DE102021107759B4 - Method for determining luminescence lifetimes of a luminescent sample - Google Patents

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    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6408Fluorescence; Phosphorescence with measurement of decay time, time resolved fluorescence

Abstract

Verfahren zum Ermitteln von Lumineszenzlebensdauern einer lumineszenten Probe, wobei das Verfahren zumindest einen ersten und einen zweiten Verfahrensabschnitt (V1, V2) umfasst, wobei der erste Verfahrensabschnitt (V1) mindestens einmal oder mehrfach durchgeführt wird, wobei bei jedem Durchlauf des ersten Verfahrensabschnitts (V1) zumindest die folgenden Schritte durchgeführt werden:- Erfassen einer ersten zeitkorrelierten Lumineszenzmessung an einer ersten Probe (P1, P11),- Ermitteln eines ersten Abklingverhaltens (10) der Lumineszenz aus der ersten Messung der ersten Probe (P1, P11);- Ermitteln eines ersten Modells (M1, M 11), welches dem ersten Abklingverhalten (10,11) mit einem ersten Anpassungsverfahren angepasst wird oder welches dem ersten Abklingverhalten (10,11) in Form eines ersten Musters entspricht; wobei, wenn der erste Verfahrensabschnitt (V1) mehrfach durchgeführt wird, der erste Verfahrensabschnitt jeweils mit einer weiteren ersten Probe (P12) durchgeführt wird, so dass für jede weitere erste Probe (P12) ein weiteres erstes Abklingverhalten (12) ermittelt wird und ein weiteres erstes Modell (M12) ermittelt wird und mit dem ersten Anpassungsverfahren an das jeweilige weitere erste Abklingverhalten (12) angepasst wird und/oder dem weiteren ersten Abklingverhalten (12) in Form eines weiteren ersten Musters entspricht, wobei mindestens eine erste Probe (P1, P11, P12) eine Vielzahl von Lumineszenzlebensdauern aufweist;wobei der zweite Verfahrensabschnitt (V2) zumindest die folgenden Schritte umfasst:- Erfassen einer zweiten zeitkorrelierten Lumineszenzmessung an einer zweiten Probe (P2), welche die erste Probe (P1) oder die ersten Proben (P11, P12) umfassen kann;- Ermitteln eines zweiten Abklingverhaltens (20) der Lumineszenz aus der zweiten Messung der zweiten Probe (P2);- Anpassen eines Gesamtmodells (MG) an das zweite Abklingverhalten (20), wobei das Gesamtmodell eine Linearkombination aus jedem ersten Modell (M1, M11, M12) und einem zweiten Modell (M2) umfasst, wobei die Linearkombination für jedes erste Modell (M1, M11, M12) einen jeweils diesem ersten Modell (M1, M11, M12) zugeordneten ersten Koeffizienten (g1) der Linearkombination umfasst und einen zweiten Koeffizienten (g2) der Linearkombination umfasst, der dem zweiten Modell (M2) zugeordnet ist, wobei zum Anpassen jeder erste Koeffizient (g1) und der zweite Koeffizient (g2) mit einem zweiten Anpassungsverfahren so variiert werden, dass das Gesamtmodell (MG) an das zweite Abklingverhalten (20) angepasst wird; wobei bei dem Anpassen mit dem zweiten Anpassungsverfahren zusätzlich noch mindestens ein Anpassungsparameter des zweiten Modells (M2) angepasst wird, sodass eine oder mehrere der zweiten Probe zugeordnete(n) Lumineszenzlebensdauer(n) und eine oder mehrere dazu assoziierte Amplitude(n) aus dem angepassten zweiten Modell (M2) ermittelt werden.Method for determining luminescence lifetimes of a luminescent sample, the method comprising at least a first and a second method section (V1, V2), the first method section (V1) being carried out at least once or several times, with each run of the first method section (V1) at least the following steps are carried out: - recording a first time-correlated luminescence measurement on a first sample (P1, P11), - determining a first decay behavior (10) of the luminescence from the first measurement of the first sample (P1, P11); - determining a first Model (M1, M 11), which is adapted to the first decay behavior (10,11) using a first adaptation method or which corresponds to the first decay behavior (10,11) in the form of a first pattern; wherein, if the first method section (V1) is carried out several times, the first method section is each carried out with a further first sample (P12), so that a further first decay behavior (12) is determined for each further first sample (P12) and another first model (M12) is determined and is adapted to the respective further first decay behavior (12) using the first adaptation method and/or corresponds to the further first decay behavior (12) in the form of a further first pattern, wherein at least one first sample (P1, P11 , P12) has a plurality of luminescence lifetimes; the second method section (V2) comprising at least the following steps: - recording a second time-correlated luminescence measurement on a second sample (P2), which is the first sample (P1) or the first samples (P11, P12); (M1, M11, M12) and a second model (M2), the linear combination comprising for each first model (M1, M11, M12) a first coefficient (g1) of the linear combination assigned to this first model (M1, M11, M12). and comprises a second coefficient (g2) of the linear combination, which is assigned to the second model (M2), wherein for adjustment each first coefficient (g1) and the second coefficient (g2) are varied using a second adjustment method so that the overall model ( MG) is adapted to the second decay behavior (20); wherein during the adjustment using the second adjustment method, at least one adjustment parameter of the second model (M2) is additionally adjusted, so that one or more luminescence lifetime(s) assigned to the second sample and one or more amplitude(s) associated therewith from the adjusted second model (M2) can be determined.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Lumineszenzlebensdauern einer lumineszenten Probe. Im Kontext dieser Spezifikation werden im Folgenden insbesondere auch Fluoreszenzabklingzeiten allgemeiner als Lumineszenzlebensdauern bezeichnet. Das Verfahren sieht vor, die Lumineszenzlebensdauer einer lumineszenten Spezies und deren Anteil in einer Probe, die zumindest eine weitere Spezies mit mindestens einer weiteren, unterschiedlichen Lumineszenzlebensdauer aufweist, zu bestimmen.The invention relates to a method for determining the luminescence lifetime of a luminescent sample. In the context of this specification, fluorescence decay times in particular are referred to more generally as luminescence lifetimes. The method provides for determining the luminescence lifetime of a luminescent species and its proportion in a sample which has at least one further species with at least one further, different luminescence lifetime.

Im Falle z.B. einer FRET-Untersuchung (Förster-Resonanz-Energie-Transfer) kann eine Probe unterschiedliche Anteile einer ersten Spezies, die nicht an dem FRET-Prozess teilnimmt, enthalten und einer zweiten Spezies, deren Lumineszenzlebensdauer an unterschiedlichen Orten in der Probe unterschiedlich stark von dem FRET-Prozess verändert wird. In dieser Probe möchte man für die unterschiedlichen Orte die jeweiligen Anteile der beiden Spezies bestimmen (um daraus das sogenannte FRET-Binding abzuleiten) und für die zweite Spezies die durch den unterschiedlich stark stattfindenden FRET-Prozess veränderten Lumineszenzlebensdauern ermitteln, insbesondere um daraus die sogenannte FRET-Effizienz abzuleiten.In the case of, for example, a FRET study (Förster resonance energy transfer), a sample may contain different proportions of a first species that does not take part in the FRET process and a second species whose luminescence lifetime varies at different locations in the sample is changed by the FRET process. In this sample, one would like to determine the respective proportions of the two species for the different locations (in order to derive the so-called FRET binding) and for the second species to determine the luminescence lifetimes changed by the different intensity of the FRET process, in particular in order to derive the so-called FRET -Derive efficiency.

Zur Ermittlung dieser Anteile und der unbekannten Lumineszenzlebensdauern werden Experimente mit einer gepulsten Laseranregung und einer zeitkorrelierten Einzelphotonendetektion durchgeführt. Als Ergebnis einer derartigen Messung erhält man ein Histogramm der Photonenankunftszeiten. Die abnehmende Photonenhäufigkeit mit steigender Ankunftszeit bezeichnet man als Abklingverhalten der untersuchten Probe.To determine these components and the unknown luminescence lifetimes, experiments with pulsed laser excitation and time-correlated single photon detection are carried out. The result of such a measurement is a histogram of the photon arrival times. The decreasing photon frequency with increasing arrival time is referred to as the decay behavior of the examined sample.

Mathematisch versucht man dieses Abklingverhalten häufig mit Exponentialfunktionen zu beschreiben, mit der Lumineszenzlebensdauer im Exponenten als charakteristisches Maß für das zeitliche Abklingen der Lumineszenz. Phänomenologisch oder auch ursächlich sind oft mehr als eine Exponentialfunktion nötig, um das Abklingverhalten bereits nur einer einzigen Spezies hinreichend genau zu beschreiben. Um das Abklingverhalten einer Mischung unterschiedlicher Spezies mit einem mathematischen Modell zu beschreiben, benötigt man daher oft mehr als zwei Exponentialfunktionen. Neben den unterschiedlichen Spezies können außerdem z.B. gestreutes Anregungslicht und/oder die Eigenlumineszenz der Probenumgebung zum gemessenen Signal beitragen und somit die mathematische Beschreibung des gemessenen Abklingverhaltens aufwändiger gestalten.Mathematically, attempts are often made to describe this decay behavior using exponential functions, with the luminescence lifetime in the exponent as a characteristic measure for the decay of luminescence over time. Phenomenologically or causally, more than one exponential function is often necessary to describe the decay behavior of even a single species with sufficient accuracy. In order to describe the decay behavior of a mixture of different species with a mathematical model, you often need more than two exponential functions. In addition to the different species, for example, scattered excitation light and/or the intrinsic luminescence of the sample environment can contribute to the measured signal and thus make the mathematical description of the measured decay behavior more complex.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Anpassung des mathematischen Models an das Abklingverhalten ist das Signal-Rausch-Verhältnis im Histogramm. Dies kann dazu führen, dass kleine Anteile und kleine Unterschiede in der Lumineszenzlebensdauer einer bestimmten Spezies aufgrund des Rauschens in der Probe nicht mehr zuverlässig ermittelt werden können.Another difficulty in adapting the mathematical model to the decay behavior is the signal-to-noise ratio in the histogram. This can mean that small proportions and small differences in the luminescence lifetime of a particular species can no longer be reliably determined due to noise in the sample.

WO 2009/001051 A2 offenbart ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung eines Verhältnisses von phosphoryliertem Substrat zu nicht-phosphoryliertem Substrat. Dazu kann ein mehrstufiges Messverfahren auf Basis von Fluoreszenzlebensdauermessungen durchgeführt werden, bei dem die entsprechenden Parameter angepasst werden. Letztendlich dient dieses Verfahren aber zu Bestimmung des Grades der Phosphorylierung und nicht der Lebensdauerbestimmung eines Fluoreszenzvorganges. WO 2009/001051 A2 discloses a method for quantitatively determining a ratio of phosphorylated substrate to non-phosphorylated substrate. For this purpose, a multi-stage measurement procedure based on fluorescence lifetime measurements can be carried out, in which the corresponding parameters are adjusted. Ultimately, this method is used to determine the degree of phosphorylation and not to determine the lifespan of a fluorescence process.

Weiterhin sind aus den Druckschriften DE 202 14 868 U1 , DE 10 2016 011 180 A1 , DE 10 2011 108 180 A1 einstufige Messverfahren zur Bestimmung der Lebensdauer eines Fluoreszenzvorgangs bekannt, wobei zur Bestimmung die Fluoreszenzlebensdauer sowie deren assoziierte Amplitude als Linearkombination von Exponentialfunktionen an die Messdaten angeglichen werden.Furthermore, from the publications DE 202 14 868 U1 , DE 10 2016 011 180 A1 , DE 10 2011 108 180 A1 Single-stage measurement method for determining the lifespan of a fluorescence process is known, whereby the fluorescence lifespan and its associated amplitude are adjusted to the measurement data as a linear combination of exponential functions.

Die DE 10 2019 132 489 A1 offenbart ein mehrstufiges Verfahren zur Messung von gelöstem Sauerstoff in einer Probe umfassend eine Ermittlung einer Lumineszenzlebensdauer. Die ermittelte Lebensdauer wird dazu verwendet, einen ersten Messwert zu verifizieren, um eine erhöhte Messgenauigkeit zu erlangen. Jedoch werden zur Bestimmung der Lebensdauer lediglich konventionelle Anpassungsverfahren aus dem Stand der Technik verwendet.The DE 10 2019 132 489 A1 discloses a multi-stage method for measuring dissolved oxygen in a sample including determining a luminescence lifetime. The determined service life is used to verify a first measured value in order to achieve increased measurement accuracy. However, only conventional adjustment methods from the prior art are used to determine the service life.

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das die Genauigkeit für die Bestimmung der unbekannten Anteile und der unbekannten Lumineszenzlebensdauern einer Spezies in Gegenwart weiterer Spezies verbessert, wobei das Abklingverhalten der letzteren Spezies durch mehr als eine Lumineszenzlebensdauer charakterisiert ist.The aim of the invention is to provide a method that improves the accuracy for determining the unknown proportions and the unknown luminescence lifetimes of a species in the presence of other species, the decay behavior of the latter species being characterized by more than one luminescence lifetime.

Dieses Ziel wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einem Computerprogramm gemäß Anspruch 18 gelöst.This aim is achieved by a method according to claim 1 and a computer program according to claim 18.

Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen offenbart.Advantageous embodiments are disclosed in the dependent claims.

Im Folgenden werden einige Begriffe der Ansprüche beispielhaft erläutert.Some terms of the claims are explained below by way of example.

Unter Lumineszenz wird insbesondere die Emission von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im ultravioletten, sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich, also z.B. zwischen 200 nm und 1200 nm Wellenlänge, als Reaktion auf eine insbesondere optische Anregung verstanden. Lumineszenz umfasst beispielsweise Vorgänge wie Fluoreszenz und Phosphoreszenz, aber auch die spontane Emission von Photonen bei kolloidalen Lumineszenzfarbstoffen, wie beispielsweise von Quantenpunkten oder Nanotubes.Luminescence is understood to mean, in particular, the emission of electromagnetic radiation, in particular in the ultraviolet, visible and/or infrared spectral range, for example between 200 nm and 1200 nm wavelength, as a reaction to a particularly optical excitation. Luminescence includes, for example, processes such as fluorescence and phosphorescence, but also the spontaneous emission of photons in colloidal luminescent dyes, such as quantum dots or nanotubes.

Die Lumineszenzlebensdauer ist eine charakteristische Zeitkonstante, die die mittlere Zeitspanne zwischen Anregung (z.B. mittels Lichts) der Probe und nachfolgender Emission der elektromagnetischen Strahlung beschreibt.The luminescence lifetime is a characteristic time constant that describes the average time between excitation (e.g. using light) of the sample and subsequent emission of electromagnetic radiation.

Im Kontext der vorliegenden Spezifikation wird anstelle des Begriffs Lumineszenzlebensdauer auch einfach der Begriff Lebensdauer verwendet, um die Lesbarkeit zu vereinfachen. In der Literatur wird die Lumineszenzlebensdauer auch als Abklingzeit des angeregten Zustands bezeichnet.In the context of this specification, the term lifetime is used instead of the term luminescence lifetime to simplify readability. In the literature, the luminescence lifetime is also referred to as the decay time of the excited state.

Fluoreszenzlebensdauern liegen typischerweise im Bereich von einigen hundert Pikosekunden bis hin zu wenigen Nanosekunden.Fluorescence lifetimes typically range from a few hundred picoseconds to a few nanoseconds.

Eine Probe weist mindestens eine lumineszente Spezies auf. Eine lumineszente Spezies kann dabei beispielsweise ein lumineszentes Quantensystem umfassen oder daraus bestehen. Es gibt verschiedene Arten von Quantensystemen, wie beispielsweise lumineszente Proteine, organische Farbstoffe, kolloidale Farbstoffe oder andere mikroskopische, lumineszente Atom- oder Molekülverbindungen. Weiterhin kann die Probe eine oder mehrere solcher lumineszenten Spezies aufweisen, wobei die lumineszenten Spezies von gleicher Art oder unterschiedlicher Art sein können und sich insbesondere hinsichtlich einer Anregungs- und/oder Emissionswellenlänge unterscheiden können.A sample has at least one luminescent species. A luminescent species can, for example, comprise or consist of a luminescent quantum system. There are different types of quantum systems, such as luminescent proteins, organic dyes, colloidal dyes or other microscopic, luminescent atomic or molecular compounds. Furthermore, the sample can have one or more such luminescent species, whereby the luminescent species can be of the same type or of different types and can differ in particular with regard to an excitation and/or emission wavelength.

Insbesondere kann eine Spezies auch ein FRET-Paar mit einem Donor- und Akzeptor-Farbstoff umfassen.In particular, a species may also include a FRET pair with a donor and acceptor dye.

Die Probe kann eine nicht-homogene Probe sein, bei der die Anteile der darin enthaltenen Spezies zeitlich und/oder lokal variieren können.The sample may be a non-homogeneous sample in which the proportions of the species contained therein may vary temporally and/or locally.

