DE102012016347A1 - Microscope for single plane illumination microscopy (SPIM) has sample chamber having screw-in insert fittable annular opening in which sealing ring for fitting detector and/or illumination lens and/or lens mount or holder is placed - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Mikroskop, welches ein Abbildungsobjektiv zur Abbildung einer Probe auf einen Detektor sowie Mittel zur Beleuchtung der Probe mit einem Lichtblatt in der Fokusebene des Abbildungsobjektivs bzw. in einer definierten Ebene in der Nähe der dieser Fokusebene umfasst. Die Mittel zur Beleuchtung umfassen eine kohärentes Licht abstrahlende Beleuchtungsquelle.The invention relates to a microscope which comprises an imaging objective for imaging a specimen on a detector and means for illuminating the specimen with a light sheet in the focal plane of the imaging objective or in a defined plane in the vicinity of this focal plane. The means for illumination comprise a coherent light-emitting illumination source.
Ein Mikroskop, bei dem Beleuchtungsstrahlengang und Detektionsstrahlengang im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind, und bei der die Probe mit einem Lichtblatt in der Fokusebene des Abbildungsobjektivs, d. h. senkrecht zu dessen optischer Achse, beleuchtet wird, ist für die Untersuchung von Proben nach dem Verfahren der Selective-Plane-Illumination-Microscopy (SPIM) ausgelegt. Im Unterschied zur konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie (LSM), bei der eine dreidimensionale Probe in einzelnen, unterschiedlich tiefen Ebenen Punkt für Punkt abgetastet wird und die dabei gewonnenen Bildinformationen nachfolgend zu einer dreidimensionalen Abbildung der Probe zusammengesetzt werden, beruht die SPIM-Technologie auf der Weitfeldmikroskopie und ermöglicht die bildliche Darstellung der Probe auf der Grundlage von optischen Schnitten durch einzelne Ebenen der Probe.A microscope, wherein the illumination beam path and detection beam path are arranged substantially perpendicular to each other, and wherein the sample with a light sheet in the focal plane of the imaging lens, d. H. perpendicular to its optical axis, is designed for the examination of samples according to the method of the selective plane illumination microscopy (SPIM). In contrast to confocal laser scanning microscopy (LSM), in which a three-dimensional sample is scanned point by point in individual, different depth planes and the resulting image information is subsequently assembled into a three-dimensional image of the sample, the SPIM technology is based on of wide field microscopy and allows visualization of the sample based on optical sections through individual planes of the sample.
Die Probe wird in dem überlappenden Bereich von Beleuchtung und Detektion platziert. Fluoreszenzsignale, die durch das Beleuchtungslichtblatt angeregt werden, werden über das gesamte Gesichtsfeld des Detektionsobjektivs auf eine Kamera abgebildet. Durch die rechtwinklige Beleuchtung mit einem dünnen Lichtblatt wird nur ein kleiner Teil der axialen Ausdehnung der Detektionsoptik beleuchtet und somit ein optischer Schnitt erzeugt. Um einen anderen Bereich in der Probe zu beobachten wird die Probe, unabhängig von der Optik, mit einer Probenpositioniereinheit durch das Lichtblatt gefahren.The sample is placed in the overlapping area of illumination and detection. Fluorescence signals, which are excited by the illumination light sheet, are imaged onto a camera over the entire field of view of the detection objective. Due to the rectangular illumination with a thin light sheet only a small part of the axial extent of the detection optics is illuminated and thus produces an optical section. In order to observe a different area in the sample, the sample, regardless of the optics, is driven through the light sheet with a sample positioning unit.
Die Vorteile der SPIM-Technologie bestehen unter anderem in der größeren Geschwindigkeit, mit der die Erfassung der Bildinformationen erfolgt, der geringeren Gefahr des Ausbleichens von biologischen Proben sowie einer erweiterten Eindringtiefe des Fokus in die Probe.Among the benefits of SPIM technology is the increased speed at which image information is collected, the lower the risk of bleaching of biological samples and the increased penetration of the focus into the sample.
Prinzipiell werden bei der SPIM-Technologie Fluorophore, die in der Probe enthalten sind oder in diese eingebracht werden, mit Laserlicht angeregt, welches zu einem sogenannten Lichtblatt geformt ist. Mit dem Lichtblatt wird jeweils eine ausgewählte Ebene in der Tiefe der Probe beleuchtet und mit einer Abbildungsoptik ein Bild dieser Probenebene in Form eines optischen Schnitts gewonnen. Im Wesentlichen äquivalent zu einer solchen Anregung mit einem statischen Lichtblatt ist die schnelle Hin- und Herbewegung eines dünnen, rotationssymmetrischen Laserstrahls in der Fokusebene des Abbildungsobjektivs. Effektiv, d. h. im zeitlichen Mittel über den Zeitraum der Beobachtung, ergibt sich somit die Form eines Lichtblatts.In principle, in SPIM technology, fluorophores which are contained in or introduced into the sample are excited with laser light, which is shaped into a so-called light sheet. With the light sheet, a selected plane in the depth of the sample is illuminated in each case and an image of this sample plane in the form of an optical section is obtained with an imaging optical unit. Substantially equivalent to such a stimulus with a static light sheet is the rapid reciprocation of a thin, rotationally symmetric laser beam in the focal plane of the imaging lens. Effectively, d. H. in the time average over the period of observation, thus results in the shape of a leaflet.
