemical processes can only be insufficiently investigated.

Ähnliches ist aus dem Artikel von Jansen es al„Controlling fertilization and cAMP signaling in sperm by optogenetics" aus eLife, 2015 4;e05161.doi:10.7554/eLife.05161 bekannt, wo die Spermien mit Dunkelfeldmikroskopie aufgenommen werden. Dabei wird das an der Probe gestreute Licht mit einer Kamera aufgenommen. Für die Beleuchtung wird kein kohärentes . , The same is known from the article by Jansen in "Controlling fertilization and cAMP signaling in sperm by optogenetics" from eLife, 2015 4, where the sperm are collected by dark field microscopy Sample scattered light taken with a camera. For the lighting is not coherent , .

Defokussieren kann ein Objekt räumlich erfasst werden. Defocusing can spatially capture an object.

Neben dem ausführlich diskutierten Beispiel der Chemotaxis von Spermien ist die Kenntnis zugrunde liegender biochemischer Prozesse für das Verständnis einer Vielzahl von Zellen, Organismen und Partikel von Bedeutung. Als Beispiele seien Bakterien, Algen und synthetische Mikroschwimmer genannt. In addition to the widely discussed example of sperm chemotaxis, knowledge of underlying biochemical processes is important in understanding a variety of cells, organisms, and particles. Examples include bacteria, algae and synthetic micro-swimmers.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, womit sich die genannten biochemischen Bewegungsprozesse in drei Dimensionen fundiert untersuchen lassen. The object of the present invention is now to provide a device and a method with which the said biochemical movement processes can be investigated in three dimensions.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 7; bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung. The object underlying the invention is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 7; preferred embodiments will become apparent from the dependent claims and the following description.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung und ein Verfahren vorgesehen zur Beobachtung der dreidimensionalen Bewegung von Objekten, die sich in einer Flüssigkeit befinden und deren Verhalten abhängig ist von den in der Flüssigkeit vorherrschenden örtlichen Verteilungen spezieller Parameter. Insbesondere soll die Bewegung der Objekte in der Vorrichtung beobachtet werden. Als relevante Parameter werden insbesondere die Temperatur und/oder die chemische Zusammensetzung der Flüssigkeit und/oder die Verteilung der Lichtmenge pro Volumenelement und insbesondere deren Gradienten verstanden. Die Vorrichtung umfasst eine Beobachtungkammer zur Aufnahme der Flüssigkeit, eine erste Belichtungseinrichtung zur lokalen Änderung der Eigenschaften der Flüssigkeit, sowie eine optische Aufnahmeeinheit zur optischen Erfassung des Verhaltens der Partikel in der Flüssigkeit. According to the invention, an apparatus and a method are provided for observing the three-dimensional movement of objects which are located in a liquid and whose behavior depends on the local distributions of special parameters prevailing in the liquid. In particular, the movement of the objects in the device should be observed. Relevant parameters are in particular the temperature and / or the chemical composition of the liquid and / or the distribution of the amount of light per volume element and in particular their gradients understood. The apparatus comprises a viewing chamber for receiving the liquid, a first exposure device for locally changing the properties of the liquid, and an optical recording unit for optically detecting the behavior of the particles in the liquid.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Belichtungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass mit ihr eine bestimmte Lichtmenge ganz gezielt und in einer gewünschten dreidimensionalen Verteilung in die Beobachtungskammer eingebracht werden kann, um innerhalb der Flüssigkeit die räumliche Verteilung der Parameter zu beeinflussen. Zudem ist eine zweite Lichtquelle, insbesondere ein Laser, vorgesehen, die kohärentes Licht in die Beobachtungskammer einstrahlt. Mit einer holografischen Aufnahmeeinheit wird dann die dreidimensionale Bewegung der Objekte erfasst und in elektronische Signale umgewandelt, die auf einem Bildschirm darstellbar sind. , The device according to the invention is characterized in that the first exposure device is set up in such a way that a specific amount of light can be introduced into the observation chamber in a targeted manner and in a desired three-dimensional distribution in order to influence the spatial distribution of the parameters within the fluid. In addition, a second light source, in particular a laser, is provided, which radiates coherent light into the observation chamber. With a holographic recording unit then the three-dimensional movement of the objects is detected and converted into electronic signals that can be displayed on a screen. .

kann die räumliche Information des Objektes direkt erfasst werden. Damit kann das Volumen ohne Zeitversatz zwischen den unterschiedlichen Fokusebenen erfasst werden. Durch die Verwendung von kohärenten Licht kann der nachteilige zeitliche Versatz zwischen verschiedenen Fokusebenen vermieden und die Bewegung der Objekte räumlich erfasst werden. the spatial information of the object can be detected directly. Thus, the volume can be detected without time offset between the different focal planes. By using coherent light, the disadvantageous temporal offset between different focal planes can be avoided and the movement of the objects spatially detected.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Beobachtung der Bewegung von insbesondere biologischen lebenden Objekten vorgesehen, die sich in einer Flüssigkeit befinden und deren Verhalten, insbesondere deren Bewegung, abhängig ist von den in der Flüssigkeit herrschenden Verteilung bestimmter Parameter, insbesondere der Temperatur, der chemischen Zusammensetzung oder der Lichtverhältnisse. Das Verfahren umfasst die Schritte: Die definierte lokale Änderung der Parameter innerhalb der Flüssigkeit durch gezieltes Einbringen von ersten Lichtstrahlen in die Beobachtungskammer und das optische Erfassen der Objekte in der Flüssigkeit. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass anhand der ersten Lichtstrahlen gezielt eine definierte Lichtmenge in einer gewünschten dreidimensionalen Verteilung in die Beobachtungskammer eingebracht wird, dass zweite Lichtstrahlen kohärenten Lichtes in die Beobachtungskammer einstrahlt werden und dass die Bewegung der Objekte einer holografischen Aufnahmeeinheit räumlich erfasst und in entsprechende elektronische Signale, die sich auf einem Bildschirm darstellen lassen, umgewandelt wird. The inventive method is intended for observation of the movement of particular biological living objects, which are in a liquid and their behavior, in particular their movement, is dependent on the prevailing in the liquid distribution of certain parameters, in particular the temperature, the chemical composition or the lighting conditions. The method comprises the steps: the defined local change of the parameters within the liquid by targeted introduction of first light rays into the observation chamber and the optical detection of the objects in the liquid. The method is characterized in that based on the first light beams a defined amount of light is introduced in a desired three-dimensional distribution in the observation chamber that second light rays of coherent light are irradiated into the observation chamber and that the movement of the objects of a holographic recording unit spatially detected and in corresponding electronic signals that can be displayed on a screen is converted.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter dem Begriff „Objekte" oder„Partikel" insbesondere Zellen, Organismen und biologische oder chemische Partikel, wie Latex Beats oder synthetische Mikroschwimmer, zusammengefasst. In the context of the present invention, the term "objects" or "particles" is especially taken to mean cells, organisms and biological or chemical particles, such as latex beats or synthetic micro-floats.

