DE102022112384B4 - METHOD, LIGHT MICROSCOPE AND COMPUTER PROGRAM FOR SETTING A TIME DELAY BETWEEN LIGHT PULSES - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Einstellen einer Zeitverzögerung (td) zwischen Lichtpulsen (P1, P2), wobei eine Probe (2) mittels mindestens einer Lichtquelle (3, 4) eines Lichtmikroskops (1) mit Licht erster Lichtpulse (P1) und zweiter Lichtpulse (P2) beleuchtet wird, wobei mittels eines Detektors (10, 10a, 10b) des Lichtmikroskops (1) ein Lichtsignal (L) detektiert wird, welches durch eine Kombination der ersten Lichtpulse (P1) und der zweiten Lichtpulse (P2) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtsignal (L) für verschiedene Zeitverzögerungen (td) zwischen den ersten Lichtpulsen (P1) und den zweiten Lichtpulsen (P2) erfasst wird, wobei diejenige Zeitverzögerung, die ein maximales Lichtsignal (L) ergibt, als Referenzwert festgelegt wird, und wobei ausgehend von dem Referenzwert die Zeitverzögerung (td) so auf einen gewünschten Wert eingestellt wird, dass Abbildungsparameter einer mikroskopischen Abbildung der Probe (2) optimiert werden.Method for setting a time delay (td) between light pulses (P1, P2), wherein a sample (2) is illuminated with light from first light pulses (P1) and second light pulses (P2) by means of at least one light source (3, 4) of a light microscope (1). is, wherein a light signal (L) is detected by means of a detector (10, 10a, 10b) of the light microscope (1), which is generated by a combination of the first light pulses (P1) and the second light pulses (P2), characterized in that the light signal (L) is detected for different time delays (td) between the first light pulses (P1) and the second light pulses (P2), the time delay that results in a maximum light signal (L) being set as a reference value, and starting from the reference value, the time delay (td) is set to a desired value so that imaging parameters of a microscopic image of the sample (2) are optimized.
Description
Technischer Bereich der ErfindungTechnical field of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Lichtmikroskop und ein Computerprogramm zum Einstellen einer Zeitverzögerung zwischen Lichtpulsen.The invention relates to a method, a light microscope and a computer program for setting a time delay between light pulses.
Stand der TechnikState of the art
In der Lichtmikroskopie, insbesondere in der Fluoreszenzmikroskopie, wird die gepulste Beleuchtung der Probe für verschiedene Zwecke eingesetzt, z. B. für die Analyse der Fluoreszenzlebensdauer, für die sogenannte pulse-interleaved-Mikroskopie, für die konfokale Mikroskopie und für die STED- (stimulated emission depletion) oder RESOLFT-Mikroskopie (reversible saturable optical linear fluorescence transitions).In light microscopy, especially in fluorescence microscopy, pulsed illumination of the sample is used for various purposes, e.g. B. for the analysis of the fluorescence lifetime, for the so-called pulse-interleaved microscopy, for confocal microscopy and for STED (stimulated emission depletion) or RESOLFT microscopy (reversible saturable optical linear fluorescence transitions).
Bei der STED- und RESOLFT-Mikroskopie wird ein Anregungslichtfokus mit einer Lichtverteilung von Fluoreszenz-Verhinderungslicht oder Schaltlicht mit einem lokalen Intensitätsminimum überlagert, das den angeregten Zustand der Fluorophore bis auf einen schmalen zentralen Bereich am Fokus entvölkert, was zu einer Steigerung der Auflösung bis unterhalb der Beugungsgrenze führt.In STED and RESOLFT microscopy, an excitation light focus is overlaid with a light distribution of fluorescence avoidance light or switching light with a local intensity minimum that depopulates the excited state of the fluorophores down to a narrow central region at the focus, resulting in an increase in resolution below the diffraction limit leads.
Lichtpulse können z. B. mit intern oder extern gepulsten Lasern oder z. B. mit CW-Lasern in Kombination mit einem Pulspicker erzeugt werden.Light pulses can e.g. B. with internally or externally pulsed lasers or z. B. can be generated with CW lasers in combination with a pulse picker.
Für bestimmte Anwendungen müssen die Lichtpulse mit anderen Ereignissen synchronisiert werden. So muss zum Beispiel bei der sogenannten pulse-interleaved-Mikroskopie die Zeitverzögerung zwischen den Pulsen verschiedener Laserquellen angepasst werden, um eine gewünschte Pulsfolge zu erzeugen.For certain applications the light pulses need to be synchronized with other events. For example, in so-called pulse-interleaved microscopy, the time delay between the pulses of different laser sources must be adjusted in order to generate a desired pulse sequence.
Wie z.B. in der Patentanmeldung
Die Anregung von Fluorophoren mit zwei Photonen unterschiedlicher Wellenlängen wird auch als Zwei-Farben-Zwei-Photonen-Anregung bezeichnet und ist z.B. in den Publikationen
Die Veröffentlichung von
Die
In der
Aus der
In der
Die
Die Druckschrift
Wie bereits oben erwähnt kann sich die Pulsverzögerung zwischen Lichtpulsen, beispielsweise zwischen Anregungspuls und STED-Puls bei der STED-Mikroskopie, erheblich auf die erzielte Abbildungsqualität auswirken. Die tatsächliche Pulsverzögerung ist jedoch abhängig von Umgebungsparametern und kann im Laufe eines Experiments bzw. zwischen verschiedenen Experimenten selbst bei konstanten Einstellungen variieren. Dies hat eine negative Auswirkung auf die Reproduzierbarkeit der erhaltenen Mikroskopie-Daten.As already mentioned above, the pulse delay between light pulses, for example between the excitation pulse and the STED pulse in STED microscopy, can have a significant impact on the image quality achieved. However, the actual pulse delay depends on environmental parameters and can vary over the course of an experiment or between different experiments, even with constant settings. This has a negative impact on the reproducibility of the microscopy data obtained.
Objektives ProblemObjective problem
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Lichtmikroskopie-Verfahren mit gepulster Beleuchtung zur Verfügung zu stellen, bei dem die Pulsverzögerung zwischen verschiedenen Lichtpulsen in reproduzierbarer Weise einstellbar ist.The present invention is therefore based on the object of providing a light microscopy method with pulsed illumination in which the pulse delay between different light pulses can be set in a reproducible manner.