Erfassen einer zeitkorrelierten Lumineszenzmessung bezeichnet das konkrete Durchführen einer Lumineszenzmessung mit einer zeitkorrelierten Erfassung der detektierten Photonen oder allgemein der Emissionsintensität oder das Auslesen von Messdaten aus einem elektronischen Datenspeicher, in dem Daten umfassend eine solche Messung oder Simulation enthalten sind. Unter einer zeitkorrelierten Lumineszenzmessung ist dabei beispielsweise eine Messung zu verstehen, bei der eine Ankunftszeit oder ein Detektionszeitpunkt von einem oder mehreren Photon(en) an einem Detektor zumindest relativ zu einem Lumineszenzanregungsereignis, wie beispielsweise einem Lichtpuls, insbesondere wiederholt gemessen wird. Diese direkte Messung von Ankunftszeiten wird auch als zeitkorrelierte Messung in der Zeitdomäne bezeichnet. Alternativ kann unter einer zeitkorrelierten Messung eine Messung in der sogenannten Frequenzdomäne verstanden werden, bei der ein Phasen- und Amplitudenunterschied zwischen einer periodisch modulierten Lumineszenzanregungsquelle und einem periodisch variierenden Detektorsignal der detektierten Lumineszenz erfasst wird.Acquiring a time-correlated luminescence measurement refers to specifically carrying out a luminescence measurement with a time-correlated recording of the detected photons or generally the emission intensity or reading out measurement data from an electronic data storage containing data comprising such a measurement or simulation. A time-correlated luminescence measurement is understood to mean, for example, a measurement in which an arrival time or a detection time of one or more photons at a detector is measured, in particular repeatedly, at least relative to a luminescence excitation event, such as a light pulse. This direct measurement of arrival times is also referred to as time-correlated measurement in the time domain. Alternatively, a time-correlated measurement can be understood as meaning a measurement in the so-called frequency domain, in which a phase and amplitude difference between a periodically modulated luminescence excitation source and a periodically varying detector signal of the detected luminescence is detected.

Aus einer solchen zeitkorrelierten Messung kann das Abklingverhalten der Probe bestimmt werden - unabhängig von der Domäne, in der gemessen wird. Wenn es sich um eine Messung in der Zeitdomäne handelt, wird das Abklingverhalten meist in Form eines Histogramms der Photonenankunftszeiten dargestellt. Bei einer modulierten Anregung der Probe wird das Abklingverhalten aus den daraus gewonnenen Messdaten in anderer Weise bestimmt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl auf zeitkorrelierte Messungen in der Zeitdomäne als auch in der Frequenzdomäne angewendet werden.From such a time-correlated measurement, the decay behavior of the sample can be determined - regardless of the domain in which the measurement is made. If it is a measurement in the time domain, the decay behavior is usually represented in the form of a histogram of the photon arrival times. With a modulated excitation of the sample, the decay behavior is determined in a different way from the measurement data obtained. The method according to the invention can be applied to time-correlated measurements in the time domain as well as in the frequency domain.

Das Abklingverhalten einer Probe kann dabei in verschiedenen, insbesondere spektral separierten Kanälen erfasst werden. Die Kanäle können beispielsweise sowohl für die Anregung der Probe, z.B. durch Licht unterschiedlicher Laserwellenlängen, wie auch für der Detektion, z.B. durch die Auftrennung des eingesammelten Lumineszenzlichts in verschiedene Spektralbereiche, eingerichtet sein. Darüber hinaus kann das Abklingverhalten auch in weiteren optischen Kanälen erfasst werden, in denen das Abklingverhalten z.B. in Abhängigkeit der Polarisation des verwendeten Anregungslichts oder der Polarisation des eingesammelten Lumineszenzlichts aufgezeichnet wird. Das Abklingverhalten kann dabei für einen oder mehrere solcher Kanäle erfasst und ausgewertet werden.The decay behavior of a sample can be recorded in different, in particular spectrally separated, channels. The channels can, for example, be set up both for the excitation of the sample, for example by light of different laser wavelengths, and for detection, for example by separating the collected luminescent light into different spectral ranges. In addition, the decay behavior can also be recorded in other optical channels in which the decay behavior is recorded, for example, depending on the polarization of the excitation light used or the polarization of the collected luminescent light. The decay behavior can be recorded and evaluated for one or more such channels.

Ein Modell im Kontext der Spezifikation kann eine Darstellung bzw. eine Beschreibung des Abklingverhaltens der Probe sein, in dem verschiedene physikalische und/oder empirische Annahmen vereint sind. Dazu kann das Modell als parametrisches Modell vorliegen oder als empirisch bestimmtes oder gemessenes Muster. Idealerweise beschreibt das Modell das aus der Messung ermittelte Abklingverhalten zumindest in der Erscheinungsform möglichst genau.A model in the context of the specification can be a representation or a description of the decay behavior of the sample, which combines various physical and/or empirical assumptions. The model can be available as a parametric model or as an empirically determined or measured pattern. Ideally, the model describes the decay behavior determined from the measurement as precisely as possible, at least in terms of its appearance.

Insbesondere wenn das Modell ein parametrisches Modell ist, kann das Modell durch ein Anpassungsverfahren durch Variation der Anpassungsparameter des Modells angepasst werden. Aus der Literatur sind eine Vielzahl an solchen Fit-Algorithmen bekannt, wobei die Anpassung typischerweise durch Minimieren oder Maximieren mindestens eines Qualitätsparameters erfolgt, so dass eine Abweichung des angepassten Modells von dem ermittelten Abklingverhalten minimiert ist bzw. ein Verlauf des angepassten Modells in möglichst große Übereinstimmung mit dem gemessenen Abklingverhalten gebracht wird.In particular, if the model is a parametric model, the model can be modified by an adjustment Solution method can be adjusted by varying the adjustment parameters of the model. A large number of such fit algorithms are known from the literature, the adaptation typically being carried out by minimizing or maximizing at least one quality parameter, so that a deviation of the adapted model from the determined decay behavior is minimized or a course of the adapted model corresponds as closely as possible with the measured decay behavior.

Alternativ oder zusätzlich kann für eine einzelne Spezies das Modell als Muster (engl. pattern) aus dem Abklingverhalten ermittelt werden und insbesondere dem erfassten Abklingverhalten direkt entsprechen, so dass eine Anpassung des Modells bezüglich von Anpassungsparametern nicht notwendig wird.Alternatively or additionally, for an individual species, the model can be determined as a pattern from the decay behavior and in particular correspond directly to the recorded decay behavior, so that an adjustment of the model with regard to adaptation parameters is not necessary.

Im Fall der Beschreibung des Abklingverhaltens mit einem Muster sind die zugrunde liegenden Lumineszenzlebensdauern nicht zwingend bekannt.In the case of describing the decay behavior with a pattern, the underlying luminescence lifetimes are not necessarily known.

Das Ermitteln des Modells entspricht insbesondere dem Anpassen des Modells an das ermittelte Abklingverhalten oder dem Erstellen des Musters, welches dem ermittelten Abklingverhalten entspricht. Dabei kann von einem Benutzer des Verfahrens vorgegeben werden, ob das Modell ein parametrisches Modell oder ein Muster sein soll. Im Falle, dass das Modell ein Muster ist, kann vorgesehen sein, ein Untergrundsignal oder ein Hintergrundsignal aus dem Muster zu eliminieren, z.B. durch geeignete Subtraktion des Untergrundsignals vom Abklingverhalten.Determining the model corresponds in particular to adapting the model to the determined decay behavior or creating the pattern that corresponds to the determined decay behavior. A user of the method can specify whether the model should be a parametric model or a pattern. In the event that the model is a pattern, provision can be made to eliminate a background signal or a background signal from the pattern, for example by appropriately subtracting the background signal from the decay behavior.

Gemäß der Erfindung wird nun ein Verfahren zur Verfügung gestellt, welches zum Ermitteln von Lumineszenzlebensdauern einer lumineszenten Probe konfiguriert ist, wobei das Verfahren zumindest einen ersten und einen zweiten Verfahrensabschnitt umfasst. Dabei wird der erste Verfahrensabschnitt mindestens einmal oder mehrfach durchgeführt wird, wobei bei jedem Durchlauf des ersten Verfahrensabschnitts zumindest die folgenden Schritte durchgeführt werden:

  • - Erfassen einer ersten zeitkorrelierten Lumineszenzmessung an einer ersten Probe, wobei die erste Probe eine Vielzahl von Lumineszenzlebensdauern aufweist;
  • - Ermitteln eines ersten Abklingverhaltens der Lumineszenz aus der ersten Lumineszenzmessung der ersten Probe in mindestens einem spektralen und/oder optischen Kanal;
  • - Ermitteln eines ersten Modells, welches dem ersten Abklingverhalten insbesondere in allen spektralen und/oder optischen Kanälen mit einem ersten Anpassungsverfahren angepasst wird oder welches dem ersten Abklingverhalten in Form eines ersten Musters entspricht;
wobei, wenn der erste Verfahrensabschnitt mehrfach durchgeführt wird, der erste Verfahrensabschnitt jeweils mit einer weiteren ersten Probe durchgeführt wird, die sich insbesondere von der einen ersten Probe oder den mehreren ersten Proben aus den vorangegangenen Durchläufen unterscheidet, insbesondere so, dass für jede weitere erste Probe ein weiteres erstes Abklingverhalten und ein weiteres erstes Modell ermittelt wird und mit dem ersten Anpassungsverfahren an das jeweilige weitere erste Abklingverhalten angepasst wird und/oder dem weiteren ersten Abklingverhalten in Form eines weiteren ersten Musters entspricht,
wobei der zweite Verfahrensabschnitt zumindest die folgenden Schritte umfasst:
  • - Erfassen einer zweiten zeitkorrelierten Lumineszenzmessung an einer zweiten Probe, welche die erste Probe oder die ersten Proben umfassen kann und insbesondere umfasst;
  • - Ermitteln eines zweiten Abklingverhaltens der Lumineszenz aus der zweiten Lumineszenzmessung der zweiten Probe in dem mindestens einen spektralen und/oder optischen Kanal;
  • - Anpassen eines Gesamtmodells an das zweite Abklingverhalten insbesondere in allen Kanälen, wobei das Gesamtmodell eine Linearkombination aus jedem ermittelten ersten Modell und einem zweiten Modell umfasst bzw. aus der Linearkombination besteht, wobei die Linearkombination für jedes ermittelte erste Modell einen jeweils diesem ersten Modell zugeordneten ersten Koeffizienten der Linearkombination und einen zweiten Koeffizienten der Linearkombination umfasst, der dem zweiten Modell zugeordnet ist, wobei zum Anpassen des Gesamtmodells an das zweite Abklingverhalten jeder erste Koeffizient und der zweite Koeffizient mit einem zweiten Anpassungsverfahren so variiert werden, dass das Gesamtmodell an das zweite Abklingverhalten angepasst wird;
wobei bei dem Anpassen mit dem zweiten Anpassungsverfahren zusätzlich noch mindestens ein Anpassungsparameter des zweiten Modells anpasst wird, wobei mindestens eine oder mehrere der zweiten Probe zugeordnete(n) Lumineszenzlebensdauer(n) und insbesondere dazu assoziierte Amplitude(n) aus dem mindestens einen Anpassungsparameter des angepassten zweiten Modells ermittelt werden;
  • - Insbesondere ermitteln eines Anteils mindestens einer ersten Probe oder von der ersten Probe umfassten Spezies der mindestens einen ersten Probe, der in der zweiten Probe enthalten ist, wobei der Anteil anhand der jeweiligen zugeordneten Koeffizienten der Linearkombination bestimmt wird und insbesondere ermitteln eines Anteils mindestens einer weiteren Spezies, die nur in der zweiten Probe enthalten ist, wobei auch dieser Anteil anhand der jeweiligen zugeordneten Koeffizienten der Linearkombination bestimmt wird.
According to the invention, a method is now provided which is configured for determining luminescence lifetimes of a luminescent sample, the method comprising at least a first and a second method section. The first process section is carried out at least once or several times, with at least the following steps being carried out during each run of the first process section:
  • - Acquiring a first time-correlated luminescence measurement on a first sample, the first sample having a plurality of luminescence lifetimes;
  • - Determining a first decay behavior of the luminescence from the first luminescence measurement of the first sample in at least one spectral and/or optical channel;
  • - Determining a first model which is adapted to the first decay behavior, in particular in all spectral and/or optical channels, using a first adaptation method or which corresponds to the first decay behavior in the form of a first pattern;
wherein, if the first method section is carried out several times, the first method section is each carried out with a further first sample, which differs in particular from the one first sample or the several first samples from the previous runs, in particular in such a way that for each further first sample a further first decay behavior and a further first model is determined and is adapted to the respective further first decay behavior using the first adaptation method and/or corresponds to the further first decay behavior in the form of a further first pattern,
wherein the second process section comprises at least the following steps:
  • - Acquiring a second time-correlated luminescence measurement on a second sample, which may include and in particular includes the first sample or the first samples;
  • - Determining a second decay behavior of the luminescence from the second luminescence measurement of the second sample in the at least one spectral and/or optical channel;
  • - Adapting an overall model to the second decay behavior, in particular in all channels, the overall model comprising a linear combination of each determined first model and a second model or consisting of the linear combination, the linear combination for each determined first model being a first model assigned to this first model Coefficients of the linear combination and a second coefficient of the linear combination, which is assigned to the second model, wherein in order to adapt the overall model to the second decay behavior, each first coefficient and the second coefficient are varied with a second adjustment method so that the overall model is adapted to the second decay behavior becomes;
wherein during the adjustment with the second adjustment method, at least one adjustment parameter of the second model is additionally adjusted, with at least one or more luminescence lifetime(s) assigned to the second sample and in particular amplitude(s) associated therewith from the at least one adjustment parameter of the adjusted second model can be determined;
  • - In particular, determining a proportion of at least one first sample or species comprised by the first sample of the at least one first sample that is contained in the second sample, the proportion being based on the respective assigned coefficients of the linear Combination is determined and in particular determine a proportion of at least one further species that is only contained in the second sample, this proportion also being determined based on the respective assigned coefficients of the linear combination.

Die Erfindung sieht also vor, dass zur Steigerung der Reproduzierbarkeit und Genauigkeit in der Auswertung von Lumineszenzlebensdauer-Messungen einer zweiten Probe, die erwartungsgemäß einen Anteil einer ersten Probe aufweist, die erste Probe zunächst in Abwesenheit der zweiten Probe gemessen wird und aus dieser ersten Messung beispielsweise die Lumineszenzlebensdauern sowie die assoziierten Amplituden der Abklingkomponenten der ersten Probe ermittelt werden können oder wobei zumindest ein Muster des Abklingverhaltens der ersten Probe erstellt wird. Im zweiten Verfahrensabschnitt kann dann die zweite Probe vermessen werden, die erwartungsgemäß einen Anteil der ersten Probe aufweist. Beim Auswerten der zweiten Messung, kann nun das zweite Modell mittels des zweiten Anpassungsverfahrens angepasst werden, sodass im Vergleich zur ersten Probe neu hinzugekommene Lumineszenzlebensdauern der zweiten Probe, insbesondere durch mindestens eine nur in der zweiten Probe enthaltene Spezies, ermittelt werden und gleichzeitig durch „Festhalten“ der bereits ermittelten Charakteristik der ersten Probe, z.B. in Form von ermittelten Lumineszenzlebensdauern und deren Amplitudenverhältnissen oder eines Musters, der Anteil dieser Charakteristik in der zweiten Probe exakt ermittelt werden kann. Dieses Vorgehen reduziert die Zahl der Anpassungsparameter beim Anpassen des Gesamtmodells signifikant und erlaubt dadurch eine gesicherte Aussage sowohl über den Anteil der ersten Probe in der zweiten Probe als auch und vor allem über den Anteil und die Lumineszenzlebensdauern der hinzugekommenen Spezies in der zweiten Probe, die in der ersten Probe nicht enthalten war.The invention therefore provides that in order to increase the reproducibility and accuracy in the evaluation of luminescence lifetime measurements of a second sample, which, as expected, has a proportion of a first sample, the first sample is first measured in the absence of the second sample and from this first measurement, for example the luminescence lifetimes and the associated amplitudes of the decay components of the first sample can be determined or at least a pattern of the decay behavior of the first sample is created. In the second stage of the process, the second sample can then be measured, which, as expected, contains a proportion of the first sample. When evaluating the second measurement, the second model can now be adjusted using the second adjustment method, so that new luminescence lifetimes of the second sample compared to the first sample, in particular due to at least one species only contained in the second sample, are determined and at the same time by “retaining “The already determined characteristics of the first sample, e.g. in the form of determined luminescence lifetimes and their amplitude ratios or a pattern, the proportion of this characteristic in the second sample can be determined exactly. This procedure significantly reduces the number of adjustment parameters when adjusting the overall model and thereby allows reliable statements to be made both about the proportion of the first sample in the second sample and, above all, about the proportion and the luminescence lifetimes of the added species in the second sample, which are in was not included in the first sample.

Je nach Komplexität der zweiten Probe können auch mehrere erste Proben vermessen und diese dann entsprechend über anzupassende Koeffizienten berücksichtigt werden.Depending on the complexity of the second sample, several first samples can also be measured and these can then be taken into account using coefficients to be adjusted.

Insbesondere liegen die hinzugekommenen Spezies der zweiten Probe gleichzeitig zusammen mit der oder den von der mindestens ersten Probe umfassten Spezies vor.In particular, the species added to the second sample are present simultaneously with the species or species included in the at least first sample.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Verwendung von Lumineszenzfarbstoffen, die mehr als eine Lumineszenzlebensdauer aufweisen nun auch für komplexe Proben, in denen sich z.B. das Abklingverhalten mindestens einer Spezies durch die Interaktion zwischen beteiligten Farbstoffen verändert.The method according to the invention allows the use of luminescent dyes that have more than one luminescence lifetime also for complex samples in which, for example, the decay behavior of at least one species changes due to the interaction between the dyes involved.