Der Kern der Erfindung liegt nun insbesondere darin, dass in der Vorrichtung gezielt die Eigenschaften der Flüssigkeit individuell räumlich geändert werden können. Die erzeugten Auswirkungen der gezielten einstellbaren räumlichen Verteilung der Eigenschaften auf die Objekte werden ebenso räumlich erfassbar und im können nachfolgend analysiert werden. The essence of the invention is now in particular that in the device specifically the properties of the liquid can be changed individually spatially. The generated effects of the targeted adjustable spatial distribution of the properties on the objects are also spatially detectable and can be subsequently analyzed.

Vorzugweise enthält die Flüssigkeit gezielt eingebrachte Bestandteile, die bei Einwirkung von optischen Lichtstrahlen in einer bestimmten Wellenlänge ihre Eigenschaften ändern. Die erste Belichtungseinrichtung und die Flüssigkeit sind vorzugsweise derart aufeinander abgestimmt, dass durch die Einwirkung der ersten Belichtungseinrichtung die chemische Zusammensetzung gezielt an einzelnen Orten der Beobachtungkammer geändert werden kann. Dabei kommen insbesondere sogenannte Caged-Verbindungen (engl, cage-compound) zum Einsatz. Dies sind chemische Verbindungen, die bei Bestrahlung mit Licht bestimmter Wellenlängen eine bestimmte Substanz freisetzen. Diese freigesetzte Substanz erzeugt dann eine gewünschte Reaktion. Durch Steuerung der an einen Ort eingebrachten Lichtmenge kann somit die gewünschte Reaktion gezielt an diesem Ort veranlasst werden. Preferably, the liquid contains deliberately introduced components that change their properties when exposed to optical light rays at a certain wavelength. The first exposure device and the liquid are preferably matched to one another in such a way that the chemical composition can be selectively changed at individual locations of the observation chamber by the action of the first exposure device. In particular, so-called caged connections (English, cage-compound) are used. These are chemical compounds that release a certain substance when irradiated with light of certain wavelengths. This released substance then generates a desired reaction. By controlling the amount of light introduced to a location, the desired reaction can thus be specifically initiated at this location.

Das Hauptanwendungsgebiet der caged-Verbindungen ist die biochemische und zellbiologische Forschung. Biologisch aktive Verbindungen werden mit einer photolabilen Schutzgruppe, dem "cage" ausgestattet und verlieren somit temporär ihre biologische Funktion. Mittels Lichteinstrahlung wird die photolabile Schutzgruppe irreversibel von der biologisch aktiven Verbindung abgespalten und die zuvor inaktive Verbindung weist wieder eine biologische Aktivität auf. The main application of caged compounds is biochemical and cell biological research. Biologically active compounds are equipped with a photolabile protecting group, the "cage" and thus temporarily lose their biological function. By means of light irradiation, the photolabile protecting group is irreversibly cleaved from the biologically active compound and the previously inactive compound again has a biological activity.

Als Lichtmenge wird die Strahlungsenergie bezeichnet, dich sich aus dem Integral des Lichtstromes während einer bestimmten Zeit berechnet. Durch die an einem Ort auftreffende Lichtmenge in einer bestimmten Lichtfrequenz kann beispielsweise an diesem Ort eine entsprechende Konzentration von Lockstoff erzeugt werden. Durch den gezielten Einsatz von Linsen kann die Lichtmenge an einem gewünschten Ort erhöht oder verringert werden. Je näher ein Ort am Brennpunkt der Linse angeordnet ist, desto größer ist die an diesem Ort respektive in diesem Volumenelement einfallende Lichtmenge pro Zeiteinheit. Werden unterschiedliche Orte für dieselbe Zeit mit einem fokussierten Lichtstrahl beaufschlagt, so werden die Bereiche, die näher an dem Brennpunkt angeordnet sind, stärker belichtet als andere Orte. Folglich bildet sich dort eine größere Konzentration von Lockstoffen aus. The amount of light is the radiant energy that is calculated from the integral of the luminous flux during a certain time. By incident on a place amount of light in a certain frequency of light, for example, at this location a corresponding concentration of attractant can be generated. Through the targeted use of lenses, the amount of light can be increased or decreased at a desired location. The closer a location is arranged at the focal point of the lens, the greater is the amount of light incident on that location or in this volume element per unit of time. When a focused light beam is applied to different locations for the same time, the areas located closer to the focal point are exposed more intensely than other locations. Consequently, there forms a greater concentration of attractants.

Vorzugsweise umfasst die optische Aufnahmeeinheit eine holographische Kamera. Hiermit können Objekte nicht nur optisch erfasst werden, sondern es kann auch der Abstand der Objekte von der optischen Aufnahmeeinheit erfasst werden. Hiermit lassen sich 3D-Filme der Objekte erzeugen, die durch eine Bildverarbeitung ausgewertet werden können. Preferably, the optical pickup unit comprises a holographic camera. In this way, objects can not only be detected optically, but also the distance of the objects from the optical recording unit can be detected. This can be used to create 3D films of objects that can be evaluated by image processing.

Bei der Beobachtungskammer handelt sich insbesondere um eine solche Kammer, in der die Flüssigkeit während der Beobachtung statisch gehalten ist, also während der Beobachtung keinem Durchfluss unterliegt. Unbenommen bleibt allerdings die Möglichkeit, die Flüssigkeit vor oder nach der Bobachtung auszuwechseln oder bei Bedarf dennoch einen Durchfluss zu erzeugen. e . ! en e en ann e sp e swe se ar z e es eewa The observation chamber is in particular a chamber in which the liquid is kept static during the observation, that is to say it is not subject to flow during the observation. However, it is not possible to replace the fluid before or after observation or to create a flow if necessary. e. ! it e e s e e e s e se eewa

Zusammensetzung (in mM) sein: 9 KCl, 423 NaCI, 9.27 CaCI2, 22.94 MgCI2, 25.5 MgS04, 0.1 EDTA, und 10 HEPES, mit einem mit NaOH eingestellten pH von 7.8. Es können eine vorgegebene Anzahl von Objekten, beispielsweise 106 Seeigelspermien enthalten sein. Composition (in mM): 9 KCl, 423 NaCl, 9.27 CaCl 2, 22.94 MgCl 2, 25.5 MgSO 4, 0.1 EDTA, and 10 HEPES, with a pH of 7.8 adjusted with NaOH. It can be a predetermined number of objects, such as 10 6 sea urchin sperm contained.

