DE102006009832A1 - Verfahren und Mikroskop zur räumlich hochauflösenden Untersuchung von Proben - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren und ein Mikroskop, insbesondere Laser-Raster-Fluoreszenzmikroskop, zur räumlich hochauflösenden Untersuchung von Proben, wobei die zu untersuchende Probe (1) eine Substanz umfasst, die wiederholt von einem ersten Zustand (Z1, A) in einen zweiten Zustand (Z2, B) überführbar ist, wobei sich die ersten und die zweiten Zustände (Z1, A; Z2, B) in mindestens einer optischen Eigenschaft voneinander unterscheiden, umfassend die Schritte, dass die Substanz in einem zu erfassenden Probenbereich (P) zunächst in den ersten Zustand (Z1, A) gebracht wird und dass mittels eines optischen Signals (4) der zweite Zustand (Z2, B) induziert wird, wobei innerhalb des zu erfassenden Probenbereichs (P) räumlich begrenzte Teilbereiche gezielt ausgespart werden, sind im Hinblick auf eine Auflösungserhöhung in beliebigen Richtungen sowie eine erhöhte Bildaufnahmerate dadurch gekennzeichnet, dass das optische Signal (4) gleichzeitig in mehreren Brennpunkten gebündelt wird und die Brennpunkte in verschiedene Orte der Probe (1) fokussiert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Mikroskop, insbesondere Laser-Raster-Fluoreszenzmikroskop, zur räumlich hochauflösenden Untersuchung von Proben, wobei die zu untersuchende Probe eine Substanz umfasst, die wiederholt von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand überführbar ist, wobei sich die ersten und die zweiten Zustände in mindestens einer optischen Eigenschaften voneinander unterscheiden, umfassend die Schritte, dass die Substanz in einem zu erfassenden Probenbereich zunächst in den ersten Zustand gebracht wird und dass mittels eines optischen Signals der zweite Zustand induziert wird, wobei innerhalb des zu erfassenden Probenbereichs räumlich begrenzte Teilbereiche gezielt ausgespart werden.
  • Verfahren und Mikroskope der eingangs genannten Art sind aus der Praxis bekannt. Grundsätzlich ist gemäß dem Abbe'schen Gesetz der räumlichen Auflösung abbildender optischer Verfahren durch die Beugungsgrenze eine theoretische Grenze gesetzt, wobei die Beugungsgrenze von der Wellenlänge des verwendeten Lichts abhängt. Mit den hier in Rede stehenden Verfahren und Mikroskopen lassen sich allerdings räumliche Auflösungen erzielen, die über die nach Abbe bekannte theoretische Beugungsgrenze hinaus verbessert sind.
  • Bei den bekannten Verfahren werden hierzu in zu untersuchenden Proben Substanzen bereitgestellt, die wiederholt von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand überführbar sind, wobei sich die ersten und die zweiten Zustände in mindestens einer optischen Eigenschaft voneinander unterscheiden. Bei den meisten bekannten Verfahren handelt es sich bei dem ersten Zustand um einen fluoreszenzfähigen Zustand (im Folgenden Zustand A genannt) und bei dem zweiten Zustand um einen nicht fluoreszenzfähigen Zustand (im Folgenden Zustand B). Nachdem die Substanz in einem zu erfassenden Probenbereich mittels eines Schaltsignals in den fluoreszenzfähigen Zustand A gebracht worden ist, wird mittels eines optischen Signals in räumlich begrenzten Teilbereichen des zu erfassenden Probenbereichs Zustand B induziert und somit eine Unterdrückung der Fluoreszenz von Fluoreszenzmolekülen erzeugt. Der physikalische Prozess der Fluoreszenzunterdrückung kann dabei sehr unterschiedlicher Natur sein. So ist bspw. die stimulierte Emission aus dem zuvor angeregten Zustand oder eine optisch induzierte Strukturänderung der Fluoreszenzmoleküle bekannt.