Dadurch wird eine deutlich verbesserte und robustere Auswertung von zeitkorrelierten Messungen im Zusammenhang mit komplexen Proben möglich.This enables a significantly improved and more robust evaluation of time-correlated measurements in connection with complex samples.

Der Begriff „komplexe Probe“ bezieht sich insbesondere auf eine zweite Probe, die erwartungsgemäß eine oder mehrere lumineszierende Komponenten aufweist, die wiederum jeweils verschiedene Spezies aufweisen können, die separat in dem ersten Verfahrensabschnitt erfasst werden kann bzw. erfasst werden können.The term “complex sample” refers in particular to a second sample which, as expected, has one or more luminescent components, which in turn can each have different species that can be detected separately in the first method section.

D.h. die erste und die zweite Probe unterscheiden sich insbesondere durch deren jeweiliges Abklingverhalten. Insbesondere können die erste Probe und die zweite Probe im selben Messobjekt, aber z.B. an unterschiedlichen Probenmaterialorten oder zu unterschiedlichen Zeiten vorhanden sein, sodass eine von der zweiten Probe separate Erfassung der ersten Probe möglich ist.This means that the first and second samples differ in particular in their respective decay behavior. In particular, the first sample and the second sample can be present in the same measurement object, but, for example, at different sample material locations or at different times, so that the first sample can be detected separately from the second sample.

Eine lumineszierende Komponente der zweiten Probe kann ein Hintergrundsignal, wie eine Autofluoreszenz eines Puffers oder Gewebes, enthalten. Ebenso kann eine solche Komponente eine erste Spezies aufweisen, die zunächst separat - auch im Sinne von räumlich getrennt, aber im gleichen Messobjekt - als erste Probe vermessen wird und dort bereits eine Vielzahl an Lumineszenzlebensdauern zeigt. Diese erste Spezies der ersten Probe könnte im Falle eines FRET-Szenarios FRET-Donor-Moleküle umfassen, die nicht mit einem FRET-Akzeptor interagieren. Eine zusätzliche zweite Spezies in der zweiten Probe kann Bestandteile der ersten Spezies, also der ersten Probe, umfassen, die aber durch eine zusätzliche Interaktion eine Veränderung in ihrem Abklingverhalten gegenüber der ersten Spezies in der ersten Probe zeigen. Im Falle des FRET-Szenarios umfasst diese zweite Spezies in der zweiten Probe Donor-Moleküle, die durch Interaktion mit FRET-Akzeptoren kürzere Lumineszenzlebensdauern aufweisen.A luminescent component of the second sample may contain a background signal, such as autofluorescence from a buffer or tissue. Likewise, such a component can have a first species, which is initially measured separately - also in the sense of spatially separated, but in the same measurement object - as the first sample and already shows a large number of luminescence lifetimes. This first species of the first sample could, in the case of a FRET scenario, comprise FRET donor molecules that do not interact with a FRET acceptor. An additional second species in the second sample can include components of the first species, i.e. the first sample, but which, due to an additional interaction, show a change in their decay behavior compared to the first species in the first sample. In the case of the FRET scenario, this second species in the second sample includes donor molecules that exhibit shorter luminescence lifetimes through interaction with FRET acceptors.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, zuverlässig die Anteile von Spezies der ersten Probe in der zweiten Probe zu ermitteln, die in der zweiten Probe unverändert vorliegen und gleichzeitig über die Anpassungsparameter des zweiten Modells Anteile mindestens einer weiteren Spezies in der zweiten Probe zu ermitteln, die im Vergleich zur ersten Probe neu hinzugekommen ist.The method according to the invention makes it possible to reliably determine the proportions of species from the first sample in the second sample that are present unchanged in the second sample and at the same time to determine proportions of at least one further species in the second sample using the adjustment parameters of the second model A new addition compared to the first sample.

Wie bereits erwähnt, erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren durch die Einführung der Linearkombination aus bekanntem und unbekanntem Abklingverhalten eine signifikante Reduktion der anzupassenden Parameter beim Anpassen des Gesamtmodells der zweiten Probe, sodass eine robuste und wiederholbare Ermittlung von Probenanteilen durchgeführt werden kann.As already mentioned, the method according to the invention allows a significant reduction in the parameters to be adjusted when adjusting the overall model of the second sample by introducing the linear combination of known and unknown decay behavior, so that a Robust and repeatable determination of sample proportions can be carried out.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine erste Probe der mindestens einen ersten Probe in der zweiten Probe enthalten ist.According to one embodiment of the invention, it is provided that at least a first sample of the at least one first sample is contained in the second sample.

Insbesondere umfasst die zweite Probe mindestens zwei verschiedene Spezies, wobei eine erste Spezies der mindestens zwei verschiedenen Spezies auch in der ersten Probe umfasst ist und eine zweite Spezies der mindestens zwei verschiedenen Spezies ausschließlich in der zweiten Probe und daher nicht in der ersten Probe umfasst ist.In particular, the second sample comprises at least two different species, wherein a first species of the at least two different species is also included in the first sample and a second species of the at least two different species is included exclusively in the second sample and therefore not in the first sample.

Erfindungsgemäß ist es möglich, den ersten Verfahrensabschnitt mehrfach durchzuführen und dabei jeweils eine weitere erste Probe, die insbesondere eine weitere erste Spezies aufweist, hinsichtlich des Abklingverhaltens zu erfassen. Für jede Durchführung des ersten Verfahrensabschnitts werden die dort aufgelisteten Verfahrensschritte durchgeführt und insbesondere ein erstes Modell ermittelt, das mit dem Anpassungsverfahren angepasst wird oder das ein dem Abklingverhalten entsprechendes Muster ist.According to the invention, it is possible to carry out the first method section several times and in each case to record a further first sample, which in particular has a further first species, with regard to the decay behavior. For each implementation of the first method section, the method steps listed there are carried out and in particular a first model is determined, which is adapted using the adaptation method or which is a pattern corresponding to the decay behavior.

Insbesondere weist zumindest ein Abklingverhalten einer ersten Probe eine Vielzahl an Lumineszenzlebensdauern auf. Weiterhin kann es sein, dass wenn eine Vielzahl an ersten Proben erfasst wird, zumindest ein Abklingverhalten einer ersten Probe nur eine Lumineszenzlebensdauer aufweist.In particular, at least one decay behavior of a first sample has a large number of luminescence lifetimes. Furthermore, it may be that if a large number of first samples are recorded, at least one decay behavior of a first sample only has one luminescence lifetime.

Durch mehrfaches Durchführen des ersten Verfahrensabschnitts kann also eine Vielzahl an ersten Proben erfasst werden und eine Vielzahl an ersten Modellen ermittelt werden, wobei insbesondere nicht alle diese ersten Modelle zwangsläufig entweder alle durch das Anpassungsverfahren an das Abklingverhalten angepasst sein müssen oder als Muster vorliegen müssen. Eine Mischung aus Mustern und parametrischen Modellen ist durchaus möglich und kann Vorteile haben.By carrying out the first method section several times, a large number of first samples can be recorded and a large number of first models can be determined, in particular not all of these first models necessarily either having to be adapted to the decay behavior by the adaptation process or having to be present as a sample. A mix of patterns and parametric models is certainly possible and can have advantages.

Um in der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen die Verständlichkeit und auch die Lesbarkeit zu erhöhen, wird anstelle des Ausdrucks eine oder mehrere erste(n) Probe(n) lediglich auf die erste Probe referiert, wobei damit jeweils beide möglichen Ausdrücke umfasst sein sollen, nämlich die erste Probe, aber auch die mehreren ersten Proben, insbesondere umfassend die erste Probe und mindestens eine weitere erste Probe. Weiterhin und folgerichtig gilt, dass zu jeder ersten Probe ein erstes Modell zugeordnet ist, und daher im Folgenden und in den Ansprüchen lediglich von dem ersten Modell anstelle von dem jeweiligen ersten Modell o.ä. die Rede sein kann oder sein wird.In order to increase comprehensibility and readability in the following description and the claims, instead of the expression one or more first sample(s), reference is only made to the first sample, whereby both possible expressions should be included, namely the first sample, but also the several first samples, in particular comprising the first sample and at least one further first sample. Furthermore and logically, a first model is assigned to each first sample, and therefore in the following and in the claims only the first model can or will be mentioned instead of the respective first model or similar.

In Bezug auf weitere Ausdrücke, die sich auf die erste Probe beziehen und für jede erste Probe ermittelt oder zugeordnet werden, gilt der vorige Absatz analog. Aus Klarheitsgründen kann aber auch auf die eine oder mehrere erste Probe(n) verwiesen werden.With regard to further expressions that refer to the first sample and are determined or assigned for each first sample, the previous paragraph applies analogously. For reasons of clarity, reference can also be made to the one or more first sample(s).

Erfindungsgemäß werden im zweiten Verfahrensabschnitt im Gesamtmodell alle ermittelten ersten Modelle zusammen mit dem zweiten Modell in einer Linearkombination vereinigt und individuell über die jeweils zugeordneten Koeffizienten der Linearkombination skaliert, um an das ermittelte zweite Abklingverhalten angepasst zu werden. Zusätzlich wird auch mindestens ein Anpassungsparameter des zweiten Modells variiert, insbesondere wobei dieser Anpassungsparameter eine Lumineszenzlebensdauer der zusätzlichen Spezies in der zweiten Probe sein kann. Diese zusätzliche Spezies wird in der Spezifikation auch als zweite Spezies bezeichnet. Sofern lediglich eine weitere Lumineszenzlebensdauer bestimmt wird, kann eine dieser Lumineszenzlebensdauer assoziierte Amplitude dem Koeffizienten der Linearkombination entsprechen. Im Falle mehrerer Lumineszenzlebensdauern für die zusätzliche Spezies in der zweiten Probe kann für jede Lumineszenzlebensdauer des zweiten Modells eine assoziierte Amplitude bestimmt werden, wobei eine Überbestimmung der Anpassung des zweiten Models aufgrund des Koeffizienten der Linearkombination und den Amplituden der Lumineszenzlebensdauern vermieden werden sollte, z.B. durch entsprechende Reduktion der frei variierbaren Amplituden.According to the invention, in the second method section in the overall model, all determined first models are combined with the second model in a linear combination and scaled individually using the respectively assigned coefficients of the linear combination in order to be adapted to the determined second decay behavior. In addition, at least one adaptation parameter of the second model is also varied, in particular where this adaptation parameter can be a luminescence lifetime of the additional species in the second sample. This additional species is also referred to as the second species in the specification. If only another luminescence lifetime is determined, an amplitude associated with this luminescence lifetime can correspond to the coefficient of the linear combination. In the case of multiple luminescence lifetimes for the additional species in the second sample, an associated amplitude can be determined for each luminescence lifetime of the second model, whereby overdetermination of the fit of the second model based on the coefficient of the linear combination and the amplitudes of the luminescence lifetimes should be avoided, e.g. by appropriate Reduction of freely variable amplitudes.

Dies unterscheidet das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise von reinen sogenannten „linear decomposition“ Verfahren, bei denen lediglich die Beiträge einzelner Spezies anhand einer linearen Dekomposition ermittelt werden.This distinguishes the method according to the invention, for example, from pure so-called “linear decomposition” methods, in which only the contributions of individual species are determined using a linear decomposition.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine verbesserte und verlässlichere Ermittlung der Lumineszenzlebensdauern insbesondere der neu hinzugekommenen Spezies in der zweiten Probe ermöglicht, da die Zahl der zu variierenden Anpassungsparameter, z.B. die Koeffizienten der Linearkombination sowie des mindestens einen Anpassungsparameters des zweiten Modells, zur Anpassung des Gesamtmodells an das zweite Abklingverhalten reduziert ist im Vergleich zu einer Anpassung, die auf dem Anpassen aller Freiheitsgrade eines hinlänglichen Models an das zweite Abklingverhalten beruhen würde.The method according to the invention enables an improved and more reliable determination of the luminescence lifetimes, in particular of the newly added species in the second sample, since the number of adaptation parameters to be varied, e.g. the coefficients of the linear combination and the at least one adaptation parameter of the second model, for adapting the overall model the second decay behavior is reduced compared to an adjustment that would be based on adapting all degrees of freedom of a sufficient model to the second decay behavior.

Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die erste Probe - oder die Vielzahl an ersten Proben - die in der zweiten Probe enthalten sein kann oder enthalten sein können und erwarteter Maßen zu einem gewissen Anteil dort auch vorhanden ist bzw. sind, zuvor separat erfasst werden und dadurch deren Beitrag in der zweiten Probe robust ermittelt werden kann, da für jede erste Probe lediglich der Koeffizient in der Linearkombination angepasst werden muss - also nur ein Freiheitsgrad im Gesamtmodell, anstelle von beispielsweise mehreren Parametern zur Beschreibung der Lumineszenzlebensdauern und damit assoziierten Amplituden allein für jede erste Probe.This is achieved in particular by the fact that the first sample - or the large number of first samples - which can be or can be contained in the second sample and, as expected, is also present there to a certain extent which is or are, can be recorded separately beforehand and thereby their contribution in the second sample can be determined robustly, since for each first sample only the coefficient in the linear combination has to be adjusted - i.e. only one degree of freedom in the overall model, instead of, for example, several parameters to describe the luminescence lifetimes and associated amplitudes for each first sample alone.

Dadurch wird es möglich, die Lumineszenzlebensdauern und damit verbundene Größen auch bei komplexen Proben, die beispielsweise mehrere Farbstoffe aufweisen und/oder bei denen ein autofluoreszenter Hintergrund vorhanden ist, verlässlicher zu ermitteln.This makes it possible to determine the luminescence lifetimes and associated quantities more reliably, even in complex samples that, for example, have several dyes and/or in which an autofluorescent background is present.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Abklingverhalten der ersten Probe und der zweiten Probe für mehr als einen spektralen und/oder einen optischen Kanal ermittelt wird.According to one embodiment of the invention, it is provided that the decay behavior of the first sample and the second sample is determined for more than one spectral and/or one optical channel.

Diese Ausführungsform führt zu einer besonders robusten Variante des Verfahrens.This embodiment leads to a particularly robust variant of the method.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anpassung des ersten Modells insbesondere jeden ersten Modells, welches kein Muster ist, an das jeweilige ermittelte erste Abklingverhalten so mit dem ersten Anpassungsverfahren bestimmt wird, dass eine Abweichung zwischen dem ersten Modell und dem jeweiligen ersten Abklingverhalten minimiert ist, insbesondere wobei das erste Anpassungsverfahren ein iteratives Optimierungsverfahren umfasst, insbesondere wobei das erste Anpassungsverfahren ein maximum-likelihood (MLE)-Verfahren oder ein kleinste-Quadrate (least squares) -Verfahren umfasst.According to a further embodiment of the invention, it is provided that the adaptation of the first model, in particular of each first model, which is not a pattern, to the respective determined first decay behavior is determined using the first adaptation method in such a way that a deviation between the first model and the respective first Decay behavior is minimized, in particular wherein the first adaptation method comprises an iterative optimization method, in particular wherein the first adaptation method comprises a maximum likelihood (MLE) method or a least squares method.

Auf diese Weise kann eine möglichst korrekte Anpassung des ersten Modells an das ermittelte Abklingverhalten erreicht werden. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass das Modell kein Muster ist, sondern mindestens einen Anpassungsparameter aufweist, der mit dem Anpassungsverfahren variiert werden kann.In this way, the most correct adaptation of the first model to the determined decay behavior can be achieved. This applies in particular to the case where the model is not a pattern, but rather has at least one adjustment parameter that can be varied using the adjustment method.

Als Abweichung kann ein Abstand oder eine Abstandsmetrik zwischen dem erfassten Abklingverhalten und dem Modell verwendet werden.A distance or a distance metric between the recorded decay behavior and the model can be used as deviation.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anpassung des Gesamtmodells so mit dem zweiten Anpassungsverfahren bestimmt wird, dass eine Abweichung zwischen dem Gesamtmodell und dem zweiten Abklingverhalten minimiert ist, insbesondere wobei das zweite Anpassungsverfahren ein iteratives Optimierungsverfahren umfasst, insbesondere wobei das zweite Anpassungsverfahren ein maximum-likelihood (MLE)-Verfahren oder ein kleinste-Quadrate (least squares) -Verfahren umfasst.According to a further embodiment of the invention, it is provided that the adaptation of the overall model is determined using the second adaptation method in such a way that a deviation between the overall model and the second decay behavior is minimized, in particular wherein the second adaptation method comprises an iterative optimization method, in particular wherein the second adaptation method a maximum likelihood (MLE) method or a least squares method.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anpassung des Gesamtmodells mit dem zweiten Anpassungsverfahren bestimmt wird, indem alle Anpassungsparameter des zweiten Modells und die Koeffizienten der Linearkombination variiert werden, so dass eine Abweichung zwischen dem Gesamtmodell und dem zweiten Abklingverhalten minimiert ist.According to one embodiment of the invention, it is provided that the adaptation of the overall model is determined using the second adaptation method by varying all adaptation parameters of the second model and the coefficients of the linear combination, so that a deviation between the overall model and the second decay behavior is minimized.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste und das zweite Anpassungsverfahren das gleiche Anpassungsverfahren ist.According to one embodiment of the invention, it is provided that the first and second adaptation methods are the same adaptation method.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass für jede erste Probe eine der jeweiligen ersten Probe zugeordnete Vielzahl an Lumineszenzlebensdauern und assoziierten Amplituden aus dem jeweiligen ersten, insbesondere angepassten Modell ermittelt wird.According to one embodiment of the invention, it is provided that for each first sample a plurality of luminescence lifetimes and associated amplitudes assigned to the respective first sample are determined from the respective first, in particular adapted, model.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Modell oder zumindest eines der ersten Modelle ein erstes parametrisches Modell umfasst, das eine Vielzahl an Lumineszenzlebensdauern und dazu assoziierten Amplituden als Anpassungsparameter aufweist, wobei im ersten Verfahrensabschnitt mit dem ersten Anpassungsverfahren die Lumineszenzlebensdauern und die dazu assoziierten Amplituden des jeweiligen ersten Modells so variiert werden, dass das jeweilige erste Modell an das jeweilige erste Abklingverhalten angepasst wird, insbesondere wobei im zweiten Verfahrensabschnitt die ermittelten Lumineszenzlebensdauern und die assoziierten Amplituden des jeweiligen ersten Modells konstant gehalten werden und wobei die assoziierten Amplituden durch das zweite Anpassungsverfahren im zweiten Verfahrensabschnitt mit einem gemeinsamen Skalierungsfaktor, insbesondere mit dem jeweiligen zugeordneten Koeffizienten der Linearkombination, multipliziert werden.According to one embodiment of the invention, it is provided that the first model or at least one of the first models comprises a first parametric model which has a plurality of luminescence lifetimes and associated amplitudes as adaptation parameters, wherein in the first method section with the first adaptation method the luminescence lifetimes and the corresponding ones associated amplitudes of the respective first model are varied so that the respective first model is adapted to the respective first decay behavior, in particular wherein in the second method section the determined luminescence lifetimes and the associated amplitudes of the respective first model are kept constant and the associated amplitudes are controlled by the second Adaptation method in the second method section is multiplied with a common scaling factor, in particular with the respective assigned coefficient of the linear combination.

