DE102009021993A1 - Laserquelle für die Laserscanmikroskopie - Google Patents

Laserquelle für die Laserscanmikroskopie Download PDF

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Abstract

Es wird ein Scanmikroskop (110) zur Erstellung eines Abbilds einer Probe (160) vorgeschlagen. Das Scanmikroskop (110) umfasst mindestens einer Laserquelle (114) zur Erzeugung mindestens eines Laserstrahls (130, 136; 154). Weiterhin umfasst das Scanmikroskop (110) mindestens eine Scanvorrichtung (116) zum Abrastern zumindest eines Teilbereichs der Probe (160) mit dem Laserstrahl (130, 136; 154). Der Laserstrahl (130, 136; 154) weist mindestens einen ersten Laserstrahl (130) mit mindestens einer ersten Emissionswellenlänge im ultravioletten Spektralbereich auf. Die Laserquelle (114) weist mindestens einen optisch gepumpeten Festkörperlaser, insbesondere mindestens einen optisch gepumpten Halbleiterlaser (129), zur Erzeugung des mindestens einen ersten Laserstrahls (130) auf.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Scanmikroskop zur Erstellung eines Abbilds einer Probe. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung einer Laserquelle in einem Scanmikroskop sowie ein Verfahren zur Erstellung eines Abbilds einer Probe und ein Verfahren zur lokalen Freisetzung mindestens einer aktiven Verbindung aus mindestens einer Vorläuferverbindung in einer Probe. Derartige Scanmikroskope, Verwendungen und Verfahren werden insbesondere im Bereich der Bildgebung von anorganischen und/oder organischen Proben, insbesondere biologischen und/oder medizinischen Proben, eingesetzt. Auch andere Proben sind jedoch einsetzbar. Insbesondere sind die genannten Vorrichtungen, Verwendungen und Verfahren im Bereich der konfokalen Laserscanmikroskopie einsetzbar.
  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Erstellung von Abbildern verschiedener Arten von Proben bekannt. Insbesondere kann es sich dabei um Verfahren bzw. Vorrichtungen aus dem Bereich der Laserscanmikroskopie handeln, bei welchen eine Probe oder ein Teilbereich einer Probe mit einem oder mehreren Laserstrahlen abgerastert wird, beispielsweise punktweise oder zeilenweise. Verschiedene Verfahren der Lasermikroskopie sind bekannt, welche grundsätzlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, gegebenenfalls mit für die Erfindung spezifischen Modifikationen.
  • In zahlreichen Fällen ist es dabei erforderlich oder zumindest wünschenswert, wenn der für die Laserscanmikroskopie verwendete Laserstrahl oder mindestens einer von mehreren für die Laserscanmikroskopie verwendeten Laserstrahlen eine Wellenlänge im ultravioletten Spektralbereich aufweist. Als ultravioletter Spektralbereich wird dabei im Folgenden der Spektralbereich elektromagnetischer Wellen mit Wellenlängen unterhalb von 400 nm bezeichnet, beispielsweise im Bereich zwischen 150 nm und 400 nm. Beispielsweise lassen sich mit derartigen ultravioletten Laserstrahlen bestimmte photonische Prozesse in der Probe anregen, wie beispielsweise bestimmte Lumineszenzen, Fluoreszenzen und/oder fotochemisch induzierte Reaktionen.
  • Ein besonderer Bedarf an ultravioletten Lichtquellen hat sich in den letzten Jahren insbesondere im Bereich der Untersuchung biologischer Prozesse ergeben. So sind neue Verfahren entwickelt worden, bei welchen mittels geeigneter Bestrahlung von Proben physiologische Prozesse in den Proben initiiert wurden, was die Möglichkeit für die Untersuchung derartiger Prozesse bietet. Ein Beispiel derartiger Verfahren ist das Verfahren des sogenannten „caged compound release”. Derartige Verfahren werden beispielsweise in S. Giovannardi et al.: Flash Photolysis of Caged Compounds: Casting Light on Physiological Processes, News in Physiological Sciences, Vol. 13, No. 5, 251–255, October 1998 beschrieben. Bei derartigen Verfahren werden biologische Reaktionen dadurch gestartet, dass ein sogenanntes „Effektor”-Molekül photolytisch aus einem biologisch inaktiven Vorgängermaterial (precursor) freigesetzt wird. Beispielsweise lassen sich Chelat-Komplexe eines Calcium-Ions einsetzen, um photolytisch Calcium-Ionen in Gewebe freizusetzen. Bislang wurden für derartige Untersuchungen insbesondere Blitzlampen im ultravioletten Spektralbereich eingesetzt, was jedoch eine ortsaufgelöste Untersuchung der induzierten Prozesse nur schwer möglich macht
  • Ultraviolettes Laserlicht weist gegenüber sichtbarem Laserlicht einige Besonderheiten auf, da beispielsweise ultraviolettes Licht aufgrund der hohen Energie mit verschiedenen Materialien anders, z. B. schädigend in Wechselwirkung tritt als sichtbares Licht. Diese Tatsache macht sich beispielsweise bei der Einkopplung von ultraviolettem Laserlicht in Scanmikroskope bemerkbar. Aus DE 44 46 185 C2 und aus US 5,903,688 sind daher Vorrichtungen zum Einkoppeln eines UV-Laserstrahls in ein konfokales Laser-Scanmikroskop bekannt. Die Vorrichtungen umfassen einen UV-Laser und eine Einrichtung zum Parallelausrichten bzw. Korrigieren des UV-Laserstrahls auf den Strahlengang des Lasermikroskops. Weiterhin umfassen diese ein zwischen dem UV-Laser und der Justiereinrichtung angeordnetes flexibles Lichtleitfaserelement, das den UV-Laserstrahl zu dem Laser-Scanmikroskop leitet und dabei die Übertragung mechanischer Schwingungen des UV-Lasers auf das Laser-Scanmikroskop vermindert. Zwischen dem Ausgang des UV-Lasers und dem Eingang des Lichtleitfaserelements ist ein Strahlunterbrecher angebracht, wobei der UV-Laserstrahl zu dem Lichtleitfaserelement nur dann freigegeben wird, wenn der UV-Laserstrahl für die Bildaufnahme tatsächlich auch benötigt wird und somit die UV-Belastung des Lichtleitfaserelements herabgesetzt wird.
