DE102006046111A1 - Laser scanning microscope for measuring fluorescence anisotropy of sample, has evaluation module deriving fluorescence anisotropy from detected fluorescent radiation in consideration of direction of stimulated radiation - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Laser-Scanning-Mikroskop sowie ein Laser-Scanning-Mikroskopierverfahren zur Messung der Fluoreszenz-Anisotropie einer Probe.The The invention relates to a laser scanning microscope and a laser scanning microscopy method for measuring the fluorescence anisotropy of a sample.
Bei bisher bekannten Verfahren wird die Probe zeitlich nacheinander mit linear polarisierten Anregungslicht einer ersten Richtung und danach einer zweiten Richtung, die zur ersten Richtung senkrecht ist, beaufschlagt und zeitlich nacheinander die Fluoreszenzstrahlung gemessen. Aus diesen Messungen ist es jedoch beispielsweise bei Makromolekülen schwierig, alle Faktoren zu extrahieren, die einen Einfluß auf die Fluoreszenz-Anisotropie ausüben, wie z.B. die Größe, Gestalt, Orientierung und/oder Flexibilität des Makromoleküls.at Previously known method, the sample is time sequentially with linearly polarized excitation light of a first direction and then a second direction perpendicular to the first direction, applied and sequentially fluorescence radiation measured. From these measurements, it is, for example, at Difficult to macromolecules to extract all factors that influence the fluorescence anisotropy exercise, like e.g. the size, shape, Orientation and / or flexibility of the macromolecule.
Ferner ist es bekannt, die Probe mit unpolarisiertem Licht anzuregen und zwei Detektionskanäle vorzusehen, in denen die Fluoreszenzstrahlung eines ersten Polarisationszustandes und die Fluoreszenzstrahlung eines zweiten Polarisationszustandes gleichzeitig zu messen. Dies ist jedoch sehr aufwendig, da zwei Detektionskanäle mit entsprechenden Optiken, Detektoren und Auswerteeinheiten vorzusehen ist.Further it is known to excite the sample with unpolarized light and to provide two detection channels, in which the fluorescence radiation of a first polarization state and the fluorescence radiation of a second polarization state simultaneously to eat. However, this is very expensive, since two detection channels with corresponding optics, Provide detectors and evaluation is provided.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Laser-Scanning-Mikroskop zur Messung der Fluoreszenz-Anisotropie einer Probe zur Verfügung zu stellen, mit dem die eingangs beschriebenen Schwierigkeiten behoben werden können. Ferner soll ein Laser-Scanning-Mikroskopierverfahren zur Messung der Fluoreszenz-Anisotropie einer Probe bereitgestellt werden.outgoing It is the object of the invention to provide a laser scanning microscope to measure the fluorescence anisotropy of a sample provide, with the difficulties described above can be. Furthermore, a laser scanning microscopy method for measuring the fluorescence anisotropy of a sample become.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Laser-Scanning-Mikroskop zur Messung der Fluoreszenz-Anisotropie einer Probe, mit einem Anregungsmodul, das einen Laser, der Anregungsstrahlung abgibt, eine Polarisationseinheit, die die zugeführte Anregungsstrahlung des Lasers als linear polarisierte Anregungsstrahlung abgibt, deren Polarisationsrichtung sich mit einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit dreht, und einen Scanner aufweist, der die von der Polarisationseinheit abgegebene polarisierte Anregungsstrahlung über die Probe führt, um Fluoreszenzstrahlung anzuregen, einem Detektionsmodul, das die angeregte Fluoreszenzstrahlung detektiert, und einem Auswertemodul, das aus der detektierten Fluoreszenzstrahlung unter Berücksichtigung der Polarisationsrichtung der Anregungsstrahlung die Fluoreszenz-Anisotropie ableitet.The Task is solved through a laser scanning microscope to measure the fluorescence anisotropy of a Sample, with an excitation module containing a laser, the excitation radiation emits, a polarization unit, the supplied excitation radiation of the Lasers emits as linearly polarized excitation radiation whose Polarization direction at a predetermined angular velocity rotates, and has a scanner, that of the polarization unit emitted polarized excitation radiation over the sample leads to To excite fluorescence radiation, a detection module that stimulates the excited Fluorescence detected, and an evaluation module, the the detected fluorescence radiation taking into account the polarization direction the excitation radiation derives the fluorescence anisotropy.