Auf diese Weise können die Lumineszenzlebensdauern der ersten Probe sowie deren assoziierte Amplituden ermittelt werden, sodass weitere Informationen z.B. aus dem Vergleich mit den Lumineszenzlebensdauern der zweiten Probe gewonnen werden können. Dadurch, dass die Lumineszenzlebensdauern und deren assoziierte Amplituden im zweiten Verfahrensabschnitt konstant gehalten werden, wird das Verfahren robuster im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, bei denen die Lumineszenzlebensdauern und deren assoziierte Amplituden bei der Anpassung nicht konstant gehalten werden.In this way, the luminescence lifetimes of the first sample and their associated amplitudes can be determined, so that further information can be obtained, for example, from the comparison with the luminescence lifetimes of the second sample. Because the luminescence lifetimes and their associated amplitudes are kept constant in the second method section, the method becomes more robust compared to conventional methods in which the luminescence lifetimes and their associated amplitudes are not kept constant during the adjustment.

Wichtig hierbei ist, dass gemäß dieser Ausführungsform auch die Amplitudenverhältnisse der Abklingkomponenten der ersten Probe konstant gehalten werden und nicht nur die ermittelten Lumineszenzlebensdauern. So lässt sich eindeutig ein Anteil der ersten Probe in der zweiten Probe bestimmen, auch wenn dieser gegebenenfalls bei null liegt. Auch dadurch erfährt das Verfahren eine zusätzliche Steigerung der Zuverlässigkeit und Robustheit gegenüber herkömmlichen Verfahren.What is important here is that, according to this embodiment, the amplitude ratios of the decay components of the first sample are also kept constant and not just the determined luminescence lifetimes. In this way, a proportion of the first sample in the second sample can be clearly determined, even if it may be zero. This also gives the process an additional increase in reliability and robustness compared to conventional processes.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Modell ein zweites parametrisches Modell umfasst, welches als Anpassungsparameter eine oder mehrere Lumineszenzlebensdauern und dazu assoziierte Amplituden aufweist, wobei mit dem zweiten Anpassungsverfahren zusätzlich zu jedem ersten Koeffizient für jede erste Probe und dem zweiten Koeffizient für das zweite Modell, die Lumineszenzlebensdauern und die dazu assoziierten Amplituden des zweiten Modells so variiert werden, dass das Gesamtmodell an das zweite Abklingverhalten angepasst wird. Wenn das zweite Abklingverhalten nur eine Lumineszenzlebensdauer aufweist, entspricht der zweite Koeffizient der dieser Lumineszenzlebensdauer assoziierten Amplitude. Im Falle mehrere Lumineszenzlebensdauern und dazu assoziierten Amplituden sollte eine Überbestimmung durch die Abhängigkeit zwischen dem zweiten Koeffizienten und den Amplituden des zweiten Modells vermieden werden. Dies kann auf vielfältige dem Fachmann geläufige Weisen geschehen.According to one embodiment of the invention, it is provided that the second model comprises a second parametric model which has one or more luminescence lifetimes and associated amplitudes as adaptation parameters, with the second adaptation method in addition to each first coefficient for each first sample and the second coefficient for the second model, the luminescence lifetimes and the associated amplitudes of the second model are varied so that the overall model is adapted to the second decay behavior. If the second decay behavior has only one luminescence lifetime, the second coefficient corresponds to the amplitude associated with this luminescence lifetime. In the case of multiple luminescence lifetimes and associated amplitudes, overdetermination due to the dependence between the second coefficient and the amplitudes of the second model should be avoided. This can be done in a variety of ways familiar to those skilled in the art.

Auf diese Weise können weitere Lumineszenzlebensdauern und deren Amplituden (bzw. Amplitudenverhältnisse) der zweiten Probe erfasst werden, wodurch ein verbesserter Vergleich und eine präzisere Auswertung der durch das Verfahren gewonnenen Informationen erfolgen kann. Insbesondere bei FRET-Messungen, bei denen eine Veränderung der Donorlebenszeit erwartet wird und diese Veränderung in die Berechnung der FRET-Effizienz eingeht, ist diese Ausführungsform von großem Vorteil. Die parametrischen Modelle erlauben es, bestimmte charakteristische Größen, wie die Lumineszenzlebensdauer und deren assoziierte Amplitude, mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.In this way, further luminescence lifetimes and their amplitudes (or amplitude ratios) of the second sample can be recorded, which allows an improved comparison and a more precise evaluation of the information obtained by the method. This embodiment is of great advantage particularly in FRET measurements in which a change in the donor lifetime is expected and this change is included in the calculation of the FRET efficiency. The parametric models allow certain characteristic quantities, such as the luminescence lifetime and its associated amplitude, to be determined with high accuracy.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Modell oder mindestens eines der ersten Modelle und/oder das zweite parametrische Modell eine Linearkombination aus Exponentialfunktionen umfasst, wobei die Anpassungsparameter der Lumineszenzlebensdauern in den Exponenten der Exponentialfunktionen stehen und die assoziierten Amplituden als Anpassungsparameter die jeweiligen Vorfaktoren der Exponentialfunktionen sind.According to one embodiment of the invention, it is provided that the first model or at least one of the first models and/or the second parametric model comprises a linear combination of exponential functions, wherein the adaptation parameters of the luminescence lifetimes are in the exponents of the exponential functions and the associated amplitudes are the respective adaptation parameters Prefactors of the exponential functions are.

Die Exponentialfunktion des ersten Modells kann dabei die vereinfachte (so wird in diesem Modell eine Faltung des Messsignals mit einer Instrument Response Function nicht berücksichtigt - eine Erweiterung auf diesen Sachverhalt ist dem Fachmann jedoch geläufig) folgende Gestalt annehmen: I1 n ( t ) = m = 1 M ( n ) A 1 n , m exp ( t τ 1 n , m )

Figure DE102021107759B4_0001
The exponential function of the first model can take the following simplified form (a convolution of the measurement signal with an instrument response function is not taken into account in this model - however, an extension to this matter is familiar to those skilled in the art): I1 n ( t ) = m = 1 M ( n ) A 1 n , m exp ( t τ 1 n , m )
Figure DE102021107759B4_0001

Wobei I1n(t) der Funktionswert des ersten Modells ist, t die Zeitvariable darstellt, A1n,m die Amplitude der Exponentialfunktion mit der charakteristischen Lumineszenzlebensdauer τ1n,m, m und n sind jeweils Indizes, wobei sich der Index n auf die n-te von beispielsweise N ersten Messungen bezieht und m den Index der Exponentialfunktion angibt, wenn das erste Model mit Index n, M(n) Lumineszenzlebensdauern aufweist. Die charakteristischen Lumineszenzlebensdauern τ1n,m und die Amplituden A1n,m sind dabei die Anpassungsparameter des jeweiligen ersten Modells.Where I1 n (t) is the function value of the first model, t represents the time variable, A1 n,m is the amplitude of the exponential function with the characteristic luminescence lifetime τ1 n,m , m and n are respectively indices, where the index n refers to the n -th of, for example, N first measurements and m indicates the index of the exponential function if the first model with index n has M(n) luminescence lifetimes. The characteristic luminescence lifetimes τ1 n,m and the amplitudes A1 n,m are the adaptation parameters of the respective first model.

In der gleichen Weise kann das zweite Modell wie folgt dargestellt werden: I2 ( t ) = k = 1 K A 2 k exp ( t τ 2 k )

Figure DE102021107759B4_0002
In the same way, the second model can be represented as follows: I2 ( t ) = k = 1 K A 2 k exp ( t τ 2 k )
Figure DE102021107759B4_0002

Wobei I2(t) der Funktionswert des zweiten Modells ist, t die Zeitvariable darstellt, A2k die Amplitude der Exponentialfunktion mit der charakteristischen Lumineszenzlebensdauer τ2k bezeichnet, und k der Index des Koeffizienten der Linearkombination der Exponentialfunktion ist. Die charakteristischen Lumineszenzlebensdauern τ2k und die Amplituden A2k sind dabei die Anpassungsparameter des zweiten Modells. Im einfachsten Fall eines angenommenen mono-exponentiellen Abklingverhaltens ist K = 1.Where I2(t) is the function value of the second model, t represents the time variable, A2 k denotes the amplitude of the exponential function with the characteristic luminescence lifetime τ2 k , and k is the index of the coefficient of the linear combination of the exponential function. The characteristic luminescence lifetimes τ2 k and the amplitudes A2 k are the fitting parameters of the second model. In the simplest case of an assumed mono-exponential decay behavior, K = 1.

Das Gesamtmodell kann dann die folgende Form annehmen: G ( t ) = ( n = 1 N g 1 n I1 n ( t ) ) + g 2 I2 ( t ) + BG

Figure DE102021107759B4_0003
The overall model can then take the following form: G ( t ) = ( n = 1 N G 1 n I1 n ( t ) ) + G 2 I2 ( t ) + BG
Figure DE102021107759B4_0003

Wobei g1n und g2 die Koeffizienten der Linearkombination des Gesamtmodells sind. BG kann ein zeit-unabhängiger oder nur langsam veränderlicher Hintergrundbeitrag des Messignals sein.Where g1 n and g2 are the coefficients of the linear combination of the overall model. BG can be a time-independent or only slowly changing background contribution to the measurement signal.

Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass eine mögliche Überbestimmung des Modells G(t) durch die Koeffizienten g1n und g2 in Verbindung mit den Amplituden A1n,m und A2k vermieden werden sollte. Die angegebene Formel für das Gesamtmodell berücksichtigt diese Überbestimmung nicht. Dem Fachmann sind jedoch Maßnahmen geläufig, eine solche Überbestimmung zu verhindern - z.B. durch Reduktion der Anzahl der frei variierbaren Amplituden oder durch Festsetzen von Amplitudenverhältnissen für das erste Modell und das zweite Modell. Andere mathematisch äquivalente Formulierungen, wie die Einführung von Amplitudenverhältnissen innerhalb der Modelle, sind dabei für den Fachmann offensichtlich und eindeutig offenbart. Die in dieser Offenbarung gewählte Darstellung der Modelle dient in erster Linie zur Illustration möglicher Ausführungsformen. Die tatsächliche Umsetzung in einem Computer kann davon abweichen und soll nicht durch die hier gewählte mathematische Darstellung ausgeschlossen sein. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf zusätzliche Faltungen mit einer Instrument Response Function (IRF), die in dem aufgeführten mathematischen Modell aus didaktischen Gründen nicht erwähnt werden.It is pointed out again that a possible overdetermination of the model G(t) by the coefficients g1 n and g2 in conjunction with the amplitudes A1 n,m and A2 k should be avoided. The formula given for the overall model does not take this overdetermination into account. However, the person skilled in the art is familiar with measures to prevent such overdetermination - for example by reducing the number of freely variable amplitudes or by setting amplitude ratios for the first model and the second model. Other mathematically equivalent formulations, such as the introduction of amplitude ratios within the models, are obvious and clearly disclosed to those skilled in the art. The representation of the models chosen in this disclosure serves primarily to illustrate possible embodiments. The actual implementation in a computer may differ and should not be excluded by the mathematical representation chosen here. This is particularly true with regard to additional folds with an Instrument Response Function (IRF), which are not mentioned in the mathematical model listed for didactic reasons.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Summe aller Amplituden des ersten Modells, insbesondere jedes ersten Modells, auf einen Normierungswert normiert ist, insbesondere wobei der Normierungswert gleich eins ist.According to one embodiment of the invention, it is provided that the sum of all amplitudes of the first model, in particular of each first model, is normalized to a normalization value, in particular where the normalization value is equal to one.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Summe aller Amplituden des zweiten Modells auf einen Normierungswert normiert ist, insbesondere wobei der Normierungswert gleich eins ist.According to one embodiment of the invention, it is provided that the sum of all amplitudes of the second model is normalized to a normalization value, in particular where the normalization value is equal to one.

Alternativ kann man auch das erste und das zweite Modell auf deren jeweiliges Flächenintegral normieren.Alternatively, you can also normalize the first and second models to their respective surface integrals.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Modell oder mindestens ein erstes Modell der ersten Modelle ein erstes Muster umfasst, das insbesondere aus dem jeweiligen ersten Abklingverhalten ermittelt wird, insbesondere wobei das erste Muster dem ersten Abklingverhalten entspricht, insbesondere wobei das erste Muster dem ersten Abklingverhalten abzüglich eines zeitunabhängigen Messuntergrunds entspricht, sodass bei einer Multiplikation des ersten Musters mit dem jeweiligen ersten Koeffizienten der Messuntergrund nicht mit skaliert wird, insbesondere wobei das erste Muster alle spektralen und/oder optischen Kanäle des ersten Abklingverhaltens umfasst.According to one embodiment of the invention, it is provided that the first model or at least one first model of the first models comprises a first pattern, which is determined in particular from the respective first decay behavior, in particular wherein the first pattern corresponds to the first decay behavior, in particular wherein the first pattern corresponds to the first decay behavior minus a time-independent measurement background, so that when the first pattern is multiplied by the respective first coefficient, the measurement background is not scaled, in particular wherein the first pattern includes all spectral and / or optical channels of the first decay behavior.

Diese Variante erlaubt es, anstelle eines parametrischen Modells ein Muster zu verwenden, sodass die Ermittlung der Lumineszenzlebensdauern nicht nötig ist. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn für das erwartete Abklingverhalten der ersten Probe keine physikalischen Annahmen gemacht werden sollen, sondern beispielsweise eine empirische Herangehensweise erwünscht ist.This variant allows a pattern to be used instead of a parametric model, so that the determination of the luminescence lifetimes is not necessary. This can be particularly advantageous if no physical assumptions are to be made for the expected decay behavior of the first sample, but rather, for example, an empirical approach is desired.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Modell ein zweites Muster umfasst, das insbesondere anhand des zweiten Abklingverhaltens ermittelt wird, insbesondere wobei das zweite Muster dem zweiten Abklingverhalten abzüglich des ersten Modells entspricht, insbesondere wobei das zweite Muster alle spektralen und/oder optischen Kanäle des zweiten Abklingverhaltens umfasst.According to one embodiment of the invention, it is provided that the second model comprises a second pattern, which is determined in particular based on the second decay behavior, in particular wherein the second pattern corresponds to the second decay behavior minus the first model, in particular wherein the second pattern contains all spectral and/or optical channels of the second decay behavior.

Auf diese Weise kann eine rein empirische Auswertung der Daten erfolgen.In this way, a purely empirical evaluation of the data can be carried out.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste und das zweite Abklingverhalten jeweils mindestens zwei spektrale und/oder optische Kanäle umfasst, insbesondere wobei die Kanäle unterschiedliche Wellenlängenbereiche eines detektierten Lichts und/oder eines Anregungslichts umfassen, oder unterschiedliche Polarisationen des detektierten Lichts und/oder des Anregungslichts umfassen, insbesondere wobei das erste und das zweite Modell an alle Kanäle des jeweiligen Abklingverhaltens angepasst werden bzw. die entsprechenden Muster ermittelt werden.According to one embodiment of the invention, it is provided that the first and second decay behavior each comprises at least two spectral and/or optical channels, in particular wherein the channels comprise different wavelength ranges of a detected light and/or an excitation light, or different polarizations of the detected light and/or or the excitation light, in particular wherein the first and second models are adapted to all channels of the respective decay behavior or the corresponding patterns are determined.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensabschnitt beim Anpassen des Gesamtmodells an das zweite Abklingverhalten dem zweiten Modell ein Muster zugeordnet wird, welches Teil einer Musterfamilie bestehend aus einer Vielzahl an unterschiedlichen vorbestimmten Mustern ist, und wobei die Anpassung an das Gesamtmodell für jedes der Muster der Musterfamilie durchgeführt wird und dasjenige Muster als zweites Modell ausgewählt wird, welches zusammen mit dem ersten Modell die beste Anpassung an das zweite Abklingverhalten erzielt, insbesondere wobei jedem Muster aus der Musterfamilie mindestens eine Lumineszenzlebensdauer zugeordnet ist.According to one embodiment of the invention, it is provided that in the second method section, when adapting the overall model to the second decay behavior, a pattern is assigned to the second model, which is part of a pattern family consisting of a large number of different predetermined patterns, and the adaptation to the overall model for each of the patterns of the pattern family is carried out and the pattern is selected as the second model which, together with the first model, achieves the best adaptation to the second decay behavior, in particular wherein at least one luminescence lifetime is assigned to each pattern from the pattern family.