  • Entscheidend ist, dass der durch ein optisches Schaltsignal induzierte Übergang von dem ersten in den zweiten Zustand im Probenvolumen in großen Bereichen gesättigt, d.h. vollständig, stattfindet, und in mindestens einem Teilbereich des Probenvolumens gerade nicht stattfindet, indem dort das optische Schaltsignal gezielt nicht eingestrahlt wird. Dieser Effekt kann durch das Erzeugen einer Intensitäts-Nullstelle des optischen Signals erreicht werden. An der Nullstelle und in deren unmittelbarer Umgebung findet kein Übergang in den zweiten Zustand (im Allgemeinen der nicht fluoreszierende Zustand B) statt, so dass der erste Zustand (im Allgemeinen der fluoreszierende Zustand A) erhalten bleibt. Eine Sättigung des Übergangs A → B durch das optische Signal führt in den beleuchteten Bereichen des zu erfassenden Probenbereichs bereits in naher Umgebung der Intensitäts-Nullstellen zu einem (nahezu) vollständigen Transfer in den Zustand B. Je stärker der Prozess in die Sättigung getrieben wird, d.h. je mehr Energie durch das optische Signal in die Bereiche um die Nullstelle herum eingebracht wird, desto kleiner wird der Bereich mit Fluoreszenzmolekülen im fluoreszenzfähigen Zustand A bzw. allgemein in einem „leuchtfähigen" Zustand. In Abhängigkeit vom Sättigungsgrad in der unmittelbaren Nullstellen-Umgebung kann dieser Bereich prinzipiell beliebig klein gemacht werden. Folglich lassen sich Regionen des Zustands A markieren, die beliebig viel kleiner sind als die kleinsten aufgrund der Beugungsgrenze möglichen Regionen eines aufgebrachten optischen Signals. Wird der Bereich des Zustands A anschließend ausgelesen, z.B. durch Einstrahlen eines Testsignals, so stammt das (Fluoreszenz-)Messsignal aus einem definierten Bereich, der kleiner sein kann als es die Beugungsgrenze zulässt. Wird die Probe auf die beschriebene Art Punkt für Punkt abgerastert, so entsteht ein Bild mit einer Auflösung die besser ist, als es die Beugungstheorie erlaubt.
  • Verfahren, der hier beschriebenen Art, bei denen als Unterschied zwischen zwei Zuständen die optische Eigenschaft fluoreszenzfähig/nicht fluoreszenzfähig ausgenutzt wird, sind bspw. aus der DE 103 25 459 A1 und der DE 103 25 460 A1 bekannt. Bei diesen Verfahren werden Fluoreszenzmoleküle mit Hilfe eines optischen Signals von einem Zustand A (fluoreszenzfähig) in einen Zustand B (nicht fluoreszenzfähig) gebracht, wobei bei dem Übergang A → B die Sättigung erreicht wird. Die in dem fluoreszenzfähigen Zustand A verbleibenden Bereiche der Probe resultieren jeweils aus einem eine Nullstelle aufweisenden Intensitätsminimum des eingestrahlten optischen Signals. Die Intensitätsminima sind Teil eines Interferenzmusters. Das Abrastern der Probe erfolgt durch Verschiebung der Intensitätsminima des optischen Signals, wobei die Verschiebung durch Phasenverschiebung der interferierenden Strahlen bewirkt wird.
  • Bei den bekannten Verfahren ist nachteilig, dass die Struktur der Lichtverteilung in der Probe durch die Interferenz auf eine stehende Welle festgelegt ist. Mit dieser Festlegung geht folglich eine starke Einschränkung im Hinblick auf die Möglichkeiten einer Auflösungserhöhung einher. Darüber hinaus ist die Bildaufnahmerate beschränkt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein Mikroskop der eingangs genannten Art anzugeben, wonach mit konstruktiv einfachen und kostengünstigen Mitteln eine Auflösungserhöhung in beliebigen Richtungen erreicht ist. Des Weiteren soll eine erhöhte Bildaufnahmerate ermöglicht sein.
  • Erfindungsgemäß ist die voranstehende Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist das Verfahren derart ausgestaltet und weitergebildet, dass das optische Signal gleichzeitig in mehreren Brennpunkten gebündelt wird und die Brennpunkte in verschiedene Orte der Probe fokussiert werden.
  • Die voranstehende Aufgabe ist des Weiteren durch ein Mikroskop mit den Merkmalen des Patentanspruchs 23 gelöst. Danach umfasst das Mikroskop eine Einrichtung zur gleichzeitigen Bündelung des optischen Signals in mehreren Brennpunkten, wobei die Brennpunkte in verschiedene Orte der Probe fokussierbar sind.
  • In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass sich – im Vergleich zur Erzeugung einer stehenden Welle – eine deutlich erhöhte Flexibilität hinsichtlich der Realisierung einer Auflösungsverbesserung dadurch erreichen lässt, dass das optische Signal gleichzeitig in mehreren Brennpunkten gebündelt wird. Diese Brennpunkte können nahezu beliebig in verschiedene Orte der Probe fokussiert werden, so dass mit einfachen Mitteln eine flexible Lichtverteilung in der Probe er möglicht ist. Durch das erfindungsgemäße gleichzeitige Fokussieren mehrerer Brennpunkte in unterschiedliche Orte der zu untersuchende Probe ist zudem eine Parallelisierung des Proben-Rasterns erreicht, was wiederum eine signifikante Erhöhung der Bildaufnahmerate zur Folge hat.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Mikroskop lassen sich besonders vorteilhaft im Bereich der STED-Mikroskopie (STimulated Emission Depletion), im Zusammenhang mit der Up-Conversion, wie sie beispielsweise in der US 6,859,313 B2 oder der US 6,667,830 B1 beschrieben ist, und/oder in der GSD-Fluoreszenzmikroskopie (Ground-State-Depletion) anwenden.
