DE102007052551B4 - Verfahren zur Durchführung einer Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung sowie Steuereinheit, Laser-Scanning-Mikroskop und Computerprogramm - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Durchführen einer Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung an einer Probe (16), wobei Abtastwerte ausschließlich in einem Probenbereich aufgenommen werden, innerhalb dessen sich eine Pixelzeit (τ) längs einer harmonisch angesteuerten Abtastachse (X) um weniger als oder höchstens um einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert ändert.

Description

• Anwendungsbeispiele und technische Rahmenbedingungen der FCS (fluorescence correlation spectroscopy) sind beispielweise in Weisshart et al. (Weisshart, K., Jüngel, V und Briddon, S. J., 2004: The LSM 510 META - ConfoCor 2 System: An integrated imaging and spectroscopic platform for single-molecule detection; Current Pharmaceutical Biotechnology 5: 135 - 154) mit Bezug auf das Laser-Scanning-Mikroskop LSM 510 META (Carl Zeiss Microscopy GmbH) beschrieben. Anwendungsbeispiele der abtastenden Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (S-FCS) sind beispielsweise in Ruan et al. 2004 (Ruan, Q., Cheng, M. A., Levi, M., Gratton, E. und Mantulin, W. W., 2004: Spatial-temporal studies of membrane dynamics: scanning fluorescence correlation spectroscopy (SFCS)) angegeben. In den Beispielen werden Membranproteine mit einem anregbaren Fluoreszenzfarbstoff (Alexa 488) versehen und die derart markierten Proteine abgebildet und deren Bilddaten analysiert.
• Verfahren zur Durchführung einer Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung sowie Steuereinheit, Laser-Scanning-Mikroskop und Computerprogramm
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung und zum Auswerten von Abtastwerten einer Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine entsprechend eingerichtete Steuereinheit, ein entsprechend eingerichtetes Laser Scanning-Mikroskop und ein entsprechend eingerichtetes Computerprogramm.
• Zur Untersuchung von veränderlichen Stoffkonzentrationen im mikroskopischen Größenbereich, hervorgerufen durch Diffusions- und andere Transportprozesse in einer Probe, kann die sogenannte Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS) verwendet werden. Damit können physikalische und biologische Transportprozesse in einem einzelnen beziehungsweise durch ein einzelnes Volumen mit einem Durchmesser von etwa 200 nm beobachtet werden. Um Aussagen über die Transportvorgänge in der Probe machen zu können, werden Korrelationen der Fluoreszenzmessdaten ermittelt und mathematische Transportmodelle an diese Korrelationen angepasst, beispielsweise mittels Ausgleichsrechnungen. So können aus den angepassten Modellen beispielsweise Diffusionskonstanten bestimmt werden. Die Transportmodelle sind typischerweise mathematische Funktionen, deren Parameter angepasst werden.
• Eine räumliche Auflösung von mikroskopischen Transportvorgängen wird durch die abtastende Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (S-FCS), auch als Bildkorrelationsspektroskopie (ICS) bezeichnet, erreicht. Hierbei können zeitliche Größenordnungen von Sekunden bis Minuten verfolgt werden. Die zwei- oder dreidimensional ortsaufgelöste Verfolgung innerhalb einer Zelle oder zwischen durch Membranen getrennten Zellen im Zeitbereich zwischen Mikro- und Millisekunden wird durch die Rasterbildkorrelationsspektroskopie (RICS) ermöglicht. Hier wird die Probe in zwei oder drei Dimensionen rasterförmig optisch abgetastet („Scanning“). Für die abtastende Korrelationsspektroskopie wird zweckmäßigerweise ein Laser-Scanning-Mikroskop eingesetzt.
• Während der optischen Abtastbewegung einer RICS-Messung werden mit typischerweise konstanter Abtastwertaufnahmefrequenz („Sampling-Frequenz“) digitale Abtastwerte („Sampling-Werte“, „Samples“) längs einer ersten Abtastrichtung („Scan-Zeile“) elektronisch aufgenommen und zu Pixelwerten weiterverarbeitet. Jeder Pixelwert wird dabei aus einem oder mehreren Abtastwerten ermittelt. Als Pixelzeit wird dabei ein Intervall, innerhalb dessen eine Anzahl von Abtastwerten einem bestimmten Pixel zugeordnet wird, oder die Periode beziehungsweise Frequenz solcher Intervalle bezeichnet. Die Abtastung längs der ersten Abtastrichtung wird nach Versetzung des Abtaststrahls längs einer zweiten Abtastrichtung („Scan-Spalte“) wiederholt durchgeführt, so dass eine Folge von Pixelzeilen aufgenommen wird. Intervalle beziehungsweise Perioden von aufeinanderfolgenden Pixelzeilen werden als Linienzeit bezeichnet. Im Falle einer zeitlich nichtlinearen Abtastbewegung längs der ersten Abtastrichtung und konstanter Abtastwertaufnahmefrequenz wird für eine verzerrungsfreie Aufnahme mit konstanter Ortsschrittweite die Zeitschrittweite in Form der Pixelzeit variiert.
• Die Fehler der Anpassung der mathematischen Transportmodelle an die anhand der Abtast- oder Pixelwerte ermittelten Korrelationen hängen unmittelbar von der Eignung der Abtastwerte beziehungsweise der daraus abgeleiteten Pixelwerte für eine solche Auswertung ab. Die Eignung der Abtast- beziehungsweise Pixelwerte wiederum hängt in komplexer Weise von der Größe des zu untersuchenden Probenbereichs, der Dichte der Fluoreszenzmarker in der Probe, Verunreinigungen des Probenträgers mit Fluoreszenzmarkern, den Abtastfrequenzen und -geschwindigkeiten, den optischen Eigenschaften des Mikroskops, der Art der Abtastungsbewegung, der Beleuchtungsstärke und der Empfindlichkeit der Detektoren ab. Der Begriff der Eignung schließt statistische und systematische Fehlerquellen ein.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art anzugeben, mit deren Hilfe mathematische Transportmodelle mit geringem Fehler an mittels abtastender Fluoreszenzspektroskopie ermittelte Korrelationen angepasst werden können.