Zur Erzeugung eines chemischen Gradienten kann die Flüssigkeit eine chemische Verbindung enthalten, beispielswiese eine „caged- Verbindung". Bevorzugt beinhaltet die chemische Verbindung einen für das Objekt spezifischen Lockstoff. In der chemischen Verbindung ist bevorzugt nur ein geringer Teil des spezifischen Lockstoffes frei verfügbar und damit von dem Objekt detektierbar. Bevorzugt ist der Anteil des freien spezifische Lockstoffes < 0.1%, noch bevorzugt < 0,05 % und meist bevorzugt < 0,01 % der chemischen Verbindung. Bevorzugt ist die chemische Verbindung selbst nicht von dem Objekt detektierbar. For generating a chemical gradient, the liquid may contain a chemical compound, for example, a "caged compound." Preferably, the chemical compound contains an attractant specific for the object In the chemical compound, preferably only a small portion of the specific attractant is freely available and therewith Preferably, the proportion of the free specific attractant is <0.1%, more preferably <0.05% and most preferably <0.01% of the chemical compound. Preferably, the chemical compound itself is not detectable by the object.

Bevorzugt wird die Flüssigkeit mitsamt den Objekten über ein Perfusionssystem in die Beobachtungskammer eingebracht. Die Beobachtungskammer umfasst dabei bevorzugt einen Zulauf für die Probe in die Beobachtungskammer hinein und einen Ablauf aus der Beobachtungskammer hinaus. The liquid together with the objects is preferably introduced into the observation chamber via a perfusion system. The observation chamber preferably comprises an inlet for the sample into the observation chamber and an outlet from the observation chamber.

Die erste Belichtungseinrichtung ist zum Einbringen einer bestimmten Lichtmenge mit einer bestimmten Wellenlänge vorgesehen. Bevorzugt liegt die Wellenlänge im sichtbaren Bereich, oder im UV-Bereich, bevorzugt im Wellenlängenbereich von 300 - 400 nm. Weiter bevorzugt umfasst die erste Belichtungseinrichtung als erste Lichtquelle eine lichtemittierende Diode (LED), alternativ kann jedoch auch ein entsprechender Laser mit entsprechender Wellenlänge verwendet werden. Bevorzugt werden die in der ersten Lichtquelle erzeugten ersten Lichtstrahlen in einen Lichtleiter eingekoppelt. Der Lichtleiter wird bevorzugt so positioniert, dass die ausgestrahlten ersten Lichtstrahlen über einen unterhalb eines Objektives sitzenden dichorischen Spiegel entlang der optische Achse des Objektives in die Beobachtungskammer eingebracht werden kann. Bevorzugt ist die Lichtintensität der ersten Lichtquelle linear regelbar. Zusätzlich zu dem dichorischen Spiegel kann ein optischer Filter verwendet werden, so dass der Wellenlängenbereich weiter eingegrenzt werden kann. Bevorzugt können zwischen dem Ausgang des Lichtleiters und dem dichorischen Spiegel ein System von Linsen und/oder ein„Pinhole" vorgesehen sein. The first exposure device is provided for introducing a specific amount of light having a specific wavelength. The wavelength is preferably in the visible range, or in the UV range, preferably in the wavelength range of 300-400 nm. More preferably, the first exposure device comprises a light emitting diode (LED) as the first light source, but alternatively a corresponding laser with a corresponding wavelength may be used become. Preferably, the first light beams generated in the first light source are coupled into a light guide. The optical waveguide is preferably positioned so that the radiated first light beams can be introduced into the observation chamber along the optical axis of the objective via a dichoric mirror located below an objective. Preferably, the light intensity of the first light source is linearly adjustable. In addition to the dichoric mirror, an optical filter may be used so that the wavelength range can be further narrowed. Preferably, a system of lenses and / or a "pinhole" can be provided between the output of the light guide and the dichoric mirror.

Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine optische Aufnahmeeinheit, welche wenigstens ein Objektiv und wenigstens eine Kamera umfasst. Vorzugsweise ist die Kamera eine„high speed" Kamera, welche Bilder mit einer Aufnahmerate von bevorzugt zumindest 200 Bildern pro Sekunde aufnehmen kann. Bevorzugt ist das verwendete Objektiv e n . , orrg er e e v, so zu The device according to the invention preferably comprises an optical recording unit, which comprises at least one objective and at least one camera. Preferably, the camera is a "high speed" camera which can take pictures at a rate of at least 200 pictures per second, preferably the lens used en. , orrg er eev, so too

Kamera und das Objektiv eingebracht werden können. Bevorzugt ist eine mechanische Halterung für das Einbringen von zusätzlichen optischen Komponenten vorgesehen. Camera and the lens can be inserted. Preferably, a mechanical support for the introduction of additional optical components is provided.

Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine zweite Belichtungsvorrichtung welche die in der Beobachtungskammer befindlichen Objekte mit kohärentem Licht eines vorgegebenen Wellenlängenbereiches beleuchtet. Bevorzugt wird als kohärente Lichtquelle ein Laser mit einem Wellenlängenbereich im bevorzugt sichtbaren Bereich, noch bevorzugter im Wellenlängenbereich von 550 -700 nm verwendet. Wobei hier ausdrücklich darauf hingewiesen sei, dass die aus diesem Wellenlängenbereich Teilwellenlängenbereiche herausgenommen werden können. So kann beispielsweise ein Wellenlängenbereich von 675 - 685 nm herausgenommen werden. Alternativ zu der Verwendung eines Lasers kann auch eine LED mit der entsprechenden bevorzugten Wellenlänge in einer Kombination mit einem „Pinhole" verwendet werden. Bevorzugt wird das Licht der Lichtquelle in einen Lichtleiter eingekoppelt. Bevorzugt wird der Lichtleiter oberhalb der Beobachtungkammer auf der optischen Achse des Objektivs justierbar positioniert, so dass die Hauptausbreitungsrichtung des von dem Lichtleiter kommenden Lichtbündels auf der optischen Achse des Objektivs liegt. Die Hauptausbreitungsrichtung ist dabei durch einen auf dem Mittelpunkt des Lichtwellenleiters senkrecht stehenden von dem Lichtwellenleiter wegzeigenden Vektor definiert. Preferably, the device according to the invention comprises a second exposure device which illuminates the objects located in the observation chamber with coherent light of a predetermined wavelength range. The preferred coherent light source used is a laser having a wavelength range in the preferably visible range, more preferably in the wavelength range from 550 to 700 nm. Here it is expressly pointed out that the partial wavelength ranges can be taken out of this wavelength range. For example, a wavelength range of 675 - 685 nm can be taken out. As an alternative to the use of a laser, it is also possible to use an LED with the corresponding preferred wavelength in combination with a "pinhole." The light from the light source is preferably coupled into an optical waveguide The main propagation direction is defined by a vector pointing away from the optical waveguide on the center of the optical waveguide, the main propagation direction of the light bundle coming from the optical waveguide being positioned on the optical axis of the objective.

Erfindungsgemäß unterscheidet sich die Wellenlänge, des von der ersten Belichtungseinrichtung eingebrachten Lichtes von der Wellenlänge des von der zweiten Lichtquelle eingebrachten Lichtes, so dass das Licht der ersten Belichtungseinrichtung dazu verwendet werden kann, physikalische und/oder chemische Gradienten über beispielsweise „caged-compounds" zu erzeugen ohne, dass das Licht der ersten Belichtungseinrichtung die Messung der Hologramme in dem Wellenlängenbereich der zweiten Belichtungseinrichtung stört. Beispielsweise können durch das von der ersten Belichtungseinrichtung eingebrachte Licht die chemischen Verbindungen in der Probe oder die Temperatur oder trivialerweise die Lichtintensität in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich verändert werden. Durch die Veränderung der chemischen Verbindung in der Probe können beispielsweise der PH-Wert, beispielsweise der C02 Gehalt oder beispielsweise eine Lochstoff konzentration, beispielsweise die Konzentration von freiem Resact oder einem anderem Lockstoff wie Speract, Progesteron oder ähnlichem verändert werden. Bevorzugt wird durch das, durch die erste Belichtungseinrichtung eingebrachten Lichtes, die Konzentration von freiem Lockstoff erhöht. Bevorzugt entspricht die Änderung beispielsweise der Konzentration des freien Lockstoffes oder beispielsweise des PH-Wertes oder beispielsweise des C02 Gehalts einer

Figure imgf000009_0001
According to the invention, the wavelength of the light introduced by the first exposure device differs from the wavelength of the light introduced by the second light source, so that the light of the first exposure device can be used for physical and / or chemical gradients via, for example, "caged-compounds" For example, the light introduced by the first exposure means can change the chemical compounds in the sample or the temperature, or, trivially, the light intensity in a given wavelength range, without the light of the first exposure device interfering with the measurement of the holograms By changing the chemical compound in the sample, for example, the PH value, for example, the C0 2 content or, for example, a hole concentration, for example, the concentration of free m Resact or another attractant such as speractum, progesterone or the like. The concentration of free attractant is preferably increased by the light introduced by the first exposure device. The change preferably corresponds, for example, to the concentration of the free attractant or, for example, the pH or, for example, the CO 2 content of one
Figure imgf000009_0001

vnorrnci n arl ,.„ „. , ™=r+ v n r o n rnci arl. "". , ™ = r +

ucöiii i ii i iiBi i Lichtmenge, so dass die Änderung quantifiziert werden t\<ai in . ist die räumliche Verteilung des eingebrachten Uchtes und die tatsächliche Lichtmenge in der Beobachtungskammer bekannt, so dass unter Berücksichtigung der Diffusion der chemischen Verbindung und der Diffusion des freien Lockstoffes und unter Berücksichtigung der Photolyserate, die räumliche Verteilung der freien Lockstoffkonzentration in der Beobachtungskammer bestimmt werden kann.  ucöiii i ii i iiBi i amount of light so that the change can be quantified t \ <ai in. the spatial distribution of the introduced Uchtes and the actual amount of light in the observation chamber is known, so that taking into account the diffusion of the chemical compound and the diffusion of the free attractant and taking into account the photolysis rate, the spatial distribution of the free attractant concentration can be determined in the observation chamber.

Vorzugsweise kann jedes einzelne, durch die optischen Aufnahmeeinheit aufgenommenen Hologramm dazu verwendet werden die Form und die Orientierung des Objektes numerisch zu rekonstruieren. Insbesondere wird dazu unter Verwendung eines Propagators, beispielsweise des Rayleigh-Sommerfeld Propagators, ein zu dem durch die zweite Belichtungsvorrichtung eingestrahlten Lichts analoges Lichtfeld numerisch berechnet. Das numerisch berechnete Lichtfeld kann entlang der optischen Achse, im Folgenden auch z- achse genannt, berechnet werden. Durch die mathematische Faltung jedes einzelnen numerisch berechneten Lichtfeldes entlang der optischen Achse mit dem aufgenommenen Hologramm lässt sich aus einem einzelnen Hologramm das Objekt entlang der optischen Achse rekonstruieren. In dem so numerisch rekonstruierten Volumen kann dann die Position des Objektes auf der z-achse bzw. die Position von Teilbereichen des Objektes auf der z- achse bestimmt werden. Beispielsweise kann die Position auf der z-achse unter Verwendung der„Gouy phase anomaly" bestimmt werden. Unter der„Gouy phase anomaly" versteht man eine Kontrastinvertierung, beispielswiese von schwarz zu weiß, des Objektes an der jeweiligen fokalen Position des Objektes. Preferably, each individual hologram picked up by the optical pickup unit can be used to numerically reconstruct the shape and orientation of the object. More specifically, by using a propagator such as the Rayleigh Sommerfeld propagator, a light field analogous to the light irradiated by the second exposure apparatus is numerically calculated. The numerically calculated light field can be calculated along the optical axis, also referred to below as the z axis. By mathematically folding each individual numerically calculated light field along the optical axis with the recorded hologram, the object along the optical axis can be reconstructed from a single hologram. In the thus numerically reconstructed volume, the position of the object on the z axis or the position of subareas of the object on the z axis can then be determined. For example, the position on the z-axis can be determined using the "Gouy phase anomaly." The "Gouy phase anomaly" is a contrast inversion, for example, from black to white, of the object at the respective focal position of the object.