Diese Ausführungsform erlaubt eine besonders schnelle und effiziente Anpassung, da die Ermittlung der besten Anpassung an das Gesamtmodell aus einer Familie von vorbestimmten Mustern erfolgt. Die Anzahl von Anpassungsparametern ist damit minimiert. Ein solcher Ansatz erlaubt eine zuverlässige Bestimmung bei komplexen Proben in Echtzeit. Unabhängig von dieser Anpassung kann jedem Muster der Familie eine oder mehrere Lumineszenzlebensdauer(n) und assoziierte Amplitude(n) zugeordnet sein.This embodiment allows a particularly quick and efficient adaptation, since the best adaptation to the overall model is determined from a family of predetermined patterns. The number of adaptation parameters is therefore minimized. Such an approach allows reliable determination of complex samples in real time. Regardless of this adjustment, each pattern in the family may have one or more luminescence lifetime(s) and associated amplitude(s) associated with them.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Messung eine bildgebende Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie-Messung (fluorescence lifetime imaging microscopy: FLIM) umfasst, insbesondere wobei das jeweilige erste und das zweite Abklingverhalten jeweils aus mindestens einem Probenbereich von Interesse (region of interest: ROI) bestimmt wird, insbesondere wobei der Probenbereich von Interesse auch aus einem einzigen Pixel bestehen kann, insbesondere wobei das erste und/oder das zweite Abklingverhalten jeweils aus einer Vielzahl von Probenbereichen von Interesse bestimmt wird.According to one embodiment of the invention, it is provided that the first and second measurements comprise an imaging fluorescence lifetime imaging microscopy measurement (FLIM), in particular wherein the respective first and second decay behavior is determined in each case from at least one sample region of interest (region of interest: ROI), in particular wherein the sample region of interest can also consist of a single pixel, in particular wherein the first and / or the second decay behavior are each determined from a plurality of sample regions of interest becomes.

Diese Ausführungsform basierend auf ROIs erlaubt eine Reduzierung des Signal-Rausch-Verhältnisses im ermittelten Abklingverhalten.This embodiment based on ROIs allows a reduction of the signal-to-noise ratio in the determined decay behavior.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Messung eine Punktmessung sind, insbesondere wobei die erste und die zweite Messung in einem Fluoreszenzlebensdauer-Spektrometer oder durch eine Punktmessung mit einem Mikroskop aufgenommen sind.According to one embodiment of the invention it is provided that the first and the second measurement are a point measurement, in particular wherein the first and the second measurement are recorded in a fluorescence lifetime spectrometer or by a point measurement with a microscope.

Unter einer Punktmessung wird im Kontext der Spezifikation insbesondere eine Messung verstanden, bei der zwar ein Messort bekannt sein kann, das detektierte Messignal jedoch keine ortauflösende Information trägt bzw. eingeprägt hat oder bekommt. D.h. bei einer Punktmessung wird Information insbesondere aus einem eng begrenzten, insbesondere im Wesentlichen punktförmigen oder beugungsbegrenzten Bereich gewonnen.In the context of the specification, a point measurement is understood to mean, in particular, a measurement in which a measurement location can be known, but the detected measurement signal does not carry or have been imprinted or receive any spatially resolving information. I.e. in a point measurement, information is obtained in particular from a narrowly limited, in particular essentially point-shaped or diffraction-limited area.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensabschnitt das erste und das zweite Modell beim Anpassen mit dem zweiten Anpassungsverfahren auf der Zeitachse beginnend mit jedem neuen Anregungszyklus zeitlich gegeneinander verschoben werden. Diese Ausführungsform erlaubt eine verbesserte Anpassung, die ein zeitliches Driften der Anregungssignale kompensieren kann. Dies kann besonders beim Auswerten von Messungen von Vorteil sein, die z.B. an verschiedenen Tagen aufgenommen wurden.According to one embodiment of the invention, it is provided that in the second method section the first and second models are shifted in time relative to one another on the time axis during adjustment with the second adjustment method, starting with each new excitation cycle. This embodiment allows improved adaptation that can compensate for temporal drift of the excitation signals. This can be particularly advantageous when evaluating measurements that were taken on different days, for example.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Messung zeitkorrelierte Einzelphotonenmessungen oder zeitkorrelierte photonenzahlaufgelöste Messungen sind.According to one embodiment of the invention, it is provided that the first and second measurements are time-correlated single photon measurements or time-correlated photon number-resolved measurements.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass jedes erste und das zweite Abklingverhalten jeweils ein Histogramm sind oder als Histogramm darstellbar sind, insbesondere wobei jedes Histogramm einen oder mehrere der spektralen und/oder optischen Kanäle umfasst.According to one embodiment of the invention, it is provided that each first and second decay behavior is each a histogram or can be represented as a histogram, in particular wherein each histogram includes one or more of the spectral and / or optical channels.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass bei dem Verfahren einzeln als auch in Kombination

  • - die zweite Probe eine FRET-Probe umfasst, aufweisend mindestens ein FRET-Paar mit einem Donor und einem Akzeptor, die an einem FRET Prozess teilnehmen, und die erste Probe dem FRET-Paar entspricht, aber der Akzeptor fehlt oder nicht am FRET Prozess teilnimmt,
  • - die zweite Probe zumindest eine lumineszierende Komponente umfasst, und die erste Probe einen lumineszierenden oder einen autofluoreszenten Hintergrund umfasst, und/oder
  • - die zweite Probe zumindest eine lumineszierende Komponente umfasst, und die erste Probe einen lumineszierenden Hintergrund eines Messvorrichtungsbestandteils umfasst.
According to one embodiment of the invention it is provided that in the method individually and in combination
  • - the second sample comprises a FRET sample, comprising at least one FRET pair with a donor and an acceptor that participate in a FRET process, and the first sample corresponds to the FRET pair, but the acceptor is missing or does not participate in the FRET process ,
  • - the second sample comprises at least one luminescent component, and the first sample comprises a luminescent or an autofluorescent background, and/or
  • - the second sample comprises at least one luminescent component, and the first sample comprises a luminescent background of a measuring device component.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann durch ein System zur zeitaufgelösten und zeitkorrelierten Messung von Lumineszenz ausgeführt werden, das zumindest die folgenden Komponenten aufweist:

  • - Mindestens eine Lichtquelle zur gepulsten oder modulierten optischen Anregung einer lumineszenten Probe;
  • - Mindestens ein Detektor, der dazu eingerichtet ist, die Lumineszenz zeitkorreliert zur Anregung und zeitaufgelöst zu detektieren und ein Detektorsignal auszugeben;
  • - Eine Aufnahmeeinrichtung, die aus dem Detektorsignal und einem Synchronisationssignal, das zumindest eine Wiederholrate oder Modulationsfrequenz der Lichtquelle umfasst, eine digitale elektronische Datenstruktur zu generieren, aus der ein Abklingverhalten der detektierten Lumineszenz bestimmt werden kann;
  • - Eine Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das Abklingverhalten aus der Datenstruktur zu erzeugen und eine Anpassung eines Modells mit einem Anpassungsverfahren an das Abklingverhalten auszuführen.
The method according to the invention can be carried out by a system for time-resolved and time-correlated measurement of luminescence, which has at least the following components:
  • - At least one light source for pulsed or modulated optical excitation of a luminescent sample;
  • - At least one detector which is set up to detect the luminescence in a time-correlated manner to the excitation and in a time-resolved manner and to output a detector signal;
  • - A recording device which generates a digital electronic data structure from the detector signal and a synchronization signal, which comprises at least one repetition rate or modulation frequency of the light source, from which a decay behavior of the detected luminescence can be determined;
  • - An evaluation device that is set up to generate the decay behavior from the data structure and to adapt a model to the decay behavior using an adaptation method.

Ebenso ist erfindungsgemäß ein Computerprogramm oder ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das Befehle umfasst, die bewirken, dass ein System zur zeitaufgelösten und zeitkorrelierten Messung eines Abklingverhaltens von Lumineszenz die Verfahrensschritte nach einer der Ausführungsformen ausführt.Likewise, according to the invention, a computer program or a computer program product is provided which comprises instructions which cause a system for the time-resolved and time-correlated measurement of a decay behavior of luminescence to carry out the method steps according to one of the embodiments.

Weiterhin ist ein computerlesbares Speicher-Medium vorgesehen, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist.Furthermore, a computer-readable storage medium is provided on which the computer program is stored.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer beispielhaften Beschreibung illustriert. Die dort genannten Ausführungsformen sind lediglich zu illustrierenden Zwecken offenbart. Darin enthaltene Merkmale oder Merkmalskombinationen können als Grundlage von weiteren Anspruchsmerkmalen dienen.The invention is illustrated below using an exemplary description. The embodiments mentioned there are disclosed for illustrative purposes only. Features or combinations of features contained therein can be used as: Serve as the basis for further claim features.

Im Folgenden wird von einem TCSPC (time-correlated single photon counting) System ausgegangen, welches das Abklingverhalten einer lumineszenten Probe in der Zeitdomäne bestimmt.The following is based on a TCSPC (time-correlated single photon counting) system, which determines the decay behavior of a luminescent sample in the time domain.

Die Kombination aus Modellen, die Muster enthalten, und Modellen, die parametrische Modelle sind, die an das Abklingverhalten durch Variation der Anpassungsparameter angepasst werden, kann in mehreren Anwendungsbereichen Vorteile bieten.The combination of models that contain patterns and models that are parametric models that adapt to the decay behavior by varying the fitting parameters can provide advantages in several application areas.

Die vollständige Berücksichtigung und vorherige Bestimmung des Abklingverhaltens eines Donorfarbstoffes bei zeitaufgelösten FRET-Messungen kann speziell bei mehrfach-exponentiell abklingenden Donorfarbstoffen eine verbesserte, d.h. genauere und robustere Bestimmung der FRET-Effizienz erlauben.The complete consideration and prior determination of the decay behavior of a donor dye in time-resolved FRET measurements can allow an improved, i.e. more precise and robust determination of the FRET efficiency, especially in the case of multiple-exponential decaying donor dyes.

Der Begriff zeitaufgelöst im Zusammenhang der Spezifikation bezieht sich auf zeitkorrelierte Messungen, die die Bestimmung eines Abklingverhaltens, im Falle einer TCSPC-Messung basierend auf der Erstellung eines Histogramms, ermöglichen.The term time-resolved in the context of the specification refers to time-correlated measurements that enable the determination of a decay behavior, in the case of a TCSPC measurement based on the creation of a histogram.

Eine Kombination aus einem Modell in Form eines Musters für den Donorfarbstoff, wobei das Muster aus der ersten Messung an einer Donor-Only-Probe, also der ersten Probe, die keinen interagierenden Akzeptorfarbstoff aufweist, bestimmt wird, und einem mono- oder multi-exponentiellem Fit, also einem zweiten Modell in Form eines parametrischen Modells, wird benutzt, um eine FRET-Effizienz und ein „Binding“ (relativer Anteil von funktionsfähigen FRET-Spezies in der zweiten Probe) für die in der zweiten Probe neu hinzugekommene Spezies zu bestimmen.A combination of a model in the form of a pattern for the donor dye, where the pattern is determined from the first measurement on a donor-only sample, i.e. the first sample that does not have an interacting acceptor dye, and a mono- or multi-exponential Fit, i.e. a second model in the form of a parametric model, is used to determine a FRET efficiency and a “binding” (relative proportion of functional FRET species in the second sample) for the species newly added to the second sample.

Eine weitere Anwendung der Erfindung kann in der Berücksichtigung von Autofluoreszenz liegen, sodass das „eigentliche“ Probensignal, also das Probensignal von Interesse der zweiten Probe, das von der Autofluoreszenz überlagert ist, ermittelt werden kann.A further application of the invention can be to take autofluorescence into account, so that the “actual” sample signal, i.e. the sample signal of interest from the second sample, which is superimposed by the autofluorescence, can be determined.

Ein in der ersten Messung der ersten Probe ermitteltes Autofluoreszenzmuster als erstes Modell findet dann in der Analyse der zweiten Messung Anwendung und erlaubt die Bestimmung der Lumineszenzlebensdauer des zweiten Modells, das dem Signal der eigentlichen Spezies entspricht. In diesem Fall sind die Anzahl der Lumineszenzlebensdauern sowie deren Amplituden der Autofluoreszenz von geringem Interesse und es ist vorteilhaft, hier einen empirischen Ansatz in Form eines Musters für das erste Modell, das die Autofluoreszenz beschreibt, zu wählen.An autofluorescence pattern determined in the first measurement of the first sample as a first model is then used in the analysis of the second measurement and allows the determination of the luminescence lifetime of the second model, which corresponds to the signal of the actual species. In this case, the number of luminescence lifetimes and their amplitudes of autofluorescence are of little interest and it is advantageous to choose an empirical approach here in the form of a pattern for the first model that describes autofluorescence.

Beide Anwendungen können auch miteinander kombiniert werden, um sowohl die Autofluoreszenz als auch die Donor-Only-Probe bei einer zeitaufgelösten FRET-Messung bei der Auswertung der Messdaten zu berücksichtigen. Dazu würde man in einer ersten Messung, an einer ersten Probe, die lediglich Autofluoreszenz aufweist, ein erstes Muster aus dem gemessenen Abklingverhalten bestimmen und mittels einer weiteren ersten Messung an einer weiteren ersten Probe, die die Donor-Only-Probe aufweist, ein weiteres erstes, parametrisches Modell bestimmen, sodass für diese Probe die Lumineszenzlebensdauern und deren Amplituden bestimmt werden. In der zweiten Messung kann dann der FRET-Anteil anhand des Abklingverhaltens der zweiten Probe, die neben aktiven FRET-Paaren sowohl die Autofluoreszenz als auch einen Anteil an Donor-Only-Probe aufweist, durch Variation der Koeffizienten der Linearkombination der ersten Modelle und des zweiten Modells samt dessen Anpassungsparametern ermittelt werden.Both applications can also be combined with each other to take both autofluorescence and the donor-only sample into account in a time-resolved FRET measurement when evaluating the measurement data. To do this, a first pattern would be determined from the measured decay behavior in a first measurement on a first sample that only has autofluorescence, and a further first pattern would be determined by means of a further first measurement on a further first sample that has the donor-only sample , determine a parametric model so that the luminescence lifetimes and their amplitudes are determined for this sample. In the second measurement, the FRET proportion can then be determined based on the decay behavior of the second sample, which, in addition to active FRET pairs, has both autofluorescence and a proportion of donor-only sample, by varying the coefficients of the linear combination of the first models and the second Model including its adjustment parameters are determined.

Die Auswertungen können bildgebend sein oder sich nur auf bestimmte Bereiche der Probe (regions of interest: ROI) beziehen.The evaluations can be imaging or only relate to certain areas of the sample (regions of interest: ROI).

Bei dem Anpassen des Gesamtmodells kann das Muster durch eine lineare Transformation bzgl. seiner Amplitude skaliert werden und insbesondere auch bezüglich des Anregungspulses zeitlich verschoben werden.When adapting the overall model, the pattern can be scaled with respect to its amplitude by a linear transformation and, in particular, can also be shifted in time with respect to the excitation pulse.

Bei FRET-Experimenten mit Donorfarbstoffen, deren Abklingverhalten selbst bei Abwesenheit eines Akzeptors („Donor-Only“) multi-exponentiell ist, d.h. eine Vielzahl an Lumineszenzlebensdauern aufweist, werden mit den bisher typischerweise verwendeten Ansätzen keine korrekten FRET-Effizienzen und Anteile an intakten FRET-Paaren (auch als Binding bezeichnet) in dem untersuchten Probenmaterial, bestimmt. Als FRET-Paar wird hierauf eine Spezies referenziert, die mindestens einen Donor- und mindestens einen Akzeptorfarbstoff aufweist.In FRET experiments with donor dyes, whose decay behavior is multi-exponential even in the absence of an acceptor (“donor-only”), i.e. has a large number of luminescence lifetimes, the approaches typically used to date do not produce correct FRET efficiencies and proportions of intact FRET pairs (also referred to as binding) in the sample material examined. A FRET pair is referred to as a species that has at least one donor and at least one acceptor dye.

Im Stand der Technik wird derzeit im einfachsten Fall typischerweise als Ausgangssituation ein Binding von 100% angenommen, was aber tatsächlich häufig nicht gegeben ist.In the simplest case, the current state of the art typically assumes a binding of 100% as the initial situation, but this is often not the case.