• Die Aufgabe wird gelöst durch Verfahren, welche die in den Ansprüchen 1 und 5 angegebenen Merkmale aufweist, sowie durch Anordnungen, welche die in den Ansprüchen 10, 11 und 12 angegebenen Merkmale aufweist.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Optional ist für ein Verfahren zur Konfiguration eines Laser-Scanning-Mikroskops für eine Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung vorgesehen, dass ein Bestwert für einen Abtastparameter ermittelt und für einen späteren Abtastvorgang an einer Probe vorgegeben wird. Insbesondere können Bestwerte für mehrere Abtastparameter ermittelt und vorgegeben werden.
• Im Sinne der Erfindung sind Abtastparameter („Scan-Parameter“) alle diejenigen bei einer RICS-Messung am Laser-Scanning-Mikroskop einstellbaren Größen, die die Abtastbewegung („Scan-Bewegung“) einer Abtasteinrichtung, auch als Scan-Einrichtung oder als Scanner bezeichnet, relativ zur Probe oder die elektronische Aufnahme des von der Probe reflektierten oder emittierten Lichts beeinflussen.
• Ein Bestwert ist ein einzelner Wert oder auch ein Wertebereich, in dem eine Auswertung einer RICS-Messung mit geringstem Fehler beziehungsweise innerhalb eines Intervalls um den geringsten Fehler möglich ist. Die Auswertung kann beispielsweise das Ermitteln von Pixelwerten aus Abtastwerten sowie von Auto- und Kreuzkorrelationen und die anschließende Anpassung mittels Ausgleichsrechnung umfassen. Vor der Auswertung können die Abtastwerte oder die Pixelwerte in geeigneter Weise modifiziert werden, beispielsweise durch Filterung. Falls mehrere lokale Fehlerminima vorliegen, kann der Bestwert aus mehreren Einzelwerten oder Wertebereichen bestehen. Die Vorgabe kann dann beispielsweise in Form einer Auswahlliste erfolgen.
• Nachfolgend kann stets anstelle eines Abtastwerts ein aus einem oder mehreren Abtastwerten abgeleiteter Pixelwert eingesetzt werden.
• Die manuelle Einstellung der Abtastparameter für eine RICS-Messung ist aufwendig, weil die Auswirkungen einer Einstellung eines bestimmten Parameters durch die komplexe Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Parametern nicht offensichtlich sind und auch von den physikalisch-technischen Eigenschaften des Mikroskops abhängen. Insbesondere deshalb kann die zu erwartende Eignung einer Messung für eine einzelne Kombination von Einstellungen aller Parameter nur grob vorhergesagt werden. Durch die automatische Ermittlung eines Bestwerts für einen oder vorzugsweise mehrere solcher Parameter kann die Vorbereitung und Konfiguration einer RICS-Messung erheblich erleichtert und beschleunigt werden. Dabei können insbesondere die physikalisch-technischen Eigenschaften und Einstellungen des Mikroskops mit hoher Genauigkeit berücksichtigt werden. Dadurch können mathematische Transportmodelle mit geringem Fehler an aus den Abtastwerten ermittelte Korrelationen angepasst werden.
• Vorzugsweise werden als Abtastparameter eine oder mehrere der folgenden Größen verwendet: räumliche Schrittweite, Abtastgeschwindigkeit, Pixelzeit, Linienzeit, Abtastwertaufnahmefrequenz. Unter Abtastgeschwindigkeit {„Scan-Geschwindigkeit“) wird dabei die räumliche Geschwindigkeit verstanden, mit welcher sich der abtastende Punkt beziehungsweise - bei Verwendung von Beleuchtungs- und Detektionsspaltblenden anstelle von Lochblenden - die abtastende Linie („Linien-Scanning“) über die Probe bewegen. Die genannten Größen wechselwirken miteinander, so dass eine manuelle Konfiguration besonders viel Wissen über die Funktionsweise des Mikroskops und des Abtastvorgangs erfordert und somit aufwendig ist. Insbesondere wird durch die Verwendung und Optimierung dieser Abtastparameter eine konstante Abtastamplitude („Scan-Amplitude“) ermöglicht. Zu diesem Zweck werden beispielsweise die Pixel- und Linienzeiten ausschließlich über die Abtastgeschwindigkeit eingestellt, insbesondere unter Berücksichtigung der Abtastwertaufnahmefrequenz.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Bestwert der räumlichen Schrittweite anhand einer Breite einer Punktübertragungsfunktion des Laser-Scanning-Mikroskops so ermittelt, dass die räumliche Schrittweite signifikant kleiner ist als die Breite der Punktübertragungsfunktion (PSF). Dies stellt eine optische Überabtastung (engl. Oversampling) dar. Auf diese Weise kann die Dämpfung der RICS-Korrelationen gering gehalten werden, was gleichbedeutend mit einer hohen statistischen Qualität und damit einem geringen Fehler nachfolgender Funktionsanpassungen ist. Beispielweise ergibt sich die Korrelation für den Fall freier Diffusion in drei Raumdimensionen als $$G\left(\xi ,\psi \right)=\text{exp}\left(-\frac{\left({\xi }^2+{\psi }^2\right)\cdot \delta {\text{r}}^2}{{\omega }_0{}^2\cdot \left(1+\frac{4D\left({\tau }_P\cdot \xi +{\tau }_L\cdot \psi \right)}{{\omega }_0{}^2}\right)}\right)\cdot \frac{\gamma }{N}\cdot {\left(1+\frac{4D\left({\tau }_P\cdot \xi +{\tau }_L\psi \right)}{{\omega }_0{}^2}\right)}^{-1}\cdot {\left(1+\frac{4D\left({\tau }_P\cdot \xi +{\tau }_L\psi \right)}{{\omega }_Z{}^2}\right)}^{-1\text{/}2}$$