Durch die sich drehende Polarisationsrichtung der Anregungsstrahlung ist es möglich, denselben Abschnitt der Probe mehrmals zu detektieren, wobei sich jedesmal die Polarisationsrichtung der Anregungsstrahlung gedreht hat. Aus den Meßwerten kann dann sogar für jeden detektierten Punkt des Probenabschnitts die Fluoreszenz-Anisotropie quantitativ bestimmt werden.By is the rotating polarization direction of the excitation radiation it is possible to detect the same portion of the sample several times, with each time the polarization direction of the excitation radiation is rotated Has. From the measured values can then even for each detected point of the sample section fluorescence anisotropy be determined quantitatively.
Unter Fluoreszenz-Anisotropie wird hier insbesondere die Abhängigkeit der Intensität der Fluoreszenzstrahlung von der Polarisationsrichtung der linear polarisierten Anregungsstrahlung verstanden.Under Fluorescence anisotropy here becomes especially the dependence the intensity the fluorescence radiation from the polarization direction of the linear understood polarized excitation radiation.
Die Winkelgeschwindigkeit ist bevorzugt konstant. Sie kann jedoch auch nicht konstant sein. Insbesondere kann die Winkelgeschwindigkeit verändert bzw. auf gewisse vorbestimmte Werte eingestellt werden.The Angular velocity is preferably constant. She can, however not be constant. In particular, the angular velocity changed or to be set to certain predetermined values.
Das Anregungsmodul fokussiert die linear polarisierte Anregungsstrahlung bevorzugt linienförmig auf bzw. in die Probe und führt die fokussierte Anregungsstrahlung quer zur linienförmigen Ausdehnung über die Probe. Damit ist ein schneller Linienscanner zu realisieren, mit dem ein Probenabschnitt schnell erfaßt werden kann. So sind beispielsweise Bildaufnahmeraten von 50 bis 100 Bildern pro Sekunde problemlos möglich.The Excitation module focuses the linearly polarized excitation radiation preferably linear on or in the sample and leads the focused excitation radiation across the linear extension over the Sample. This is a fast line scanner to realize with a sample section can be detected quickly. For example, image acquisition rates easily possible from 50 to 100 frames per second.
Insbesondere ist das Mikroskop so ausgebildet, daß die Fokustiefe in der Probe veränderbar ist, so daß optische Schnitte in verschiedenen Probentiefen durchgeführt werden können. Dazu wird die Fluoreszenzstrahlung bevorzugt konfokal detektiert, um eine ausgezeichnete Tiefenauflösung zu erreichen.Especially the microscope is designed so that the depth of focus in the sample variable is so that optical Cuts can be performed in different sample depths. To the fluorescence radiation is preferably detected confocally to an excellent depth resolution to reach.
Die Winkelgeschwindigkeit der Drehung der Polarisationsrichtung der Anregungsstrahlung kann so gewählt werden, daß pro Drehung der Polarisationsrichtung um 180° mindestens dreimal (bevorzugt fünf- bis zehnmal) derselbe Abschnitt der Probe detektiert wird. Daraus läßt sich dann hervorragend die Abhängigkeit der Fluoreszenz von der Polarisationsrichtung der Anregungsstrahlung quantitativ erfassen.The Angular velocity of rotation of polarization direction of Excitation radiation can be selected be that pro Rotation of the polarization direction by 180 ° at least three times (preferably five to ten times) the same portion of the sample is detected. This can be then excellent dependence the fluorescence from the polarization direction of the excitation radiation capture quantitatively.
Bei dem Mikroskop kann der Laser die Anregungsstrahlung linear polarisiert abgeben und kann die Polarisationseinheit eine sich drehenden λ/2-Platte für die Wellenlänge der Anregungsstrahlung aufweisen, durch die die Anregungsstrahlung durchläuft, wodurch die Drehung der Polarisationsrichtung bewirkt wird. Damit ist es in einfacher Art und Weise möglich, die gewünschte Drehung zu realisieren.at The laser can linearly polarize the excitation radiation of the microscope and the polarization unit can rotate a λ / 2 plate for the wavelength have the excitation radiation through which the excitation radiation goes through, causing the rotation of the polarization direction is effected. That's it in a simple way, the desired To realize rotation.