LösungSolution
Dieses Ziel wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1 (Verfahren), 11 (Lichtmikroskop) und 12 (Computerprogramm) erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 angegeben und im Folgenden beschrieben.This goal is achieved by the subject matter of independent claims 1 (method), 11 (light microscope) and 12 (computer program). Advantageous embodiments of the invention are specified in
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer Zeitverzögerung zwischen Lichtpulsen, wobei eine Probe mittels mindestens einer Lichtquelle eines Lichtmikroskops mit Licht erster Lichtpulse und zweiter Lichtpulse beleuchtet wird, wobei mittels eines Detektors des Lichtmikroskops ein Lichtsignal detektiert wird, welches durch eine Kombination der ersten Lichtpulse und der zweiten Lichtpulse erzeugt wird. Dabei wird das Lichtsignal erfindungsgemäß nacheinander für verschiedene Zeitverzögerungen zwischen den ersten Lichtpulsen und den zweiten Lichtpulsen erfasst, wobei diejenige Zeitverzögerung, die ein maximales Lichtsignal ergibt, als Referenzwert festgelegt wird. Ausgehend von dem Referenzwert wird die Zeitverzögerung so auf einen gewünschten Wert (welcher ungleich Null ist) eingestellt, dass Abbildungsparameter einer mikroskopischen Abbildung der Probe optimiert werden.A first aspect of the invention relates to a method for setting a time delay between light pulses, wherein a sample is illuminated with light from first light pulses and second light pulses by means of at least one light source of a light microscope, a light signal being detected by means of a detector of the light microscope, which is determined by a combination of the first light pulses and the second light pulses are generated. According to the invention, the light signal is detected one after the other for different time delays between the first light pulses and the second light pulses, with the time delay that results in a maximum light signal being set as a reference value. Starting from the reference value, the time delay is set to a desired value (which is not zero) so that imaging parameters of a microscopic image of the sample are optimized.
Die ersten Lichtpulse und die zweiten Lichtpulse können jede für das mikroskopische Experiment geeignete Pulslänge haben, insbesondere im Femtosekunden-, Pikosekunden- oder Nanosekundenbereich. Die Lichtpulse können insbesondere durch einen triggerbaren oder nicht triggerbaren Pulslaser oder durch einen CW-Laser mittels eines Pulsselektors oder Pulspickers erzeugt werden.The first light pulses and the second light pulses can have any pulse length suitable for the microscopic experiment, in particular in the femtosecond, picosecond or nanosecond range. The light pulses can be generated in particular by a triggerable or non-triggerable pulse laser or by a CW laser using a pulse selector or pulse picker.
Die ersten und zweiten Lichtpulse werden insbesondere jeweils durch eine erste und zweite Lichtquelle erzeugt. Alternativ dazu ist es auch möglich, die ersten und zweiten Lichtpulse mit einer einzigen Lichtquelle zu erzeugen, beispielsweise mittels eines Weißlichtlasers, dessen Licht über einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird. Aus dem Licht der Teilstrahlen kann anschließend ein jeweiliger spektraler Bereich ausgewählt werden, z.B. mit optischen Filtern oder akusto-optisch durchstimmbaren Filtern (AOTF).The first and second light pulses are in particular each generated by a first and second light source. Alternatively, it is also possible to generate the first and second light pulses with a single light source, for example by means of a white light laser, the light of which is split into two partial beams via a beam splitter. A respective spectral range can then be selected from the light of the partial beams, e.g. using optical filters or acousto-optically tunable filters (AOTF).
Die ersten Lichtpulse und die zweiten Lichtpulse weisen insbesondere unterschiedliche Wellenlängen auf. Beispielsweise können die ersten und die zweiten Lichtpulse Wellenlängen aufweisen, mit denen unterschiedliche lichtemittierende Einheiten (z.B. Fluorophore) in der Probe anregbar sind.The first light pulses and the second light pulses in particular have different wavelengths. For example, the first and second light pulses can have wavelengths with which different light-emitting units (e.g. fluorophores) in the sample can be excited.
Unter der Zeitverzögerung zwischen den Lichtpulsen ist im Kontext dieser Anmeldung der zeitliche Unterschied zwischen den Zeitpunkten der Spitzenintensität der Lichtpulse zu verstehen.In the context of this application, the time delay between the light pulses is to be understood as the time difference between the times of the peak intensity of the light pulses.
Der besagte Referenzwert ist insbesondere eine Zeitverzögerung von Null. In diesem Fall werden die Lichtpulse zunächst zeitlich synchronisiert. Davon ausgehend kann dann ein gewünschter Wert der Zeitverzögerung ungleich Null eingestellt werden.The reference value in question is in particular a time delay of zero. In this case, the light pulses are first synchronized in time. Based on this, a desired time delay value other than zero can then be set.
Durch die Ermittlung des Referenzwertes wird die anschließende Einstellung der Zeitverzögerung unabhängig von Umgebungsschwankungen und apparativen Einflüssen. Auf diese Weise lässt sich die Reproduzierbarkeit von Mikroskopie-Ergebnissen erhöhen. Insbesondere werden durch das erfindungsgemäße Verfahren die Ergebnisse von Experimenten, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit demselben Lichtmikroskop durchgeführt werden sowie von Experimenten, die mit verschiedenen Lichtmikroskopen durchgeführt werden, besser miteinander vergleichbar.By determining the reference value, the subsequent setting of the time delay becomes independent of environmental fluctuations and equipment influences. In this way, the reproducibility of microscopy results can be increased. In particular, the method according to the invention makes it easier to compare the results of experiments that are carried out at different times with the same light microscope and of experiments that are carried out with different light microscopes.
Der Begriff „mikroskopische Abbildung“ ist im Kontext der vorliegenden Anmeldung in dem Sinne zu verstehen, dass mittels eines Lichtmikroskops ein Bild von Strukturen der Probe erstellt wird. Dafür ist jedoch nicht zwingend eine optische Abbildung der Probe im eigentlichen Sinne notwendig. Vielmehr fällt insbesondere auch das Erstellen einer Lokalisationskarte von einzelnen lichtemittierenden Einheiten in der Probe unter den Begriff „mikroskopische Abbildung“. Solche Lokalisationskarten können z.B. mithilfe der sogenannten PALM/STORM-Mikroskopie oder MINFLUX-Mikroskopie erstellt werden. Bei diesen Methoden werden Positionen einzelner Fluorophore in der Probe bestimmt und es wird anschließend aus einer Vielzahl von Positionsdaten eine Lokalisationskarte berechnet.The term “microscopic image” is to be understood in the context of the present application in the sense that an image of structures of the sample is created using a light microscope. However, this does not necessarily require an optical image of the sample in the actual sense. Rather, the creation of a localization map of individual light-emitting units in the sample also falls under the term “microscopic imaging”. Such localization maps can be created, for example, using so-called PALM/STORM microscopy or MINFLUX microscopy. With these methods, positions of individual fluorophores in the sample are determined and a localization map is then calculated from a large number of position data.