  
• Darin sind ξ, ψ Pixelkoordinaten, δr die räumliche Schrittweite beim Abtasten, τ_P die Pixelzeit, τ_L die Linienzeit, D die Diffusionskonstante, ω₀ und ω_z die Breite der PSF in lateraler beziehungsweise axialer Richtung, N die Anzahl der fluoreszierenden Partikel im konfokalen Volumen und γ ein Formfaktor, der die Form des konfokalen Volumens berücksichtigt. Wird die räumliche Schrittweite δr klein gegenüber der lateralen Breite ω₀ der PSF eingestellt, so bleibt der Exponentialfaktor („Scanning-Term“) stets in der Größenordnung um 1, wodurch eine hohe Eignung der Abtastwerte für die Auswertung ermöglicht wird.
• Zweckmäßigerweise wird der Bestwert der räumlichen Schrittweite anhand mindestens eines Objektivparameters und einer beim späteren Abtasten zu verwendenden Lichtwellenlänge ermittelt. Dadurch kann eine hohe Genauigkeit der RICS-Auswertung erreicht werden.
• In einer möglichen Ausführungsform wird der Bestwert ermittelt, indem mehrere Versuchsabtastungen der später abzutastenden Probe mit jeweils unterschiedlichem Versuchswert für den Abtastparameter durchgeführt werden. Diese Vorgehensweise kann ähnlich einer Versuch-Irrtum-Strategie mit geringem Aufwand durchgeführt werden.
• Dabei kann der Bestwert durch Suchen des Minimums des insbesondere statistischen Fehlers einer Zielgröße ermittelt werden, insbesondere indem aus den Abtastwerten der Versuchsabtastungen ein Minimum eines Fehlers einer eine Dynamik eines Probenvorgangs charakterisierenden Größe ermittelt wird. Vorzugsweise wird zum Ermitteln der Zielgröße und ihres Fehlers für jede Versuchsabtastung eine Korrelation ermittelt und eine Modellfunktion daran angepasst. Die Zielgröße kann dabei ein fehlerbehafteter Parameter der Modellfunktion oder zumindest aus solchen Parametern abgeleitet sein.
• Vorzugsweise wird als eine die Dynamik charakterisierende Größe eine Diffusionskonstante verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann der Bestwert bestimmt werden, indem aus den Abtastwerten der Versuchsabtastungen ein Maximum einer Breite einer Korrelation einer Versuchsabtastung ermittelt wird. Diese kann ebenfalls mit geringem Aufwand als Maß für die statistische Qualität der Korrelation verwendet werden.
• Vorteilhafterweise wird in den Versuchsabtastungen die Probe bidirektional mit in Hin- und Rückrichtung unterschiedlichem Versuchswert des zu optimierenden Abtastparameters abgetastet. So kann die Anzahl von Versuchsabtastungen reduziert werden. Die Konfiguration kann dadurch schneller erfolgen.
• Besonders vorteilhaft sind Ausgestaltungen, in denen die Abtastung in Hin- und Rückrichtung innerhalb derselben Abtastzeile erfolgt. Auf diese Weise können in einer Abtastzeile Abtastwerte mit zwei verschiedenen Pixelzeiten bei derselben Linienzeit aufgenommen werden, ohne die Anzahl der Zeilen pro Richtung zu reduzieren. Mit nur einmaligem Abtasten des abzutastenden Probenbereichs können so bereits drei Zeitparameter geprüft werden. Dies senkt nicht nur die Beleuchtungsdauer der Probe, sondern ermöglicht auch die Konfiguration mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit. Eine solche Ausgestaltung des Verfahrens kann auch bei linienförmiger Beleuchtung und Abtastung mittels Schlitzblenden eingesetzt werden. Bei dieser Art der Aufnahme werden mehrere in derselben Scan-Spalte liegende Pixel gleichzeitig aufgenommen. Die Pixelzeit hat hierbei für alle Pixel der Scan-Spalte denselben Wert. Durch eine bidirektionale Abtastung längs einer Scan-Zeile können also zwei Pixelzeiten in einer Versuchsabtastung geprüft werden.
• Optional werden zur Ermittlung des Bestwerts eine Simulation eines Transportvorgangs in der Probe und/oder eine virtuelle Versuchsabtastung durchgeführt. Die virtuellen Versuchsabtastungen können beispielsweise anhand einer Modellierung der zu untersuchenden Probe und daraus resultierender Abtastwerte oder durch Veränderung real gemessener Abtastwerte durchgeführt werden, um eine Beschädigung der Probe durch zu häufige oder zu lange Belichtung zu vermeiden. Insbesondere können Korrelationsdaten ausschließlich rechnerisch durch Simulation anhand eines Modells ermittelt werden, beispielsweise eines Modells dynamischer Partikelwechselwirkungen. So kann die Belichtung der Probe auf den eigentlichen Messvorgang unter Verwendung des zuvor virtuell ermittelten Bestwerts beschränkt werden.
• In einer optionalen Ausgestaltung werden die Probe real elektronisch überabgetastet und mindestens eine virtuelle Versuchsabtastung basierend auf der Überabtastung durchgeführt, indem die Anzahl der dabei aufgenommenen Abtastwerte für die virtuelle Versuchsabtastung nachträglich rechnerisch variiert wird. Dies stellt eine schnelle Möglichkeit dar, um die Abtastparameter Pixelzeit und Linienzeit mit verschiedenen Werten versuchshalber zu ermitteln und den Wert mit der besten Eignung zu bestimmen, ohne eine reale Abtastung mit diesen Pixel- und/oder Linienzeiten durchführen zu müssen. Insbesondere können so verschiedene Werte des Abtastparameters „räumliche Schrittweite“ versuchshalber eingestellt werden.