Insbesondere liegt die Drehachse der λ/2-Platte neben dem Querschnitt der Anregungsstrahlung, so daß die vorzusehende Drehachse keinerlei Abschattungseffekt oder sonstige Einflüsse auf die Anregungsstrahlung ausübt.Especially is the axis of rotation of the λ / 2 plate in addition to the cross section of the excitation radiation, so that the to be provided Rotary axis no shading effect or other influences on the Excitation radiation exerts.
Die Polarisationseinheit kann eine sich drehende λ/4-Platte für die Wellenlänge der Anregungsstrahlung aufweisen, wobei die Anregungsstrahlung in diesem Fall als zirkular polarisierte Anregungsstrahlung durch die sich drehende λ/4-Platte läuft, wodurch die gewünschten Drehungen der Polarisationsrichtung bewirkt wird. Auch in diesem Fall ist es bevorzugt, daß die Drehachse der λ/4-Platte neben dem Querschnitt der Anregungsstrahlung liegt (die Drehachse ist z.B. seitlich versetzt zur Mittenachse der Anregungsstrahlung).The polarization unit can be a dre In this case, the excitation radiation passes as a circularly polarized excitation radiation through the rotating λ / 4 plate, whereby the desired rotations of the polarization direction is effected. Also in this case it is preferred that the axis of rotation of the λ / 4 plate is adjacent to the cross section of the excitation radiation (the axis of rotation is laterally offset from the center axis of the excitation radiation, for example).
Insbesondere kann der Laser die Anregungsstrahlung linear polarisiert abgeben und die Polarisationseinheit eine zweite λ/4-Platte aufweisen, die feststeht und so orientiert ist, daß sie die linear polarisierte Anregungsstrahlung des Lasers in zirkular polarisierte Anregungsstrahlung umwandelt, die dann auf die sich drehende λ/4-Platte gelenkt wird.Especially the laser can emit the excitation radiation linearly polarized and the polarization unit has a second λ / 4 plate which is fixed and so oriented that they the linearly polarized excitation radiation of the laser in circular converted polarized excitation radiation, which then on the rotating λ / 4 plate is steered.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Laser-Scanning-Mikroskopierverfahren zur Messung der Fluoreszenz-Anisotropie einer Probe, bei dem linear polarisierte Anregungsstrahlung erzeugt wird, deren Polarisationsrichtung sich mit einer vorbestimmten Winkelgeschwindigkeit dreht und die über eine Probe geführt wird, um Fluoreszenzstrahlung anzuregen, bei dem die angeregte Fluoreszenzstrahlung detektiert wird und bei dem aus der detektierten Fluoreszenzstrahlung unter Berücksichtigung der Polarisationsrichtung die Anregungsstrahlung die Fluoreszenz-Anisotropie abgeleitet wird.The Task is further solved by a laser scanning microscopy method for measuring fluorescence anisotropy a sample in which generates linearly polarized excitation radiation whose polarization direction is at a predetermined angular velocity turns and over one Tested is to excite fluorescence radiation, in which the excited fluorescence radiation is detected and at which from the detected fluorescence radiation considering the direction of polarization, the excitation radiation the fluorescence anisotropy is derived.
Mit diesem Verfahren läßt sich die Fluoreszenz-Anisotropie quantitativ sehr gut bestimmen.With this method can be quantitatively determine fluorescence anisotropy very well.
Insbesondere wird die linear polarisierte Anregungsstrahlung linienförmig auf bzw. in die Probe fokussiert und quer zur linienförmigen Ausdehnung über die Probe geführt. Damit kann schnell der gewünschte Probenabschnitt abgescannt und detektiert werden.Especially the linearly polarized excitation radiation is linear or focused into the sample and transverse to the linear expansion over the Tested. This can quickly get the desired Sample section scanned and detected.
Die Winkelgeschwindigkeit kann insbesondere so gewählt werden, daß pro Drehung der Polarisationsrichtung um 180° mindestens dreimal derselbe Abschnitt der Probe detektiert wird. Bevorzugt wird derselbe Abschnitt fünf- bis zehnmal pro 180°-Drehnung detektiert.The Angular velocity can be chosen in particular so that per rotation the polarization direction by 180 ° at least three times the same section of the sample is detected. It is preferred the same section five up to ten times per 180 ° conversion detected.