Bei den meisten FRET-Experimenten gibt es einen Anteil von nicht-funktionierenden FRET-Paaren im Probenmaterial. Bei diesem Anteil sind vor allem die Donor-Only-Spezies zu nennen, deren FRET-Donor zwar fluoresziert, aber nicht durch den FRET-Akzeptor gequencht wird. Als Spezies kann beispielsweise das entsprechende Molekül angesehen werden, das einen Donorfarbstoff aufweist.In most FRET experiments there is a proportion of non-functioning FRET pairs in the sample material. Of particular note in this proportion are the donor-only species, whose FRET donor fluoresces but is not quenched by the FRET acceptor. For example, the corresponding molecule that has a donor dye can be viewed as a species.

Finden diese Donor-Only-Spezies keine Berücksichtigung bei der Ermittlung der FRET-Effizienz, wie dies überwiegend im Stand der Technik der Fall ist, wird diese FRET-Effizienz oft deutlich unterschätzt.These donor-only species are not taken into account when determining the FRET efficiency ciency, as is predominantly the case in the state of the art, this FRET efficiency is often significantly underestimated.

Falls die Donor-Only-Spezies bereits berücksichtigt wird, ist es mit den bisher verwendeten Ansätzen derzeit allerdings lediglich möglich, das Binding für mono-exponentielles Abklingverhalten der Donor-Only-Spezies korrekt zu bestimmen. In den meisten Fällen ist aber diese Voraussetzung aufgrund der Farbstoffauswahl oder der direkten Umgebung der Farbstoffe nicht gegeben.However, if the donor-only species is already taken into account, with the approaches used so far it is currently only possible to correctly determine the binding for mono-exponential decay behavior of the donor-only species. In most cases, however, this requirement is not met due to the choice of dye or the direct environment of the dyes.

Die Möglichkeit, einen multi-exponentiellen Donorfarbstoff in FRET-Experimenten zu verwenden und sowohl Binding als auch die FRET-Effizienz korrekt berechnen zu können, wäre ein großer Fortschritt.The ability to use a multi-exponential donor dye in FRET experiments and to correctly calculate both binding and FRET efficiency would be a major advance.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist im Folgenden am Beispiel einer FRET-Probe beschrieben, sie kann aber auch für andere, komplexe Proben Verwendung finden.An embodiment of the invention is described below using the example of a FRET sample, but it can also be used for other, complex samples.

Ein Problem bei der Auswertung bei FRET-Experimenten ist die hohe Anzahl an Anpassungsparametern, die notwendig wären, um das Abklingverhalten eines Anteils einer multi-exponentiellen Donor-Only-Probe sowie eines Anteils einer FRET-Probe, also einer Probe, die einen Donorfarbstoff aufweist, der mit dem Akzeptorfarbstoff interagiert, zuverlässig zu beschreiben.A problem in the evaluation of FRET experiments is the high number of adjustment parameters that would be necessary to determine the decay behavior of a portion of a multi-exponential donor-only sample as well as a portion of a FRET sample, i.e. a sample that has a donor dye , which interacts with the acceptor dye, can be reliably described.

Die Erfindung erlaubt nun, die Anzahl an Anpassungsparametern zu reduzieren, indem die vollständige Information des Abklingverhaltens der ersten Probe, in diesem Beispiel der Donor-Only-Probe, separat, also in Abwesenheit der FRET-Spezies, erfasst und ermittelt wird.The invention now allows the number of adaptation parameters to be reduced by recording and determining the complete information about the decay behavior of the first sample, in this example the donor-only sample, separately, i.e. in the absence of the FRET species.

Im Folgenden wird zu Illustrationszwecken angenommen, dass die Donor-Only-Probe ein bi-exponentielles Abklingverhalten, also zwei charakteristische Lumineszenzlebensdauern, aufweist.For illustrative purposes, it is assumed below that the donor-only sample has a bi-exponential decay behavior, i.e. two characteristic luminescence lifetimes.

In einer ersten Variante der Erfindung wird in der ersten Messung das erste Abklingverhalten der ersten Probe, also der Donor-Only-Probe, ermittelt. Dieses erste Abklingverhalten liegt nach der Messung z.B. in Form eines Histogramms von Photonenankunftszeiten vor, das den zeitlichen Verlauf des Abklingverhaltens der ersten Probe nach gepulster Anregung darstellt.In a first variant of the invention, the first decay behavior of the first sample, i.e. the donor-only sample, is determined in the first measurement. After the measurement, this first decay behavior is present, for example, in the form of a histogram of photon arrival times, which represents the time course of the decay behavior of the first sample after pulsed excitation.

Durch Anpassen eines ersten parametrischen Exponentialfunktions-Modells an das erste Abklingverhalten werden als Anpassungsparameter des ersten Modells zwei Lumineszenzlebensdauern τ11 und τ12 sowie zwei den Lumineszenzlebensdauern assoziierte Amplituden der exponentiellen Zerfälle A11 und A12 ermittelt. Zusätzlich können auch die statistischen Unsicherheiten der jeweiligen Anpassungsparameter ermittelt werden.By adapting a first parametric exponential function model to the first decay behavior, two luminescence lifetimes τ1 1 and τ1 2 as well as two amplitudes of the exponential decays A1 1 and A1 2 associated with the luminescence lifetimes are determined as adaptation parameters of the first model. In addition, the statistical uncertainties of the respective adjustment parameters can also be determined.

Das erste parametrische Modell M1 (siehe auch 1) lässt sich also wie folgt darstellen: I1 ( t ) = m = 1 2 A 1 m exp ( t τ 1 m ) = A 1 1 exp ( t τ 1 1 ) + A 1 2 exp ( t τ 1 2 )

Figure DE102021107759B4_0004
The first parametric model M1 (see also 1 ) can be represented as follows: I1 ( t ) = m = 1 2 A 1 m exp ( t τ 1 m ) = A 1 1 exp ( t τ 1 1 ) + A 1 2 exp ( t τ 1 2 )
Figure DE102021107759B4_0004

Bei einer zweiten Messung wird nun das Abklingverhalten eines FRET-Probenmaterials gemessen, das einen unbekannten Anteil an der Donor-Only-Probe und einen unbekannten Anteil einer weiteren FRET-Spezies aufweist. Das FRET-Probenmaterial mit Donor-Only-Probe und dem unbekannten Anteil der FRET-Spezies stellt in diesem Kontext also die zweite Probe dar.In a second measurement, the decay behavior of a FRET sample material is measured that has an unknown proportion of the donor-only sample and an unknown proportion of another FRET species. The FRET sample material with donor-only sample and the unknown proportion of FRET species represents the second sample in this context.

Es sei nun angenommen, dass die FRET-Probe ein mono-exponentielles Abklingverhalten aufweist, das durch eine weitere Lumineszenzlebensdauer charakterisiert werden kann. Das Abklingverhalten der zweiten Probe wird wie folgt ausgewertet.It is now assumed that the FRET sample has a mono-exponential decay behavior that can be characterized by a further luminescence lifetime. The decay behavior of the second sample is evaluated as follows.

Es wird ein Gesamtmodell zur Verfügung gestellt, das aus einer Linearkombination des ersten Modells für die Donor-Only-Probe und einem zweiten Modell für die FRET-Spezies besteht. Die Koeffizienten der Linearkombination lauten g1 für den Koeffizienten, der dem ersten Modell zugeordnet ist, sowie g2 für den Koeffizienten, der dem zweiten Modell zugeordnet ist.An overall model is provided that consists of a linear combination of the first model for the donor-only sample and a second model for the FRET species. The coefficients of the linear combination are g1 for the coefficient associated with the first model and g2 for the coefficient associated with the second model.

Im Gesamtmodell sind die Anpassungsparameter τ11 und τ12 sowie A11 und A12 des ersten Modells, fixiert und werden nicht variiert.In the overall model, the adjustment parameters τ1 1 and τ1 2 as well as A1 1 and A1 2 of the first model are fixed and are not varied.

Das zweite Modell ist in diesem Beispiel wie erwähnt ein mono-exponentielles parametrisches Modell mit den Anpassungsparametern τ2 für die Lumineszenzlebensdauer und A2 für die dazu gehörige Amplitude. Das zweite Modell beschreibt die FRET-Spezies mit interagierendem Donor- und Akzeptorfarbstoff. Es sei angemerkt, dass der Koeffizient g2 eine Abhängigkeit von der Amplitude des zweiten Modells aufweist. Daher findet die Amplitude A2 im Folgenden keine explizite Berücksichtigung und wird insbesondere gleich eins gesetzt.As mentioned, the second model in this example is a mono-exponential parametric model with the fitting parameters τ2 for the luminescence lifetime and A2 for the associated amplitude. The second model describes the FRET species with interacting donor and acceptor dyes. It should be noted that the coefficient g2 has a dependence on the amplitude of the second model. Therefore, the amplitude A2 is not explicitly taken into account in the following and is set equal to one.

Das Gesamtmodell MG (siehe auch 1) lässt sich demnach wie folgt schreiben: G ( t ) = g 1 I1 ( t ) + g 2 exp ( t τ 2 ) = g 1 ( A 1 1 exp ( t τ 1 1 ) + A 1 2 exp ( t τ 1 2 ) ) + g 2 exp ( t τ 2 )

Figure DE102021107759B4_0005
The overall model MG (see also 1 ) can therefore be written as follows: G ( t ) = G 1 I1 ( t ) + G 2 exp ( t τ 2 ) = G 1 ( A 1 1 exp ( t τ 1 1 ) + A 1 2 exp ( t τ 1 2 ) ) + G 2 exp ( t τ 2 )
Figure DE102021107759B4_0005

Statt der Anpassungsparameter τ11 und τ12 sowie A11 und A12 wird beim Anpassen des Gesamtmodells MG an das Abklingverhalten der zweiten Messung nur ein Parameter bezüglich des ersten Modells variiert, nämlich der Koeffizient g1, der den Anteil der Donor-Only-Probe im FRET-Probenmaterial beschreibt, also der zweiten Probe. Die Parameter, die im Gesamtmodell angepasst werden, sind g1, g2 ,τ2.Instead of the adjustment parameters τ1 1 and τ1 2 as well as A1 1 and A1 2 , when adjusting the overall model MG to the decay behavior of the second measurement, only one parameter is varied with respect to the first model, namely the coefficient g1, which represents the proportion of the donor-only sample in FRET sample material describes, i.e. the second sample. The parameters that are adjusted in the overall model are g1, g2, τ2.

So kann mit einem einzigen Anpassungsparameter, g1, beim Anpassen des Gesamtmodells der Anteil der ersten Probe beschrieben werden.This means that the proportion of the first sample can be described with a single fitting parameter, g1, when fitting the overall model.

Im Gesamtmodell werden also die Koeffizienten g1 und g2 sowie der Anpassungsparameter des zweiten Modells, τ2, der das Abklingverhalten der FRET-Spezies beschreibt, an das Abklingverhalten aus der zweiten Messung angepasst. Die Koeffizienten geben Auskunft über die Anteile der Donor-Only-Spezies und der FRET-Spezies im FRET-Probenmaterial als der zweiten Probe.In the overall model, the coefficients g1 and g2 as well as the fitting parameter of the second model, τ2, which describes the decay behavior of the FRET species, are adapted to the decay behavior from the second measurement. The coefficients provide information about the proportions of donor-only species and FRET species in the FRET sample material as the second sample.

Dadurch lässt sich das Binding B berechnen mit B = g 2 g 1 + g 2

Figure DE102021107759B4_0006
sowie die FRET Effizienz von ausschließlich der funktionsfähigen FRET-Spezies, bestimmt aus τ2 sowie der mittleren Lebensdauer der ersten Probe.This allows the binding B to be calculated with b = G 2 G 1 + G 2
Figure DE102021107759B4_0006
as well as the FRET efficiency of only the functional FRET species, determined from τ2 and the average lifetime of the first sample.

In einer zweiten Variante des Verfahrens wird anstelle eines parametrischen ersten Modells, mit den Anpassungsparametern τ11 und τ12 sowie A11 und A12 ein Muster verwendet, das aus dem Abklingverhalten der ersten Messung bestimmt wird. Das Muster kann mit dem ersten Abklingverhalten identisch oder eine verarbeitete Version des Abklingverhaltens sein. Ein Verarbeitungsschritt kann beispielsweise eine Signal-Untergrundsbeseitigung z.B. von Anteilen im Abklingverhalten sein, die keine mit dem Anregungspuls korrelierten Merkmale aufweisen. Das Muster kann, wie auch das erste Abklingverhalten, ein gemitteltes Muster / Abklingverhalten sein, das aus mehreren ROIs oder ersten Proben ermittelt wird.In a second variant of the method, instead of a parametric first model, a pattern is used with the adjustment parameters τ1 1 and τ1 2 as well as A1 1 and A1 2 , which is determined from the decay behavior of the first measurement. The pattern can be identical to the first decay behavior or a processed version of the decay behavior. A processing step can, for example, be a signal background removal, for example of components in the decay behavior that do not have any features correlated with the excitation pulse. The pattern, like the first decay behavior, can be an averaged pattern / decay behavior that is determined from several ROIs or first samples.

Im zweiten Verfahrensabschnitt wird dann für die erste Probe lediglich der Koeffizient g1 zum ersten Modell, also dem Muster, ermittelt.In the second stage of the process, only the coefficient g1 for the first model, i.e. the pattern, is determined for the first sample.

Ein optionaler Anpassungsparameter „Shift“ im Gesamtmodell kann einen zeitlichen Versatz zwischen dem Abklingverhalten aus der zweiten Messung und dem Muster korrigieren. Wie auch bei der ersten Variante, kommt auch bei dieser zweiten Variante lediglich ein weiterer Fitparameter, g1, hinzu, der dazu verwendet werden kann, den Anteil der Donor-only-Probe, also der ersten Probe, in dem FRET-Probenmaterial, also der zweiten Probe, zu bestimmen.An optional “Shift” adjustment parameter in the overall model can correct a time offset between the decay behavior from the second measurement and the sample. As with the first variant, this second variant only adds one further fit parameter, g1, which can be used to determine the proportion of the donor-only sample, i.e. the first sample, in the FRET sample material, i.e. the second sample.

Aus den Koeffizienten der Linearkombination g1 und g2, kann das Binding, wie zuvor in der ersten Variante gezeigt, berechnet werden.The binding can be calculated from the coefficients of the linear combination g1 and g2, as shown in the first variant.

Generell kann als optionaler weiterer Anpassungsparameter noch ein Hintergrund BG mit in das Gesamtmodell aufgenommen werden.In general, a background BG can be included in the overall model as an optional additional adjustment parameter.

Die Anzahl an freien Anpassungsparametern ist dann nicht höher als bei dem bekannten Ansatz zur FRET-Auswertung, bei dem der Donor immer als monoexponentiell angenommen wird.The number of free fitting parameters is then no higher than in the known approach to FRET evaluation, in which the donor is always assumed to be monoexponential.

Im Falle, dass man im zweiten Modell ein bi-exponentielles parametrisches Modell für die FRET-Spezies verwendet, kommen noch zwei weitere freie Anpassungsparameter im Gesamtmodell hinzu, nämlich eine zweite Lumineszenzlebensdauer sowie ein Parameter, der die assoziierten Amplituden oder die Amplitudenverhältnisse der beiden Expontialfunktionen des zweiten Modells berücksichtigt. Auch hier kann optional noch der Hintergrund BG mit in das Gesamtmodell aufgenommen werden.If a bi-exponential parametric model is used for the FRET species in the second model, two further free fitting parameters are added to the overall model, namely a second luminescence lifetime and a parameter that determines the associated amplitudes or the amplitude ratios of the two exponential functions of the second model taken into account. Here too, the background BG can optionally be included in the overall model.

Ausgehend von den Koeffizienten der Linearkombination kann dann wiederum das Binding berechnet werden und ausgehend von den Lumineszenzlebensdauern des ersten und zweiten Modells die FRET Effizienz.Based on the coefficients of the linear combination, the binding can then be calculated and the FRET efficiency can be calculated based on the luminescence lifetimes of the first and second models.

Im Falle eines bildgebenden, also örtlich aufgelösten, Erfassens des Abklingverhaltens kann das Binding und/oder die so berechnete FRET-Effizienz als Graustufen und/oder Farbwert verwendet werden, so dass eine ortsaufgelöste Darstellung der FRET-Effizienz und/oder des Bindings erreicht wird.In the case of an imaging, i.e. spatially resolved, recording of the decay behavior, the binding and/or the FRET efficiency calculated in this way can be used as gray levels and/or color values, so that a spatially resolved representation of the FRET efficiency and/or the binding is achieved.

Als weitere Anpassungsparameter können wiederum der Shift-Parameter des Donor-Only-Musters, ein Versatz der Instrument Response Function (IRF) und ein Hintergrund-Parameter BG in dem Gesamtmodell berücksichtigt werden.The shift parameter of the donor-only pattern, an offset of the instrument response function (IRF) and a background parameter BG can be taken into account in the overall model as further adjustment parameters.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann durch eine Hinzunahme einer Vielzahl von ersten Modellen erweitert werden. Als erste Modelle kommen beispielsweise in Frage: ein Autofluoreszenz-Muster oder auch weitere Fluoreszenzfarbstoffe. Damit lassen sich die Fluoreszenz-Parameter von weiteren fluoreszierenden Spezies in der zweiten Probe in die Auswertung mit einbeziehen bzw. berücksichtigen.The method according to the invention can be expanded by adding a large number of first models. The first models that come into consideration are, for example, an autofluorescence pattern or other fluorescent dyes. This means that the fluorescence parameters of other fluorescent species in the second sample can be included or taken into account in the evaluation.