• Zur Variation der Anzahl der Abtastwerte können vorteilhafterweise mehrere der Abtastwerte zusammengefasst oder ausgelassen werden. Dies kann mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit durchgeführt werden.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der abzutastende Probenbereich anhand von geometrischen Vorgaben eines Benutzers ermittelt. Der abzutastende Probenbereich kann dabei aus einem oder mehreren, jeweils in sich zusammenhängenden Gebieten bestehen beziehungsweise es werden mehrere separate Probenbereiche parallel behandelt. Für jedes Gebiet beziehungsweise jeden Probenbereich ergeben sich dann eigene Bestwerte für den oder die Abtastparameter. Die geometrischen Vorgaben werden vorzugsweise anhand eines Übersichtsbildes der Probe grafisch durch Auswahl von interessierenden Bereichen der Probe (ROI) gemacht. Sowohl bei der Konfiguration als auch bei der RICS-Messung werden dann vorzugsweise ausschließlich die vorgegebenen Gebiete/Bereiche abgetastet. Die RICS Auswertung erfolgt durch Korrelationsanalyse, vorzugsweise einschließlich Kreuzkorrelation und ebenfalls vorzugsweise ausschließlich in den interessierenden Bereichen.
• In solchen Ausführungsformen wird der Bestwert vorzugsweise ausschließlich für den und ausschließlich anhand von Abtastwerten beziehungsweise abgeleiteten Pixelwerten aus dem abzutastenden Probenbereich ermittelt. Dies reduziert die Dauer des Konfigurationsvorgangs.
• In besonderen Ausgestaltungen wird der Bestwert als Vorschlag ausgegeben und vor einem späteren Abtastvorgang eine Bestätigung eines Benutzers für den optimierten Wert ermittelt. Durch solches Vorschlagen des Bestwerts beziehungsweise eines Bereichs für den Abtastparameter hat der Benutzer die Möglichkeit, den Bestwert vor der eigentlichen Messung zu überprüfen und zu modifizieren. Zweckmäßigerweise bietet die Benutzerschnittstelle die Möglichkeit, den vorgeschlagenen Bestwert durch eine Bedienungshandlung für den späteren Abtastvorgang festzulegen beziehungsweise aus dem vorgeschlagenen Bereich auszuwählen.
• Erfindungsgemäß ist für ein Verfahren zum Auswerten von Abtastwerten einer Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung einer Probe vorteilhafterweise vorgesehen, dass eine Korrelation ausschließlich in einem Probenbereich ermittelt wird, innerhalb dessen sich eine Pixelzeit längs einer harmonisch angesteuerten Abtastachse um weniger als oder höchstens um einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert, insbesondere um 10 %, ändert. So können RICS-Korrelationen mit hoher statistischer Qualität in kurzer Zeit ermittelt werden. Entsprechend ist für ein spezielles Verfahren zum Durchführen einer Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung an einer Probe vorgesehen, dass Abtastwerte ausschließlich in einem Probenbereich aufgenommen werden, innerhalb dessen sich eine Pixelzeit längs einer harmonisch angesteuerten Abtastachse um weniger als oder höchstens um einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert, insbesondere um 10%, ändert. So kann die zu speichernde Datenmenge reduziert werden. Abtastwerte außerhalb des Bereichs mit nahezu konstanter Pixelzeit, also Abtastwerte, deren zugeordnete Pixel eine um mehr als 10% schwankende Pixelzeit aufweisen, werden nicht gespeichert.
• In einer besonderen Ausführungsform können für eine hohe Eignung des Abtastparameters Abtastwerte ausschließlich in mehreren Abtastbereichen ermittelt werden, innerhalb derer sich die Pixelzeit längs der harmonisch angesteuerten Abtastachse jeweils um weniger als oder höchstens um einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert ändert. Entsprechend ist für ein Verfahren zum Auswerten von Abtastwerten einer Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung einer Probe vorteilhafterweise vorgesehen, dass separate Korrelationen in mehreren Abtastbereichen ermittelt werden, innerhalb derer sich die Pixelzeit längs der harmonisch angesteuerten Abtastachse jeweils um weniger als oder höchstens um einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert ändert. Dabei können die Höchstwerte für die Abweichungen in den verschiedenen Abtastbereichen unterscheiden oder einheitlich sein, beispielsweise nicht mehr als 10% in jedem Bereich. Die Gesamtkorrelation G ergibt sich dann als Superposition der Einzelkorrelationen G_i der einzelnen Abtastbereiche beispielsweise zu: $$G\left(\xi ,\psi \right)={\displaystyle \sum _i{G}_i\left(\xi ,\psi ,{\tau }_{P,i})\right)}$$

