DE102005040833A1 - TIRF-type microscope optical arrangement, has illumination light carried in beam paths outside microscope objective - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Anordnung zur mikroskopischen Beobachtung einer Probe bei TIRF-Beleuchtung, umfassend ein Mikroskopobjektiv, ein zwischen dem Mikroskopobjektiv und der Probe angeordnetes, zumindest partiell mit der Probe in Berührung stehendes Deckglas und auf die Grenzfläche zwischen dem Deckglas und der Probe gerichtetes, Fluoreszenz anregendes Beleuchtungslicht.The The invention relates to an optical arrangement for microscopic Observation of a sample with TIRF illumination, comprising a microscope objective, one between the microscope objective and the sample arranged, at least partially with the sample in contact standing cover glass and on the interface between the coverslip and the specimen directed fluorescent stimulating illumination light.
Als TIRF-Mikroskopie (TIRF – Total Internal Reflection Fluoreszenz) wird ein Sachgebiet der Mikroskopie bezeichnet, bei dem die hinter einem Deckglas befindliche Probe unter einem so flachen Winkel beleuchtet wird, daß das Beleuchtungslicht an der Grenzfläche zwischen Deckglas und Probe totalreflektiert wird. Dabei bildet sich ein evaneszentes Wellenfeld aus, das den Teil der Probe beeinflußt, der in direktem Kontakt mit dem Deckglas steht. Dieser Einfluß kann beobachtet werden, und es werden aus diesem Einfluß Schlußfolgerungen auf Probeneigenschaften gewonnen.When TIRF microscopy (TIRF - Total Internal reflection fluorescence) becomes a field of microscopy in which the sample located behind a cover glass is illuminated at such a shallow angle that the illumination light at the interface is totally reflected between cover glass and sample. It forms an evanescent wave field that affects the part of the sample, the is in direct contact with the coverslip. This influence can be observed conclusions are drawn on sample properties won.
Das Prinzip der Erzeugung evaneszenter Wellenlängen im Zusammenhang mit der TIRF-Mikroskopie ist beispielsweise erläutert in Kramer, „Evaneszente Wellen in der Mikroskopie", Zeitschrift Photonik, Heft 2/2004, Seite 42ff.The Principle of the generation of evanescent wavelengths in connection with the TIRF microscopy is exemplified in Kramer, "Evanescent Waves in Microscopy ", Journal Photonik, Issue 2/2004, page 42ff.
Es sind optische Anordnungen bekannt, bei denen die TIRF-Beleuchtung als Auflichtbeleuchtung durch das Mikroskopobjektiv hindurch auf die Grenzfläche zwischen Deckglas und Probe gerichtet ist. Wegen der notwendig flachen Winkel, unter denen das Beleuchtungslicht auf das Deckglas treffen muß, können dazu nur sehr hochaperturige Mikroskopobjektive genutzt werden, denn um sicher zu stellen, daß kein Licht auf direktem Wege zur Probe gelangt, das die TIRF-Beleuchtung stören würde, steht stets nur die äußerste Randzone des Mikroskopobjektivs für das Beleuchtungslicht zur Verfügung. Die Apertur muß deshalb deutlich größer als 1.4 sein.It Optical arrangements are known in which the TIRF illumination as epi-illumination by the microscope objective on the interface between coverslip and sample is directed. Because of the necessary flat angles, under which the Lighting light must hit the cover glass, this can only very high-aperture Microscope lenses are used, because to make sure that no light on Directly to the sample, which would disturb the TIRF illumination, is always only the outermost edge zone of the microscope objective for the illumination light available. The aperture must therefore significantly larger than Be 1.4.
Derartig hochaperturige Mikroskopobjektive sind verhältnismäßig teuer. Das ist der Grund dafür, weshalb die TIRF-Mikroskopie derzeit noch sehr kostspielig ist.Such high-aperture microscope objectives are relatively expensive. That is the reason for this, why the TIRF microscopy currently very expensive.