Erfolgt tatsächlich eine optische Abbildung, so kann diese durch Weitfeldbelichtung der Probe mit Anregungslicht und Detektion des emittierten Lichts (z.B. Fluoreszenzlichts) mit einem Flächendetektor wie etwa einer Kamera erfolgen. Alternativ dazu kann, wie es z. B. bei der Konfokalmikroskopie und bei der STED-Mikroskopie üblich ist, die Probe mit fokussiertem Anregungslicht gescannt werden (z.B. mit einem Galvoscanner) und das emittierte Licht kann mit einem Punktdetektor detektiert werden, wobei der Punktdetektor insbesondere konfokal zur Fokusebene in der Probe angeordnet ist. Dabei kann eine konfokale Lochblende vor dem Detektor angeordnet sein. Das detektierte Emissionslicht kann ebenfalls über den Scanner laufen (sogenannte descanned-Konfiguration) oder der Detektionsstrahlengang kann von der Probe aus gesehen vor dem Scanner abgeteilt werden (sogenannte non-descanned-Konfiguration).If optical imaging actually occurs, this can be done by wide-field exposure of the sample with excitation light and detection of the emitted light (e.g. fluorescent light) with an area detector such as a camera. Alternatively, as e.g. B. is common in confocal microscopy and STED microscopy, the sample can be scanned with focused excitation light (e.g. with a galvoscanner) and the emitted light can be detected with a point detector, the point detector being arranged in particular confocally to the focal plane in the sample . A confocal pinhole can be arranged in front of the detector. The detected emission light can also pass through the scanner (so-called descanned configuration) or the detection beam path can be divided in front of the scanner as seen from the sample (so-called non-descanned configuration).
Gemäß einer Ausführungsform werden mittels der ersten Lichtpulse lichtemittierende Einheiten (insbesondere Luminophore, weiter insbesondere Fluorophore) in der Probe angeregt, wobei mittels der zweiten Lichtpulse in der Probe eine Lichtverteilung von Emissionsverhinderungslicht mit einem lokalen Minimum gebildet wird, um die Lichtemission der lichtemittierenden Einheiten in einem Bereich um das lokale Minimum herum zu verhindern und die Probe mit einer Auflösung unterhalb einer Beugungsgrenze mikroskopisch abzubilden. Dabei werden die Abbildungsparameter der besagten mikroskopischen Abbildung mit der Auflösung unterhalb der Beugungsgrenze durch die erfindungsgemäße Einstellung der Zeitverzögerung optimiert.According to one embodiment, light-emitting units (in particular luminophores, more particularly fluorophores) in the sample are excited by means of the first light pulses, with a light distribution of emission prevention light with a local minimum being formed in the sample by means of the second light pulses in order to reduce the light emission of the light-emitting units in one To prevent the area around the local minimum and to image the sample microscopically with a resolution below a diffraction limit. The imaging parameters of the said microscopic image with the resolution below the diffraction limit are optimized by setting the time delay according to the invention.
Mit der „Auflösung“ ist in der vorliegenden Spezifikation der Abstand gemeint, den zwei Strukturen mindestens haben müssen, um bei einer mikroskopischen Abbildung als getrennte Strukturen wahrgenommen zu werden. Bei einer „Auflösung unterhalb der Beugungsgrenze“ handelt es sich insbesondere um eine Auflösung unterhalb des sogenannten Abbe-Limits. Das Abbe-Limit kann für die laterale Auflösung durch den Quotienten der Wellenlänge des detektierten Lichts und dem Zweifachen der numerischen Apertur des verwendeten Objektivs ausgedrückt werden.In this specification, “resolution” means the minimum distance that two structures must have in order to be perceived as separate structures in a microscopic image. A “resolution below the diffraction limit” is, in particular, a resolution below the so-called Abbe limit. The Abbe limit can be expressed for the lateral resolution by the quotient of the wavelength of the detected light and twice the numerical aperture of the objective used.
Der hier verwendete Begriff „lichtemittierende Einheiten“ bezeichnet Moleküle, Partikel oder molekulare Komplexe, die als Reaktion auf Beleuchtungslicht (hier insbesondere das Licht der ersten Lichtpulse) Licht emittieren. Das emittierte Licht kann beispielsweise durch Reflexion oder Streuung des Beleuchtungslichts erzeugt werden, oder, falls das Beleuchtungslicht Anregungslicht ist, das die lichtemittierenden Einheiten anregen kann, kann das emittierte Licht Lumineszenzlicht, insbesondere Fluoreszenzlicht oder Phosphoreszenzlicht sein. Bei den lichtemittierenden Einheiten kann es sich um einzelne Moleküle, Komplexe oder Aggregate von Molekülen oder Partikeln handeln. Die lichtemittierende Einheit kann selbst Licht emittieren oder ein oder mehrere Moleküle enthalten, die in einem Komplex, Aggregat oder Partikel Licht emittieren. Bei der Fluoreszenzmikroskopie können die lichtemittierenden Einheiten beispielsweise Fluorophore (kleine Moleküle oder fluoreszierende Makromoleküle wie fluoreszierende Proteine) oder einzelne Moleküle sein, die mit einem oder mehreren Fluorophoren markiert sind (z. B. Proteine, die durch eine chemische Bindung zwischen Aminosäureseitenketten und Fluorophoren an ein oder mehrere Fluorophore gebunden sind, oder Proteine, die an einen Antikörper oder eine ähnliche Einheit gebunden sind, wobei der Antikörper mit einem Fluorophor markiert ist). Ein Beispiel für ein lichtreflektierendes Teilchen ist ein Gold-Nanopartikel. Fluoreszierende Partikel können z. B. sogenannte quantum dots sein.The term “light-emitting units” used here refers to molecules, particles or molecular complexes that emit light in response to illuminating light (here in particular the light of the first light pulses). The emitted light can be generated, for example, by reflection or scattering of the illuminating light, or, if the illuminating light is excitation light that can excite the light-emitting units, the emitted light can be luminescent light, in particular fluorescent light or phosphorescent light. The light-emitting units can be individual molecules, complexes or aggregates of molecules or particles. The light-emitting entity may itself emit light or may contain one or more molecules that emit light in a complex, aggregate, or particle. In fluorescence microscopy, the light-emitting units can be, for example, fluorophores (small molecules or fluorescent macromolecules such as fluorescent proteins) or single molecules labeled with one or more fluorophores (e.g. proteins formed by a chemical bond between amino acid side chains and fluorophores). or multiple fluorophores bound, or proteins bound to an antibody or similar moiety, the antibody being labeled with a fluorophore). An example of a light-reflecting particle is a gold nanoparticle. Fluorescent particles can e.g. B. be so-called quantum dots.
Das Emissionsverhinderungslicht kann insbesondere STED-Licht sein, welches die lichtemittierenden Einheiten aus dem angeregten Zustand durch stimulierte Emissions-Depletion in den Grundzustand bzw. in einen energetisch über dem Grundzustand angeordneten Schwingungszustand überführt, aus dem die lichtemittierende Einheit spontan in den Grundzustand zurückfällt. In diesem Fall handelt es sich bei dem mikroskopischen Abbildungsverfahren um STED-Mikroskopie. Alternativ dazu kann das Emissionsverhinderungslicht auch Schaltlicht sein, welches die lichtemittierenden Einheiten, insbesondere aus dem angeregten Zustand, in einen Dunkelzustand, z.B. einen Triplett-Zustand, überführt. Dieser Effekt wird insbesondere bei der sogenannten RESOLFT (reversible saturable optical linear fluorescence transitions)-Mikroskopie ausgenutzt.The emission prevention light can in particular be STED light, which transfers the light-emitting units from the excited state through stimulated emission depletion into the ground state or into an oscillation state that is energetically arranged above the ground state, from which the light-emitting unit spontaneously falls back to the ground state. In this case, the microscopic imaging method is STED microscopy. Alternatively, the emission prevention light can also be a switching light, which converts the light-emitting units, in particular from the excited state, into a dark state, for example a triplet state. This effect is particularly exploited in so-called RESOLFT (reversible saturable optical linear fluorescence transitions) microscopy.