  • Im Rahmen einer konkreten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Pupillenfunktionen der einzelnen Brennpunkte moduliert werden. Mit anderen Worten wird die Lichtverteilung in den einzelnen Brennpunkten moduliert. Im Hinblick auf eine optimale Ausnutzung der generierten Brennpunkte wird die Modulation in besonders vorteilhafter Weise derart durchgeführt, dass in jedem Brennpunkt mindestens eine Intensitäts-Nullstelle entsteht.
  • Im Konkreten könnte die Modulation mittels eines Phasenfilters durchgeführt werden. Der Phasenfilter wird bevorzugt in einer Ebene angeordnet, die zu der Pupille eines Objektivs, durch das die Probe beleuchtet wird, konjugiert ist und die sich zwischen dem Objektiv und der Ebene der erzeugten Brennpunkte befindet. Dies hat den Vorteil, dass die Lichtstrahlen sämtlicher erzeugter Brennpunkte den Phasenfilter passieren, so dass ein einziger Phasenfilter zur Modulation des optischen Signals in allen Brennpunkten ausreichend ist.
  • Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Phasenfilter-Array verwendet werden, wobei beispielsweise jedem Brennpunkt genau ein Phasenfilter des Phasenfilter-Arrays zugeordnet sein könnte. Prinzipiell können zur Modulation alle bekannten Phasenfilter eingesetzt werden. Insbesondere kann es sich beispielsweise um eine aufgedampfte Struktur auf einem Substrat, um einen achromatischen Phasenfilter oder um einen mit Hilfe eines LCDs realisierten Phasenfilter handeln.
  • Hinsichtlich der konkreten Ausgestaltung des Phasenfilters kann vorgesehen sein, dass dieser in Form eines Halbkreises ausgeführt ist. Eine derartige Ausführung bietet sich insbesondere für eine eindimensionale Auflösungserhöhung an. Insbesondere im Hinblick auf eine dreidimensionale Auflösungserhöhung ist eine kreisförmige Ausführungsform des Phasenfilters bevorzugt. Schließlich kann der Phasenfilter auch als Phasenuhr ausgeführt sein, wobei diese Ausführung insbesondere für eine zweidimensionale Auflösungserhöhung vorteilhaft ist.
  • Im Hinblick auf eine besonders einfache Erzeugung der Brennpunkte kann vorgesehen sein, dass eine Linsenanordnung mit mehreren Mikrolinsen im Strahlengang positioniert wird. Auf diese Weise könnten die Brennpunkte im Sinne eines Fokus-Array erzeugt werden. Im Falle des Einsatzes eines Mikrolinsen-Arrays kann der Phasenfilter insbesondere in der Ebene der Linsenanordnung oder einer dazu konjugierten Ebene angeordnet sein. Bei einer Anordnung in der Ebene der Linsenanordnung ließe sich der Phasenfilter in besonders einfacher Weise beispielsweise durch Aufdampfen auf die Mikrolinsen herstellen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, ein Fokus-Array mittels mehrerer hintereinander geschalteter Strahlteiler zu erzeugen. Auch die Verwendung einer Lochblendenscheibe, insbesondere in Form einer Nipkov-Scheibe, ist denkbar. Weiter alternativ oder zusätzlich könnte ein Array von Glasfasern und/oder holographische Elemente eingesetzt werden. Unabhängig von der Art der die Brennpunkte erzeugenden Einrichtungen werden die Einrichtungen in vorteilhafter Weise so angeordnet, dass die Brennpunkte im Bild, im Zwischenbild oder in einer dazu konjugierten Ebene entstehen.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine Anordnung des Phasenfilters vorgesehen, bei der dieser nur von dem optischen Signal durchsetzt wird. Mit anderen Worten ist die Anordnung derart ausgeführt, dass das eingangs beschriebene Schaltsignal zum Überführen der Substanz in den ersten Zustand, das Testsignal zum Auslesen des ersten Zustands und das von der Probe ausgehende Messsignal von dem Phasenfilter nicht beeinflusst werden. Diese Anordnung kann beispielsweise in der Form realisiert sein, dass das Schaltsignal und/oder das Testsignal und/oder das Messsignal vor dem Phasenfilter von dem optischen Signal getrennt werden. Die Trennung kann dabei beispielsweise durch einen oder mehrere dichroitische Filter oder Polarisationsfilter erfolgen. Hinter dem Phasenfilter können das Schaltsignal und/oder das Testsignal und/oder das Messsignal wieder mit dem optischen Signal vereint werden, wobei hierzu ebenfalls wieder ein oder mehrere dichroitische Filter oder Polarisationsfilter eingesetzt werden können. Vorzugsweise werden die optischen Weglängen dabei gleich lang gewählt. Unter Umständen ist eine leicht unterschiedliche optische Weglänge vorteilhaft, wenn es gilt, chromatische Abberationen auszugleichen. Bei der beschriebenen Trennung und Vereinigung der Signale ist zu beachten, dass das Messsignal den Aufbau in umgekehrter Richtung wie das Schaltsignal und das Testsignal durchläuft.