Bei dem Mikroskopierverfahren kann zum Erzeugen der Anregungsstrahlung zunächst linear polarisierte Laserstrahlung erzeugt und durch eine sich drehenden λ/2-Platte für die Wellenlänge der Laserstrahlung geführt werden, wodurch die Drehung der Polarisationsrichtung bewirkt und somit die Anregungsstrahlung erzeugt wird.at The microscopy method can be used to generate the excitation radiation first generated linearly polarized laser radiation and by a rotating λ / 2 plate for the wavelength led the laser radiation be, causing the rotation of the polarization direction and thus the excitation radiation is generated.
Bevorzugt liegt die Drehachse der λ/2-Platte neben der Laserstrahlung.Prefers the axis of rotation of the λ / 2 plate is next the laser radiation.
Bei dem Mikroskopierverfahren kann zum Erzeugen der Anregungsstrahlung zunächst zirkular polarisierte Laserstrahlung erzeugt und durch eine sich drehende λ/4-Platte geführt werden, wodurch die Drehung der Polarisationsrichtung bewirkt und somit die Anregungsstrahlung erzeugt wird.at The microscopy method can be used to generate the excitation radiation first generates circularly polarized laser radiation and by a rotating λ / 4 plate guided , causing the rotation of the polarization direction and thus the excitation radiation is generated.
Die Drehachse der λ/4-Platte kann neben dem Querschnitt der Laserstrahlung liegen.The Axis of rotation of the λ / 4 plate may be adjacent to the cross section of the laser radiation.
Bei dem Mikroskopierverfahren kann ferner zum Erzeugen der Anregungsstrahlung zunächst linear polarisierte Laserstrahlung erzeugt und durch eine zweite λ/4-Platte geführt werden, die feststeht und so orientiert ist, daß die linear polarisierte Laserstrahlung in die zirkular polarisierte Laserstrahlung umwandelt, die dann durch die sich drehende λ/4-Platte geführt wird.at The microscopy method can also be used to generate the excitation radiation first generated linearly polarized laser radiation and through a second λ / 4 plate guided which is fixed and oriented so that the linearly polarized laser radiation converted into the circularly polarized laser radiation, which then through the rotating λ / 4 plate guided becomes.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der beigefügten Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:The The invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings explained in more detail. It demonstrate:
Bei
der in
Ferner
umfaßt
das Laser-Scanning-Mikroskop ein Detektionsmodul
Ferner
ist noch ein Steuermodul
Im
Betrieb erzeugt der Laser
Die
zirkular polarisierte Anregungsstrahlung mit linienförmigem Querschnitt
wird über
den Umlenkspiegel
In
Wie
Da
sich der Analysator
Die
linear polarisierte Anregungsstrahlung AS mit der sich zeitlich ändernden
bzw. drehenden Polarisationsrichtung trifft auf den Strahlteiler
In
der Probe wird aufgrund der Anregungsstrahlung Fluoreszenzstrahlung
erzeugt, die über das
Objektiv
Die
Drehgeschwindigkeit des Analysators
In
I (parallel) ist die gemessene Intensität, wenn die Polarisation der Anregungsstrahlung parallel zur anisotropen Vorzugsrichtung der zu messenden Probe ist. I (senkrecht) ist die Fluoreszenzintensität, wenn die Polarisationsrichtung der Anregungsstrahlung senkrecht zur anisotropen Vorzugsrichtung ist.I (parallel) is the measured intensity when the polarization of the Excitation radiation parallel to the anisotropic preferred direction of is to be measured sample. I (vertical) is the fluorescence intensity when the polarization direction of the excitation radiation perpendicular to the anisotropic Preferred direction is.
Mit dem beschriebenen Verfahren wird somit die Fluoreszenzstrahlung jedes Punktes des Probenbereiches gemessen, die durch die Anregungsstrahlung erzeugt wurde, wobei die Polarisationsrichtung der Anregungsstrahlung stets um 18° gedreht wird zwischen zwei Messungen der Fluoreszenzstrahlung desselben Punktes.With the described method is thus measured the fluorescence radiation of each point of the sample area, which was generated by the excitation radiation, wherein the polarization direction of the excitation radiation is always rotated by 18 ° between two measurements of the fluorescence radiation of the same point.