In einer dritten Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass das zweite Modell ein Muster ist, das aus einer vordefinierten Musterfamilie MF gewählt wird. Die Muster der Musterfamilie MF können verschiedenen Abklingverhalten und/oder Lumineszenzlebensdauern zugeordnet sein. Beim Anpassen des Gesamtmodells werden nun dem zweiten Modell einzeln (oder auch in Kombination) die Muster der Musterfamilie zugeordnet und die Koeffizienten der Linearkombination variiert. Die Lumineszenzlebensdauer(n) des- oder derjenigen Muster(s) der Musterfamilie, das oder die zu der besten Anpassung des Gesamtmodells führt, werden für die weitergehenden Berechnungen verwendet. Die beste Anpassung kann beispielsweise über die Auswertung der Residuen und/oder eines Güteparameters χ2 bestimmt werden.In a third variant of the method it is provided that the second model is a pattern that comes from a predefined pattern family MF is chosen. The patterns of the MF pattern family can be assigned different decay behavior and/or luminescence lifetimes. When adjusting the overall model, the patterns of the pattern family are assigned to the second model individually (or in combination) and the coefficients of the linear combination are varied. The luminescence lifetime(s) of the pattern(s) of the pattern family that leads to the best fit of the overall model are used for further calculations. The best fit can be determined, for example, by evaluating the residuals and/or a quality parameter χ 2 .

Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass der Parameterraum stark reduziert wird, was zu einer Reduktion der Rechenzeit und Rechenlast führt und daher insbesondere für Echtzeit-Anwendungen von Vorteil ist. Die Auswahl aus vorbestimmten Mustern der Musterfamilie erspart also die explizite Berechnung der Modellfunktion beim Anpassen des Gesamtmodells während des Anpassungsvorgangs.This approach has the advantage that the parameter space is greatly reduced, which leads to a reduction in computing time and computing load and is therefore particularly advantageous for real-time applications. The selection from predetermined patterns of the pattern family therefore saves the explicit calculation of the model function when adapting the overall model during the adaptation process.

Als Beispiel könnte nun also für die FRET-Probe eine Musterfamilie mit 11 Mustern verwendet werden, deren Abklingverhalten eine mittlere Abklingzeit zwischen 2 ns und 3 ns in Abständen von 0,1 ns aufweist.As an example, a pattern family with 11 patterns could be used for the FRET sample, the decay behavior of which has an average decay time between 2 ns and 3 ns at intervals of 0.1 ns.

Beim Anpassen des Gesamtmodells an das Abklingverhalten des FRET-Probenmaterials, würden also für jedes Muster der Musterfamilie die Koeffizienten g2, g1 variiert werden.When adapting the overall model to the decay behavior of the FRET sample material, the coefficients g2, g1 would be varied for each pattern of the pattern family.

Das Gesamtmodell für das j-te Muster Pj der Musterfamilie ließe sich also wie folgt beschreiben: G ( t ) = g 1 I1 ( t ) + g 2 P j

Figure DE102021107759B4_0007
The overall model for the jth pattern Pj of the pattern family could therefore be described as follows: G ( t ) = G 1 I1 ( t ) + G 2 P j
Figure DE102021107759B4_0007

Dabei spielt es nur eine unwesentliche Rolle, ob das erste Modell ebenfalls ein Muster oder ein parametrisches Modell ist.It only plays an insignificant role whether the first model is also a pattern or a parametric model.

Der Anpassungsparameter des zweiten Modells kann sich demnach auf einen Index beziehen, der die Familienmitglieder der Musterfamilie indiziert.The fitting parameter of the second model can therefore refer to an index that indexes the family members of the pattern family.

Die dritte Variante ist besonders vorteilhaft, wenn das Abklingverhalten der ersten und der zweiten Probe sich über eine Vielzahl an spektral verschiedenen Kanälen erstreckt.The third variant is particularly advantageous if the decay behavior of the first and second samples extends over a large number of spectrally different channels.

Im Folgenden wird noch eine beispielhafte Beschreibung einiger Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einer Figurenbeschreibung gegeben.

  • 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines mehrdimensionalen Abklingverhaltens; und
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Musterfamilie
Below, an exemplary description of some embodiments of the method according to the invention is given based on a description of the figures.
  • 1 shows schematically a first embodiment of the method according to the invention;
  • 2 shows schematically a second embodiment of the method according to the invention;
  • 3 shows a schematic representation of a multidimensional decay behavior; and
  • 4 shows a schematic representation of a pattern family

In 1 ist ein schematischer Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt. In einem ersten Verfahrensabschnitt V1 (oberes Panel) wird in einer ersten zeitaufgelösten Lumineszenzmessung, zum Beispiel einer TCSPC-Messung, an einer ersten lumineszenten Probe P1 ein erstes Abklingverhalten 10 ermittelt. Das erste Abklingverhalten 10 ist in 1 in Form eines schematischen Histogramms mit logarithmischer I(t) Achse und linearer t-Achse dargestellt. Je nach Güte der Messung kann das Abklingverhalten 10 unterschiedlich stark rausch behaftet sein.In 1 a schematic sequence of the method according to the invention is shown according to an exemplary embodiment. In a first method section V1 (upper panel), a first decay behavior 10 is determined on a first luminescent sample P1 in a first time-resolved luminescence measurement, for example a TCSPC measurement. The first decay behavior 10 is in 1 presented in the form of a schematic histogram with a logarithmic I(t) axis and a linear t-axis. Depending on the quality of the measurement, the decay behavior 10 can have different levels of noise.

In einem nächsten Schritt wird sodann ein erstes Modell M1 mit einem ersten Anpassungsverfahren an das Abklingverhalten 10 angepasst. Dies kann wie bereits erläutert z.B. mittels eines parametrischen exponentiellen Modells erfolgen, bei dem die Lumineszenzlebensdauern und deren assoziierten Amplituden in Form von Anpassungsparametern solange variiert werden, bis das Anpassungsverfahren beendet ist, z.B. weil ein Güteindikator bezüglich der Anpassung an das Abklingverhalten optimiert ist. Erfindungsgemäß weist die erste Probe P1 ein Abklingverhalten mit mehr als einer Lumineszenzlebensdauer auf.In a next step, a first model M1 is then adapted to the decay behavior 10 using a first adaptation method. As already explained, this can be done, for example, by means of a parametric exponential model, in which the luminescence lifetimes and their associated amplitudes are varied in the form of adaptation parameters until the adaptation process is completed, e.g. because a quality indicator has been optimized with regard to the adaptation to the decay behavior. According to the invention, the first sample P1 has a decay behavior with more than one luminescence lifetime.

In einem zweiten Verfahrensabschnitt V2 (zweites Panel) wird eine zweite zeitaufgelöste Messung an einer zweiten lumineszenten Probe P2 durchgeführt, die erwartungsgemäß einen unbekannten Anteil der ersten Probe P1 umfasst. Aus dieser Messung wird ein zweites Abklingverhalten 20 bestimmt.In a second method section V2 (second panel), a second time-resolved measurement is carried out on a second luminescent sample P2, which, as expected, includes an unknown portion of the first sample P1. A second decay behavior 20 is determined from this measurement.

In einem nächsten Schritt wird ein Gesamtmodell MG an das zweite Abklingverhalten 20 angepasst. Das Gesamtmodell umfasst dabei das erste Modell M1 und ein zweites Modell M2, die in Form einer Linearkombination zum Gesamtmodell MG vereinigt sind.In a next step, an overall model MG is adapted to the second decay behavior 20. The overall model includes the first model M1 and a second model M2, which are combined in the form of a linear combination to form the overall model MG.

Das Anpassen des Gesamtmodells MG erfolgt über die Variation der Koeffizienten g1 und g2 der Linearkombination und durch Variation mindestens eines weiteren Anpassungsparameters des zweiten Modells M2, dieser kann beispielsweise die Lumineszenzlebensdauer eines mono-exponentiellen Lumineszenz-Zerfalls sein.The overall model MG is adjusted by varying the coefficients g1 and g2 of the linear combination and by varying at least one further adjustment parameter of the second model M2, for example Be the luminescence lifetime of a mono-exponential luminescence decay.

Wichtig ist, dass bei dem zweiten Verfahrensabschnitt die Anpassungsparameter des ersten Modells nicht weiter variiert werden, sondern auf den Werten gehalten werden, die zuvor im ersten Verfahrensabschnitt durch das erste Anpassungsverfahren ermittelt wurden.It is important that in the second process section the adaptation parameters of the first model are not varied any further, but rather are kept at the values that were previously determined in the first process section by the first adaptation process.

Auf diese Weise erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren durch zweistufiges Messen, mit einer geringen Anzahl an Anpassungsparametern eine zuverlässige Ermittlung von Anteilen einer ersten Probe in einer zweiten Probe.In this way, the method according to the invention allows a reliable determination of proportions of a first sample in a second sample through two-stage measurements with a small number of adaptation parameters.

In 2 ist eine Erweiterung des Verfahrens aus 1 dargestellt. In diesem Beispiel werden zwei erste Proben P11 und P12 vermessen, die in einer zweiten Probe P2 in unbekannter Zusammensetzung enthalten sind.In 2 is an extension of the procedure 1 shown. In this example, two first samples P11 and P12 are measured, which are contained in a second sample P2 with an unknown composition.

Mindestens eine der ersten Proben P11, P12 weist dabei ein Abklingverhalten 11, 12 auf, das eine Vielzahl an Lumineszenzlebensdauern umfasst.At least one of the first samples P11, P12 has a decay behavior 11, 12 that includes a large number of luminescence lifetimes.

In dem Beispiel in 2 ist das erste Modell M11 zur ersten Probe P11 ein parametrisches Modell, das mit dem ersten Anpassungsverfahren an das erste Abklingverhalten 11 angepasst wird. Das weitere erste Modell M12 einer weiteren ersten Probe P12 ist ein Muster, das im Wesentlichen dem Abklingverhalten 12 der weiteren ersten Probe P12 entspricht. Dies kann vorteilhaft sein, wenn es sich bei dem ermittelten Abklingverhalten zum Beispiel um Autofluoreszenz handelt, die erfahrungsgemäß ein komplexes Abklingverhalten aufweist.In the example in 2 the first model M11 for the first sample P11 is a parametric model that is adapted to the first decay behavior 11 using the first adaptation method. The further first model M12 of a further first sample P12 is a pattern that essentially corresponds to the decay behavior 12 of the further first sample P12. This can be advantageous if the decay behavior determined is, for example, autofluorescence, which experience shows has a complex decay behavior.

Im zweiten Verfahrensabschnitt V2 wird die zweite Probe P2 vermessen, die unbekannte Anteile der beiden ersten Proben P11, P12 aufweist. Entsprechend enthält das Gesamtmodell MG eine Linearkombination mit drei Summanden, nämlich die beiden ersten Modelle M11, M12 sowie das zweite Modell M2. Im zweiten Anpassungsverfahren werden nun die drei den jeweiligen Modellen zugeordneten Koeffizienten variiert, sowie mindestens ein Anpassungsparameter des zweiten Modells M2, bis das zweite Anpassungsverfahren beendet ist, z.B. weil ein Güteindikator ein Optimum der Anpassung widerspiegelt.In the second method section V2, the second sample P2 is measured, which has unknown proportions of the first two samples P11, P12. Accordingly, the overall model MG contains a linear combination with three summands, namely the first two models M11, M12 and the second model M2. In the second adaptation process, the three coefficients assigned to the respective models are now varied, as well as at least one adaptation parameter of the second model M2, until the second adaptation process is completed, for example because a quality indicator reflects an optimum of the adaptation.

Auf diese Weise können Anteile einer Vielzahl an ersten Proben P11, P12 mit unterschiedlichen Farbstoffen und/oder Abklingverhalten in einer zweiten Probe P2 ermittelt werden, ohne dass das zweite Anpassungsverfahren aufgrund zu vieler freier Anpassungsparameter unzuverlässige Ergebnisse liefert, da die Anzahl der anzupassenden Parameter durch die Durchführung des ersten Verfahrensschritt V1 bereits reduziert wurde.In this way, proportions of a large number of first samples P11, P12 with different dyes and/or decay behavior can be determined in a second sample P2 without the second adaptation method producing unreliable results due to too many free adaptation parameters, since the number of parameters to be adapted is determined by the Implementation of the first process step V1 has already been reduced.

Die in den 1 und 2 schematisch dargestellten Abklingverhalten sind einfache Histogramme, die zum Beispiel einen einzigen spektralen Kanal des Abklingverhaltens darstellen. Im Sinne der Erfindung ist aber auch vorgesehen, dass sich das Abklingverhalten auf eine Vielzahl an spektralen und/oder optischen Kanälen beziehen kann.The ones in the 1 and 2 The decay behavior shown schematically are simple histograms that, for example, represent a single spectral channel of the decay behavior. In the sense of the invention, however, it is also provided that the decay behavior can relate to a large number of spectral and/or optical channels.

Als spektraler Kanal kann auch die zeitliche Aufteilung bzw. Zuordnung der detektieren Lumineszenz relativ zu zeitlich versetzten Anregungspulsen unterschiedlicher Wellenänge gewertet werden. Diese Art der Kanalbildung nennt man auch Pulsed-Interleaved-Excitation (PIE).The temporal division or assignment of the detected luminescence relative to time-offset excitation pulses of different wavelengths can also be evaluated as a spectral channel. This type of channel formation is also called Pulsed Interleaved Excitation (PIE).

In 3 ist beispielhaft ein dreidimensionales Abklingverhalten 30 dargestellt, das sich über eine Vielzahl (in dieser Abbildung konkret 3) von optischen Kanälen ch erstreckt. Die Erfindung sieht als mögliche Ausführungsform vor, dass ein Abklingverhalten 30 in dieser mehrdimensionalen Form erfasst werden kann. Entsprechend sind dann auch die Modelle und Anpassungsverfahren ausgestaltet, so dass alle Kanäle gleichzeitig angepasst werden, ggf. mit unterschiedlichen Anpassungsparametern.In 3 A three-dimensional decay behavior 30 is shown as an example, which extends over a large number (specifically 3 in this figure) of optical channels ch. The invention provides, as a possible embodiment, that a decay behavior 30 can be recorded in this multidimensional form. The models and adaptation procedures are then designed accordingly, so that all channels are adapted at the same time, if necessary with different adaptation parameters.

Die ch-Achse kann beispielsweise auf eine Detektionswellenlänge der Lumineszenz abstellen und damit das Abklingverhalten in optische Kanäle einteilen, auf denen das Abklingverhalten jeweils als zweidimensionales Abklingverhalten 31, 32, 33, und 34 dargestellt werden kann. Dabei ist zu sehen, dass das Abklingverhalten 30 im mittleren Kanal auch eine zeitliche Aufteilung innerhalb eines spektralen Kanals aufweist (32, 33). Dies kann beispielsweise aufgrund eines weiteren zeitlich versetzten Anregungspuls (Pulsed-Interleaved-Excitation: PIE) mit anderer Wellenlänge sinnvoll sein. Die Gesamtheit der zweidimensionalen Abklingverhalten 31, 32, 33, 34 in einem mehrdimensionalen Erfassungsraum wird im Kontext der Erfindung allgemein als Abklingverhalten 30 (analog auch 10, 11, 12, 20) bezeichnet.The ch axis can, for example, be based on a detection wavelength of the luminescence and thus divide the decay behavior into optical channels on which the decay behavior can each be represented as a two-dimensional decay behavior 31, 32, 33, and 34. It can be seen that the decay behavior 30 in the middle channel also has a temporal division within a spectral channel (32, 33). This can be useful, for example, due to another time-offset excitation pulse (Pulsed Interleaved Excitation: PIE) with a different wavelength. The entirety of the two-dimensional decay behavior 31, 32, 33, 34 in a multi-dimensional detection space is generally referred to as decay behavior 30 (analogously also 10, 11, 12, 20) in the context of the invention.

4. Zeigt eine schematische Darstellung einer Musterfamilie MF. Die Musterfamilie MF umfasst eine Vielzahl an Mustern MF1, MF2, MF3 die jeweils mindestens einer charakteristischen Größe zugeordnet sind, wie beispielsweise einem Index, einer Lumineszenzlebensdauer und/oder einer anderen Charakteristik. 4 . Shows a schematic representation of a pattern family MF. The pattern family MF includes a plurality of patterns MF1, MF2, MF3, each of which is assigned to at least one characteristic quantity, such as an index, a luminescence lifetime and/or another characteristic.

In dem dargestellten Beispiel ist eine Musterfamilie MF dargestellt, deren Muster MF1, MF2, MF3 sukzessive längere mittlere Lumineszenzlebensdauern aufweisen.In the example shown, a pattern family MF is shown, the patterns MF1, MF2, MF3 of which have successively longer average luminescence lifetimes.

Diese Muster können wie in bereits beschriebener Weise als zweites Modell verwendet werden. Eine Verwendung als erstes Muster ist aber ebenso denkbar.These patterns can be used as a second model as already described. However, use as a first pattern is also conceivable.