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung zur mikroskopischen Beobachtung einer Probe bei TIRF-Beleuchtung zu entwickeln, die den Einsatz von Mikroskopobjektiven mit geringerer numerischer Apertur ermöglicht und damit weniger kostenintensiv ist.From Based on this prior art, the invention has the object underlying, an optical arrangement for microscopic observation to develop a specimen at TIRF lighting, the use of Enables microscope lenses with lower numerical aperture and less costly.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer optischen Anordnung der eingangs beschriebenen Art, bei der
- – das Beleuchtungslicht, der Dunkelfeldbeleuchtung bei Mikroskopen entsprechend, außerhalb des Mikroskopobjektivs geführt ist und
- – im Beleuchtungslicht ein Beugungsgitter so angeordnet ist, daß aufgrund der Beugung mindestens ein Teil des Beleuchtungslichtes unter einem Winkel δ auf die Grenzfläche zwischen dem Deckglas und der Probe gerichtet ist, der zur Totalreflexion an der Grenzfläche führt.
- - The illumination light, the dark field illumination in accordance with microscopes, outside the microscope objective is performed and
- - In the illumination light, a diffraction grating is arranged so that due to the diffraction at least a portion of the illumination light is directed at an angle δ on the interface between the coverslip and the sample, which leads to the total reflection at the interface.
Erfindungsgemäß läuft das Beleuchtungslicht nicht mehr wie bisher üblich durch das Mikroskopobjektiv hindurch, sondern ist nach dem Prinzip der Dunkelfeldbeleuchtung in Strahlengängen außerhalb des Mikroskopobjektivs geführt. Damit ist erreicht, daß das Mikroskopobjektiv nur noch den Detektionsstrahlengang aufzunehmen hat, wozu Aperturen kleiner als 1.4 ausreichend sind.This works according to the invention Illumination light no longer as usual by the microscope objective through, but is based on the principle of dark field illumination in beam paths outside guided the microscope objective. This is achieved that the Microscope lens to record only the detection beam path has, for which apertures smaller than 1.4 are sufficient.
Um trotzdem die Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Deckglas und Probe herbeizuführen und damit das erforderliche evaneszente Wellenfeld zu erzeugen, muß einerseits zwischen dem Beugungsgitter und dem Deckglas ein Immersionsmedium hinreichend hoher Brechzahl vorliegen und andererseits das Beleuchtungslicht am Beugungsgitter so gebeugt werden, daß zumindest ein Teil des Beleuchtungslichtes zur Grenzfläche gelangt und dort totalreflektiert wird.Around nevertheless the total reflection at the interface between coverslip and sample bring about and thus to generate the required evanescent wave field, must on the one hand between the diffraction grating and the coverslip an immersion medium sufficiently high refractive index and on the other hand, the illumination light be diffracted at the diffraction grating so that at least a part of the illumination light to the interface arrives and is totally reflected there.
Dies wird beispielsweise erreicht, wenn das Beugungsgitter eine Gitterkonstante aufweist, die bewirkt, daß das Beleuchtungslicht der ersten Beugungsordnung unter dem Winkel δ zum Deckglas und zur Probe gerichtet ist.This is achieved, for example, when the diffraction grating has a lattice constant which causes the Illumination light of the first diffraction order at an angle δ to the cover glass and directed to the sample.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn als Beugungsgitter ein auf einem Substrat ausgebildetes Phasengitter vorgesehen und dieses zwischen dem Mikroskopobjektiv und dem Deckglas positioniert ist. Dabei sollten die Brechzahlen des Deckglases, des Immersionsmediums und des Substrates etwa gleich groß sein. Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Differenz der Brechzahlen untereinander gleich oder kleiner 0,1 ist.Farther it is advantageous if as a diffraction grating on a substrate trained phase grating provided and this between the microscope objective and the coverslip is positioned. The refractive indices should be of the coverslip, the immersion medium and the substrate are about the same be great. It is particularly advantageous if the difference of the refractive indices mutually equal to or less than 0.1.