Die SPIM-Technologie ist beispielsweise beschrieben in
In
Problemstellungproblem
Ein großer Vorteil der Lichtscheibenmikroskopie ist das Beobachten lebendiger Proben über einen längeren Zeitraum. Durch die einzigartige Geometrie der Optik, der Anforderung die Probe völlig frei bewegen zu können und die Probe unter physiologischen Bedingungen zu beobachten, hat sich ein besonderes Probenkammerdesign durchgesetzt (
Das bedeutet, dass die Probenkammer speziell auf das Detektionsobjektiv konstruiert sein muss und ein einfacher Wechsel zwischen verschiedenen Detektionsobjektiven nicht möglich ist. Aber genau das ist notwendig. Bei verschiedenen Proben, und auch bei unterschiedlicher Probengröße, ist ein Wechsel des Objektivs unvermeidlich, da die Vergrößerung und/oder Numerische Apertur auf die Probe angepasst werden muss. Um ein universell einsetzbares Lichtscheibenmikroskop zu konstruieren, das mit ganz unterschiedlichen Proben genutzt werden kann, muss es eine einfache Möglichkeit geben die Objektive zu wechseln. Ansonsten muss für jedes Objektiv eine eigene Probenkammer konstruiert werden. Dies ist umständlich für den Anwender (er muss für jedes Objektiv immer die passende Kammer parat haben), sehr aufwendig (teilweise ist eine Neuberechnung des Optik Designs nötig) und teuer.This means that the sample chamber must be specially designed for the detection objective and a simple change between different detection objectives is not possible. But that is exactly what is necessary. For different samples, and also for different sample size, a change of the lens is unavoidable because the magnification and / or numerical aperture must be adapted to the sample. In order to construct a universally applicable optical disc microscope, which can be used with very different samples, there must be an easy way to change the lenses. Otherwise, a separate sample chamber must be constructed for each lens. This is awkward for the user (he must always have the right chamber for each lens), very expensive (sometimes a recalculation of the optics design is necessary) and expensive.
Lösungsolution
Das dargestellte Problem wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.The problem presented is solved by the features of the independent claims.
Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführt.Preferred developments are listed in the dependent claims.
Die Erfindung betrifft ein Mikroskop zur SPIM Mikroskopie, bestehend aus
- – einer Beleuchtungseinrichtung, umfassend eine Beleuchtungslichtquelle (
3 ) und einen Beleuchtungsstrahlengang zur Beleuchtung der Probe (1 ) mit einem Lichtblatt, vorzugsweise über ein Beleuchtungsobjektiv - – einer Detektierungseinrichtung zur Detektierung von Licht, das von der Probe (
1 ) abgestrahlt wird, - – einer Abbildungsoptik, die die Probe (
1 ) über ein Abbildungsobjektiv (7 ) in einem Abbildungsstrahlengang mindestens teilweise auf die Detektierungseinrichtung abbildet, - – einer vorzugsweise mit Flüssigkeit gefüllten Probenkammer die in Beleuchtungsrichtung und in Detektionsrichtung mindestens ein lichtdurchlässiges Fenster aufweist,
- – wobei das Lichtblatt im Fokus des Abbildungsobjektivs (
7 ) oder einer definierten Ebene in der Nähe des geometrischen Fokus des Abbildungsobjektivs im Wesentlichen eben ist und wobei das Abbildungsobjektiv (7 ) eine optische Achse aufweist, die die Ebene des Lichtblattes in einem von Null verschiedenen Winkel, bevorzugt senkrecht schneidet,
sowie einen Objektivwechseladapter oder Adapter für Linsenfassungen- oder Halterungen für die SPIM Mikroskopie gemäß der Erfindung und ein erfindungsgemässes Verfahren zum Objektivwechsel oder Wechsel von Linsenfassungen- oder Halterungen in der SPIM Mikroskopie,
wobei mindestens in einem lichtdurchlässigen Fenster eine Aufnahme, vorzugsweise mit einem Gewinde versehen, vorgesehen ist in die mindestens ein vorzugsweise einschraubbarer Einsatz (Adapter) einpassbar ist der eine vorzugsweise ringförmige Öffnung aufweist in der ein Dichtungsring zur Einpassung eines Dektektionsobjektives und/oder Beleuchtungsobjektives und/oder einer Linsenfassung- oder halterung eingebracht ist. Anstatt jeweils die ganze Probenkammer an das Detektionsobjektiv anzupassen wird erfindungsgemäss die Schnittstelle ausgetauscht.The invention relates to a microscope for SPIM microscopy, consisting of
- A lighting device comprising an illumination light source (
three ) and an illumination beam path for illuminating the sample (1 ) with a light sheet, preferably via an illumination objective - A detection device for detecting light emitted by the sample (
1 ) is radiated - - an imaging optics, the sample (
1 ) via an imaging lens (7 ) is imaged at least partially on the detection device in an imaging beam path, - A sample chamber, preferably filled with liquid, which has at least one light-permeable window in the illumination direction and in the detection direction,
- - wherein the light sheet in the focus of the imaging lens (
7 ) or a defined plane in the vicinity of the geometric focus of the imaging lens is substantially planar and wherein the imaging lens (7 ) has an optical axis which intersects the plane of the light sheet at a non-zero angle, preferably perpendicular,
as well as an objective change adapter or adapter for lens mountings or holders for SPIM microscopy according to the invention and a method according to the invention for the objective change or change of lens mountings or holders in SPIM microscopy,
wherein at least in a translucent window, a receptacle, preferably provided with a threaded, in the at least one preferably screw-insert (adapter) can be fitted which has a preferably annular opening in a sealing ring for fitting a Dektektionsobjektives and / or illumination objective and / or a lens mount or bracket is introduced. Instead of respectively adapting the entire sample chamber to the detection objective, the interface is exchanged according to the invention.