  • Trotz dieser Verbesserungen in der ultravioletten Laserscanmikrosopie bereitet die Verwendung ultravioletter Strahlung nach wie vor teilweise erhebliche technische Probleme. So besteht die Gefahr, dass optische Komponenten, wie beispielsweise eine Lichtleitfaser, durch das ultraviolette Licht geschädigt werden. Auch Linsensysteme, Spiegel oder ähnliche optische Komponenten können auf diese Weise geschädigt werden. Insbesondere werden bislang für die Erzeugung ultravioletter Laserstrahlung Argon-Ionenlaser eingesetzt, deren Laserstrahlung bekanntermaßen zu einer Trübung optischer Komponenten führen kann. Insbesondere die von Argon-Ionenlasern erzeugten Wellenlängen bei 351 nm bzw. 364 nm können unter Umständen Schäden in optischen Komponenten hervorrufen, insbesondere wenn diese optischen Komponenten nicht speziell auf die verwendeten Wellenlängen angepasst sind. Eine für den praktischen Einsatz teilweise erhebliche technische Herausforderung besteht darin, dass bekannte Laserlichtquellen zur Erzeugung ultravioletter Laserstrahlen, wie beispielsweise der Argon-Ionenlaser, mit hohem apparativem Aufwand verbunden sind. So benötigen beispielsweise Gaslaser, wie beispielsweise die genannten Argon-Ionenlaser, erhebliche Mengen an Energie und Bauraum. Zudem ist in den meisten Fällen eine Kühlwasserversorgung erforderlich, welche im praktischen Einsatz nicht in allen Fällen gewährleistet werden kann. Frequenzverdoppelte Laserlichtquellen hingegen, bei welchen sichtbares Licht durch Verwendung nicht linearer Kristalle in den ultravioletten Spektralbereich transformiert wird, sind in vielen Fällen störungsanfällig, da die Frequenzverdopplung einen erheblichen optischen Aufwand verursachen kann, insbesondere hinsichtlich der verwendeten Resonatoren.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Scanmikroskop und ein Verfahren zur Erstellung eines Abbilds einer Probe bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Scanmikroskope bzw. Verfahren vermeiden. Insbesondere soll ein leicht zu handhabendes Scanmikroskop bereitgestellt werden, welches auf einfache Weise auch Lasermikroskopie mit ultraviolettem Laserlicht ermöglicht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtungen und Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
  • In einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Scanmikroskop zur Erstellung eines Abbilds einer Probe vorgeschlagen. Grundsätzlich kann es sich dabei um beliebige Arten von Proben handeln, insbesondere um Proben anorganischer Werkstoffe und/oder um Proben organischer Materialien, beispielsweise biologischer Materialien, insbesondere Geweben. Unter einem Abbild wird allgemein eine, gegebenenfalls nach geeigneter Umwandlung, für einen menschlichen Nutzer erkennbare Darstellung der Probe verstanden, beispielsweise ein Bild auf einem Bildschirm. Auch andere Arten von Abbildungen sind jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise lediglich in Form von Daten gespeicherte Abbildungen. Unter einem Scanmikroskop wird allgemein eine Vorrichtung verstanden, welche ein derartiges Abbild beispielsweise durch punktweises oder zeilenweises Abtasten erstellt.
  • Das Scanmikroskop umfasst mindestens eine Laserquelle zur Erzeugung mindestens eines Laserstrahls. Diese Laserquelle kann beispielsweise einen oder mehrere Laser umfassen, welche im Folgenden, unabhängig vom optionalen Vorhandensein weiterer Laser, auch als „erster Laser” bezeichnet werden. Der mindestens eine Laserstrahl kann, wie unten näher dargestellt wird, mehrere Laserstrahlen und/oder Wellenlängen umfassen, beispielsweise mindestens einen ersten Laserstrahl und optional mindestens einen zweiten Laserstrahl.
  • Weiterhin umfasst das Scanmikroskop mindestens eine Scanvorrichtung zum Abrastern zumindest eines Teilbereichs der Probe mit dem Laserstrahl. Das Scanmikroskop kann beispielsweise ein Laserscansystem als optische Einheit umfassen, welches wiederum die Scanvorrichtung umfasst. Beispielsweise kann das Laserscansystem auf einem optischen Tisch aufgebaut sein. Das Laserscansystem kann neben der mindestens einen Scanvorrichtung weiterhin, wie unten exemplarisch ausgeführt wird, ein oder mehrere optische Elemente, wie beispielsweise Linsen, Objektive, Blenden oder ähnliche Elemente oder Kombinationen der genannten und/oder anderer optische Elemente umfassen. Insbesondere kann das Laserscansystem einen konfokalen Strahlengang aufweisen, also beispielsweise als konfokales Mikroskop ausgestaltet sein. Diesbezüglich kann beispielsweise auf den Stand der Technik und übliche konfokale Strahlengänge verwiesen werden, bei welchen beispielsweise eine Blende über ein Mikroskopobjektiv auf die Probe abgebildet wird.
  • Unter einer Scanvorrichtung kann grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, mittels derer nacheinander verschiedene Punkte und/oder Bereiche der Probe mit dem mindestens einen Laserstrahl beaufschlagbar sind, beispielsweise indem der Laserstrahl entsprechend abgelenkt wird. Beispielsweise kann das Abrastern ein zeilenweises oder punktweises Abrastern in Form eines Abtastens der Probe mit dem Laserstrahl umfassen. Beispielsweise kann die Scanvorrichtung mindestens einen Scanspiegel umfassen, mittels derer der mindestens eine Laserstrahl beispielsweise punktweise oder zeilenweise über die Probe bzw. den Teilbereich der Probe lenkbar ist. Die Scanvorrichtung kann beispielsweise mindestens einen Scanspiegel für eine Abtastung in einer ersten Dimension und mindestens einen weiteren Scanspiegel, z. B. einen Galvo, zum Abtasten in einer zweiten Dimension umfassen. Auch andere Arten von Scanvorrichtungen sind jedoch denkbar und aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Der Laserstrahl umfasst mindestens einen ersten Laserstrahl. Die Bezeichnung „erster Laserstrahl” wird dabei unabhängig davon gewählt, ob der Laserstrahl weitere Laserstrahlen umfasst. Dieser erste Laserstrahl weist mindestens eine erste Emissionswellenlänge auf, welche im ultravioletten Spektralbereich angeordnet ist. Auch in diesem Fall wird die Bezeichnung „erste Emissionswellenlänge” wiederum unabhängig davon gewählt, ob weitere Emissionswellenlängen vorhanden sind, beispielsweise eine zweite Emissionswellenlänge oder eine dritte Emissionswellenlänge. Unter einem ultravioletten Spektralbereich wird dabei allgemein ein Spektralbereich unterhalb von 400 nm bezeichnet, beispielsweise zwischen 150 nm und 400 nm.
  • Wie oben dargestellt, werden in herkömmlichen Scanmikroskopen zur Erzeugung ultravioletter Laserstrahlen überwiegend Gaslaser eingesetzt. Diese weisen jedoch die oben dargestellten Nachteile auf. Im Rahmen von Vorarbeiten der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, dass sich die dargestellten Probleme auf elegante und vorteilhafte Weise lösen lassen, wenn aus der Vielzahl grundsätzlich zur Verfügung stehender Laserlichtquellen sogenannte optisch gepumpte Festkörperlaser, insbesondere optisch gepumpte Halbleiterlaser, anstelle der herkömmlichen Gaslaser verwendet werden. Diese Erkenntnis ist insoweit überraschend, als Festkörperlaser, insbesondere Halbleiterlaser, in dem Ruf stehen, lediglich Licht im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich zu generieren. Bereits die Erzeugung blauen Laserlichts stellte eine technische Herausforderung dar, welche erst in den letzten Jahren gelöst wurde. Mittlerweile sind jedoch Festkörperlaser, insbesondere Halbleiterlaser, verfügbar, welche zumindest auch elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Spektralbereich generieren, insbesondere optisch gepumpte Festkörperlaser.
  • Unter einem optisch gepumpten Festkörperlaser ist dabei allgemein ein Laser zu verstehen, welcher mindestens ein Festkörpermaterial als aktives Lasermedium umfasst, welches durch optische Anregung mittels mindestens einer externen optischen Pumpquelle gepumpt wird. Insbesondere kann es sich bei dem Lasermedium um ein Halbleitermedium handeln, vorzugsweise um eine sogenannte „Quantenwell”-Struktur. Optisch gepumpte Halbleiterlaser werden auch als „OPSL” (Optically Pumped Semiconductor Laser) bezeichnet. Beispielsweise können diese optisch gepumpten Halbleiterlaser als sogenanntes „VECSEL” (vertical external cavity surface emitting laser) aufgebaut sein, also als Halbleiterbauelement, welches nicht in üblicher Weise senkrecht zu seinem Schichtaufbau emittiert, sondern parallel zu diesem Schichtaufbau, beispielsweise senkrecht zu seiner Oberfläche. Zur Erzeugung des optischen Pumplichts können vorzugsweise eine Pumpdiode oder einen Mehrzahl von Pumpdioden verwendet werden. Grundsätzlich ist jedoch auch eine Anregung mit anderen Pumplichtquellen möglich, beispielsweise, alternativ oder zusätzlich, Blitzlampen und/oder andere Laser.