  

  $$G_i\left(\xi ,\psi ,{\tau }_{P,i})\right)=exp\left(-\frac{\left({\xi }^2+{\psi }^2\right)\cdot \delta r^2}{{\omega }_0{}^2\cdot \left(1+\frac{4D\left({\tau }_{P,i}\cdot \xi +{\tau }_L\cdot \psi \right)}{{\omega }_0{}^2}\right)}\right)\cdot \frac{\gamma }{N}\cdot {\left(1+\frac{4D\left({\tau }_{P,i}\cdot \xi +{\tau }_L\psi \right)}{{\omega }_0{}^2}\right)}^{-1}\cdot {\left(1+\frac{4D\left({\tau }_{P,i}\cdot \xi +{\tau }_L\psi \right)}{{\omega }_Z{}^2}\right)}^{-1\text{/}2}$$

  
• Darin sind ξ, ψ Pixelkoordinaten, δr die räumliche Schrittweite beim Abtasten, τ_P die Pixelzeit, τ_L die Linienzeit, D die Diffusionskonstante, ω₀ und ω_z die Breite der PSF in lateraler beziehungsweise axialer Richtung und Ni die Anzahl der jeweils im konfokalen Volumen enthaltenen Fluoreszenzpartikel.
• Erfindungsgemäß kann für eine gute statistische Qualität der Korrelationen die Probe vorzugsweise optisch und/oder elektronisch überabgetastet werden.
• Vorteilhafterweise werden die Abtastwerte mittels eines Laser-Scanning-Mikroskops aufgenommen. Zweckmäßigerweise wird aus Abtastwerten einer Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung mittels einer Steuereinheit eines Laser-Scanning- Mikroskops eine Korrelation ermittelt.
• Dabei kann vorzugweise für die Ermittlung der Korrelation die Anzahl der Abtastwerte durch Zusammenfassen oder Auslassen verändert werden, um unterschiedliche Abtastparameter zu simulieren. Damit kann der Abtastparameter nach der eigentlichen Datenerfassung unter Betrachtung der resultierenden Eignung der damit erreichbaren Abtastwerte für die Korrelations- und Modellanalyse variiert werden, insbesondere in einer oder mehreren virtuellen Versuchsabtastungen.
• Die Erfindung umfasst auch eine Steuereinheit für ein Laser-Scanning-Mikroskop, die programmtechnisch zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, ein Laser-Scanning-Mikroskop mit einer solchen Steuereinheit und ein Computerprogramm, das zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
• In den Zeichnungen zeigen:
• 1 ein Laser-Scanning-Mikroskop,
• 2 Diagramme der Abtastbewegungen und der Pixelzeit,
• 3 die Beschränkung des Datenaufnahme- und Korrelationsbereichs,
• 4 die Einteilung des abzutastenden Probenbereichs in Abschnitte mit nahezu konstanter Pixelzeit,
• 5 die Abtastung mit unterschiedlicher Abtastgeschwindigkeit in Hin- und Rückrichtung,
• 6 die Variation der Anzahl von Abtastwerten,
• 7 die Auswahl von interessierenden Bereichen und
• 8 ein Flussdiagramm eines Konfigurations-, Datenaufnahme- und Auswertungsverfahrens.
• In allen Zeichnungen haben übereinstimmende Teile gleiche Bezugszeichen.
• 1 zeigt beispielhaft ein konfokales Laser-Scanning-Mikroskop, das insbesondere zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Darin ist ein Lasermodul 1 vorgesehen, das mit Lasern 2, 3 und 4 zur Erzeugung von Laserlicht der Wellenlängen 633 nm, 543 nm beziehungsweise 488 nm für den sichtbaren Bereich ausgestattet ist. Die von den Lasern 2, 3 und 4 ausgehende Strahlung wird über mehrere Strahlvereiniger 5, ein AOTF 6 und eine Lichtleitfaser 7 in eine Scan-Einrichtung 8 eingekoppelt, die mit einer in den Koordinaten X und Y strahlablenkenden Einheit 9 ausgestattet ist. Die Abtastbewegung entlang der Abtastachse X kann in Form einer harmonischen Schwingung oder beispielsweise in Form eines Dreiecksverlaufs erfolgen. In einem zweiten Lasermodul 10 ist ein UV-Laser vorgesehen, dessen Licht über ein AOTF 11 und eine Lichtleitfaser 12 in die Scan Einrichtung 8 eingekoppelt wird.
• In beiden Strahlengängen sind den Lichtleitfasern 7 und 12 jeweilige Kollimationsoptiken 13 nachgeordnet, deren Abstände zum jeweiligen Faserende veränderbar sind und die zu diesem Zweck mit einer ansteuerbaren Stelleinrichtung (zeichnerisch nicht dargestellt) gekoppelt sind.
• Von der strahlablenkenden Einrichtung 9 wird die Laserstrahlung durch ein Scan-Objektiv 14 in den Strahlengang des vereinfacht dargestellten Mikroskops 15 eingekoppelt und hier auf eine Probe 16 gerichtet, die einen fluoreszierenden Farbstoff enthält oder auf die ein solcher Farbstoff aufgebracht worden ist. Auf dem Weg zur Probe passiert die Laserstrahlung eine Tubuslinse 17, einen Strahlteiler 18 und das Mikroskopobjektiv 19.
• Das von dem jeweils beaufschlagten Ort der Probe reflektierte und/oder emittierte Licht gelangt durch das Mikroskopobjektiv 19 zurück zur strahlablenkenden Einrichtung 9, passiert danach einen Strahlteiler 20 und wird mit Hilfe der Abbildungsoptik 21 nach Aufspaltung in mehrere Detektionskanäle 22 auf Detektoren 23 m Form von Sekundärelektronenvervielfachern (engl. „photomultiplier“; PMT) gerichtet, von denen jeweils einer einem der Detektionskanäle 22 zugeordnet ist. Zum Zweck der Aufspaltung in die einzelnen Detektionskanäle 22 wird das Licht beispielhaft von einem Umlenkprisma 24 auf dichroitische Strahlteiler 25 gerichtet. In jedem Detektionskanal 22 sind sowohl in Richtung als auch senkrecht zur Strahlungsrichtung verstellbare und in ihren Durchmessern veränderbare Pinholes 26 sowie Emissionsfilter 27 vorgesehen.
• Die Ausgänge der Detektoren 23 führen zu den Signaleingängen einer Auswerteschaltung 28, die ihrerseits mit einer Steuereinheit 29 verbunden ist, um die Signale der Detektoren 23 pixelweise zu integrieren und auszuwerten. Die Ausgänge der Steuereinheit 29 sind mit den Signaleingängen der Lasermodule 1 und 10, mit Signaleingängen der Stelleinrichtungen zur Beeinflussung der Position von optischen Elementen beziehungsweise Baugruppen, beispielsweise der Position der Kollimationsoptiken 13 und der Pinholes 26, mit der Scan-Einrichtung 8 und mit der Auswerteschaltung 28 verbunden (im Detail nicht dargestellt). Die Steuereinheit 29 ist außerdem mit einer Anzeige (nicht dargestellt) und Bedienelementen (nicht dargestellt) zur Dateneingabe und -modifikation verbunden.
• Beispielhaft ist die in die Scan-Einrichtung 8 eingekoppelte Laserstrahlung durch einen Strahlteiler 30 verzweigt, wobei einer der Zweige zur Überwachung der Laserstrahlung auf einen optoelektronischen Empfänger 31 gerichtet ist, dem mehrere auf Filterrädern angeordnete und durch Drehung der Filterräder gegeneinander austauschbare Linienfilter 32 und ebenso gegeneinander austauschbare Neutralfilter 33 vorgeordnet sind. Der Ausgang des Empfängers 31 liegt ebenfalls an einem Signaleingang der Auswerteschaltung 28. Die Filterräder, auf denen die Linienfilter 32 und die Neutralfilter 33 angeordnet sind, sind mit Stelleinrichtungen gekoppelt, deren Steuereingänge mit Signalausgängen der Steuereinheit 29 verbunden sind (zeichnerisch nicht dargestellt).
• Das erfindungsgemäße V erfahren kann selbstverständlich auch mit deutlich einfacher aufgebauten Laser-Scanning-Mikroskopen realisiert werden.
• In 2 sind für den Fall einer sinusförmigen harmonischen Bewegung eines der Ablenkspiegel der strahlablenkenden Einheit 9 in 2A der Auslenkwinkel φ des betreffenden Ablenkspiegels, in 2B die Auslenkung X des Abtaststrahls auf der Probe 16 und in 2C die ortsabhängige Pixelzeit τ_P dargestellt. Die Pixelzeit τ_P ist die Dauer über welche ein Signal eines Sekundärelektronenvervielfachers 23 zu einem Abtastwert für einen jeweiligen Pixel integriert und gemittelt wird. Aufgrund der harmonischen Bewegung sind die Pixelzeiten τ_P an den äußeren Rändern des abtastbaren Bereichs deutlich länger als im Zentrum. Analytisch ergibt sich die Auslenkung X des Abtaststrahls in der Probenebene als: x = f·tan[bsin(ω·t)] = f·b·sin(ω·t), wobei t die Zeit, b die Amplitude und ω die Drehfrequenz angibt und die Näherung für kleine Ablenkwinkel anwendbar ist. Die Ortsschrittweite ΔX=δr wird vorzugsweise konstant gehalten, um unverzerrte Bilder aufzunehmen. Daraus folgt eine sich ändernde Zeitschrittweite Δt beziehungsweise Pixelzeit $${\mathrm{\tau }}_{\text{P}}:\mathrm{\Delta }t={\tau }_P=\mathrm{\Delta }x\cdot f^{-1}\cdot b^{-1}\cdot {\omega }^{-1}\frac{1}{\text{cos}\left(\omega \cdot t\right)}$$