  • Zur Vermeidung einer Beeinflussung des Licht des Schaltsignals, des Testsignals und/oder des Messsignals durch den eingesetzten Phasenfilter kann alternativ vorgesehen sein, dass das Schaltsignal und/oder das Messsignal an einer Stelle zwischen dem Phasenfilter und dem Objektiv in den Strahlengang eingekoppelt bzw. ausgekoppelt werden. Hierzu werden vorzugsweise Teilbereiche des Strahlengangs ausgewählt, in denen die Lichtstrahlen parallel verlaufen. Eine derartige Einkopplung ist für das Testsignal nicht realisierbar, da dieses – wie das optische Signal – die Einrichtung zur Erzeugung durchlaufen muss.
  • Im Hinblick auf ein schnelles Rastern der Probe kann eine geeignete Bewegung der die Brennpunkte erzeugenden Einrichtungen vorgesehen sein. Im Falle des Einsatzes von Mikrolinsen sind insbesondere laterale Bewegungen oder Rotationen der Mikrolinsen denkbar. Alternativ kann das Rastern der Probe mittels geeigneter Bewegung von im Strahlengang angeordneten Scannspiegeln durchgeführt werden. Vorzugsweise erfolgt das Rastern in einer zur Objektivpupille konjugierten Ebene, da die Struktur des Phasenfilters in der Pupille stillsteht und die Punkt-Verbreiterungs-Funktion (PSF, Point Spread Function) demzufolge ortsinvariant ist.
  • Im Hinblick auf das Rastern der Probe kann in weiter vorteilhafter Weise eine Synchronisation dahingehend vorgesehen sein, dass der Rastervorgang auf das zyklische Einstrahlen des Schaltsignals, des optischen Signals, des Testsignals sowie auf das Auslesen des Messsignals abgestimmt ist. Das bedeutet konkret, dass die Substanz zunächst im gesamten zu erfassenden Probenvolumen durch Einstrahlen des Schaltsignals in den ersten Zustand gebracht wird. Daraufhin wird das optische Signal eingestrahlt, um die Substanz mit Ausnahme von eng umgrenzten Bereichen um die Intensitäts-Nullstellen des optischen Signals herum, welche durch Modulation wie oben beschrieben erzeugt worden sind, in den ersten Zustand zu überführen. Im Anschluss daran wird das Testsignal eingestrahlt und das von der Probe daraufhin ausgehende Messsignal ausgelesen. Erst danach folgt ein Rasterschritt, mit dem die Brennpunkte mit einer definierten Schrittweite und einem definierten Schrittmuster in der Probe verschoben werden.
  • Das von der Probe ausgehende Messsignal kann beispielsweise mittels einer CCD-Kamera oder einer EMCCD-Kamera detektiert werden. Alternativ kann der Detektor als Detekor-Array, beispielsweise als APD-Array (Avalanche Photodiode), ausgeführt sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform werden den einzelnen erzeugten Brennpunkten jeweils definierte Detektorbereiche, vorzugsweise einzelne Kamerapixel und/oder Kamerapixelbereiche zugeordnet, wodurch quasi eine Konfokalisierung geschaffen ist. Je kleiner die zugeordneten Detektorbereiche sind, desto besser ist die Konfokalisierung. Beim Rastern der Probe können den jeweiligen Brennpunkten bei jedem Rasterschritt andere Kamerapixel bzw. Kamerapixelbereiche zugeordnet werden. Dabei wird die Kamera nach jedem Aufnahmezyklus ausgelesen. Durchläuft das Messsignal die Rastereinheit (in Form der die Brennpunkte erzeugenden Einrichtung oder in Form eines separaten Scannspiegels), bevor es auf den Detektor trifft, dann ist es bereits „entrastert" (descanned) und die Brennpunkte sind dementsprechend auf dem Detektor ortsfest.
  • Zusätzlich oder alternativ zu der beschriebenen Zuordnung können den einzelnen Detektorbereichen zur Erzielung einer Konfokalisierung Pinholes zugeordnet werden. Eine derartige Anordnung erweist sich insbesondere beim Einsatz von Detektoren mit einer geringen Anzahl von einzelnen Detektorelementen, wie zum Beispiel beim Einsatz eines APD-Arrays, als vorteilhaft. Beim Einsatz von CCDs und EMCCDs wird die Synchronisation von Pixeln und Brennpunkten erleichtert.