  • Das vorgeschlagene Scanmikroskop, bei welchem die Laserquelle mindestens einen optisch gepumpten Festkörperlaser zur Erzeugung des mindestens einen ersten Laserstrahls aufweist, weist gegenüber herkömmlichen Scanmikroskopen mit Gaslasern zur Erzeugung ultravioletter Strahlung eine Mehrzahl von Vorteilen auf. So lassen sich optisch gepumpte Festkörperlaser, insbesondere optisch gepumpte Halbleiterlaser, äußerst bauraumsparend herstellen, so dass diese beispielsweise ohne größere Probleme in herkömmliche Lasergehäuse integrierbar sind. Optisch gepumpte Festkörperlaser können eingerichtet sein, um direkt und vorzugsweise ohne Frequenzverdopplung oder andere nichtlineare optische Effekte, die erste Emissionswellenlänge im ultravioletten Spektralbereich bereitzustellen. Die Handhabung optisch gepumpter Festkörperlaser, insbesondere optisch gepumpter Halbleiterlaser, ist im Vergleich zu herkömmlichen Gaslasern denkbar einfach, und die Laserquelle lässt sich äußerst störungsunempfindlich gestalten. Weiterhin lässt sich die Energieaufnahme der Laserquelle gegenüber bekannten Gaslasern deutlich reduzieren, da keine energieaufwendigen Gasplasmen erzeugt werden müssen. Auch kann auf eine Wasserkühlung, wie sie bei üblichen Gaslasern regelmäßig erforderlich ist, in der Regel verzichtet werden, und es kann beispielsweise zur Kühlung der Laserquelle eine einfache Luftkühlung verwendet werden. Auch aufwendigere Kühlungen sind jedoch selbstverständlich realisierbar.
  • Die erste Emissionswellenlänge kann insbesondere bei 355 nm ± 10 nm liegen. Es hat sich gezeigt, dass diese Wellenlänge in der Praxis mit optischen Komponenten vergleichsweise gut handhabbar ist, so dass beispielsweise eine Fokussierung oder Weiterleitung dieser Wellenlänge in der Praxis gut möglich ist. Zudem sind seit kurzem optisch gepumpte Halbleiterlaser in diesem Wellenlängenbereich verfügbar, wie unten exemplarisch noch näher ausgeführt wird.
  • Neben dem mindestens einen optisch gepumpten Festkörperlaser, welcher auch als „erster Laser” bezeichnet werden kann, kann die Laserquelle mindestens einen weiteren Laser umfassen. So kann die Laserquelle beispielsweise mindestens einen weiteren Laser umfassen, welcher im Folgenden auch als „zweiter Laser” bezeichnet wird. Dieser zweite Laser kann eingerichtet sein zur Erzeugung mindestens eines zweiten Laserstrahls mit mindestens einer Emissionswellenlänge, welche im Folgenden auch als „zweite Emissionswellenlänge” bezeichnet wird. Diese zweite Emissionswellenlänge soll im sichtbaren Spektralbereich angeordnet sein. Selbstverständlich können auch weitere Laser im ultravioletten Spektralbereich vorgesehen werden. Die Kombination aus ultraviolettem Laserlicht und sichtbarem Laserlicht ist jedoch für verschiedene Anwendungen besonders bevorzugt, insbesondere für die unten beschriebenen Anwendungen zur Untersuchung biologischer Proben. So kann beispielsweise mittels des ersten Laserstrahls eine Anregung biologischer und/oder physiologischer Prozesse erfolgen, wohingegen dann mittels des zweiten Lasers und der zweiten Emissionswellenlänge eine Sichtbarmachung dieser Prozesse erfolgen kann. Die zweite Emissionswellenlänge kann insbesondere im Bereich von 405 nm ± 5 nm liegen. Dieser blaue Spektralbereich ist beispielsweise für die Anregung, Beeinflussung oder Manipulation von Fluoreszenzprozessen, insbesondere zur Sichtbarmachung der durch die erste Emissionswellenlänge im ultravioletten Spektralbereich initiierten physiologischen Prozesse, besonders geeignet. Der zweite Laser kann insbesondere mindestens einen Diodenlaser umfassen.
  • Der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl können auf verschiedene Weisen der Scanvorrichtung zugeführt werden. So können der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl grundsätzlich miteinander vereinigt werden und gemeinsam der Scanvorrichtung zugeführt werden, insbesondere über mindestens ein optisches Modulationselement und/oder mindestens einen Lichtwellenleiter, insbesondere eine Einmoden-Lichtleitfaser. Unter einem Modulationselement kann beispielsweise ein akusto-optisches Modulationselement verstanden werden, insbesondere ein akusto-optisches einstellbares Filter (acousto-optical tunable Filter, AOTF). Mittels eines derartigen optischen Modulationselements kann beispielsweise die Lichtintensität in einem Bereich z. B. zwischen 0 Prozent und 100 Prozent kontinuierlich oder stufenweise eingestellt werden, so dass das optische Modulationselement beispielsweise als einstellbares Filter wirken kann. Auf diese Weise kann beispielsweise durch eine entsprechende Dämpfung der Strahlung eine für die Bildgebung, also die Erzeugung des Abbilds der Probe, benötigte Intensität auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich können der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl jedoch auch getrennt der Scanvorrichtung zugeführt werden. Beispielsweise kann eine erste Zuführung für Emissionswellenlängen im ultravioletten Spektralbereich und eine zweite Zuführung für Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich oder in anderen Spektralbereichen vorgesehen sein. Beispielsweise können zu diesen Zwecken getrennte Lichtwellenleiter und/oder getrennte optische Modulationselemente vorgesehen sein, welche jeweils auf die Emissionswellenlänge angepasst sein können. Auch eine optische Korrekturvorrichtung kann vorgesehen sein, welche speziell auf die jeweilige Emissionswellenlänge angepasst sein kann, beispielsweise eine optische Fokuskorrektur. Auf diese Weise können die Besonderheiten der einzelnen Emissionswellenlängen berücksichtigt werden und geeignete optische Elemente verwendet werden. So kann die Zuführung des ersten Laserstrahls zu der Scanvorrichtung beispielsweise über mindestens einen ersten Lichtwellenleiter, insbesondere eine erste Einmoden-Lichtleitfaser erfolgen. Die Zuführung des zweiten Laserstrahls zu der Scanvorrichtung kann über mindestens einen zweiten Lichtwellenleiter, insbesondere eine zweiten Einmoden-Lichtleitfaser, erfolgen. Die mindestens zwei Lichtwellenleiter können speziell auf die jeweiligen Emissionswellenlängen angepasst sein.