Das bedeutet jedoch auch, daß wenn der Probenbereich von links nach rechts abgescannt wird und ganz links die erste Messung mit der Polarisationsrichtung 0° ausgeführt wird, die Messung in der Mitte des Bereiches dann mit einer Drehung der Polarisationsrichtung von 9° ausgeführt wird. Beim nächsten Durchgang wird dann die Messung des linken Bereiches mit einer Drehung der Polarisationsrichtung von 18° ausgeführt und die Messung der Mitte mit einer Drehung von 27° ausgeführt. Der Unterschied der Drehung der Polarisationsrichtung zwischen zwei Messungen ist aber für jeden Punkt in dem hier beschriebenen Beispiel 18°.The However, it also means that if the sample area is scanned from left to right and whole left the first measurement is performed with the polarization direction 0 °, the measurement in the middle of the range then with a rotation of the polarization direction of 9 ° is executed. At the next Passage then becomes the measurement of the left area with one turn the polarization direction of 18 ° executed and the measurement of the center is performed with a rotation of 27 °. The difference of the rotation However, the direction of polarization between two measurements is for each Point in the example described here 18 °.
Der absolute Unterschied der Drehstellung der Polarisationsrichtung der Anregungsstrahlung für verschiedene Punkte in Scanrichtung (z.B. linker Bereich und Mitte des Scanbereichs) ist somit aber konstant und kann daher rechnerisch leicht berücksichtigt werden.Of the absolute difference of the rotational position of the polarization direction the excitation radiation for different Scanning direction dots (e.g., left area and center of scan area) is therefore constant and can therefore be taken into account mathematically become.
Die
Drehgeschwindigkeit des Analysators
Die beschriebene Messung kann für verschiedene optische Schnitte (also in verschiedenen Probentiefen) durchgeführt werden, so daß ein dreidimensionales Bild der Fluoreszenz-Anisotropie der Probe ermittelt werden kann.The described measurement can for different optical sections (ie in different sample depths) carried out so that one Three-dimensional image of the fluorescence anisotropy of the sample can be determined can.
In
Die
Ausführungsform
von
Der
Strahlteiler
Um dreidimensionale Bilder der Probe zu erzeugen, wird in bekannter Weise die Anregungsstrahlung in unterschiedlichen Tiefen in der Probe fokussiert und dann mittels des Scanners in dieser Tiefe quer zur linienförmigen Ausdehnung der Anregungsstrahlung abgelenkt.Around To produce three-dimensional images of the sample is known in the art Make the excitation radiation at different depths in the Sample focused and then across the scanner at this depth across to the linear Distraction of the excitation radiation deflected.
Mit diesem Mikroskop ist es möglich, die Orientierung eines mit Fluoreszenzfarbstoff markierten Moleküls präzise zu bestimmen. Damit können beispielsweise in Verbindung mit abstandssensitiven Experimenten präzise und neuartige Informationen über molekulare Wechselwirkungen von Zellstrukturen und zellulären Kompartimenten geliefert werden. Es lassen sich auch Aussagen über die Rotationskorrelationszeiten von Proteinen oder Abbauvorgängen machen. So können auch Fibrilwinkel von Fasern (z.B. Holz, Textilpolymer) bestimmt werden. Die Mikroviskosität von Zellmembranen läßt sich bestimmen. Auch ist es möglich, Quantifizierungen von Assoziationsreaktionen zwischen Biomolekülen zu erfassen. Insbesondere kann die Lage des Moleküldipols (z.B. für die Messung des Fibrilwinkels bei Zellulose-Fasern) präzise analysiert werden.With this microscope it is possible the orientation of a labeled with fluorescent dye molecule precisely determine. With that you can for example in connection with distance-sensitive experiments precise and novel information about molecular interactions of cell structures and cellular compartments to be delivered. There are also statements about the rotation correlation times of proteins or degradation processes. So can also fibril angles of fibers (e.g., wood, textile polymer) are determined become. The microviscosity of cell membranes can be determine. It is also possible To capture quantifications of association reactions between biomolecules. In particular, the location of the molecule dipole (e.g., for measurement the fibril angle in cellulose fibers) can be precisely analyzed.
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