Durch diese Methoden lässt sich eine Auflösung unterhalb der Beugungsgrenze des Lichts erreichen (sogenannte superresolution-Mikroskopie), indem die effektive Detektions-Punktspreizfunktion durch das zusätzliche STED- oder Schaltlicht im Bereich um das lokale Minimum der Lichtverteilung verschmälert wird.Using these methods, a resolution below the diffraction limit of light can be achieved (so-called superresolution microscopy) by narrowing the effective detection point spread function through the additional STED or switching light in the area around the local minimum of the light distribution.
Die Lichtverteilung mit dem lokalen Minimum lässt sich insbesondere durch Phasenmodulation des entsprechenden Lichtstrahls erreichen. Beispielsweise kann der Lichtstrahl durch ein Phasenmuster moduliert werden, das mittels einer Phasenplatte oder eines räumlichen Lichtmodulators (spatial light modulator) erzeugt wird. Eine Modulation mit einem vortexförmigen Phasenmuster in einer zur Objektivpupille konjugierten Ebene führt z.B. zu einer sogenannten Donut-Lichtverteilung in der Fokusebene. Durch einen ringförmigen Phasensprung in der besagten zur Pupille konjugierten Ebene lässt sich am Fokus eine sogenannte bottle-beam-Verteilung erzeugen, die teilweise auch als 3D-Donut bezeichnet wird.The light distribution with the local minimum can be achieved in particular by phase modulation of the corresponding light beam. For example, the light beam can be modulated by a phase pattern generated using a phase plate or a spatial light modulator. A modulation with a vortex-shaped phase pattern in a plane conjugate to the objective pupil, for example, leads to a so-called donut light distribution in the focal plane. By means of an annular phase jump in the said plane conjugate to the pupil, a so-called bottle-beam distribution can be created at the focus, which is sometimes also referred to as a 3D donut.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Lichtsignal durch Summenfrequenzerzeugung, Differenzfrequenzerzeugung oder Frequenzmischung der ersten Lichtpulse und der zweiten Lichtpulse erzeugt. Zu diesem Zweck kann in der Probe oder an anderer geeigneter Stelle separat von der Probe ein Substrat mit einer geeigneten elektrischen Suszeptibilität zweiter Ordnung vorgesehen werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Intensität des Lichtsignals stark von der zeitlichen Koordination der ersten und zweiten Lichtpulse abhängt. Daher lässt sich durch die genannten Effekte der Referenzwert der Zeitverzögerung sehr genau bestimmen. Zusätzlich ergibt sich der Vorteil, dass detektiertes Licht einer eindeutigen Wellenlänge erzeugt werden kann, das sich insbesondere von dem Beleuchtungslicht und dem von der lichtemittierenden Einheit emittierten Licht unterscheiden kann. Dieses Licht kann somit insbesondere z.B. über entsprechende Filter oder dichroitische Strahlteiler von dem übrigen Licht abgetrennt werden. According to a further embodiment, the light signal is generated by sum frequency generation, difference frequency generation or frequency mixing of the first light pulses and the second light pulses. For this purpose, a substrate with a suitable second-order electrical susceptibility can be provided in the sample or at another suitable location separate from the sample. This embodiment has the advantage that the intensity of the light signal depends heavily on the temporal coordination of the first and second light pulses. Therefore, the reference value of the time delay can be determined very precisely using the effects mentioned. In addition, there is the advantage that detected light of a unique wavelength can be generated, which can differ in particular from the illuminating light and the light emitted by the light-emitting unit. This light can therefore be separated from the remaining light, for example using appropriate filters or dichroic beam splitters.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Lichtsignal durch eine Zwei-Photonen-Anregung, insbesondere durch eine Zwei-Farben-Zwei-Photonen-Anregung (für den Fall, dass sich die Wellenlängen der ersten und zweiten Lichtpulse voneinander unterscheiden), insbesondere von lichtemittierenden Einheiten in der Probe oder durch das Substrat oder durch ein Material einer aktiven Oberfläche eines Detektors, durch die ersten Lichtpulse und die zweiten Lichtpulse erzeugt. So können beispielsweise Emitter (z. B. Fluorophore) in die Probe eingebracht werden, die für die Zwei- Photonen-Mikroskopie bei den Wellenlängen der ersten und zweiten Lichtpulse geeignet sind. Das Maximum des emittierten Lichts wird dann erfasst, wenn die ersten Lichtpulse und die zweiten Lichtpulse zeitlich genau aufeinander abgestimmt sind. Die lichtemittierenden Einheiten können dieselben Einheiten sein, die für die mikroskopische Abbildung der Probe verwendet werden oder es können, wie weiter unter beschrieben, verschiedene Arten von lichtemittierenden Einheiten für das Lichtsignal und die Abbildung verwendet werden. Auch bei der Ausnutzung des Zwei-Photonen-Effekts ergibt sich der Vorteil, dass die Lichtintensität des Lichtsignals stark von der zeitlichen Synchronisation der Lichtpulse abhängt und somit der Referenzwert sehr genau bestimmbar ist.According to a further embodiment, the light signal is generated by a two-photon excitation, in particular by a two-color, two-photon excitation (in the event that the wavelengths of the first and second light pulses differ from each other), in particular from light-emitting units in the sample or through the substrate or through a material of an active surface of a detector, generated by the first light pulses and the second light pulses. For example, emitters (e.g. fluorophores) that are suitable for two-photon microscopy at the wavelengths of the first and second light pulses can be introduced into the sample. The maximum of the emitted light is detected when the first light pulses and the second light pulses are precisely timed to one another. The light emitting units may be the same units used for microscopic imaging of the sample or, as described further below, different types of light emitting units may be used for the light signal and imaging. The advantage of using the two-photon effect is that: Light intensity of the light signal depends heavily on the temporal synchronization of the light pulses and the reference value can therefore be determined very precisely.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden erste lichtemittierende Einheiten in der Probe durch die ersten Lichtpulse angeregt, wobei durch die zweiten Lichtpulse die Lichtemission der ersten lichtemittierenden Einheiten in dem Bereich um das lokale Minimum herum verhindert wird, und wobei das Lichtsignal durch die Zwei-Photonen-Anregung von zweiten lichtemittierenden Einheiten in der Probe, die von den ersten lichtemittierenden Einheiten verschieden sind, durch die ersten Lichtpulse und die zweiten Lichtpulse erzeugt wird.According to a further embodiment, first light-emitting units in the sample are excited by the first light pulses, wherein the second light pulses prevent the light emission of the first light-emitting units in the area around the local minimum, and wherein the light signal is generated by the two-photon excitation of second light-emitting units in the sample, which are different from the first light-emitting units, is generated by the first light pulses and the second light pulses.