Vorzugsweise wird in einem ersten Schritt die Bewegung der Objekte räumlich erfasst, ohne dass vorher die Eigenschaften in der Flüssigkeit durch die ersten Lichtstrahlen definiert beeinflusst wurden. In einem zweiten Schritt werden dann die Eigenschaften in der Flüssigkeit durch die ersten Lichtstrahlen definiert beeinflusst. In einem dritten Schritt wird die Bewegung der Objekte nochmals räumlich erfasst. Anhand dieser Vorgehensweise können die Auswirken der Änderungen der Eigenschaften auf Objekte unmittelbar festgestellt und analysiert werden. Preferably, in a first step, the movement of the objects is detected spatially, without previously the properties in the liquid were defined by the first light beams influenced. In a second step, the properties in the liquid are then influenced in a defined manner by the first light beams. In a third step, the movement of the objects is again spatially detected. This approach can be used to immediately detect and analyze the effect of property changes on objects.

Bevorzugt umfasst die Beobachtungskammer eine Perfusionsvorrichtung, welche mit der Aufnahmeeinheit, der ersten und zweiten Lichtquelle elektronisch verbunden ist, und derart angesteuert wird, dass nach erfolgreicher Durchführungen einer Beobachtung die Flüssigkeit in der Beobachtungskammer automatisiert ausgetauscht wird. Durch ein Zusammenwirken der Perfusionsvorrichtung, den Lichtquellen sowie der Aufnahmeeinheit kann ein optimaler Versuchsablauf generiert werden. So können insbesondere die Vorgänge automatisiert ablaufen. Zuerst wird dabei die Flüssigkeit in der Beobachtungskammer automatisch a u , , , Preferably, the observation chamber comprises a perfusion device, which is electronically connected to the recording unit, the first and second light source, and is controlled in such a way that after successful completion of an observation the liquid in the observation chamber is automatically exchanged. Through an interaction of the perfusion device, the light sources and the recording unit, an optimal test procedure can be generated. In particular, the processes can be automated. First, the liquid in the observation chamber becomes automatic au,,,

Aufnehmen. Nach einer vorgegeben Zeit erfolgt erneut ein automatisches Austauschen der Flüssigkeit und eine erneute Beobachtung. Dieser Vorgang ist vorteilhaft, da Objekte grundsätzlich dazu neigen, sich durch zufällige Bewegung an einer Wandung der Beobachtungkammer anzuhaften, aber sich nicht mehr davon zu lösen. Im Laufe der Zeit, insbesondere weniger Minuten, wird die Flüssigkeit so unbrauchbar für weitere Beobachtungen. Insofern sind automatische Erneuerungen der Flüssigkeit innerhalb vorgegebener Zeitintervalle sinnvoll. Take up. After a predetermined time, an automatic exchange of the liquid and a new observation takes place again. This process is advantageous because, in principle, objects tend to adhere to a wall of the observation chamber by accidental movement, but no longer detach from it. Over time, especially a few minutes, the liquid becomes so unusable for further observations. In this respect, automatic renewal of the liquid within predetermined time intervals makes sense.

Die Erfindung wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert. Hierin zeigt The invention will be explained in more detail below with reference to the figures. Herein shows

Figur 1 schematisch das Bewegungsprofil einer Samenzelle auf dem Weg zur Eizelle; FIG. 1 shows schematically the movement profile of a sperm cell on the way to the egg cell;

Figur 2 schematisch eine Beobachtungskammer in perspektivischer Darstellung, in der mittels einer Belichtungseinrichtung eine Gaußsche Lichtverteilung erzeugt ist;  FIG. 2 schematically shows a perspective view of an observation chamber in which a Gaussian light distribution is generated by means of an exposure device;

Figur 3 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;  FIG. 3 schematically shows the structure of a device according to the invention;

Figur 4 die Beobachtungskammer der Vorrichtung nach Figur 3 mit angeschlossener  Figure 4, the observation chamber of the device of Figure 3 with connected

Perfusionsvorrichtung.  Perfusion.

In Figur 1 ist eine Samenzelle 2 auf der Suche nach einer Eizelle 1 dargestellt. Die Eizelle 1 verströmt einen Lockstoff zum Anlocken der Samenzelle 2. Die dreidimensionale Bewegung der Samenzelle 2 ist dabei abhängig von der dreidimensionalen Konzentration insbesondere von dem Gradienten des Lockstoffs, der zu untersuchen ist. Die Eizelle 1 und die Samenzelle 2 befinden sich dabei in einer Flüssigkeit. Die gestrichelten Linien zeigen Bereiche von jeweils konstanter Konzentration des Lockstoffs an. Auf einer sphärischen Fläche, auf der sich der Punkt A befindet, herrscht eine Konzentration C(A), die größer ist, als die Konzentration C(B) in einer sphärischen Fläche, auf der sich der Punkt B befindet, der einen größeren Abstand von der Eizelle 1 als der Punkt A aufweist. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Bewegung von Samenzellen in Abhängigkeit des Konzentrationsgefälles von dem Lockstoff innerhalb der Flüssigkeit untersucht werden. FIG. 1 shows a sperm cell 2 in search of an ovum 1. The egg 1 exudes an attractant to attract the sperm cell 2. The three-dimensional movement of the sperm cell 2 is dependent on the three-dimensional concentration in particular of the gradient of attractant, which is to be examined. The egg 1 and the sperm cell 2 are in a liquid. The dashed lines indicate areas of each constant concentration of the attractant. On a spherical surface on which the point A is located, there is a concentration C (A) which is greater than the concentration C (B) in a spherical surface on which the point B is at a greater distance from the ovum 1 as the point A has. With the device according to the invention, the movement of sperm as a function of the concentration gradient of the attractant within the fluid can be examined.