  • Zwischen dem ersten Lichtwellenleiter, insbesondere der ersten Einmoden-Lichtleitfaser, und der Scanvorrichtung kann beispielsweise mindestens eine optische Korrekturvorrichtung zur Korrektur des ersten Laserstrahls vorgesehen sein, welche im Folgenden – unabhängig vom Vorhandensein weiterer optischer Korrekturvorrichtungen – auch als „erste optische Korrekturvorrichtung” bezeichnet wird. Insbesondere kann es sich dabei um eine optische Korrekturvorrichtung handeln, welche zur Fokuskorrektur eingerichtet ist, d. h. welche eine optimale Einkopplung in eine Optik der Scanvorrichtung und/oder des optischen Strahlengangs der Scanvorrichtung ermöglicht. Derartige optische Korrekturvorrichtungen sind insbesondere bei der Verwendung ultravioletter Emissionswellenlängen von Vorteil, da diese in vielen Fällen eine Fokusverzerrung aufweisen, insbesondere nach Auskopplung aus einer Lichtleitfaser. Optional kann auch zwischen der zweiten Lichtleitfaser und der Scanvorrichtung eine optische Korrekturvorrichtung vorgesehen sein, welche auch als „zweite optische Korrekturvorrichtung” bezeichnet werden kann. Auf diese zweite optische Korrekturvorrichtung kann jedoch auch verzichtet werden, da insbesondere für sichtbare Wellenlängen eine optische Fokuskorrektur in vielen Fällen nicht erforderlich ist, im Gegensatz zu ultravioletten Emissionswellenlängen.
  • Wie oben dargestellt, liegt ein besonderer Vorteil der Verwendung optisch gepumpter Festkörperlaser in einem geringen Bauraumbedarf und einem vergleichsweise geringen Energiebedarf. Somit ist auch eine Abwärmeentwicklung derartiger optisch gepumpter Festkörperlaser vergleichsweise gering im Vergleich zu herkömmlichen Gaslasern, beispielsweise Argon-Ionenlasern. Aus diesem Vorteil ergibt sich, dass der optisch gepumpte Festkörperlaser und der mindestens eine zweite Laser insbesondere ganz oder teilweise in mindestens einem gemeinsamen Modul integriert sein können. Beispielsweise kann es sich bei diesem gemeinsamen Modul um ein durch ein Gehäuse umschlossenes Modul handeln, beispielsweise einen Lasertisch und/oder ein Lasergehäuse und/oder eine Laserwanne. Dieses Modul kann allgemein als Laserversorgungseinheit bezeichnet werden und kann beispielsweise ein gemeinsames Gehäuse aufweisen, sodass eine besonders hohe Benutzerfreundlichkeit erzielt werden kann. Der optisch gepumpte Festkörperlaser und der zweite Laser können insbesondere durch mindestens eine gemeinsame Kühlung gekühlt werden. Bei dieser mindestens einen gemeinsamen Kühlung kann es sich insbesondere um mindestens eine Luftkühlung handeln und/oder die gemeinsame Kühlung kann eine derartige Luftkühlung umfassen. Auf eine aufwendige Wasserkühlung oder eine andere Art von Fluidkühlung kann vorteilhafterweise verzichtet werden. Die gemeinsame Kühlung kann insbesondere eine geregelte Kühlung umfassen, welche beispielsweise mindestens einen Temperaturfühler zur Erfassung einer Temperatur des optisch gepumpten Festkörperlasers und/oder des zweiten Lasers umfasst. Weiterhin kann die geregelte Kühlung mindestens einen Regelkreis umfassen, sodass die Stärke der Kühlung an die jeweilige Temperatur angepasst werden kann, insbesondere um auf mindestens eine Solltemperatur und/oder einen Solltemperaturbereich zu regeln. Auch diese Möglichkeit der Realisierung einer gemeinsamen Kühlung stellt einen wesentlichen Vorteil der Verwendung optisch gepumpter Festkörperlaser, insbesondere optisch gepumpter Halbleiterlaser, dar. Beispielsweise kann der optisch gepumpte Festkörperlaser auf einem Kühlblech und/oder einem Kühlblock montiert werden, welcher beispielsweise durch eine Luftkühlung gekühlt wird. Auf demselben Kühlblock oder einem mit diesem verbundenen zweiten Kühlblock kann dann der mindestens eine zweite Laser montiert werden.
  • Neben dem Scanmikroskop in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen wird weiterhin eine Verwendung einer Laserquelle zur Erzeugung mindestens eines Laserstrahls in einem Scanmikroskop zur Erstellung eines Abbilds einer Probe vorgeschlagen. Bei dem Scanmikroskop kann es sich insbesondere um ein Scanmikroskop gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen handeln, so dass für mögliche Ausgestaltungen dieses Scanmikroskops auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Das Scanmikroskop umfasst mindestens eine Scanvorrichtung zum Abrastern zumindest eines Teilbereichs der Probe mit dem Laserstrahl. Der Laserstrahl umfasst mindestens einen ersten Laserstrahl mit mindestens einer ersten Emissionswellenlänge im ultravioletten Spektralbereich. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die verwendete Laserquelle mindestens einen optisch gepumpten Festkörperlaser, insbesondere mindestens einen optisch gepumpten Halbleiterlaser, zur Erzeugung des mindestens einen ersten Laserstrahls aufweist.
  • Weiterhin wird ein Verfahren zur Erstellung eines Abbilds einer Probe vorgeschlagen. Das Verfahren kann insbesondere unter Verwendung eines Scanmikroskops in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen durchgeführt werden, so dass wiederum bezüglich möglicher Ausgestaltungen des Scanmikroskops auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Bei dem Verfahren wird mindestens ein Teilbereich der Probe mit mindestens einem Laserstrahl abgerastert. Der Laserstrahl umfasst mindestens einen ersten Laserstrahl mit mindestens einer ersten Emissionswellenlänge im ultravioletten Spektralbereich. Zur Erzeugung des ersten Laserstrahls wird dabei vorgeschlagen, mindestens einen optisch gepumpten Festkörperlaser, insbesondere mindestens einen optisch gepumpten Halbleiterlaser, zu verwenden.