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden erste lichtemittierende Einheiten in einer ersten Probe (z.B. einer Messprobe) durch die ersten Lichtpulse angeregt, wobei durch die zweiten Lichtpulse die Lichtemission der ersten lichtemittierenden Einheiten in dem Bereich um das lokale Minimum herum verhindert wird, und wobei das Lichtsignal durch die Zwei-Photonen-Anregung von zweiten lichtemittierenden Einheiten in einer zweiten Probe (z.B. einer Kalibrierungsprobe), die von den ersten lichtemittierenden Einheiten verschieden sind, durch die ersten Lichtpulse und die zweiten Lichtpulse erzeugt wird.According to a further embodiment, first light-emitting units in a first sample (e.g. a measurement sample) are excited by the first light pulses, the second light pulses preventing the light emission of the first light-emitting units in the area around the local minimum, and the light signal passing through the two-photon excitation of second light-emitting units in a second sample (e.g. a calibration sample), which are different from the first light-emitting units, is generated by the first light pulses and the second light pulses.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Lichtsignal durch Beleuchten eines Substrats mit dem Licht der ersten Lichtpulse und der zweiten Lichtpulse erzeugt. Dieses Substrat kann z.B. ein Material mit einer geeigneten elektrischen Suszeptibilität zweiter Ordnung umfassen, so dass das Lichtsignal beispielsweise durch Summenfrequenzerzeugung, Differenzfrequenzerzeugung oder Frequenzmischung erzeugt werden kann. Das Substrat kann ein Teil der Probe, mit der Probe verbunden oder in der Probe enthalten sein. Alternativ dazu kann das Substrat auch von der Probe getrennt und insbesondere an einem anderen Ort im Strahlengang des Lichtmikroskops angeordnet sein. According to a further embodiment, the light signal is generated by illuminating a substrate with the light of the first light pulses and the second light pulses. This substrate can, for example, comprise a material with a suitable second-order electrical susceptibility, so that the light signal can be generated, for example, by sum frequency generation, difference frequency generation or frequency mixing. The substrate may be part of the sample, associated with the sample, or contained in the sample. Alternatively, the substrate can also be separated from the sample and, in particular, arranged at a different location in the beam path of the light microscope.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Lichtsignal mittels eines ersten Detektors erfasst, wobei von von den ersten Lichtpulsen angeregten lichtemittierenden Einheiten in der Probe ausgehendes Licht mittels eines zweiten Detektors erfasst wird, wobei der zweite Detektor von dem ersten Detektor verschieden ist. Bei einer Verwendung von zwei getrennten Detektoren können die Detektoren in für die jeweiligen Messanforderungen idealer Weise ausgewählt werden. Z.B. können die Detektoren für die Detektion von Licht verschiedener Wellenlängenbereiche ausgelegt sein. Alternativ können das Lichtsignal und das von den von den ersten Lichtpulsen angeregten lichtemittierenden Einheiten ausgehende Licht auch mit demselben Detektor erfasst werden.According to a further embodiment, the light signal is detected by means of a first detector, light emanating from light-emitting units in the sample excited by the first light pulses being detected by means of a second detector, the second detector being different from the first detector. When using two separate detectors, the detectors can be selected in an ideal manner for the respective measurement requirements. For example, the detectors can be designed for the detection of light in different wavelength ranges. Alternatively, the light signal and the light emitted by the light-emitting units excited by the first light pulses can also be detected with the same detector.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform entsteht das Lichtsignal an einer aktiven Oberfläche des ersten Detektors, insbesondere wobei die aktive Oberfläche ein Halbleitermaterial aufweist, das mittels einer Zwei-Photonen-Anregung von einer Kombination der ersten Lichtpulse und der zweiten Lichtpulse anregbar ist. Bei dem Halbleitermaterial kann es sich z.B. um Galliumarsenidphosphid oder ein photophysikalisch ähnliches Material handeln. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass kein separates Substrat zur Erzeugung des Lichtsignals notwendig ist. Dies führt zu einer konstruktiv besonders einfachen und benutzerfreundlichen Implementation des Verfahrens. Insbesondere ist dabei ein separater zweiter Detektor zur Erfassung des von den lichtemittierenden Einheiten in der Probe ausgehenden Lichts vorgesehen.According to a further embodiment, the light signal arises on an active surface of the first detector, in particular wherein the active surface has a semiconductor material that can be excited by means of two-photon excitation from a combination of the first light pulses and the second light pulses. The semiconductor material can be, for example, gallium arsenide phosphide or a photophysically similar material. This embodiment has the advantage that no separate substrate is necessary to generate the light signal. This leads to a particularly simple and user-friendly implementation of the method. In particular, a separate second detector is provided for detecting the light emitted by the light-emitting units in the sample.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Referenzwert auf Basis einer Kreuzkorrelation zwischen den ersten Lichtpulsen und den zweiten Lichtpulsen ermittelt. Dabei wird insbesondere eine Kreuzkorrelationsfunktion zwischen den ersten Lichtpulsen und den zweiten Lichtpulsen berechnet. Insbesondere ist der Referenzwert diejenige Zeitverzögerung zwischen den ersten Lichtpulsen und den zweiten Lichtpulsen, für die sich ein Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion ergibt.According to a further embodiment, the reference value is determined based on a cross-correlation between the first light pulses and the second light pulses. In particular, a cross-correlation function between the first light pulses and the second light pulses is calculated. In particular, the reference value is the time delay between the first light pulses and the second light pulses for which a maximum of the cross-correlation function results.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen die durch Einstellung der Zeitverzögerung optimierten Abbildungsparameter eine Auflösung und/oder ein Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis. Mit anderen Worten: Durch geeignete Auswahl der Zeitverzögerung wird die Auflösung und/oder das Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis der mikroskopischen Abbildung der Probe optimiert. Insbesondere bei der STED-Mikroskopie wirkt sich die Verzögerung zwischen Anregungspuls und STED-Puls auf die Auflösung aus. Dies ist insbesondere deshalb der Fall, da sich je nachdem, wann der STED-Puls die Probe erreicht, unterschiedliche Anteile der Fluorophore im angeregten Zustand und im Grundzustand befinden. Dies kann insbesondere auch einen Einfluss auf das Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis haben, insbesondere da das Ausmaß der unerwünschten direkten Anregung der Fluorophore durch das STED-Licht abhängig von der Anzahl der Fluorophore im Grundzustand ist.According to a further embodiment, the imaging parameters optimized by setting the time delay include a resolution and/or a signal-to-background ratio. In other words, by appropriately selecting the time delay, the resolution and/or the signal-to-background ratio of the microscopic image of the sample is optimized. Particularly in STED microscopy, the delay between the excitation pulse and the STED pulse affects the resolution. This is particularly the case because, depending on when the STED pulse reaches the sample, different proportions of the fluorophores are in the excited state and in the ground state. In particular, this can also have an influence on the signal-to-background ratio, especially since the extent of undesirable direct excitation of the fluorophores by the STED light depends on the number of fluorophores in the ground state.