  • Im Hinblick auf eine weitere Auflösungserhöhung kann eine sich an die Bildaufnahme anschließende elektronische Bildverarbeitung vorgesehen sein. Insbesondere durch lineare oder nicht lineare Entfaltungen kann die Auflösung noch weiter gesteigert werden.
  • Im Hinblick auf eine hohe Benutzerfreundlichkeit kann ein modularer Aufbau des Mikroskops vorgesehen sein, so dass einzelne Bauteile und/oder Baugruppen einfach austauschbar sind. Im Hinblick auf eine besonders leichte Handhabbarkeit kann zudem vorgesehen sein, dass einzelne Bauteile und/oder Baugruppen und/oder der gesamte Aufbau in einem Gehäuse eingefasst sind. Zur Erleichterung der Bedienbarkeit können die optischen Elemente zudem mit elektrisch gesteuerten Justagehilfsmitteln versehen sein, wobei es sich konkret um Motoren und/oder Piezoelemente handeln könnte. Es können auch Sensoren im Strahlengang positioniert sein, welche die Strahl- und/oder Fokuslage detektieren. Besonders vorteilhaft ließe sich dann mit Hilfe einer Rückkopplung und Regelung der Aufbau automatisch nachjustieren bzw. stabil halten.
  • Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Mikroskops zur räumlich hochauflösenden Untersuchung von Probe zu verweisen. In Verbindung mit Erläuterungen der bevorzugten Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
  • 1 in einer schematischen Darstellung ein zyklisches Beleuchtungsschema eines Verfahrens zur räumlich hochauflösenden Untersuchung von Proben und
  • 2 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikroskops
  • 1 zeigt schematisch einen zyklischen Beleuchtungsvorgang, wie er zur räumlich hochauflösenden Untersuchung von Proben jenseits der beugungslimitierten Auflösungsgrenze eingesetzt wird. Gemäß 1a wird zunächst im gesamten zu erfassenden Probenraum P eine in der Probe 1 bereitgestellte Substanz, die wiederholt von einem ersten Zustand Z1 in einen zweiten Zustand Z2 überführbar ist, wobei sich die ersten und die zweiten Zustände Z1, Z2 in mindestens einer optischen Eigenschaften voneinander unterscheiden, mittels eines Schaltsignals 2 in den ersten Zustand Z1 gebracht. Im konkret dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es bei dem ersten Zustand Z1 um einen fluoreszierenden Zustand A und bei dem zweiten Zustand Z2 um einen nicht fluoreszierenden Zustand B. Bei der in der Probe 1 bereitgestellten Substanz handelt es sich in dem konkret dargestellten Beispiel um eine photochrome Substanz, deren Moleküle durch Bestrahlung mit Licht einer ersten Wellenlänge, dem Schaltsignal 2, in den fluoreszenzfähigen Zustand A gebracht werden. Dies geschieht in idealer Weise, indem die Probe 1 im gesamten Probenraum P durch Beleuchtung durch ein Objektiv 3 mit dem Schaltsignal 2 bestrahlt wird.
  • Im Falle der Grundzustands-Entvölkerung (Ground State Depletion, GSD) findet der Übergang in den fluoreszenzfähigen (Singlet)-Zustand üblicherweise spontan statt. Das Einstrahlen optischer Schaltsignale erübrigt sich somit in diesem Fall, es müssen lediglich Wartezeiten von typischerweise 1 bis 100 μs (teilweise auch ein wenig länger) berücksichtigt werden.
  • In einem nächsten Schritt – dargestellt in 1b – wird Licht einer anderen Wellenlänge, das sogenannte optische Signal 4, auf den zu erfassenden Probenbereich P aufgebracht. Dies geschieht in Form einer Lichtstruktur mit definierten Intensitäts-Nullstellen 5. Das optische Signal 4 induziert gesättigt den Übergang A → B in allen mit Licht des optischen Signals 4 beleuchteten Bereichen 6. Mit anderen Worten verbleiben lediglich in unmittelbarer Umgebung der Intensitäts-Nullstellen 5 eng definierte Bereiche der Substanz im Zustand A. Die verbleibenden Bereiche A1, A2, A3, ... der Substanz in Zustand A können viel kleiner sein als die Dimensionen der Lichtstruktur des optischen Signals 4 selbst, d.h. konkret viel kleiner als beugungslimitierte Strukturen. Die Größe der im Zustand A verbleibenden Bereiche A1, A2, A3, ... der Substanz hängt ganz maßgeblich von der Qualität der Intensitätsminima 5 und damit vom erreichten Sättigungsgrad des Übergangs A → B ab.