  • Wie oben dargestellt, ist das Scanmikroskop grundsätzlich zur Erzeugung von Abbildern verschiedener Arten von Proben geeignet. Ein besonderer Schwerpunkt der vorliegenden Erfindung liegt jedoch auf der Erstellung von Abbildern biologischer und/oder medizinischer Proben, insbesondere Gewebeproben. So lassen sich mittels der ultravioletten Laserstrahlen insbesondere biologische Prozesse, beispielsweise physiologische Prozesse, in Geweben anregen, welche sich dann, vorzugsweise unter Verwendung des optionalen mindestens einen zweiten Lasers, weiter untersuchen lassen. So kann beispielsweise der optisch gepumpte Festkörperlaser eingesetzt werden, um einen Prozess, insbesondere mindestens einen schnellen dynamischen Prozess, in einer biologischen Probe zu initiieren, welcher dann mittels der zweiten Emissionswellenlänge untersucht werden kann, beispielsweise durch herkömmliche Fluoreszenzmikroskopie. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
  • Dieses Verfahren kann beispielsweise, wie oben bereits teilweise erläutert wurde, unter Verwendung eines Prozesses durchgeführt werden, bei welchem mindestens eine aktive Verbindung aus mindestens einer Vorläuferverbindung freigesetzt wird. Diesbezüglich kann auf die obige Beschreibung des Standes der Technik verwiesen werden. Insbesondere kann es sich bei der Vorläuferverbindung um einen sogenannten „caged compound” handeln und/oder eine Verbindung, welche einen derartigen „caged compound” umfasst. Die aktive Verbindung soll derart eingerichtet sein, dass diese in der Probe mindestens eine Reaktion hervorruft, beispielsweise eine Initiierung eines physiologischen Prozesses und/oder eine chemische Reaktion. Beispielsweise kann es sich bei der aktiven Verbindung um Calcium-Ionen handeln. Bei der Vorläuferverbindung kann es sich insbesondere um einen Komplex, vorzugsweise um einen Chelat-Komplex, handeln. Dementsprechend wird ein Verfahren zur lokalen Freisetzung mindestens einer ersten aktiven Verbindung aus mindestens einer Vorläuferverbindung in einer Probe vorgeschlagen, welches insbesondere und vorteilhafterweise unter Verwendung eines Scanmikroskops in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsarten durchgeführt werden kann. Dementsprechend kann bezüglich der Ausgestaltungen des Scanmikroskops auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Unter einer lokalen Freisetzung kann dabei grundsätzlich eine Freisetzung verstanden werden, welche räumlich auf eine Bestrahlung mittels mindestens eines Laserstrahls und/oder einen Umgebungsbereich dieser Bestrahlung begrenzt ist. Unter einer Freisetzung kann dabei allgemein beispielsweise eine Freisetzung der aktiven Verbindung aus der Vorläufersubstanz verstanden werden, welche grundsätzlich auch eine Umwandlung der Vorläufersubstanz und unter Entstehung der mindestens einen aktiven Verbindung umfassen kann. Bei dem Verfahren wird mindestens ein Teilbereich der Probe mit einem Laserstrahl abgerastert, wobei der Laserstrahl mindestens einen ersten Laserstrahl mit mindestens einer ersten Emissionswellenlänge im ultravioletten Spektralbereich aufweist, insbesondere bei 355 nm ± 10 nm. Zur Erzeugung des ersten Laserstrahls wird vorgeschlagen mindestens einen optisch gepumpten Festkörperlaser, insbesondere mindestens einen optisch gepumpten Halbleiterlaser, zu verwenden. Die erste Emissionswellenlänge wird derart gewählt, dass diese die Freisetzung der mindestens einen aktiven Verbindung bewirkt. Hierfür haben sich insbesondere die oben beschriebenen ultravioletten Spektralbereiche als geeignet erwiesen, da diese in der Lage sind, beispielsweise Komplexbindungen zu zerstören, so dass beispielsweise komplexiert gebundene aktive Verbindungen freigesetzt werden können.
  • Die aktive Verbindung und/oder die Vorläuferverbindung können insbesondere ein oder mehrere biologisch aktive Moleküle bzw. Substanzen und/oder Farbstoffe umfassen. Alternativ oder zusätzlich können diese Moleküle, Substanzen oder Farbstoffe jedoch auch getrennt beigegeben werden, so dass beispielsweise die Vorläufersubstanz und optional mindestens ein Farbstoff der Probe beigegeben werden. Der mindestens eine Farbstoff kann beispielsweise zur Sichtbarmachung eines biologischen und/oder chemischen und/oder physiologischen Prozesses genutzt werden, so dass beispielsweise Edukte und/oder Produkte und/oder Zwischenprodukte dieses Prozesses sichtbar gemacht werden können. Beispielsweise können diese mit dem mindestens einen Farbstoff reagieren und/oder den mindestens einen Farbstoff auf andere Weise beeinflussen, so dass beispielsweise aus einer Änderung optischer Eigenschaften des mindestens einen Farbstoffs auf den Prozess und/oder einen Fortgang des Prozesses geschlossen werden kann. Der mindestens eine Farbstoff kann beispielsweise mit der ersten Emissionswellenlänge und/oder mindestens einer zweiten Emissionswellenlänge wechselwirken, beispielsweise einer zweiten Emissionswellenlänge im sichtbaren Spektralbereich, beispielsweise bei 405 nm. Auf diese Weise ist die oben beschriebene Laserkombination mit dem mindestens einen zweiten Laser zur Erzeugung mindestens eines zweiten Laserstrahls besonders vorteilhaft einsetzbar, da beispielsweise dieser mindestens eine zweite Laserstrahl zur Anregung des Farbstoffs effektiv genutzt werden kann. Der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl können dabei gleichzeitig verwendet werden und/oder auch zeitversetzt. So kann beispielsweise das Verfahren derart durchgeführt werden, dass zunächst mittels des ersten Laserstrahls eine lokale Freisetzung der mindestens einen aktiven Verbindung erfolgt. Beispielsweise kann dies innerhalb eines vorgegebenen Bereichs der Probe erfolgen, insbesondere einer sogenannten „region of interest” (ROI). Nach dieser Anregung beziehungsweise Freisetzung der mindestens einen aktiven Verbindung innerhalb des angeregten Bereichs der Probe kann dann, beispielsweise nach einem oder mehreren vorgegebenen Zeiträumen, ein Abrastern der Probe mittels des mindestens einen zweiten Laserstrahls erfolgen, so dass auf diese Weise beispielsweise die oben beschriebenen Prozesse sichtbar gemacht werden können, beispielsweise mittels herkömmlicher Fluoreszenzmikroskopie und/oder anderer Arten von Lasermikroskopie. Mittels des vorgeschlagenen Verfahrens in einer oder mehreren der oben beschriebenen Varianten können insbesondere schnelle dynamische Prozesse, insbesondere in einer biologischen Probe, erfasst werden, insbesondere zeitaufgelöst.
  • Die vorgeschlagenen Vorrichtungen und Verfahrensweisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren ähnlicher Art weisen zahlreiche Vorteile auf, welche oben bereits teilweise beschrieben wurden. Neben der kompakten Bauform und der einfachen Handhabung sowie dem geringen Energiebedarf ist also, wie oben beschrieben, insbesondere die Einsatzmöglichkeit zur Untersuchung biologischer Proben als wesentlicher Vorteil zu nennen, insbesondere mittels der beschriebenen „caged compound release”-Verfahren (CCR-Verfahren). Insbesondere lassen sich Signalübertragungsprozesse, welche in der Neurobiologie eine wesentliche Rolle spielen, auf diese Weise untersuchen. Insbesondere lassen sich hierfür als aktive Verbindungen Calcium-Ionen (insbesondere Ca2+-Ionen) einsetzen, welche für die Signalübertragung in der Neurobiologie eine wichtige Rolle spielen. Derartige Calcium-Ionen lassen sich leicht in Form von Komplexen bereitstellen, wobei die Komplexbindung insbesondere mittels des vorgeschlagenen Scanmikroskops mittels des ersten Laserstrahls aufgebrochen werden kann, um die Calcium-Ionen freizusetzen.
  • Auf die Verwendung aufwendiger Gaslaser, wie beispielsweise Argon-Ionenlaser, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise vollständig verzichtet werden. Derarti ge Laserlichtquellen können aber grundsätzlich zusätzlich vorhanden sein. Das vorgeschlagene Scanmikroskop lässt sich jedoch kostengünstig und bauraumsparend ausgestalten. Weiterhin ist das vorgeschlagene Scanmikroskop mit geringem Installationsaufwand und geringem Aufwand für Unterhalt und Wartung verbunden. Zudem lassen sich, was von zunehmend größerer Bedeutung ist, auch die laufenden Betriebskosten erheblich reduzieren, da das beschriebene Scanmikroskop, insbesondere unter Verwendung optisch gepumpter Halbleiterlaser, mit geringem Energiebedarf betrieben werden kann. Bedingt durch die kompakte Bauform lässt sich neben der Einzelverwendung des optisch gepumpten Festkörperlasers eine kompakte Baugruppe erzeugen, bei welcher das Licht des optisch gepumpten Halbleiterlasers kombiniert werden kann mit dem des optionalen mindestens einen zweiten Lasers, beispielsweise eines Diodenlasers bei 405 nm. Dadurch ist es, wie oben beschrieben, grundsätzlich möglich, Licht beider Laser durch ein geeignetes Bauteil zu modulieren und in einer gemeinsamen Einmoden-Lichtleitfaser dem Laserscansystem mit der mindestens einen Scanvorrichtung zuzuführen. Alternativ oder zusätzlich ist es jedoch, wie oben dargestellt, auch möglich die Strahlung des optisch gepumpten Festkörperlasers und des mindestens einen zweiten Lasers nicht zu vereinigen, sondern separat in das Laserscansystem einzukoppeln, um damit zu erreichen, dass für jede Wellenlänge separat beispielsweise eine Fokuskorrektur durchgeführt werden kann, sofern sich diese als notwendig erweisen sollte.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Weitere Einzelheiten und Merkmale der Figuren ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
  • Im Einzelnen zeigt:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Scanmikroskops mit gemeinsamer Einkopplung eines ersten Laserstrahls und eines zweiten Laserstrahls; und
  • 2A und 2B ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Scanmikroskops mit getrennter Einkopplung eines ersten Laserstrahls und eines zweiten Laserstrahls.