  
• 3 zeigt die erfindungsgemäße örtliche Beschränkung der Datenaufnahme (engl. Sampling) bei einer RICS-Messung mit einer harmonischen Abtastbewegung des Lichtstrahls entlang der Abtastachse X und einer linearen Abtastbewegung entlang der Abtastachse Y. 3A zeigt die Beschränkung in einem Ablenkungs-Zeit-Diagramm, 3B örtlich in einem Bild (X-Y-Diagramm) einer beispielhaften Probe. Um Modellfunktionen, die auf der Annahme einer konstanten Pixelzeit τ_P basieren, auf die ermittelten Pixelwerte mit geringem Fehler anwenden zu können, erfolgt die RICS-Auswertung erfindungsgemäß nur in einem eingeschränkten mittleren X-Bereich, in dem sich die Pixelzeit τ_P um weniger als 10% ändert. In alternativen Ausführungsformen können auch in den Bereichen mit größeren Abweichungen die Daten mit an die sich ändernde Pixelzeit τ_P angepassten Modellfunktionen analysiert werden. In einer speziellen weitergehenden Ausführungsform der Datenaufnahme (nicht abgebildet) generiert beispielsweise die Auswerteschaltung 28 Abtastwerte nur, während sich der Abtaststrahl in dem mittleren X-Bereich befindet. Dies reduziert das Datenaufkommen und die zu speichernde Datenmenge.
• Die Datenaufnahme gemäß 4 ist nicht in einer solchen Weise beschränkt. Vielmehr ist die Probe in mehrere Bereiche i=0 ... 3 unterteilt, die verschiedenen Einzelkorrelationen G_i zugeordnet werden. Innerhalb jedes der Bereiche ändert sich die Pixelzeit τ_P,i um nicht mehr als jeweils 10 %. Es wird also näherungsweise eine stückweise Linearität der Abtastbewegung angenommen. Zu jeden Bereich wird die mittlere Pixelzeit τ_P,i für die RICS-Auswertung gespeichert.
• Bevor die Probe 16 für eine eigentliche RICS-Auswertung abgetastet wird, können mittels der Steuereinheit 29 auf Anforderung eines Anwenders/Benutzers Bestwerte für einzeln auswählbare Abtastparameter ermittelt und auf der Anzeige vorgeschlagen werden. Dies ist unabhängig von der Art der Abtastbewegung (harmonisch, dreiecksförmig usw.) möglich. Der Anwender/Benutzer hat dann mittels der Bedienelemente die Möglichkeit, die vorgeschlagenen Abtastparameter für einen nachfolgenden Abtastvorgang zu übernehmen oder sie zuvor zu modifizieren. Alternativ können die Abtastparameter vorzugsweise nach Start einer eigentlichen RICS-Messung als Teil des Messvorgangs vor der eigentlichen Abtastung obligatorisch optimiert werden, ohne dass der Benutzer darüber informiert wird. Dies ermöglicht es auch Anwendern/Benutzern, die keine detaillierten Kenntnisse des optischen und elektronischen Abtastverfahrens besitzen, mittels RICS-Messungen und - Auswertungen Modellparameter von Transportprozessen mit geringen Fehlern zu ermitteln. Mit derselben Wirkung ist es denkbar, dass besonders qualifiziertes Bedienpersonal eine Optimierung von ausgewählten oder allen Abtastparametern gemäß der Erfindung außerhalb des regulären Betriebs vornimmt und die so gefundenen Bestwerte oder einen Wert eines so gefundenen Bestwertintervalls für spätere RICS-Messungen und -Auswertungen im regulären Betrieb vorgibt, die von weniger qualifizierten Benutzern durchgeführt werden. Bestwerte können beispielsweise für die miteinander in Wechselwirkung stehenden Abtastparameter räumliche Schrittweite δr und Pixelzeit τ_P ermittelt werden.
• Ein Bestwert für einen Abtastparameter kann einerseits rein rechnerisch, andererseits durch eine Anzahl von experimentellen Versuchsabtastungen mit variierenden Abtastparametern ermittelt werden. Beispielsweise kann ein Bestwert für die räumliche Schrittweite δr aus den Objektivparametern und einer beim späteren Abtasten zu verwendenden Lichtwellenlänge rein rechnerisch ermittelt werden. Die beste Pixelzeit τ_P und die beste Linienzeit τ_L können beispielsweise rein durch reale Versuchsabtastungen mit jeweils unterschiedlichem Wert für die Zeiten τ_P , τ_L ermittelt werden. Auch Mischformen sind denkbar, beispielsweise die anteilig rechnerische Ermittlung des Bestwerts für die räumliche Schrittweite δr und die anteilig experimentelle Ermittlung für die Pixelzeit τ_P , während die Linienzeit τ_L nicht optimiert, sondern dem Benutzer zur freien Einstellung überlassen wird.
• Anstelle von realen Versuchsabtastungen (Testmessungen) in Kombination mit einer Variation mindestens eines Abtastparameters kann der Bestwert durch rein rechnerische Simulationen auf der Basis dynamischer Modelle ermittelt werden. Dies bietet sich beispielsweise an, um die in der Probe deponierte Lichtenergie zu minimieren, wenn die Probe phototoxisch reagiert und genügend Informationen über den dynamischen Transportprozess für die Modellierung vorhanden sind.
• Es ist auch möglich, auf der Grundlage einer oder mehrerer realer Versuchsabtastungen eine artifizielle Variation mindestens eines Abtastparameters durchzuführen. Dies kann als virtuelle Versuchsabtastung angesehen werden. Beispielsweise kann ein realer Abtastparameter wie die Pixelzeit τ_P durch Zusammenfassen oder Auslassen unterschiedlicher Anzahlen von Abtastwerten einer realen Versuchsabtastung modifiziert werden.