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Lichtmikroskop umfassend eine Vorrichtung zum Einstellen einer Zeitverzögerung zwischen Lichtpulsen, insbesondere nach dem Verfahren nach dem ersten Aspekt. Die Vorrichtung umfasst mindestens eine Lichtquelle, die dazu ausgebildet ist, eine Probe mit Licht erster Lichtpulse und zweiter Lichtpulse zu beleuchten. Die Vorrichtung weist weiterhin mindestens einen Detektor auf, der dazu ausgebildet ist, ein Lichtsignal zu erfassen, welches durch eine Kombination der ersten Lichtpulse und der zweiten Lichtpulse erzeugbar ist. Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Steuervorrichtung, die dazu ausgebildet ist, verschiedene Zeitverzögerungen zwischen den ersten Lichtpulsen und den zweiten Lichtpulsen einzustellen, wobei der mindestens eine Detektor des Lichtmikroskops dazu ausgebildet ist, das Lichtsignal für die verschiedenen Zeitverzögerungen zu erfassen. Schließlich weist die Vorrichtung eine Datenverarbeitungsvorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, diejenige Zeitverzögerung, die ein maximales Lichtsignal ergibt, zu bestimmen und als Referenzwert festzulegen, wobei die Steuervorrichtung dazu ausgebildet ist, ausgehend von dem Referenzwert die Zeitverzögerung so auf einen gewünschten Wert einzustellen, dass Abbildungsparameter einer mikroskopischen Abbildung der Probe optimiert werden.A second aspect of the invention relates to a light microscope comprising a device for setting a time delay between light pulses, in particular according to the method according to the first aspect. The device comprises at least one light source which is designed to provide a sample with light from first light pulses and second light to illuminate pulses. The device further has at least one detector which is designed to detect a light signal which can be generated by a combination of the first light pulses and the second light pulses. In addition, the device comprises a control device which is designed to set different time delays between the first light pulses and the second light pulses, wherein the at least one detector of the light microscope is designed to detect the light signal for the different time delays. Finally, the device has a data processing device which is designed to determine the time delay that results in a maximum light signal and to set it as a reference value, the control device being designed to set the time delay to a desired value based on the reference value so that Imaging parameters of a microscopic image of the sample can be optimized.
Dabei sind insbesondere mittels der ersten Lichtpulse lichtemittierende Einheiten in der Probe anregbar, wobei mittels der zweiten Lichtpulse in der Probe eine Lichtverteilung von Emissionsverhinderungslicht mit einem lokalen Minimum erzeugbar ist, um die Lichtemission der lichtemittierenden Einheiten in einem Bereich um das lokale Minimum herum zu verhindern und die Probe mit einer Auflösung unterhalb einer Beugungsgrenze mikroskopisch abzubilden.In particular, light-emitting units in the sample can be excited by means of the first light pulses, with a light distribution of emission prevention light with a local minimum being able to be generated in the sample by means of the second light pulses in order to prevent the light emission of the light-emitting units in an area around the local minimum and to image the sample microscopically with a resolution below a diffraction limit.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine erste Lichtquelle, die dazu ausgebildet ist, die ersten Lichtpulse zu erzeugen und/oder die Vorrichtung weist eine zweite Lichtquelle auf, die dazu ausgebildet ist, die zweiten Lichtpulse zu erzeugen. Die Vorrichtung weist weiterhin insbesondere mindestens einen Strahlkombinierer (z.B. einen oder mehrere dichroitische Spiegel) auf, der dazu ausgebildet ist, das Licht der ersten Lichtpulse und der zweiten Lichtpulse in einem gemeinsamen Strahlengang zu kombinieren.According to a further embodiment, the device comprises a first light source which is designed to generate the first light pulses and/or the device has a second light source which is designed to generate the second light pulses. The device furthermore has, in particular, at least one beam combiner (e.g. one or more dichroic mirrors), which is designed to combine the light from the first light pulses and the second light pulses in a common beam path.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Lichtmodulator auf, der dazu ausgebildet ist, die Lichtverteilung des Lichts der zweiten Lichtpulse mit dem lokalen Minimum am Fokus in der Probe zu erzeugen.According to a further embodiment, the device has a light modulator which is designed to generate the light distribution of the light of the second light pulses with the local minimum at the focus in the sample.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Steuervorrichtung auf, die mit der ersten Lichtquelle und der zweiten Lichtquelle verbunden ist, wobei die Steuervorrichtung dazu ausgebildet ist, die Zeitverzögerung zwischen den ersten Lichtpulsen und den zweiten Lichtpulsen einzustellen.According to a further embodiment, the device has a control device which is connected to the first light source and the second light source, the control device being designed to adjust the time delay between the first light pulses and the second light pulses.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Lichtmikroskop einen ersten Detektor auf, der dazu ausgebildet ist, das Lichtsignal zu erfassen, welches durch eine Kombination der ersten Lichtpulse und der zweiten Lichtpulse erzeugbar ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Lichtmikroskop einen von dem ersten Detektor verschiedenen zweiten Detektor auf, der dazu ausgebildet ist, von lichtemittierenden Einheiten in der Probe ausgehendes Licht zu erfassen, die von den ersten Lichtpulsen angeregt wurden.According to one embodiment, the light microscope has a first detector which is designed to detect the light signal which can be generated by a combination of the first light pulses and the second light pulses. According to a further embodiment, the light microscope has a second detector that is different from the first detector and is designed to detect light emitted by light-emitting units in the sample that were excited by the first light pulses.
Ein dritter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Computerprogramm, das Programmcode umfasst, der dazu ausgebildet ist, das Lichtmikroskop nach dem zweiten Aspekt zu veranlassen, das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt auszuführen.A third aspect of the invention relates to a computer program comprising program code designed to cause the light microscope according to the second aspect to carry out the method according to the first aspect.
Sämtliche Merkmale des Verfahrens nach dem ersten Aspekt gelten analog auch für das Lichtmikroskop nach dem zweiten Aspekt das Computerprogramm nach dem dritten Aspekt.All features of the method according to the first aspect also apply analogously to the light microscope according to the second aspect and the computer program according to the third aspect.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen und den zugehörigen Erläuterungen zu den Zeichnungen. Die beschriebenen Vorteile von Merkmalen und / oder Merkmalskombinationen der Erfindung sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen.Advantageous developments of the invention result from the patent claims, the description and the drawings and the associated explanations for the drawings. The described advantages of features and/or combinations of features of the invention are merely examples and can have an alternative or cumulative effect.
Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts (aber nicht des Schutzbereichs) der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten relativen Anordnungen und Wirkverbindungen - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt.With regard to the disclosure content (but not the scope of protection) of the original application documents and the patent, the following applies: Further features can be found in the drawings - in particular the relative arrangements and active connections shown. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different patent claims is also possible, deviating from the selected relationships of the patent claims, and is hereby encouraged. This also applies to features that are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different patent claims. Likewise, features listed in the patent claims may be omitted for further embodiments of the invention, but this does not apply to the independent patent claims of the granted patent.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.The reference symbols contained in the patent claims do not represent a limitation on the scope of the subject matter protected by the patent claims. They merely serve the purpose of making the patent claims easier to understand.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
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1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtmikroskops;1 shows a first embodiment of the light microscope according to the invention; -
2 zeigt schematisch die Einstellung einer Zeitverzögerung zwischen ersten Lichtpulsen und zweiten Lichtpulsen durch Maximierung eines durch Zwei-Photonen-Anregung erhaltenen Lichtsignals gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;2 shows schematically the setting of a time delay between first light pulses and second light pulses by maximizing a light signal obtained by two-photon excitation according to an embodiment of the method according to the invention; -
3 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtmikroskops;3 shows a second embodiment of the light microscope according to the invention; -
4 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtmikroskops.4 shows a third embodiment of the light microscope according to the invention.
Beschreibung der ZeichnungenDescription of the drawings
Das Lichtmikroskop 1 umfasst eine erste Lichtquelle 3, die dazu ausgebildet ist, erste Lichtpulse P1 zu erzeugen und eine zweite Lichtquelle 4, die dazu ausgebildet ist, zweite Lichtpulse P2 zu erzeugen, um die Probe 2 zu beleuchten. Bei der ersten Lichtquelle 3 und der zweiten Lichtquelle 4 kann es sich jeweils um Pulslaser handeln. Die ersten Lichtpulse P1 und die zweiten Lichtpulse P2 werden über einen ersten dichroitischen Spiegel 5a in einem Hauptstrahlengang des Lichtmikroskops 1 vereinigt. Die kombinierten ersten und zweiten Lichtpulse P1+P2 werden von einem zweiten dichroitischen Spiegel 5b transmittiert, durchlaufen einen Scanner 6 mit einem oder mehreren (typischerweise mindestens zwei) Scan-Spiegeln 61 und einer Scan-Linse 62 sowie eine Tubuslinse 7 und werden durch ein Objektiv 8 in die Probe 2 fokussiert.The
Lichtemittierende Einheiten in der Probe 2 werden von dem Licht der ersten Lichtpulse P1 angeregt und emittieren daraufhin Licht (z. B. Fluoreszenzlicht). Die zweiten Lichtpulse P2 umfassen Verhinderungslicht, das den angeregten Zustand der lichtemittierenden Einheiten in der Probe 2 depletiert (z. B. durch stimulierte Emissions-Depletion, STED), oder Schaltlicht, das die lichtemittierenden Einheiten in einen nicht emittierenden Dunkelzustand (z.B. einen Triplett-Zustand) überführt (wie z. B. aus der RESOLFT-Mikroskopie bekannt).Light-emitting units in the
Zwischen der zweiten Lichtquelle 4 und dem ersten dichroitischen Spiegel 5a ist ein Lichtmodulator 11 angeordnet, der das Licht der zweiten Lichtpulse P2 in der Fokusebene in der Probe 2 zu einer hohlen, insbesondere donut- oder bottle-beam-förmigen Lichtverteilung mit einem lokalen Intensitätsminimum formt. Dadurch erfolgt die Lichtemission der lichtemittierenden Einheiten nur in einem kleinen Bereich um den geometrischen Fokus, was zu einer Auflösung unterhalb der Beugungsgrenze führt. Der Lichtmodulator 11 kann z. B. ein programmierbarer räumlicher Lichtmodulator mit Pixeln (ein sogenannter spatial light modulator, z. B. betrieben im Beugungs- oder Reflexionsmodus oder im Transmissionsmodus) oder eine Phasenplatte sein, die ein Verzögerungsmuster zur Phasenmodulation des durch die zweiten Lichtpulse P2 gebildeten Lichtstrahls aufweist. So kann z. B. ein sogenanntes Vortex-Phasenmuster angezeigt werden, um einen donutförmigen Fokus zu bilden, und ein ringförmiges Phasenmuster mit einem Phasensprung um den Wert π kann angezeigt werden, um einen bottle-beam-förmigen Fokus zu bilden.A
Das von den lichtemittierenden Einheiten in der Probe 2 emittierte Licht wandert von der Probe 2 durch das Objektiv 8 und die Tubuslinse 7 zurück, wird vom Scanner 6 entscannt und aufgrund seiner Wellenlänge von dem zweiten dichroitischen Spiegel 5b reflektiert.The light emitted by the light-emitting units in the
Das reflektierte Emissionslicht passiert eine konfokale Lochblende 9 und wird von einem Detektor 10, insbesondere einem Punktdetektor, wie einer Avalanche-Photodiode, einem Photomultiplier oder einem Hybriddetektor, aufgenommen.The reflected emission light passes through a
Die erste Lichtquelle 3 und die zweite Lichtquelle 4 sind mit einer Steuervorrichtung 13 gekoppelt, die dazu ausgebildet ist, die Zeitverzögerung td zwischen den ersten Lichtpulsen P1 und den zweiten Lichtpulsen P2 einzustellen.The first
Wird die Zeitverzögerung auf den Wert Null eingestellt, können geeignete lichtemittierende Einheiten, nämlich bestimmte Fluorophore, in der Probe 2 durch die Kombination der ersten Lichtpulse P1 und der zweiten Lichtpulse P2 durch eine Zwei-Farben-Zwei-Photonen-Anregung angeregt werden und daraufhin Fluoreszenzlicht emittieren. Dafür ist erforderlich, dass die effektive Anregungswellenlänge
Das Lichtsignal L wird gemäß der in
Schließlich wird die Probe 2 in einem Messschritt durch Abtastung über den Scanner 6 mit dem kombinierten Anregungslicht und STED-Licht der ersten Lichtpulse P1 und zweiten Lichtpulse P2 mit einer Auflösung unterhalb der Beugungsgrenze mikroskopisch abgebildet. Dabei werden lichtemittierende Einheiten in der Probe 2, insbesondere andere lichtemittierende Einheiten als diejenigen, die in dem Kalibrierungsschritt mittels Zwei-Farben-Zwei-Photonen-Anregung angeregt wurden, mittels des Lichts der ersten Lichtpulse P1 angeregt und in einem Bereich um das zentrale lokale Minimum der durch die zweiten Lichtpulse P2 am Fokus hervorgerufenen Lichtverteilung durch stimulierte Emission abgeregt. Das emittierte Fluoreszenzlicht aus dem Bereich des lokalen Minimums gelangt über das Objektiv 8, die Tubuslinse 7, den Scanner 6, den dichroitischen Spiegel 5b und die konfokale Lochblende 9 zum Detektor 10. Mittels der Datenverarbeitungsvorrichtung 12 kann dann ein Bild der Probe 2 berechnet werden.Finally, the
Der Detektor 10 wird also gemäß der in
Die Einstellung der Zeitverzögerung td zwischen den ersten Lichtpulsen P1 und den zweiten Lichtpulsen P2 gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in
Nachdem die Zeitverzögerung td auf Null eingestellt wurde, was dem Referenzwert entspricht, kann die Zeitverzögerung td ausgehend von dem Referenzwert auf einen gewünschten Wert größer Null angepasst werden, insbesondere um eine Emissions-Verhinderungseffizienz und damit die Ortsauflösung der STED-Mikroskopie zu optimieren. Vorteilhafterweise kann durch die erfindungsgemäße vorherige Kalibrierung der ersten Lichtpulse P1 und der zweiten Lichtpulse P2 die optimierte Zeitverzögerung td sehr genau und reproduzierbar von Experiment zu Experiment eingestellt werden, was zu genauen und reproduzierbaren Abbildungsergebnissen führt.After the time delay t d has been set to zero, which corresponds to the reference value, the time delay t d can be adjusted from the reference value to a desired value greater than zero, in particular in order to optimize emission prevention efficiency and thus the spatial resolution of STED microscopy. Advantageously, through the inventive prior calibration of the first light pulses P1 and the second light pulses P2, the optimized time delay t d can be set very precisely and reproducibly from experiment to experiment, which leads to accurate and reproducible imaging results.