  • Ausführungsbeispiele
  • In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Scanmikroskops 110 in stark schematisierter Darstellung gezeigt. Das Scanmikroskop 110 umfasst ein Laserscansystem 112 und eine Laserquelle 114. Das Laserscansystem 112 umfasst, wie unten am Beispiel der 2B noch näher erläutert wird, eine Scanvorrichtung 116, welche hier nicht im Detail dargestellt ist, mittels derer zumindest ein Teilbereich einer Probe mit einem von der Laserquelle 114 erzeugten Laserstrahl abgerastert werden kann. Die Laserquelle 114 kann beispielsweise ein gemeinsames Gehäuse 118 umfassen und somit beispielsweise als gemeinsames Modul aufgebaut sein. Auch eine dezentrale Anordnung ist jedoch grundsätzlich möglich. Die Laserquelle 114 ist mit dem Laserscansystem 112 und insbesondere der darin aufgenommenen Scanvorrichtung 116 über einen Lichtwellenleiter 120 verbunden, so dass die Laserquelle 114 räumlich unabhängig von dem Laserscansystem 112 angeordnet werden kann und gegenüber diesem beispielsweise vibrationsisoliert aufgenommen sein kann. Der Lichtwellenleiter 120 ist vorzugsweise als Einmoden-Lichtleitfaser ausgestaltet und/oder umfasst mindestens eine derartige Einmoden-Lichtleitfaser. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Eine Einkopplung der durch die Laserquelle 114 erzeugten Laserstrahlung in den Lichtwellenleiter 120 erfolgt mittels mindestens eines Lichtleiterkoppelelements 122 und eine Auskopplung der Laserstrahlung erfolgt mittels eines weiteren Lichtleiterkoppelelements 124. Weiterhin kann dieses weitere Lichtleiterkoppelelement 124 auch optional mindestens eine optische Korrekturvorrichtung 126 umfassen, insbesondere mit einer Fokuskorrektur. Diese optische Korrekturvorrichtung 126 kann auch als „erste optische Korrekturvorrichtug” bezeichnet werden, unabhängig vom Vorhandensein weiterer optischer Korrekturvorrichtungen.
  • Die Laserquelle 114 umfasst einen ersten Laser 128, welcher als optisch gepumpter Halbleiterlaser (optically pumped semiconductor laser, OPSL) 129 ausgestaltet ist und welcher vorzugsweise einen ersten Laserstrahl 130 mit einer ersten Emissionswellenlänge emittiert, welche vorzugsweise bei 355 nm liegt. Besonders bevorzugt ist im Rahmen des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Verwendung eines kommerziell verfügbaren optisch gepumpten Halbleiterlasers 129 vom Typ „Genesis 355” der Firma COHERENT in 64807 Dieburg, Deutschland. Derartige optisch gepumpte Halbleiterlaser 129 sind beispielsweise in ein eigenes Unter-Gehäuse integriert, welches über sämtliche für den Betrieb des ersten Lasers 128 erforderlichen Schnittstellen verfügt. Dieses Gehäuse kann beispielsweise auf einen Kühlblock montiert werden und kann mit einem Kontrollmodul verbunden sein, welches beispielsweise ebenfalls in die Laserquelle 114 integriert werden kann und/oder welches separat in ein eigenes Kontrollmodul aufgenommen werden kann. Der erste Laser 128 kann beispielsweise eine Laserkühlung umfassen, welche vorzugsweise als reine Luftkühlung ausgestaltet ist, insbesondere als geregelte Kühlung. Vor diesem ersten Laser 128 ist im Strahlengang des ersten Laserstrahls 130 optional ein optischer Schalter 132 (shutter) aufgenommen. Mittels dieses optischen Schalters 132 kann beispielsweise der erste Laserstrahl 130 an oder abgeschaltet werden. Weiterhin umfasst die Laserquelle 114 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mindestens einen zweiten Laser 134. Vorzugsweise handelt es sich bei diesem zweiten Laser 134 um einen Diodenlaser, welcher beispielsweise in einem Spektralbereich von 405 nm emittieren kann. Alternativ oder zusätzlich sind auch andere Wellenlängen möglich, beispielsweise durch Verwendung mehrerer zweiter Laser 134. Der zweite Laser 134 erzeugt einen zweiten Laserstrahl 136. Dieser kann über mindestens eine optionale Umlenkvorrichtung 138, beispielsweise einen oder mehrere Umlenkspiegel, vorzugsweise justierbare Umlenkspiegel, und mindestens einen Stahlvereiniger 140, beispielsweise einen oder mehrere dichroitische oder dichromatische Spiegel, welche vorzugsweise wiederum justierbar ausgestaltet sind, dem ersten Laserstrahl 130 überlagert werden. Wiederum kann im Strahlengang des zweiten Laserstrahls 136 ein optischer Schalter 142 vorgesehen sein, über welchen der zweite Laserstrahl 136 an- und abschaltbar ist.
  • Nach Vereinigung der Laserstrahlen 130, 136 werden diese optional einem optischen Modulationselement 144 zugeführt, bevor diese aus diesem optischen Modulationselement 144 über das Lichtleiterkoppelelement 122 in den Lichtwellenleiter 120 eingekoppelt werden. Das optische Modulationselement 144 kann beispielsweise ein einstellbares optisches Filter umfassen, welches auf einem akusto-optischen Element, beispielsweise einem akusto-optischen Modulator, beruht. Derartige Filterelemente, welche aus dem Stand der Technik auch als AOTFs bekannt sind (acousto-optical tunable filter), können beispielsweise eingesetzt werden, um eine in den Lichtwellenleiter 120 eingekoppelte Intensität der Strahlung einzustellen, beispielsweise zwischen 0 und 100 Prozent.
  • In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 werden die beiden Laserstrahlen 130 und 136 vereint und gemeinsam in den Lichtwellenleiter 120 eingekoppelt. In den 2A und 2B ist hingegen ein Ausführungsbeispiel eines Scanmikroskops 110 dargestellt, bei welchem der erste Laserstrahl 130 und der zweite Laserstrahl 136 getrennt einem Laserscan system 112 zugeführt werden. Auch eine Mischform beider Ausführungsformen ist denkbar, beispielsweise indem mehrere zweite Laserstrahlen 136 vorgesehen sind, wobei mindestens einer mit dem ersten Laserstrahl 130 zusammengefasst wird und mindestens einer separat von dem ersten Laserstrahl 130 dem Laserscansystem 112 zugeführt wird.
  • In 2A ist dabei wiederum, in analoger Darstellung zur 1, das Laserscansystem 112 lediglich schematisch angedeutet, wohingegen in 2B eine mögliche Ausgestaltung des Laserscansystems 112 in einer ebenfalls schematischen, jedoch detaillierteren Darstellung gezeigt ist. Beide Figuren werden im Folgenden gemeinsam erläutert.