Figur 2 zeigt nun eine dreidimensional ausgedehnte Beobachtungskammer 5, die mit der Flüssigkeit gefüllt ist und in der sich eine Vielzahl von Samenzellen 2 frei bewegen kann. Die Flüssigkeit ist angereichert mit sogenannten Caged-Verbindungen, die auf Licht einer speziellen Wellenlänge oder eines speziellen Wellenlängenbereichs empfindlich sind. Trifft entsprechendes Licht auf die Caged-Verbindung, wird diese Caged-Verbindung aufgespalten, und ein zunächst eingeschlossener Stoff wird freigegeben. Bei diesem freigegebenen Stoff . . . v , r z u , zum Anlocken der Samenzellen 1 dient. Mit einem Lichteintrag in der entsprechenden Wellenlänge kann die örtliche Freigabe des Lockstoffs in drei Dimensionen innerhalb der Beobachtungskammer gesteuert werden. FIG. 2 now shows a three-dimensionally extended observation chamber 5, which is filled with the liquid and in which a multiplicity of sperm cells 2 can move freely. The liquid is enriched with so-called caged compounds, which are sensitive to light of a specific wavelength or a specific wavelength range. If appropriate light hits the caged connection, this caged connection is split and an initially trapped substance is released. For this approved substance , , , v, rzu, to attract the sperm cells 1 is used. With a light input at the appropriate wavelength, the local release of the attractant can be controlled in three dimensions within the observation chamber.

Dazu ist eine erste Belichtungseinrichtung 6 vorgesehen, die eine erste Lichtquelle 7 aufweist, welche erste Lichtstrahlen 9 in der bestimmten Wellenlänge aussendet. Über eine Linse 8 werden die ersten Lichtstrahlen 9 gebündelt und auf einen Brennpunkt F fokussiert. In dem Brennpunkt F wird über eine gewisse Zeit die größte Lichtenergie eingebracht. Die Caged- Verbindungen werden somit am Brennpunkt F am stärksten mit Licht der bestimmten Wellenlänge beaufschlagt, folglich wird dort am meisten Lockstoff aus den Caged- Verbindungen freigegeben. Mit dem Brennpunkt F wird das Vorhandensein einer Eizelle 1 simuliert. Auf diese oder ähnliche Weise können eine Vielzahl unterschiedlicher Lichtmengenverteilungen erzeugt werden. For this purpose, a first exposure device 6 is provided which has a first light source 7 which emits first light beams 9 in the specific wavelength. Via a lens 8, the first light beams 9 are focused and focused on a focal point F. In the focal point F, the greatest light energy is introduced over a certain time. The caged compounds are thus most heavily exposed to light of the particular wavelength at focus F, thus most attractant from the caged compounds is released there. With the focal point F, the presence of an egg 1 is simulated. In this or a similar way, a large number of different light quantity distributions can be generated.

In den übrigen Bereichen außerhalb des Brennpunkts F wird zwar auch Lichtenergie eingebracht; je nach Abstand vom Brennpunkt ist diese Lichtmenge pro Volumeneinheit aber deutlich geringer. Entsprechend der Gaußschen Lichtverteilung ergibt sich so ein Profil der in den einzelnen Bereichen der Beobachtungskammer eingebrachten Lichtmenge pro Volumeneinheit, die einen unmittelbaren Einfluss auf die dreidimensionale Konzentration von freigegebenem Lockstoff in der Beobachtungskammer 5 hat. In Figur 2 sind beispielhaft zwei Ebenen herausgegriffen, die den Brennpunkt schneiden, um den herum Kreise aufgezeigt sind. Die Orte auf den Kreislinien weisen jeweils eine Konzentration C(B|) bzw. C(BN) auf, die der Konzentration C(B) aus Figur 1 entspricht. Die Konzentration C(B,) bzw. C(Bn) an den Punkten Bl und BN ist deutlich geringer als die Konzentration C(F) im Brennpunkt. In the other areas outside the focal point F, although light energy is introduced; depending on the distance from the focal point, this amount of light per unit volume is much lower. According to the Gaussian light distribution, this results in a profile of the amount of light introduced per unit volume in the individual regions of the observation chamber, which has a direct influence on the three-dimensional concentration of released attractant in the observation chamber 5. In FIG. 2, by way of example, two planes are selected that intersect the focal point around which circles are indicated. The locations on the circular lines each have a concentration C (B |) and C (B N ), which corresponds to the concentration C (B) of Figure 1. The concentration C (B,) or C (Bn) at the points Bl and BN is significantly lower than the concentration C (F) at the focal point.

Durch gezieltes Defokussieren oder Verwenden zusätzlicher Belichtungsvorrichtungen können unterschiedliche dreidimensionale Lichtprofile an unterschiedliche Orten der Beobachtungskammer 5 eingebracht werden. Es können folglich weitaus komplexere dreidimensionale Gradienten der Lockstoffkonzentration in der Beobachtungskammer erzeugt werden. So können auch galvanometrischen Spiegel oder akustisch-optische Deflektoren verwendet werden, um das Licht in unterschiedliche Richtungen abzulenken, oder halbtransparente Masken. By deliberately defocusing or using additional exposure devices, different three-dimensional light profiles can be introduced to different locations of the observation chamber 5. Consequently, far more complex three-dimensional gradients of attractant concentration in the observation chamber can be generated. Thus, galvanometric mirrors or acousto-optical deflectors can be used to deflect the light in different directions, or semitransparent masks.

Figur 3 zeigt nun eine gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung, die sich der Belichtungsvorrichtung nach Figur 2 bedient. Zu erkennen ist die erste Lichtquelle 7 der ersten Belichtungsvorrichtung 6, welche die ersten Lichtstrahlen 9 aussendet. Über , . FIG. 3 shows a schematic representation of an entire device according to the invention, which uses the exposure device according to FIG. Evident is the first light source 7 of the first exposure device 6, which emits the first light beams 9. about ,.

die ersten Lichtstrahlen 9 in Richtung der Beobachtungskammer 5 geleitet werden. Zwischen dem Spiegel 14 und der Beobachtungskammer 5 ist ein Objektiv 15 angeordnet. the first light beams 9 are directed in the direction of the observation chamber 5. Between the mirror 14 and the observation chamber 5, an objective 15 is arranged.