Für die hier vorgestellten Adapter wird, im Falle des Wassertauchobjektivs, die Probenkammer gegen das Detektionsobjektiv gedrückt. Dabei übernimmt ein Kunststoffring, der auf das Objektiv gequetscht wird, die Abdichtung. Außerdem sorgt er dafür, dass das Objektiv nicht beschädigt wird. Beispielsweise gibt es vorteilhaft gibt es vier verschiedene Adapterringe, für jedes Objektiv einen eigenen, da die jeweilige Objektivgeometrie unterschiedlich ist. Einer der Adapterringe hat anstatt der Apertur (Öffnung) für das Tauchobjektiv ein Deckglas eingeschraubt (austauschbar), da er beispielsweise mit dem 5× Luftobjektiv funktionieren muss.For the adapters presented here, in the case of the water immersion objective, the sample chamber is pressed against the detection objective. Here, a plastic ring that is squeezed onto the lens, the seal takes over. It also ensures that the lens is not damaged. For example, there are advantageously four different adapter rings, one for each lens, since the respective lens geometry is different. One of the adapter rings has instead of the aperture (opening) for the dive lens, a cover glass screwed (exchangeable), since he has to work with the 5 × air lens, for example.
In
An einer Seite der Probenkammer
Da es sich beim Objektiv
Dieses Verfahren ist nicht allein auf das Detektionsobjektiv beschränkt, sondern kann analog auch für die Beleuchtungsobjektive verwendet werden.This method is not limited to the detection objective alone, but can also be used analogously for the illumination objectives.
Ohne Einschränkung lässt es sich auch auf Einzellinsen wie Zylinderlinsen zur Erzeugung des Lichtblatts die in einer entsprechenden Halterung- oder Fassung angebracht sind, anwenden.Without limitation, it can also be applied to single lenses such as cylindrical lenses for generating the light sheet which are mounted in a corresponding holder or socket.
Dabei könnte auch ein Aufbau mit bis zu vier Objektiven, in die Probenkammer eingetaucht, realisiert werden. Denkbar wäre auch ein Fall, dass die Probenkammer fest ist und alle Objektive (bis zu 4) in die Probenkammer gefahren werden.It could also be a structure with up to four lenses, immersed in the sample chamber, can be realized. It would also be conceivable that the sample chamber is solid and all lenses (up to 4) are moved into the sample chamber.
Werden beispielsweise zwei Tauchobjektive in einem Winkel zu einander verwendet, muss auch mindestens eins der Objektive bewegbar sein um die Dichtigkeit zu gewährleisten.For example, if two immersive lenses are used at an angle to each other, at least one of the lenses must be movable to ensure the tightness.
Eine weitere Voraussetzung ist, dass die Verschraubung zwischen Adapter und Probenkammer dicht sein muss. Dies kann durch eine zusätzliche Dichtung oder andere bekannte Maßnahmen erfolgen.Another requirement is that the screw connection between adapter and sample chamber must be tight. This can be done by an additional seal or other known measures.
Da die Lichtscheibenmikroskopie überwiegend bei lebenden Proben eingesetzt wird, ist es von Vorteil wenn die Adapter und Probenkammer sterilisiert werden können. D. h. die Materialen müssen gängigen Sterilisations und Reinigungsmitteln (z. B. 70% Ethanol) widerstehen. Außerdem wäre es von Vorteil, wenn die Materialien autoklavierbar sind.Since optical disc microscopy is predominantly used in living samples, it is advantageous if the adapters and sample chamber can be sterilized. Ie. The materials must withstand common sterilization and cleaning agents (eg 70% ethanol). In addition, it would be advantageous if the materials are autoclavable.
Der Dichtungsring sollte aus diesem Grund austauschbar sein, auch da der Kunststoff mit der Zeit porös wird.The sealing ring should therefore be interchangeable, also because the plastic will become porous over time.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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