• Sowohl für die rein rechnerische Simulation virtueller Versuchsabtastungen als auch für virtuelle Versuchsabtastungen ausgehend von einer oder mehreren realen Testmessungen kann die Steuereinheit (nicht abgebildet) eine Benutzerschnittstelle bereitstellen. Die ermittelten Bestwerte werden dann automatisch oder auf Nachfrage für eine anschließende RICS-Messung und -Auswertung vorgegeben.
• Aus mehreren Versuchsabtastungen, unabhängig davon, ob diese real oder virtuell durchgeführt werden, kann ein Bestwert ermittelt werden, indem aus den Abtastwerten der Versuchsabtastungen die RICS-Korrelationen und, nach Anpassung einer Modellfunktion durch eine Ausgleichsrechnung, ein Minimum eines Fehlers einer eine Dynamik eines Probenvorgangs charakterisierenden Zielgröße, beispielsweise einer Diffusionskonstante, ermittelt wird. Dies kann beispielsweise in einem an sich bekannten Intervallhalbierungsverfahren erfolgen, bis ein Minimum des Zielgrößenfehlers gefunden wird.
• 5 zeigt die erfindungsgemäße Lösung zur Beschleunigung des Konfigurationsverfahrens bei einer Abtastung mit etwa dreiecksförmigem Verlauf, die Lösung ist aber auch bei harmonischer Bewegung anwendbar. Das Abtasten der Probe in einer realen Versuchsabtastung erfolgt bidirektional. Dabei wird von der Steuereinheit 29 in der Hin-Abtastung eine erste Abtastgeschwindigkeit v_X,L-R der strahlablenkenden Einheit 9 von links nach rechts und in der Rück-Abtastung eine zweite Abtastgeschwindigkeit v_X,R-L der strahlablenkenden Einheit 9 von rechts nach links eingestellt. Daraus ergibt sich in Hin-Abtastrichtung eine andere Pixelzeit τ_P,L-R als in Rück-Abtastrichtung mit τ_P,R-L . Dabei findet die Datenaufnahme beispielhaft nur in zwei Bereichen statt, in denen die Pixelzeiten τ_P,L-R und τ_P,R-L näherungsweise konstant sind. In einer alternativen Ausgestaltung (nicht abgebildet) kann die Datenaufnahme über die gesamte Abtastamplitude erfolgen, wobei für die Auswertung lediglich Abtastwerte aus den beiden Bereichen mit jeweils näherungsweise konstanter Pixelzeit τ_P,L-R beziehungsweise τ_P,R-L verwendet werden. In beiden Alternativen werden die Daten der beiden Abtastrichtungen separat zu Pixelwerten (Bilddaten) verarbeitet und separat bezüglich der Optimierung der Abtastparameter analysiert. Durch Variation der Pixelzeit τ_P zwischen mehreren vollständigen Versuchsabtastungen des abzutastenden Probenbereichs kann nach Korrelationsbildung, Anpassung der Modellfunktion und Fehlerbestimmung des Zielgrößenparameters der Bestwert anhand derjenigen Pixelzeit τ_P ermittelt werden, bei welcher der Fehler des Zielgrößenparameters minimal ist.
• In 6 ist eine Ausführungsform gezeigt, in welcher anstelle der Änderung der Abtastgeschwindigkeit v_x die Pixelzeit τ_P variiert wird, indem die Anzahl der bei einer elektronischen Überabtastung aufgenommenen Abtastwerte, genauer gesagt der gemittelten Rohdaten der Auswerteschaltung 28, reduziert wird. Dies kann, insbesondere bei konstanter Abtastwertaufnahmefrequenz der Auswerteschaltung 28, durch Zusammenfassen oder Auslassen von Abtastwerten erfolgen. Im Ergebnis wird die Anzahl der für Korrelationen zur Verfügung stehenden Pixel reduziert, was eine entsprechende Änderung der effektiven räumlichen Schrittweite δr der virtuellen Versuchsabtastungen erfordert. Beispielsweise ist die räumliche Schrittweite δr bei Vergrößerung der Pixelzeit τ_P , beispielsweise bei Erhöhung der Anzahl der Abtastwerte pro Pixel, zu vergrößern.
• Die Abtastwertaufnahmefrequenz beträgt beispielsweise konstant 40 MHz. Die Abtastgeschwindigkeit v_X(L-R/R-L) wird von der Steuereinheit 29 so eingestellt, dass eine elektronische Überabtastung bewirkt wird. Durch unterschiedliche Varianten der Reduktion der Anzahl können virtuelle Abtastversuche mit verschiedenen Pixelzeiten τ_P,k durchgeführt werden, um den Bestwert zu bestimmen. Beispielsweise kann eine virtuelle Pixelzeit τ_P,2 virtuell aus einer Pixelzeit τ_P,1 ermittelt werden, indem jeweils zwei benachbarte Abtastwerte gemittelt zusammengefasst werden. Die Pixelzeit τ_P,2 ist dann doppelt so groß wie τ_P,1 . Die Reduktion der Anzahl des Abtastwerte kann vorteilhafterweise in Verbindung mit optischer Überabtastung eingesetzt werden, weil der Exponentialfaktor nahezu konstant gehalten werden kann.
• In alternativen Ausgestaltungen (nicht dargestellt) kann als Abtastparameter auch die Abtastwertaufnahmefrequenz variiert werden.
• 7 zeigt mehrere interessierende Bereiche ROI, die von einem Benutzer grafisch anhand eines Übersichtsbildes der Probe ausgewählt worden sind. Die erfindungsgemäßen Konfigurations- Aufnahme-, und Auswertungsverfahren können in jedem interessierenden Bereich separat und unabhängig von den anderen interessierenden Bereichen durchgeführt werden. Dabei sind in der RICS-Auswertung auch Kreuzkorrelationen zwischen den Bereichen möglich.
• In 8 sind die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens, das sowohl die Konfiguration des Laser-Scanning-Mikroskops als auch die Datenaufnahme und -auswertung zur Bestimmung von Diffusionskonstanten D_i in verschiedenen interessierenden Bereichen i umfasst, in einem Flussdiagramm schematisch zusammengefasst. Die schnelle Abtastachse X wird dabei beispielhaft harmonisch angesteuert, die langsame Abtastachse Y linear.
• Bezugszeichenliste