Mit der Beleuchtungsvorrichtung wird in der Beobachtungskammer 5 eine dreidimensionale Verteilung der Lockstoffkonzentration erzeugt, wie vorstehend anhand der Figur 2 erläutert. Darüber hinaus ist eine zweite Lichtquelle 10 auf die Beobachtungskammer 5 gerichtet, welche die Beobachtungskammer 5 zur Beobachtung der Bewegung der darin befindlichen Objekte ausleuchtet. Die zweite Lichtquelle 10 strahlt zweite kohärente Lichtstrahlen 11 in einer Wellenlänge aus, die keinen Einfluss auf die Caged-Verbindungen haben. Die sich in der Beobachtungskammer bewegenden Samenzellen werden durch die zweiten kohärenten Lichtstrahlen 11 angestrahlt. Mit einer holographischen Kamera 12 können dann die Vorgänge in der Beobachtungskammer beobachtet werden. Die holographische Kamera kann nun die Positionen einzelner Samenzellen in der Beobachtungskammer 5 mit zeitlicher und dreidimensional räumlicher Auflösung ermitteln und in elektrische Daten umwandeln. Das Bewegungsprofil der einzelnen ermittelnden Samenzellen kann so an einem Computer 13 bearbeitet und sichtbar gemacht werden. Anhand des bekannten Lichteintrags in die Beobachtungskammer lassen sich so Verknüpfungen zwischen der räumlichen Konzentrationsverteilung des Lockstoffs und des daraus bedingten räumlichen Bewegungsprofils einzelner Samenzellen generieren. With the illumination device, a three-dimensional distribution of the attractant concentration is generated in the observation chamber 5, as explained above with reference to FIG. In addition, a second light source 10 is directed to the observation chamber 5, which illuminates the observation chamber 5 for observing the movement of the objects therein. The second light source 10 emits second coherent light beams 11 in a wavelength which have no influence on the caged connections. The sperm cells moving in the observation chamber are illuminated by the second coherent light beams 11. With a holographic camera 12, the processes in the observation chamber can then be observed. The holographic camera can now determine the positions of individual sperm cells in the observation chamber 5 with temporal and three-dimensional spatial resolution and convert it into electrical data. The movement profile of the individual investigating sperm cells can thus be processed and visualized on a computer 13. By means of the known light entry into the observation chamber, it is thus possible to generate links between the spatial concentration distribution of the attractant and the resulting spatial movement profile of individual sperm cells.

Die Beobachtungkammer 5 hat - wie in Figur 4 gezeigt - einen Zulauf 19 und einen Ablauf 20. Der Zulauf 19 ist über einen Schlauch mit einer ansteuerbaren Pumpe 16 verbunden. Diese Pumpe 16 ist an den Computer 13 oder eine andere Steuereinheit angeschlossen, der wiederum mit der optischen Aufnahmeeinheit 12, mit der ersten Belichtungseinrichtung und der zweiten Belichtungseinrichtung und einer Steuerungseinheit verbunden ist. Somit kann die Flüssigkeit mit der Probe gezielt aus einem Vorratsbehälter 17 in die Beobachtungskammer 5 eingebracht werden, ohne dass der Beobachtungskammer 5 selbst bewegt oder ausgetauscht werden muss. Zudem kann die Aufnahme der in der Probe befindlichen Objekte automatisiert erfolgen, dies gewährleistet eine standardisierte und automatisierte Versuchsdurchführung. Bezugszeichenliste The observation chamber 5 has - as shown in Figure 4 - an inlet 19 and a drain 20. The inlet 19 is connected via a hose with a controllable pump 16. This pump 16 is connected to the computer 13 or other control unit, which in turn is connected to the optical pickup unit 12, to the first exposure means and to the second exposure means and to a control unit. Thus, the liquid can be selectively introduced from the sample container 17 into the observation chamber 5 with the sample without the observation chamber 5 itself has to be moved or replaced. In addition, the recording of the objects in the sample can be automated, this ensures a standardized and automated test procedure. LIST OF REFERENCE NUMBERS