  • In 1c ist schematisch der Auslesevorgang des Zustands A dargestellt. Dazu wird ein optisches Testsignal 7 so in den zu erfassenden Probebereich P eingestrahlt, dass diejenigen gemäß 1b präparierten Bereiche, in denen die Substanz in Zustand A verblieben ist, erfasst werden. Eventuell noch existierende Bereiche der Substanz im Zustand A, die außerhalb des zu erfassenden Probenbereichs P liegen, dürfen dabei nicht erfasst werden. Das von der Substanz im Zustand A ausgehende Fluoreszenzlicht wird als Messsignal 8 von einem Detektor (nicht gezeigt) erfasst, wobei eine eindeutige Zuordnung der detektierten Messsignale 8 zu den Einzelbereichen A1, A2, A3, ... vorgenommen wird.
  • Der in den 1a bis c dargestellte Zyklus wird wiederholt, wobei die erzeugten Brennpunkte (und damit auch die durch Phasenmodulation generierten Intensitäts-Nullstellen 5) bei jeder Wiederholung etwas weiter geschoben werden. Auf diese Weise lässt sich der gesamte zu erfassende Probenbereich mit einer Auflösung im Subdiffraktionsbereich abbilden.
  • 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikroskops, bei dem das optische Signal 4 und das Testsignal 7 jeweils über eine Lichtleitfaser 9, 10 in den Strahlengang eingekoppelt werden. Alternativ können sich die Lichtquellen auch direkt im Mikroskop befinden, das Licht kann mittels Freistrahloptik eingekoppelt werden, oder das optische Signal 4 und das Testsignal 7 können beide über eine einzige Lichtleitfaser eingekoppelt werden.
  • Es ist eine Einrichtung 11 zur Erzeugung von N-Brennpunkten vorgesehen, wobei diese in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels als Mikrolinsen-Array 12 ausgeführt ist. Das Mikrolinsen-Array 12 umfasst insgesamt N Linsen 13, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich drei dargestellt sind.
  • Das aus der Faser 9 austretende Licht des optischen Signals 4 wird durch eine Optik 14 kollimiert bzw. chromatisch vorfokussiert bzw. defokussiert, um chromatische Abberationen der Mikrolinsen 13 des Mikrolinsen-Arrays 12 auszugleichen. Das aus der Faser 10 austretende Licht des Testsignals 7 wird ebenfalls durch eine Optik 15 kollimiert bzw. chromatisch vorfokussiert bzw. defokussiert, was ebenfalls dem Ausgleich chromatischer Abberationen der Mikrolinsen 13 dient. Das Licht des optischen Signals 4 und des Testsignals 7 wird an einem als dichroitisches Filter 16 ausgeführten optischen Element 17 vereint.
  • Nach der Vereinigung durchlaufen die Lichtstrahlen das Mikrolinsen-Array 12 und werden dabei in N-Teilstrahlen 18 aufgespalten. Die Teilstrahlen 18 werden mittels einer nachfolgenden Optik 19 wieder kollimiert, wobei die Optik 19 in einem Abstand zu den Mikrolinsen 13 angeordnet ist, die der Summe der Brennweiten der Mikrolinsen 13 und der Optik 19 entspricht.
  • Das optische Signal 4 durchläuft einen Phasenfilter 20, mit dem eine Modulation der Pupillenfunktion des optischen Signals 4 derart erfolgt, dass in jedem Brennpunkt mindestens eine Intensitäts-Nullstelle entsteht. Zur Vermeidung, dass auch das Testsignal 7 den Phasenfilter 20 durchläuft, ist vor dem Phasenfilter 20 ein dichroitisches Filter 21 angeordnet, mit dem das optische Signal 4 und das Testsignal 7 voneinander getrennt werden. Anstelle des dichroitischen Filters 21 könnte auch ein AOBS eingesetzt werden. Das Testsignal 7 wird um den Phasenfilter 20 herumgeführt und hinter dem Phasenfilter 20 wieder mit dem optischen Signal 4 vereint. Zur Vereinigung dient ein dichroitisches Filter 22, wobei auch hier wiederum ein AOBS eingesetzt werden könnte.
  • Zwischen der Trennung und der Vereinigung des optischen Signals 4 und des Testsignals 7 sind optische Elemente 23, 24 zur Strahlumlenkung im Strahlengang angeordnet, wobei es sich hier konkret um Spiegel 25, 26 handelt. Die Lichtstrahlen durchlaufen anschließend weitere Optiken 2730 zur Strahlformung und werden mit einem Mikroskopobjektiv 31 in die zu untersuchende Probe 1 fokussiert.
  • An einem optischen Element 32, dass als dichroitisches Filter 33 ausgeführt ist und zwischen der Optik 19 und dem Objektiv 31 im Strahlengang positioniert ist, wird das gestrichelt dargestellte Schaltsignal 2, das über eine Lichtleitfaser 34 in das Mikroskop eingekoppelt wird, mit dem optischen Signal 4 und dem Testsignal 7 vereint. Alternativ kann sich die Lichtquelle des Schaltsignals 2 auch unmittelbar im Mikroskop befinden, oder das Licht kann mittels Freistrahloptik eingekoppelt werden.