Die Totalreflexion wird beispielsweise erzielt, wenn das Phasengitter folgende Bedingungen erfüllt: mit
- – d der Strukturbreite des Phasengitters,
- – λ der Wellenlänge des Beleuchtungslichtes,
- – n1 der Brechzahl des Substrates, auf welches das Phasengitter aufgebracht ist,
- – n0 der Brechzahl der Probensubstanz,
- – α dem Winkel, unter dem der Beleuchtungsstrahlengang in das Substrat eintritt, auf dem das Phasengitter aufgebracht ist,
- – t der Strukturtiefe des Phasengitters unter der Voraussetzung einer Brechzahldifferenz von (n1 – 1) im Phasengitter, und
- – s der Quadratwurzel aus n1·n1 – cosα·cosα.
- D the structure width of the phase grating,
- Λ of the wavelength of the illumination light,
- N 1 is the refractive index of the substrate to which the phase grating is applied,
- - n 0 the refractive index of the sample substance,
- Α is the angle at which the illumination beam path enters the substrate on which the phase grating is applied,
- - t the structure depth of the phase grating assuming a refractive index difference of (n 1 - 1) in the phase grating, and
- - s is the square root of n 1 · n 1 - cosα · cosα.
Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
Die zugehörige
In
Auf
dem Weg zur Probe
Beim
Durchgang durch das Substrat
Dieser
Anteil A würde
demzufolge als direktes Licht zur Probe
Der
in die -1-te Ordnung gebeugte Anteil B' des Beleuchtungslichts
Dagegen
erfährt
der in die 1-te Ordnung gebeugte Anteil B des Beleuchtungslichts
beim Austritt aus dem Substrat
Mit dieser Anordnung ist die Beobachtung der Probe bei TIRF-Beleuchtung mit Mikroskopobjektiven möglich, deren Apertur wesentlich kleiner sein kann, als dies bisher im Stand der Technik erforderlich gewesen ist. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist damit gelöst.With this arrangement is the observation of the sample in TIRF illumination with microscope objectives possible, whose aperture can be much smaller than has been required in the prior art. The object underlying the invention is achieved.
In einem konkreten Ausführungsbeispiel betragen:
- – die Wellenlänge λ des Beleuchtungslichts 546 nm,
- – die Brechzahl des Substrates 9 n1 = 1.52,
- – die Brechzahl der Probensubstanz n0 = 1.33,
- – die Brechzahl des Immersionsmediums n = 1,53 bis 1,4
- – der Winkel α = 10°.
- The wavelength λ of the illumination light 546 nm,
- The refractive index of the substrate 9 n 1 = 1.52,
- The refractive index of the sample substance n 0 = 1.33,
- - The refractive index of the immersion medium n = 1.53 to 1.4
- - the angle α = 10 °.
Als Immersionsmedium kann beispielsweise ein Immersionsöl mit der Brechzahl n = 1,518 genutzt werden.When Immersion medium, for example, an immersion oil with the Refractive index n = 1.518 can be used.
Unter diesen Bedingungen ergeben sich
- – eine notwendige Strukturbreite d des Phasengitters mit d = 1,2 μm,
- – s = 1,185
- – eine erforderliche Strukturtiefe t des Phasengitters mit t = 72 nm unter der Voraussetzung einer Brechzahldifferenz von (n1 – 1) im Phasengitter.
- A necessary structure width d of the phase grating with d = 1.2 μm,
- - s = 1.185
- - A required structure depth t of the phase grating with t = 72 nm, assuming a refractive index difference of (n 1 - 1) in the phase grating.
- 11
- Mikroskopobjektivmicroscope objective
- 22
- Probesample
- 33
- Deckglascover glass
- 44
- Beleuchtungslichtillumination light
- 55
- Ringspiegelring mirror
- 66
- Phasengitterphase grating
- 77
- Substratsubstratum
- 88th
- ImmersionsmediumImmersion medium
- 99
- Grenzschichtinterface
- A, B, B'A, B, B '
- Anteile des Beleuchtungslichtesshares of the illumination light
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- 2005-08-25 DE DE200510040833 patent/DE102005040833A1/en not_active Withdrawn
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