1 Eizelle 1 egg

2 Samenzelle  2 sperm cell

3 Bewegungsrichtung 3 direction of movement

4 Flüssigkeit 4 liquid

5 Beobachtungkammer 5 observation chamber

6 Belichtungseinrichtung6 exposure device

7 erste Lichtquelle7 first light source

8 Linse 8 lens

9 erste Lichtstrahlen 9 first rays of light

10 zweite Lichtquelle10 second light source

1 1 zweite Lichtstrahlen1 1 second light rays

12 Holographische Kamera12 holographic camera

13 Computer 13 computers

14 dichromatischer Spiegel 14 dichromatic mirror

15 Objektiv 15 lens

16 Pumpe  16 pump

17 Vorratsbehälter 17 storage container

18 Perfusionsvorrichtung18 perfusion device

19 Zufluss 19 inflow

20 Abfluss  20 outflow

F Brennpunkt F focus

Claims

Ansprüche claims 1. Vorrichtung zur Beobachtung der dreidimensionalen Bewegung von insbesondere biologischen Objekten (2) in einer Flüssigkeit, deren Bewegung abhängig ist von Gradienten bestimmter Parameter innerhalb der Flüssigkeit, insbesondere von Gradienten der Temperatur, bestimmter chemischer Bestandteile und/oder des Lichteinfalls, 1. Device for monitoring the three-dimensional movement of in particular biological objects (2) in a liquid whose movement is dependent on gradients of certain parameters within the liquid, in particular of gradients of temperature, of certain chemical constituents and / or of light, wobei die Vorrichtung umfasst:  the device comprising: - eine Beobachtungkammer (5) zur Aufnahme der Flüssigkeit, in der sich die Objekten (2) bewegen, wobei die Beobachtungskammer so dimensioniert ist, dass sich die Objekte in drei Dimensionen frei bewegen können,  an observation chamber (5) for receiving the liquid in which the objects (2) move, the observation chamber being dimensioned so that the objects can move freely in three dimensions, - eine erste Belichtungseinrichtung (6) mit einer Lichtquelle (7), eingerichtet zur Änderung der lokalen Eigenschaften in der Flüssigkeit,  a first exposure device (6) having a light source (7) adapted to change the local properties in the liquid, - eine optische Aufnahmeeinheit (12), eingerichtet zur optischen Erfassung der Objekte (2) in der Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Belichtungseinrichtung (6) eingerichtet ist, gezielt eine Lichtmenge in einer gewünschten dreidimensionalen Verteilung in die Beobachtungskammer (5) einzubringen, um innerhalb der Flüssigkeit die räumliche Verteilung der Parameter zu beeinflussen, und  - An optical recording unit (12), adapted for the optical detection of the objects (2) in the liquid, characterized in that the first exposure means (6) is adapted to selectively introduce a quantity of light in a desired three-dimensional distribution in the observation chamber (5), to influence the spatial distribution of parameters within the fluid, and dass eine zweite Lichtquelle (10) vorgesehen ist, die kohärentes Licht (1 1) in die Beobachtungskammer (5) einstrahlt, und  that a second light source (10) is provided which radiates coherent light (1 1) in the observation chamber (5), and dass die optische Aufnahmeeinheit als holografische Aufnahmeeinheit eingerichtet ist, um die dreidimensionale Bewegung der Objekte (2) zu erfassen und in entsprechende elektronische Signale umzuwandeln.  in that the optical recording unit is set up as a holographic recording unit in order to detect the three-dimensional movement of the objects (2) and to convert them into corresponding electronic signals. 2. Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch 2. Device according to the preceding claim dadurch gekennzeichnet,  characterized, dass die Flüssigkeit Bestandteile enthält, die bei Einwirkung von optischer Lichtstrahlen in einer bestimmten Wellenlänge ihre Eigenschaften ändern. 2 u that the liquid contains components that change their properties when exposed to optical light rays at a certain wavelength. 2 and v0 u1i7i/ i0w13 HU19I 8 i , „ na„c„h eineQrmr) djoerr w v„orrhearriingQern, A4„ncsnprr,ü„chhe0, PCT/EP2016/067379 dadurch gekennzeichnet, v0 u1i7i / i0w13 HU19I 8 i, "na" c "he ine Qr m r) dj o e r r w v" o r rhe a r r i i n g Q e r n, A4 "ncsnprr, ü" c h he 0 , PCT / EP2016 / 067379 characterized dass die erste Belichtungseinrichtung (6) und die Zusammensetzung der Flüssigkeit derart aufeinander abgestimmt sind, dass durch die Einwirkung der ersten Belichtungseinrichtung (6) die chemische Zusammensetzung gezielt an einzelnen Orten der Beobachtungkammer (5) geändert werden kann. the first exposure device (6) and the composition of the liquid are coordinated with one another in such a way that the chemical composition can be selectively changed at individual locations of the observation chamber (5) by the action of the first exposure device (6). Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, Device according to one of the preceding claims, dadurch gekennzeichnet» characterized » dass die optische Aufnahmeeinheit eingerichtet ist, aus einem einzelnen Hologramm die Form und die Orientierung des Objektes numerisch zu rekonstruieren in that the optical recording unit is set up to numerically reconstruct from a single hologram the shape and the orientation of the object Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche , Device according to one of the preceding claims, dadurch gekennzeichnet, characterized, dass die Beobachtungskammer (5) an eine Perfusionsvorrichtung (18) angeschlossen ist, welche mit der Aufnahmeeinheit (12), der ersten und zweiten Lichtquelle (7, 10) elektronisch verbunden ist, und derart angesteuert wird, dass nach erfolgreicher Durchführungen einer Beobachtung die Flüssigkeit in der Beobachtungskammer (5) automatisiert ausgetaucht wird, in that the observation chamber (5) is connected to a perfusion device (18), which is electronically connected to the recording unit (12), the first and second light sources (7, 10), and is controlled in such a way that after successful completion of an observation, the liquid is automatically evacuated in the observation chamber (5), Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, Device according to one of the preceding claims, dadurch gekennzeichnet, characterized, dass die Beobachtungskammer (5) zwischen einem Objektiv (15) der Aufnahmeeinheit (12) und der zweiten Belichtungsvorrichtung (10) derart angeordnet ist, dass die ersten Lichtstrahlen (9) von der ersten Lichtquelle (7) über einen halbdurchlässige Spiegel (14) und anschließend durch das Objektiv (15) räumlich lokalisiert in die Beobachtungskammer (5) eingebracht werden. in that the observation chamber (5) is arranged between an objective (15) of the recording unit (12) and the second exposure device (10) such that the first light beams (9) are transmitted from the first light source (7) via a semitransparent mirror (14) and then spatially localized by the lens (15) are introduced into the observation chamber (5). Verfahren zur Beobachtung der Bewegung von insbesondere biologischen Objekten, die sich in einer Flüssigkeit befinden und deren Bewegung abhängig ist von Gradienten bestimmter Parameter innerhalb der Flüssigkeit, insbesondere von Gradienten der Temperatur, bestimmter chemischer Bestandteile und/oder der Lichtdichte, Method for monitoring the movement of, in particular, biological objects which are located in a liquid and whose movement is dependent on gradients of specific parameters within the liquid, in particular gradients of the temperature, of certain chemical constituents and / or of the density of light, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: comprising the following method steps: - definierte lokale Änderung der Parameter innerhalb der Flüssigkeit durch gezieltes Einbringen von ersten Lichtstrahlen (9) in die Beobachtungskammer (5),  - Defined local change of the parameters within the liquid by targeted introduction of first light beams (9) in the observation chamber (5), - optisches Erfassen der Objekte (2) in der Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der ersten Lichtstrahlen (9) gezielt eine definierte Lichtmenge in einer gewünschten dreidimensionalen Verteilung in die Beobachtungskammer (5) eingebracht wird, - optical detection of the objects (2) in the liquid, characterized in that on the basis of the first light beams (9) a defined amount of light in a desired three-dimensional distribution is deliberately introduced into the observation chamber (5), dass zweite Lichtstrahlen kohärenten Lichtes (11) in die Beobachtungskammer (5) einstrahlt werden und  that second light rays of coherent light (11) are irradiated into the observation chamber (5) and dass die Bewegung der Objekte (2) mit einer holografischen Aufnahmeeinheit räumlich erfasst und in entsprechende elektronische Signale umgewandelt wird.  the movement of the objects (2) is detected spatially with a holographic recording unit and converted into corresponding electronic signals. 8. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, 8. Method according to the preceding claim, dadurch gekennzeichnet,  characterized, dass in einem ersten Schritt die Bewegung der Objekte (2) räumlich erfasst wird, ohne dass die Parameter innerhalb der Flüssigkeit durch die ersten Lichtstrahlen (9) definiert beeinflusst wurden,  that, in a first step, the movement of the objects (2) is detected spatially, without the parameters within the liquid having been influenced in a defined manner by the first light beams (9), dass in einem zweiten Schritt die Parameter innerhalb der Flüssigkeit durch die ersten Lichtstrahlen (9) definiert beeinflusst werden,  that in a second step the parameters within the liquid are influenced in a defined manner by the first light beams (9), dass in einem dritten Schritt die Bewegung der Objekte (2) nochmals räumlich erfasst wird.  that in a third step, the movement of the objects (2) is again detected spatially.
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