  • Das gepunktet dargestellte Messsignal 8, bei dem es sich im dargestellten Beispiel um Fluoreszenzlicht handelt, wird mit dem Objektiv 31 gesammelt und kollimiert. Anschließend wird das Messsignal 8 an einem als dichroitisches Filter 35 ausgeführten optischen Element 36 vom restlichen Strahlengang getrennt und mittels eines weiteren optischen Elements 37 auf einen Detektor 38 fokussiert. Der Detektor 38 ist als CCD-Kamera 39 ausgeführt. Zur Erzielung einer detektionsseitigen Konfokalisierung können den mittels der einzelnen Mikrolinsen 13 erzeugten Fokussen jeweils einzelne Kamerapixel bzw. Kamerapixelbereiche zugeordnet werden (nicht gezeigt). Je kleiner diese Bereiche sind, desto besser ist die Konfokalisierung.
  • Zum Rastern der Probe 1 werden die Mikrolinsen 13 des Mikrolinsen-Arrays 12 in geeigneter Weise bewegt. Die Bewegungen können insbesondere in Form von lateralen Bewegungen oder Rotationen durchgeführt werden. Das Rastern der Probe 1 kann auch durch einen sich bewegenden Scannspiegel 40 im Strahlengang erfolgen.
  • Hinsichtlich weiter vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Mikroskops wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
  • Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Claims (41)

  1. Verfahren zur räumlich hochauflösenden Untersuchung von Proben, wobei die zu untersuchende Probe (1) eine Substanz umfasst, die wiederholt von einem ersten Zustand (Z1, A) in einen zweiten Zustand (Z2, B) überführbar ist, wobei sich, die ersten und die zweiten Zustände (Z1, A; Z2, B) in mindestens einer optischen Eigenschaften voneinander unterscheiden, umfassend die Schritte, dass die Substanz in einem zu erfassenden Probenbereich (P) zunächst in den ersten Zustand (Z1, A) gebracht wird und dass mittels eines optischen Signals (4) der zweite Zustand (Z2, B) induziert wird, wobei innerhalb des zu erfassenden Probenbereichs (P) räumlich begrenzte Teilbereiche gezielt ausgespart werden, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Signal (4) gleichzeitig in mehreren Brennpunkten gebündelt wird und die Brennpunkte in verschiedene Orte der Probe (1) fokussiert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pupillenfunktionen der einzelnen Brennpunkte moduliert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation derart durchgeführt wird, dass in jedem Brennpunkt mindestens eine Intensitäts-Nullstelle (5) entsteht.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation mittels eines Phasenfilters (20) durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenfilter (20) in einer Ebene angeordnet wird, die zur Pupille eines Objektivs (31), durch das die Probe (1) beleuchtet wird, konjugiert ist und die zwischen dem Objektiv (31) und der Ebene der erzeugten Brennpunkte liegt.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Phasenfilter (20) ein Phasenfilter-Array verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennpunkte mittels einer Linsenanordnung (12) mit mehreren Mikrolinsen (13) erzeugt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennpunkte mittels mehrerer hintereinander angeordneter Strahlteiler erzeugt werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennpunkte mittels einer Lochblendenscheibe, mittels eines Arrays aus Lichtleitfasern und/oder mittels holographischer Elemente erzeugt werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die die Brennpunkte erzeugenden Einrichtungen (11) so angeordnet werden, dass die Brennpunkte im Bild, im Zwischenbild oder in einer dazu konjugierten Ebene entstehen.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltsignal (2) zum Überführen der Substanz in den ersten Zustand (Z1, A), ein Testsignal (7) zum Auslesen des ersten Zustands (Z1, A) und ein von der Probe (1) ausgehenden Messsignal (8) von dem Phasenfilter (20) nicht beeinflusst werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltsignal (2) und/oder das Testsignal (7) und/oder das Messsignal (8) vor dem Phasenfilter (20) von dem optischen Signal (4) räumlich getrennt werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Trennung mittels eines oder mehrerer dichroitischer Filter (21) und/oder Polarisationsfilter durchgeführt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltsignal (2) und/oder das Messsignal (8) an einer Stelle zwischen dem Phasenfilter (20) und dem Objektiv (31) in den Strahlengang eingekoppelt bzw. ausgekoppelt werden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Rastern der Probe (1) mittels geeigneter Bewegung der die Brennpunkte erzeugenden Einrichtungen (11), insbesondere durch laterale Bewegung oder Rotation der Mikrolinsen (13), erfolgt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Rastern der Probe (1) mittels geeigneter Bewegung eines im Strahlengang angeordneten Scannspiegels (40) erfolgt.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Rastern der Probe (1) mit einem zyklischen Einstrahlen des Schaltsignals (2), des optischen Signals (4), des Testsignals (7) und dem Auslesen des Messsignals (8) synchronisiert wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Probe (1) ausgehende Messsignal (8) mittels einer CCD-Kamera (39) oder einer EMCCD-Kamera detektiert wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Probe (1) ausgehende Messsignal (8) mittels eines Detektor-Arrays, vorzugsweise eines APD-Arrays, detektiert wird
  20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass den erzeugten Brennpunkten jeweils definierte Detektorbereiche, vorzugsweise einzelne Kamerapixel und/oder Kamerapixelbereiche, zugeordnet werden.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass den Detektorbereichen Pinholes zugeordnet werden.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgenommenen Bilder mittels elektronischer Bildverarbeitung bearbeitet werden.