1

Erstes Lasermodul

2,3,4

Laser

5

Strahlvereiniger

6

AOTF

7

Lichtleitfaser

8

Scan-Einrichtung

9

Strahlablenkende Einheit

10

Zweites Lasermodul

11

AOTF

12

Lichtleitfaser

13

Kollimationsoptik

14

Scan-Objektiv

15

Mikroskops

16

Probe

17

Tubuslinse

18

Strahlteiler

19

Mikroskopobjektiv

20

Strahlteiler

21

Abbildungsoptik

22

Detektionskanal

23

Sekundärelektronenvervielfacher

24

Umlenkprisma

25

Strahlteiler

26

Pinholes

27

Emissionsfilter

28

Auswerteschaltung

29

Steuereinheit

30

Strahlteiler

31

Optoelektronischer Empfänger

32

Linienfilter

33

Neutralfilter

v_X,L-R

Hin-Abtastgeschwindigkeit

V_X,R-L

Rück-Abtastgeschwindigkeit

φ

Auslenkwinkel

X,Y

Auslenkung, Abtastachsen

Δt

Zeitschrittweite

δr

Räumliche Schrittweite

τp

Pixelzeit

ROI

Interessierender Bereich

i

Nummer des interessierenden Bereichs

G, G_i

Korrelation

F

Modellfunktion

D

Diffusionskonstante

Claims (12)

1. Verfahren zum Durchführen einer Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung an einer Probe (16), wobei Abtastwerte ausschließlich in einem Probenbereich aufgenommen werden, innerhalb dessen sich eine Pixelzeit (τ_P) längs einer harmonisch angesteuerten Abtastachse (X) um weniger als oder höchstens um einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert ändert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Abtastwerte ausschließlich in mehreren Abtastbereichen ermittelt werden, innerhalb derer sich die Pixelzeit (τ_P) längs der harmonisch angesteuerten Abtastachse (X) jeweils um weniger als oder höchstens um einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert ändert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Probe (16) optisch und/oder elektronisch überabgetastet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abtastwerte mittels eines Laser-Scanning-Mikroskops aufgenommen werden.
5. Verfahren zum Auswerten von Abtastwerten einer Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung einer Probe (16), wobei eine Korrelation (G) ausschließlich in einem Probenbereich ermittelt wird, innerhalb dessen sich eine Pixelzeit (τ_P) längs einer harmonisch angesteuerten Abtastachse (X) um weniger als oder höchstens um einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert ändert.
6. Verfahren nach dem Anspruch 5, wobei separate Korrelationen (G_i) in mehreren Abtastbereichen ermittelt werden, innerhalb derer sich die Pixelzeit (τ_P) längs der harmonisch angesteuerten Abtastachse (X) jeweils um weniger als oder höchstens um einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert ändert.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 oder 6, wobei der vorgegebene oder vorgebbare Wert 10% beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei für die Ermittlung der Korrelation (G) die Anzahl der Abtastwerte durch Zusammenfassen oder Auslassen verändert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Korrelation (G) mittels einer Steuereinheit (29) eines Laser-Scanning-Mikroskops aus Abtastwerten einer Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung ermittelt werden.
10. Steuereinheit (29) für ein Laser-Scanning-Mikroskop, die programmtechnisch zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist, so dass sie ein solches Verfahren ausführt.
11. Laser-Scanning-Mikroskop mit einer Steuereinheit (29) nach Anspruch 10.
12. Computerprogramm mit Programmcode, zur Durchführung aller Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wenn das Computerprogramm in einer Steuereinheit (29) ausgeführt wird.

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