  • Das Scanmikroskop 110 umfasst wiederum eine Laserquelle 114, welche wiederum als gemeinsames Modul ausgestaltet sein kann, welche jedoch alternativ auch modular aus mehreren separaten Modulen zusammengesetzt sein kann. Die Laserquelle 114 umfasst wiederum einen ersten Laser 128 zur Erzeugung eines ersten Laserstrahls 130, welcher über einen optischen Schalter 132 und eine oder mehrere Umlenkvorrichtungen 138 einem optischen Modulationselement 144 zugeführt werden kann. Von dort kann der erste Laserstrahl 130 über ein Lichtleiterkoppelelement 122 in einen ersten Lichtwellenleiter 146 eingekoppelt werden. Der erste Lichtwellenleiter 146 kann beispielsweise wiederum als Einmoden-Lichtleitfaser ausgestaltet sein, insbesondere als erster Lichtwellenleiter 146, welcher speziell auf ultraviolettes Licht angepasst ist. Aus dem ersten Lichtwellenleiter 146 wird der erste Laserstrahl 130 wiederum über ein Lichtleiterkoppelelement 124, vorzugsweise wiederum mit einer optischen Korrekturvorrichtung 126, vorzugsweise zur Fokuskorrektur, ausgekoppelt und in das Laserscansystem 112 eingekoppelt.
  • Weiterhin umfasst die Laserquelle 114 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 2A mindestens einen zweiten Laser 134, welcher im dargestellten Beispiel einen Diodenlaser 148, vorzugsweise mit einer Emissionswellenlänge von 405 nm, und optional mindestens einen weiteren Laser 150 umfasst. Bei dem weiteren Laser 150 kann es sich grundsätzlich wiederum ebenfalls um einen Diodenlaser und/oder eine andere Art von Festkörperlaser und/oder einen Gaslaser oder grundsätzlich um einen beliebigen anderen Laser handeln. Wiederum sind optische Schalter 142 vorgesehen, um das von den zweiten Laser 134 emittierte Laserlicht wahlweise zu schalten, sowie optional Umlenkvorrichtungen 138. Weiterhin ist ein Strahlvereiniger 140 vorgesehen, beispielsweise wiederum mit einem oder mehreren dichroitischen Spiegeln, um die von den zweiten Lasern 134 erzeugten Laserstrahlen zu einem gemeinsamen zweiten Laserstrahl 136 zu vereinigen. Dieser zweite Laserstrahl 136 kann dann optional über ein weiteres optisches Modulationselement 144 und ein oder mehrere weitere Lichtleiterkoppelelemente 122 in mindestens einem zweiten Lichtwellenleiter 152 eingekoppelt und auf diese Weise dem Laserscansystem 112 zugeführt werden. Dort kann dann wiederum ein Lichtleiterkoppelelement 124 vorgesehen sein, optional wiederum mit einer optischen Korrekturvorrichtung 126. Insbesondere im sichtbaren Spektralbereich kann jedoch in vielen Fällen auf eine optische Korrekturvorrichtung 126 an dieser Stelle auch verzichtet werden.
  • In 2B ist exemplarisch ein Aufbau des Laserscansystems 112, in welches der erste Laserstrahl 130 und der zweite Laserstrahl 136 eingekoppelt werden, dargestellt. Wird nur ein Laserstrahl eingekoppelt, so erfolgt ein analoger Aufbau. Wiederum optional kann auch eine Einkopplung von mehr als zwei Laserstrahlen erfolgen.
  • Der erste Laserstrahl 130 und der zweite Laserstrahl 136 können in dem Laserscansystem 112 wiederum mit einem Strahlvereiniger 140 zu einem gemeinsamen Laserstrahl 154 zusammengefasst werden. Dieser gemeinsame Laserstrahl wird über eine Scanvorrichtung 156 geführt, welche in 2B lediglich stark schematisiert angedeutet ist. Diese Scanvorrichtung 156 kann beispielsweise einen oder mehrere ablenkbare Spiegel, z. B. einen Galvo, umfassen, wie dies beispielsweise aus dem oben genannten Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist. Allgemein können die aus dem oben zitierten Stand der Technik beschriebenen Laserscansysteme 112 grundsätzlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, gegebenenfalls mit leichten Modifikationen, eingesetzt werden.
  • Der in 2B dargestellte Strahlengang des Laserscansystems 112 ist vorzugsweise als konfokaler Strahlengang ausgestaltet. Der gemeinsame Laserstrahl 154 wird dementsprechend durch ein Objektiv 158 auf eine Probe 160 gelenkt. Das von der Probe 160 ausgehende Licht, welches ohne Beschränkung möglicher Detektionsmechanismen und/oder Bildgebungsmechanismen im Folgenden auch als Detektionslicht 162 bezeichnet wird, passiert erneut das Objektiv 158 und wird durch einen Strahlteiler 164 zu einem oder mehreren Detektoren 166 gelenkt. Beispielsweise kann es sich bei diesem Detektionslicht 162 um reflektiertes Licht und/oder um Fluoreszenzlicht von der Probe 160 handeln.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass der in 2B dargestellte Strahlengang des Laserscansystems 112 lediglich stark schematisiert gezeigt ist. So können beispielsweise ein oder mehrere optische Elemente im Strahlengang vorgesehen sein, oder es kann beispielsweise eine andere Gruppierung der gezeigten optischen Elemente erfolgen. So können beispielsweise ein oder mehrere zusätzliche Linsenelemente und/oder Objektive vorgesehen sein und/oder ein oder mehrere Blendenelemente, beispielsweise zur Realisierung des konfoka len Aufbaus in 2B. So kann beispielsweise eine Blendenöffnung einer nicht dargestellten Blende über das Objektiv 158 auf die Probe 160 abgebildet werden.
  • Insbesondere mittels des in den 2A und 2B dargestellten Ausführungsbeispiels eines Scanmikroskops 110 lässt sich auf besonders vorteilhafte Weise eine Untersuchung biologischer Proben 160, beispielsweise neurologischer Gewebeproben, durchführen. So kann beispielsweise zunächst in einem Interessensbereich (region of interest, ROI) auf der Probe 160 durch Bestrahlung mit dem ersten Laserstrahl 130 eine lokale Freisetzung einer aktiven Verbindung in der Probe 160 erfolgen, beispielsweise eine lokale Freisetzung von Calcium-Ionen. Diese können bestimmte Prozesse in der Probe 160 auslösen, beispielsweise bestimmte neurologische Prozesse. Der Fortgang dieser Prozesse kann dann beispielsweise anhand geeigneter Farbstoffe in der Probe 160 mittels des zweiten Laserstrahls 136 untersucht werden, beispielsweise indem diese Farbstoffe durch den zweiten Laserstrahl 136, insbesondere einen blauen Laserstrahl, beispielsweise bei 405 nm, zu einer Fluoreszenz angeregt werden. Das Fluoreszenzlicht kann dann als Detektionslicht 162 durch den Detektor 166 aufgenommen werden, so dass durch die detektierten Signale ein Abbild neurologischer Prozesse oder andere Prozesse, welche aktiviert wurden, auf einem Bildschirm sichtbar gemacht werden können. Der Detektor 166 kann allgemein beispielsweise ein Zeilen- oder Flächen-Array umfassen, beispielsweise einen CCD-Chip, ein APD- bzw. EMCCD-Array oder einen anderen 1-, 2- oder 3-dimensioneln Detektor. Auf diese Weise kann ein Abbild der Probe gewonnen werden, aus welchem sich Rückschlüsse auf den Verlauf des biologischen Prozesses ziehen lassen.