  23. Mikroskop, insbesondere Laser-Raster-Fluoreszenzmikroskop, zur räumlich hochauflösenden Untersuchung von Proben und insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die zu untersuchende Probe (1) eine Substanz umfasst, die wiederholt von einem ersten Zustand (Z1, A) in einen zweiten Zustand (Z2, B) überführbar ist, wobei sich die ersten und die zweiten Zustände (Z1, A; Z2, B) in mindestens einer optischen Eigenschaften voneinander unterscheiden, umfassend die Schritte, dass die Substanz in einem zu erfassenden Probenbereich (P) zunächst in den ersten Zustand (Z1, A) gebracht wird und dass mittels eines optischen Signals (4) der zweite Zustand (Z2, B) induziert wird, wobei innerhalb des zu erfassenden Probenbereichs (P) räumlich begrenzte Teilbereiche gezielt ausgespart werden, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (11) zur gleichzeitigen Bündelung des optischen Signals (49 in mehreren Brennpunkten, wobei die Brennpunkte in verschiedene Orte der Probe (1) fokussierbar sind.
  24. Mikroskop nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch einen Phasenfilter (20) zur Modulation der Pupillenfunktionen der einzelnen Brennpunkte.
  25. Mikroskop nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenfilter (20) in einer Ebene angeordnet ist, die zur Pupille eines Objektivs (31 ), durch das die Probe (1) beleuchtet wird, konjugiert ist und die zwischen dem Objektiv (31) und der Ebene der erzeugten Brennpunkte liegt.
  26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenfilter (20) als Phasenfilter-Array ausgeführt ist.
  27. Mikroskop nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenfilter (20) als aufgedampfte Struktur auf einem Substrat, als achromatischer Phasenfilter oder als LCD ausgeführt ist.
  28. Mikroskop nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenfilter (20) in Form eines Halbkreises ausgeführt ist.
  29. Mikroskop nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenfilter (20) in Form eines Kreises ausgeführt ist.
  30. Mikroskop nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenfilter (20) als Phasenuhr ausgeführt ist.
  31. Mikroskop nach einem der Ansprüche 23 bis 30, gekennzeichnet durch eine Linsenanordnung (12) mit mehreren Mikrolinsen (13) zur Erzeugung der Brennpunkte.
  32. Mikroskop nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenfilter (20) in der Ebene der Linsenanordnung (12) oder einer dazu konjugierten Ebene angeordnet ist.
  33. Mikroskop nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenfilter (20) als auf die Mikrolinsen (13) aufgedampfte Struktur ausgeführt ist.
  34. Mikroskop nach einem der Ansprüche 23 bis 33, gekennzeichnet durch mehrere hintereinander angeordnete Strahlteiler zur Erzeugung der Brennpunkte.
  35. Mikroskop nach einem der Ansprüche 23 bis 34, gekennzeichnet durch eine Lochblendenscheibe, ein Arrays aus Lichtleitfasern und/oder holographische Elemente zur Erzeugung der Brennpunkte.
  36. Mikroskop nach einem der Ansprüche 23 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die die Brennpunkte erzeugenden Einrichtungen (11) so angeordnet sind, dass die Brennpunkte im Bild, im Zwischenbild oder in einer dazu konjugierten Ebene entstehen.
  37. Mikroskop nach einem der Ansprüche 23 bis 36, gekennzeichnet durch einen modularen Aufbau.
  38. Mikroskop nach einem der Ansprüche 23 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Bauteile und/oder Baugruppen und/oder der Gesamtaufbau in einem Gehäuse eingefasst ist.
  39. Mikroskop nach einem der Ansprüche 23 bis 38, gekennzeichnet durch vorzugsweise elektronisch gesteuerte Justagehilfsmittel.
  40. Mikroskop nach einem der Ansprüche 23 bis 39, gekennzeichnet durch im Strahlengang angeordnete Sensoren zur Detektion der Strahl- und/oder Fokuslage.
  41. Mikroskop nach einem der Ansprüche 23 bis 40, gekennzeichnet durch eine Regelung zur automatischen Nachjustage.
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