Claims (18)

Verfahren zum Ermitteln von Lumineszenzlebensdauern einer lumineszenten Probe, wobei das Verfahren zumindest einen ersten und einen zweiten Verfahrensabschnitt (V1, V2) umfasst, wobei der erste Verfahrensabschnitt (V1) mindestens einmal oder mehrfach durchgeführt wird, wobei bei jedem Durchlauf des ersten Verfahrensabschnitts (V1) zumindest die folgenden Schritte durchgeführt werden: - Erfassen einer ersten zeitkorrelierten Lumineszenzmessung an einer ersten Probe (P1, P11), - Ermitteln eines ersten Abklingverhaltens (10) der Lumineszenz aus der ersten Messung der ersten Probe (P1, P11); - Ermitteln eines ersten Modells (M1, M 11), welches dem ersten Abklingverhalten (10,11) mit einem ersten Anpassungsverfahren angepasst wird oder welches dem ersten Abklingverhalten (10,11) in Form eines ersten Musters entspricht; wobei, wenn der erste Verfahrensabschnitt (V1) mehrfach durchgeführt wird, der erste Verfahrensabschnitt jeweils mit einer weiteren ersten Probe (P12) durchgeführt wird, so dass für jede weitere erste Probe (P12) ein weiteres erstes Abklingverhalten (12) ermittelt wird und ein weiteres erstes Modell (M12) ermittelt wird und mit dem ersten Anpassungsverfahren an das jeweilige weitere erste Abklingverhalten (12) angepasst wird und/oder dem weiteren ersten Abklingverhalten (12) in Form eines weiteren ersten Musters entspricht, wobei mindestens eine erste Probe (P1, P11, P12) eine Vielzahl von Lumineszenzlebensdauern aufweist; wobei der zweite Verfahrensabschnitt (V2) zumindest die folgenden Schritte umfasst: - Erfassen einer zweiten zeitkorrelierten Lumineszenzmessung an einer zweiten Probe (P2), welche die erste Probe (P1) oder die ersten Proben (P11, P12) umfassen kann; - Ermitteln eines zweiten Abklingverhaltens (20) der Lumineszenz aus der zweiten Messung der zweiten Probe (P2); - Anpassen eines Gesamtmodells (MG) an das zweite Abklingverhalten (20), wobei das Gesamtmodell eine Linearkombination aus jedem ersten Modell (M1, M11, M12) und einem zweiten Modell (M2) umfasst, wobei die Linearkombination für jedes erste Modell (M1, M11, M12) einen jeweils diesem ersten Modell (M1, M11, M12) zugeordneten ersten Koeffizienten (g1) der Linearkombination umfasst und einen zweiten Koeffizienten (g2) der Linearkombination umfasst, der dem zweiten Modell (M2) zugeordnet ist, wobei zum Anpassen jeder erste Koeffizient (g1) und der zweite Koeffizient (g2) mit einem zweiten Anpassungsverfahren so variiert werden, dass das Gesamtmodell (MG) an das zweite Abklingverhalten (20) angepasst wird; wobei bei dem Anpassen mit dem zweiten Anpassungsverfahren zusätzlich noch mindestens ein Anpassungsparameter des zweiten Modells (M2) angepasst wird, sodass eine oder mehrere der zweiten Probe zugeordnete(n) Lumineszenzlebensdauer(n) und eine oder mehrere dazu assoziierte Amplitude(n) aus dem angepassten zweiten Modell (M2) ermittelt werden.Method for determining luminescence lifetimes of a luminescent sample, the method comprising at least a first and a second method section (V1, V2), the first method section (V1) being carried out at least once or several times, with each run of the first method section (V1) at least the following steps must be carried out: - Acquiring a first time-correlated luminescence measurement on a first sample (P1, P11), - Determining a first decay behavior (10) of the luminescence from the first measurement of the first sample (P1, P11); - Determining a first model (M1, M 11), which is adapted to the first decay behavior (10,11) using a first adaptation method or which corresponds to the first decay behavior (10,11) in the form of a first pattern; wherein, if the first method section (V1) is carried out several times, the first method section is each carried out with a further first sample (P12), so that a further first decay behavior (12) is determined for each further first sample (P12) and another first model (M12) is determined and is adapted to the respective further first decay behavior (12) using the first adaptation method and/or corresponds to the further first decay behavior (12) in the form of a further first pattern, wherein at least one first sample (P1, P11 , P12) has a variety of luminescence lifetimes; wherein the second method section (V2) comprises at least the following steps: - Acquiring a second time-correlated luminescence measurement on a second sample (P2), which may include the first sample (P1) or the first samples (P11, P12); - Determining a second decay behavior (20) of the luminescence from the second measurement of the second sample (P2); - Adapting an overall model (MG) to the second decay behavior (20), the overall model comprising a linear combination of each first model (M1, M11, M12) and a second model (M2), the linear combination for each first model (M1, M11, M12) comprises a first coefficient (g1) of the linear combination which is assigned to this first model (M1, M11, M12) and comprises a second coefficient (g2) of the linear combination which is assigned to the second model (M2), each for adapting first coefficient (g1) and the second coefficient (g2) are varied using a second adaptation method so that the overall model (MG) is adapted to the second decay behavior (20); wherein during the adjustment using the second adjustment method, at least one adjustment parameter of the second model (M2) is additionally adjusted, so that one or more luminescence lifetime(s) assigned to the second sample and one or more amplitude(s) associated therewith from the adjusted second model (M2) can be determined. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des ersten Modells (M1, M11, M12) an das erste Abklingverhalten (10, 11, 12) so mit dem ersten Anpassungsverfahren bestimmt wird, dass eine Abweichung zwischen dem ersten Modell (M1, M11, M12) und dem ersten Abklingverhalten (10, 11, 12) minimiert ist, insbesondere wobei das erste Anpassungsverfahren ein iteratives Optimierungsverfahren umfasst, insbesondere wobei das erste Anpassungsverfahren ein maximum-likelihood (MLE)-Verfahren oder ein kleinste-Quadrate (least squares) Verfahren umfasst.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the adaptation of the first model (M1, M11, M12) to the first decay behavior (10, 11, 12) is determined using the first adaptation method such that a deviation between the first model (M1, M11, M12) and the first decay behavior (10, 11, 12) is minimized, in particular wherein the first adaptation method comprises an iterative optimization method, in particular wherein the first adaptation method comprises a maximum likelihood (MLE) method or a least squares method. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des Gesamtmodells (MG) so mit dem zweiten Anpassungsverfahren bestimmt wird, dass eine Abweichung zwischen dem Gesamtmodell (MG) und dem zweiten Abklingverhalten (20) minimiert ist, insbesondere wobei das zweite Anpassungsverfahren ein iteratives Optimierungsverfahren umfasst, insbesondere wobei das zweite Anpassungsverfahren ein maximum-likelihood (MLE)-Verfahren oder ein kleinste-Quadrate (least squares) Verfahren umfasst.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the adaptation of the overall model (MG) is determined using the second adaptation method such that a deviation between the overall model (MG) and the second decay behavior (20) is minimized, in particular wherein the second adaptation method comprises an iterative optimization method, in particular wherein the second fitting method comprises a maximum likelihood (MLE) method or a least squares method. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede erste Probe (P1, P11, P12) eine der jeweiligen ersten Probe zugeordnete Zahl an Lumineszenzlebensdauern und assoziierten Amplituden aus dem jeweiligen ersten Modell (M1, M11, M12) ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that for each first sample (P1, P11, P12) a number of luminescence lifetimes and associated amplitudes assigned to the respective first sample is determined from the respective first model (M1, M11, M12). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Modell (M1, M12, M12) ein erstes parametrisches Modell umfasst (M1, M11), das eine Vielzahl an Lumineszenzlebensdauern und dazu assoziierte Amplituden als Anpassungsparameter aufweist, wobei im ersten Verfahrensabschnitt mit dem ersten Anpassungsverfahren die Lumineszenzlebensdauern und die dazu assoziierten Amplituden des ersten Modells (M1, M11) so variiert werden, dass das erste Modell (M1, M11) an das erste Abklingverhalten angepasst wird, insbesondere wobei im zweiten Verfahrensabschnitt die ermittelten Lumineszenzlebensdauern und die assoziierten Amplituden des ersten Modells (M1, M11) konstant gehalten werden und wobei die assoziierten Amplituden durch das zweite Anpassungsverfahren im zweiten Verfahrensabschnitt mit einem gemeinsamen Skalierungsfaktor, insbesondere mit dem ersten Koeffizienten (g1) der Linearkombination, multipliziert werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first model (M1, M12, M12) comprises a first parametric model (M1, M11) which has a plurality of luminescence lifetimes and associated amplitudes as adaptation parameters, in the first method section with In the first adaptation method, the luminescence lifetimes and the associated amplitudes of the first model (M1, M11) are varied so that the first model (M1, M11) is adapted to the first decay behavior, in particular wherein in the second method section the determined luminescence lifetimes and the associated amplitudes of the first model (M1, M11) are kept constant and the associated amplitudes are multiplied by the second adaptation method in the second method section with a common scaling factor, in particular with the first coefficient (g1) of the linear combination. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Modell (M2) ein zweites parametrisches Modell umfasst oder daraus besteht, welches als Anpassungsparameter eine oder mehrere Lumineszenzlebensdauern und dazu assoziierte Amplituden aufweist, wobei mit dem zweiten Anpassungsverfahren zusätzlich zu jedem ersten Koeffizienten (g1) und dem zweiten Koeffizienten (g2) die Lumineszenzlebensdauern und die dazu assoziierten Amplituden des zweiten Modells so variiert werden, dass das Gesamtmodell an das zweite Abklingverhalten angepasst wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the second model (M2) comprises or consists of a second parametric model which has one or more luminescence lifetimes and associated amplitudes as adaptation parameters, with the second adaptation method in addition to each first coefficient ( g1) and the second coefficient (g2), the luminescence lifetimes and the associated amplitudes of the second model are varied so that the overall model is adapted to the second decay behavior. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite parametrische Modell (M1, M11, M2) eine Linearkombination aus Exponentialfunktionen umfasst, wobei die Lumineszenzlebensdauern als Anpassungsparameter in den Exponenten der Exponentialfunktionen stehen und die assoziierten Amplituden als Anpassungsparameter die jeweiligen Vorfaktoren der Exponentialfunktionen bilden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first and/or the second parametric model (M1, M11, M2) comprises a linear combination of exponential functions, with the luminescence lifetimes as adaptation parameters in the exponents of the exponential functions and the associated amplitudes as adaptation parameters form the respective prefactors of the exponential functions. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erstes Modell (M12) ein erstes Muster umfasst, das insbesondere aus dem ersten Abklingverhalten (12) ermittelt wird, insbesondere wobei das erste Muster (12) dem ersten Abklingverhalten entspricht, insbesondere wobei das erste Muster dem ersten Abklingverhalten abzüglich eines Messuntergrunds entspricht, so dass bei einer Multiplikation des ersten Musters mit dem ersten Koeffizienten der Messuntergrund nicht mit skaliert wird, insbesondere wobei das erste Muster alle spektralen und/oder optischen Kanäle des ersten Abklingverhaltens umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least a first model (M12) comprises a first pattern which is determined in particular from the first decay behavior (12), in particular wherein the first pattern (12) corresponds to the first decay behavior, in particular where the first pattern corresponds to the first decay behavior minus a measurement background, so that when the first pattern is multiplied by the first coefficient, the measurement background is not scaled, in particular wherein the first pattern includes all spectral and / or optical channels of the first decay behavior. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Modell (M2) ein zweites Muster umfasst, das insbesondere anhand des zweiten Abklingverhaltens ermittelt wird, insbesondere wobei das zweite Muster dem zweiten Abklingverhalten abzüglich des ersten Modells entspricht, insbesondere wobei das zweite Muster alle spektralen und/oder optischen Kanäle des zweiten Abklingverhaltens umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the second model (M2) comprises a second pattern, which is determined in particular based on the second decay behavior, in particular wherein the second pattern corresponds to the second decay behavior minus the first model, in particular wherein the second pattern includes all spectral and / or optical channels of the second decay behavior. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Abklingverhalten (10, 11, 12, 20) jeweils mindestens zwei spektrale und/oder optische Kanäle umfasst, insbesondere wobei die Kanäle unterschiedliche Wellenlängenbereiche eines detektierten Lichts und/oder eines Anregungslichts umfassen, oder unterschiedliche Polarisationen detektierten des Lichts und/oder des Anregungslichts umfassen, insbesondere wobei das erste und das zweite Modell an alle Kanäle des jeweiligen Abklingverhaltens angepasst werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first and second decay behavior (10, 11, 12, 20) each comprises at least two spectral and/or optical channels, in particular wherein the channels have different wavelength ranges of a detected light and/or a Include excitation light, or include different polarizations detected of the light and / or the excitation light, in particular wherein the first and second models are adapted to all channels of the respective decay behavior. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Verfahrensabschnitt beim Anpassen des Gesamtmodells (MG) an das zweite Abklingverhalten (20) dem zweiten Modell (M2) ein Muster (MF1, MF2, MF3) zugeordnet wird, welches Teil einer Musterfamilie (MF) bestehend aus einer Vielzahl an unterschiedlichen vorbestimmten Mustern (MF1, MF2, MF3) ist, und wobei die Anpassung an das Gesamtmodell (MG) für jedes der Muster (MF1, MF2, MF3) der Musterfamilie (MF) durchgeführt wird und dasjenige Muster (MF1, MF2, MF3) als zweites Modell (M2) ausgewählt wird, welches zusammen mit dem ersten Modell (M1, M11, M12) die beste Anpassung an das zweite Abklingverhalten (20) erzielt, insbesondere wobei jedem Muster (MF1, MF2, MF3) aus der Musterfamilie (MF) mindestens eine Lumineszenzlebensdauer zugeordnet ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the second method section when adapting the overall model (MG) to the second decay behavior (20), a pattern (MF1, MF2, MF3) is assigned to the second model (M2), which is part of a pattern family (MF) consisting of a plurality of different predetermined patterns (MF1, MF2, MF3), and wherein the adaptation to the overall model (MG) is carried out for each of the patterns (MF1, MF2, MF3) of the pattern family (MF) and that Pattern (MF1, MF2, MF3) is selected as the second model (M2), which, together with the first model (M1, M11, M12), achieves the best fit to the second decay behavior (20), in particular with each pattern (MF1, MF2 , MF3) from the pattern family (MF) is assigned at least one luminescence lifetime. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Messung eine bildgebende Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie Messung (FLIM) umfasst, insbesondere wobei das (jeweilige) erste und das zweite Abklingverhalten (10, 20) jeweils aus mindestens einem Probenbereich von Interesse (region of interest (ROI)) bestimmt wird, insbesondere wobei der Probenbereich von Interesse auch aus einem einzigen Pixel bestehen kann, insbesondere wobei das erste und/oder das zweite Abklingverhalten jeweils aus einer Vielzahl von Probenbereichen von Interesse bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first and the second measurement comprises an imaging fluorescence lifetime microscopy measurement (FLIM), in particular wherein the (respective) first and the second decay behavior (10, 20) each come from at least one sample area of Interest (region of interest (ROI)) is determined, in particular wherein the sample area of interest can also consist of a single pixel, in particular wherein the first and / or the second decay behavior is each determined from a plurality of sample areas of interest. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Messung eine Punktmessung sind, insbesondere wobei die erste und die zweite Messung in einem Fluoreszenzlebensdauer-Spektrometer oder durch eine Punktmessung mit einem Mikroskop aufgenommen sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first and the second measurement are a point measurement, in particular wherein the first and the second measurement are recorded in a fluorescence lifetime spectrometer or by a point measurement with a microscope. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Verfahrensabschnitt das erste und das zweite Modell (M1, M11, M12, M2) beim Anpassen mit dem zweiten Anpassungsverfahren zeitlich gegeneinander verschoben werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the second method section the first and second models (M1, M11, M12, M2) during adaptation can be shifted in time with the second adjustment procedure. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Messung zeitkorrelierte Einzelphotonenmessungen oder zeitkorrelierte photonenzahlaufgelöste Messungen sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first and second measurements are time-correlated single photon measurements or time-correlated photon number-resolved measurements. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes erste und das zweite Abklingverhalten jeweils ein Histogramm (31, 32, 34, 33) sind oder als Histogramm darstellbar sind, insbesondere wobei jedes Histogramm einen oder mehrere der spektralen und/oder optischen Kanäle (ch) umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that each first and second decay behavior is each a histogram (31, 32, 34, 33) or can be displayed as a histogram, in particular wherein each histogram represents one or more of the spectral and / or optical channels (ch) includes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahren sowohl einzeln als auch in Kombination - die zweite Probe eine FRET-Probe umfasst, aufweisend mindestens ein FRET-Paar mit einem Donor und einem Akzeptor, der am FRET-Prozess teilnimmt, und die erste Probe dem FRET-Paar entspricht, aber der Akzeptor fehlt oder nicht am FRET Prozess teilnimmt, - die zweite Probe zumindest eine lumineszierende Komponente umfasst, und die erste Probe einen lumineszierenden oder einen autofluoreszenten Hintergrund umfasst, und/oder - die zweite Probe zumindest eine lumineszierende Komponente umfasst, und die erste Probe einen lumineszierenden Hintergrund eines Messvorrichtungsbestandteils umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the method both individually and in combination - the second sample comprises a FRET sample having at least one FRET pair with a donor and an acceptor which takes part in the FRET process, and the first sample corresponds to the FRET pair, but the acceptor is missing or does not participate in the FRET process, - the second sample comprises at least one luminescent component, and the first sample comprises a luminescent or an autofluorescent background, and / or - the second sample comprises at least one luminescent component, and the first sample comprises a luminescent background of a measuring device component. Computerprogramm oder ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass ein System zur zeitaufgelösten und zeitkorrelierten Messung eines Abklingverhaltens von Lumineszenz die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 17 ausführt.Computer program or a computer program product, comprising instructions that cause a system for the time-resolved and time-correlated measurement of a decay behavior of luminescence to carry out the method steps according to one of the Claims 1 until 17 executes.
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