In
Im Unterschied zu der Ausführungsform nach
Bei der in
Ein anderer Anteil des kombinierten Lichts der ersten und zweiten Lichtpulse P1+P2 wird von dem Strahlteiler 14 transmittiert und gelangt über den Scanner 6 und die Tubuslinse 7 zum Objektiv 8, welches das Licht in die Probe 2 fokussiert. Dort werden von dem Licht der ersten Lichtpulse P1 lichtemittierende Einheiten, z.B. Fluorophore, angeregt. Das durch den Lichtmodulator 11 phasenmodulierte Licht der zweiten Lichtpulse P2 bildet am Fokus in der Probe 2 eine Lichtverteilung mit einem lokalen Minimum, z.B. eine donutförmige Lichtverteilung, aus. Die lichtemittierenden Einheiten werden von dem Licht der zweiten Lichtpulse P2 in einem Bereich um das lokale Minimum herum abgeregt, so dass nur die nah an dem lokalen Minimum positionierten lichtemittierenden Einheiten Licht, z.B. Fluoreszenzlicht, emittieren. Das emittierte Licht gelangt durch das Objektiv 8, die Tubuslinse 7 und den Scanner 6 zurück in den Hauptstrahlengang, wird aufgrund seiner im Vergleich zum Anregungslicht und zum Verhinderungslicht längeren Wellenlänge von dem zweiten dichroitischen Spiegel 5b und dem ersten dichroitischen Spiegel 5a transmittiert und erreicht durch die konfokale Lochblende 9 hindurch den zweiten Detektor 10b. Aus den für eine Vielzahl von Scanpositionen mit dem zweiten Detektor 10b gemessenen Lichtintensitäten wird ein Scanbild der Probe 2 mit einer Auflösung unterhalb der Beugungsgrenze erstellt.Another portion of the combined light from the first and second light pulses P1+P2 is transmitted by the
Wie bereits oben für die in
Anschließend wird mit der optimierten Zeitverzögerung td wie oben beschrieben unter Verwendung des zweiten Detektors 10b ein Scanbild der Probe 2 aufgenommen.A scan image of the
Die in
In diesem Fall kann der Kalibrierungsschritt ggf. sogar gleichzeitig mit dem Messschritt oder parallel zu dem Messschritt durchgeführt werden. Das Lichtsignal L und das von den lichtemittierenden Einheiten in der Probe 2 erzeugte Licht können also parallel mit dem ersten Detektor 10a und dem zweiten Detektor 10b erfasst werden. Dies kann z.B. für eine laufende Bestimmung des Referenzwertes und somit eine laufende Kalibrierung der Zeitverzögerung zwischen den ersten Lichtpulsen P1 und den zweiten Lichtpulsen P2 genutzt werden.In this case, the calibration step can possibly even be carried out simultaneously with the measuring step or in parallel to the measuring step. The light signal L and the light generated by the light-emitting units in the
Um sicherzustellen, dass nur das gewünschte Lichtsignal L den ersten Detektor 10a erreicht, können geeignete Filter zwischen dem Substrat 15 und dem ersten Detektor 10a angeordnet werden (nicht gezeigt). Mögliche zu vermeidende Störsignale sind z.B. SHG (second harmonic generation)-Signale. Ebenso kann es erforderlich sein, in den Strahlengang des Lichtmikroskops 1 an geeigneter Stelle zwischen dem Objektiv 8 und dem zweiten Detektor 10b Filter vorzusehen, um sicherzustellen, dass nur das von den lichtemittierenden Einheiten in der Probe 2 erzeugte Emissionslicht, nicht aber das von dem Substrat 15 erzeugte Lichtsignal L von dem zweiten Detektor 10b erfasst wird.To ensure that only the desired light signal L reaches the
Alternativ dazu kann die Beschichtung des Objektträgers mit dem Substrat 15 auch nur punktuell vorgenommen werden, insbesondere in einem Bereich des Objektträgers, der nicht von interessierenden Strukturen der Probe 2 bedeckt ist. Auf diese Weise kann das Substrat 15 in dem Kalibrierungsschritt gezielt mit dem Scanner 6 angesteuert werden, wobei während des Messschritts das möglicherweise bei der Bildgebung störende Lichtsignal L nicht vorhanden ist.Alternatively, the coating of the slide with the
Liste der BezugszeichenList of reference symbols
- 11
- Lichtmikroskoplight microscope
- 22
- Probesample
- 33
- Erste LichtquelleFirst light source
- 44
- Zweite LichtquelleSecond light source
- 5a5a
- Erster dichroitischer SpiegelFirst dichroic mirror
- 5b5b
- Zweiter dichroitischer SpiegelSecond dichroic mirror
- 66
- Scannerscanner
- 77
- Tubuslinsetube lens
- 88th
- Objektivlens
- 99
- LochblendePinhole
- 1010
- Detektordetector
- 10a10a
- Erster DetektorFirst detector
- 10b10b
- Zeiter DetektorTime detector
- 1111
- LichtmodulatorLight modulator
- 1212
- DatenverarbeitungsvorrichtungData processing device
- 1313
- SteuervorrichtungControl device
- 1414
- StrahlteilerBeam splitter
- 1515
- SubstratSubstrate
- 6161
- Scan-SpiegelScan mirror
- 6262
- Scan-LinseScanning lens
- P1P1
- Erster LichtpulsFirst pulse of light
- P2P2
- Zweiter LichtpulsSecond light pulse
- tt
- ZeitTime
- tdtd
- ZeitverzögerungTime Delay
- II
- Intensitätintensity
- ImaxImax
- Maximale IntensitätMaximum intensity
- LL
- LichtsignalLight signal
Claims (12)
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-
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- 2022-05-17 DE DE102022112384.7A patent/DE102022112384B4/en active Active
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102022112384A1 (en) | 2023-11-23 |
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