  • 110
    Scanmikroskop
    112
    Laserscansystem
    114
    Laserquelle
    116
    Scanvorrichtung
    118
    Gehäuse
    120
    Lichtwellenleiter
    122
    Lichtleiterkoppelelement
    124
    Lichtleiterkoppelelement
    126
    Optische Korrekturvorrichtung
    128
    erster Laser
    129
    optisch gepumpter Halbleiterlaser
    130
    erster Laserstrahl
    132
    optischer Schalter
    134
    zweiter Laser
    136
    zweiter Laserstrahl
    138
    Umlenkvorrichtung
    140
    Strahlvereiniger
    142
    optischer Schalter
    146
    erster Lichtwellenleiter
    148
    Diodenlaser
    150
    weiterer Laser
    152
    zweiter Lichtwellenleiter
    154
    gemeinsamer Laserstrahl
    156
    Scanvorrichtung
    158
    Objektiv
    160
    Probe
    162
    Detektionslicht
    164
    Strahlteiler
    166
    Detektor
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 4446185 C2 [0005]
    • - US 5903688 [0005]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - S. Giovannardi et al.: Flash Photolysis of Caged Compounds: Casting Light on Physiological Processes, News in Physiological Sciences, Vol. 13, No. 5, 251–255, October 1998 [0004]

Claims (15)

  1. Scanmikroskop (110) zur Erstellung eines Abbilds einer Probe (160), umfassend mindestens eine Laserquelle (114) zur Erzeugung mindestens eines Laserstrahls (130, 136; 154), weiterhin umfassend mindestens eine Scanvorrichtung (116) zum Abrastern zumindest eines Teilbereichs der Probe (160) mit dem Laserstrahl (130, 136; 154), wobei der Laserstrahl (130, 136; 154) mindestens einen ersten Laserstrahl (130) mit mindestens einer ersten Emissionswellenlänge im ultravioletten Spektralbereich aufweist, wobei die Laserquelle (114) mindestens einen optisch gepumpten Festkörperlaser, insbesondere mindestens einen optisch gepumpten Halbleiterlaser (129), zur Erzeugung des mindestens einen ersten Laserstrahls (130) aufweist.
  2. Scanmikroskop (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Emissionswellenlänge bei 355 nm ± 10 nm liegt.
  3. Scanmikroskop (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserquelle (114) weiterhin mindestens einen zweiten Laser (134) zur Erzeugung mindestens eines zweiten Laserstrahls (136) mit mindestens einer zweiten Emissionswellenlänge im sichtbaren Spektralbereich aufweist.
  4. Scanmikroskop (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zweite Emissionswellenlänge bei 405 nm ± 5 nm liegt.
  5. Scanmikroskop (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Laser (134) mindestens einen Diodenlaser umfasst.
  6. Scanmikroskop (110) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Laserstrahl (130) und der zweite Laserstrahl (136) vereinigt und gemeinsam der Scanvorrichtung (116) zugeführt werden, insbesondere über mindestens ein optisches Modulationselement (144) und/oder mindestens einen Lichtwellenleiter (146, 152), insbesondere eine Einmoden-Lichtleitfaser.
  7. Scanmikroskop (110) nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Laserstrahl (130) und der zweite Laserstrahl (136) getrennt der Scanvorrichtung (116) zugeführt werden.
  8. Scanmikroskop (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Zuführung des ersten Laserstrahls (130) zu der Scanvorrichtung (116) über mindestens einen ersten Lichtwellenleiter (146), insbesondere eine erste Einmoden-Lichtleitfaser, erfolgt, wobei die Zuführung des zweiten Laserstrahls (136) zu der Scanvorrichtung (116) über mindestens einen zweiten Lichtwellenleiter (152), insbesondere eine zweite Einmoden-Lichtleitfaser, erfolgt, wobei zwischen dem ersten Lichtwellenleiter (146) und der Scanvorrichtung (116) mindestens eine erste optische Korrekturvorrichtung (126) zur Korrektur des ersten Laserstrahls (130) vorgesehen ist, insbesondere zur Fokuskorrektur.
  9. Scanmikroskop (110) nach einem der sechs vorhergehenden Ansprüche, wobei der optisch gepumpte Festkörperlaser und der zweite Laser (134) in einem gemeinsamen Modul integriert sind.
  10. Scanmikroskop (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der optisch gepumpte Festkörperlaser und der zweite Laser (134) durch mindestens eine gemeinsame Kühlung gekühlt werden, insbesondere eine geregelte Kühlung.
  11. Verwendung einer Laserquelle (114) zur Erzeugung mindestens eines Laserstrahls (130, 136; 154) in einem Scanmikroskop (110) zur Erstellung eines Abbilds einer Probe (160), insbesondere einem Scanmikroskop (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Scanmikroskop (110) mindestens eine Scanvorrichtung (116) zum Abrastern zumindest eines Teilbereichs der Probe (160) mit dem Laserstrahl (130, 136; 154) aufweist, wobei der Laserstrahl (130, 136; 154) mindestens einen ersten Laserstrahl (130) mit mindestens einer ersten Emissionswellenlänge im ultravioletten Spektralbereich aufweist, wobei die Laserquelle (114) mindestens einen optisch gepumpten Festkörperlaser, insbesondere mindestens einen optisch gepumpten Halbleiterlaser (129), zur Erzeugung des mindestens einen ersten Laserstrahls (130) aufweist.
  12. Verfahren zur Erstellung eines Abbilds einer Probe (160), insbesondere unter Verwendung eines Scanmikroskops (110) nach einem der vorhergehenden, ein Scanmikroskop (110) betreffenden Ansprüche, wobei mindestens ein Teilbereich der Pro be (160) mit einem Laserstrahl (130, 136; 154) abgerastert wird, wobei der Laserstrahl (130, 136; 154) mindestens einen ersten Laserstrahl (130) mit mindestens einer ersten Emissionswellenlänge im ultravioletten Spektralbereich aufweist, wobei zur Erzeugung des ersten Laserstrahls (130) mindestens ein optisch gepumpter Festkörperlaser, insbesondere mindestens ein optisch gepumpter Halbleiterlaser (129), verwendet wird.
  13. Verfahren zur lokalen Freisetzung mindestens einer aktiven Verbindung aus mindestens einer Vorläufer-Verbindung in einer Probe (160), insbesondere unter Verwendung eines Scanmikroskops (110) nach einem der vorhergehenden, ein Scanmikroskop (110) betreffenden Ansprüche, wobei mindestens ein Teilbereich der Probe (160) mit einem Laserstrahl (130, 136; 154) abgerastert wird, wobei der Laserstrahl (130, 136; 154) mindestens einen ersten Laserstrahl (130) mit mindestens einer ersten Emissionswellenlänge im ultravioletten Spektralbereich aufweist, wobei zur Erzeugung des ersten Laserstrahls (130) mindestens ein optisch gepumpter Festkörperlaser, insbesondere mindestens einen optisch gepumpten Halbleiterlaser (129), verwendet wird, wobei die erste Emissionswellenlänge derart gewählt wird, dass diese die Freisetzung der mindestens einen aktiven Verbindung bewirkt.
  14. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die aktive Verbindung und/oder die Vorläufer-Verbindung mindestens einen Farbstoff umfassen.
  15. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein schneller dynamischer Prozess, insbesondere in einer biologischen Probe (160), erfasst wird, insbesondere zeitaufgelöst.
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