DE102014100576A1 - Anordnung zur Reduzierung der temperaturabhängigen geometrischen Drift in Superresolutionsmikroskopen - Google Patents

Anordnung zur Reduzierung der temperaturabhängigen geometrischen Drift in Superresolutionsmikroskopen Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur einfachen und effektiven Temperaturstabilisierung kritischer Konstruktionselemente in höchstauflösenden Lichtmikroskopen, die eine geometrische Auflösung im Nanometermaßstab bieten, wobei besonders auf die Stabilität der Positionen des Objektivs und des Objektes eingegangen wird.

Description

  • Das hier vorgestellte neue Verfahren gehört in das Gebiet der Mikroskopie, speziell der höchstauflösenden optischen Mikrokopie, beispielsweise der Lokalisationsmikroskopie.
  • Bisher hat man sich hauptsächlich auf die Temperierung des zu beobachtenden Objekts beschränkt oder eine temperierte Kammer um das Mikroskop errichtet. Beispielsweise bei den Mikroskopen Leica GSD, Vutara SR-200, Zeiss ELYRA P, Nikon N-STORM, Applied Precision DeltaVision OMX und Roper Scientific iLas2.
  • Der Wechsel des Objektträgers oder des Objekts führt jedoch zu einer Erniedrigung oder Erhöhung der Temperatur in unmittelbarer Umgebung des Objektträgers und des Objekts, da dieser oder diese nicht zwingend die gleiche Temperatur aufweisen wie der temperierte Mikroskopaufbau. Dabei kommt es durch temperaturbedingte Veränderungen beispielsweise beim Öffnen der temperierten Kammer zur Verschiebung der Fokusebene.
  • Die US-Patente ( US 6493135 , US 5181382 ) beziehen sich lediglich auf die Temperierung des zu beobachtenden Objekts, jedoch nicht auf die Temperaturstabilisierung des mechanischen Mikroskopie-Systems.
  • Eine andere übliche Vorgehensweise beruht auf Referenzpartikel, die unter erheblichen biologischen Aufwand mit der richtigen Konzentration genau ins Objektfeld eines höchstauflösenden optischen Mikroskops mit eingebracht werden um nachfolgend meist nur lateral die Lage des Objekts mit Hilfe von Rechnerprogrammen zu korrigieren.
  • Die axiale Temperaturdrift des Mikroskops kann durch automatische Nachfokussiersysteme korrigiert werden z. B. „Definite Focus” (Zeiss) oder „Perfect Focus” (Nikon), wobei die ursprüngliche für die Höchstauflösung gewünschte Fokusebene oft nicht erreicht wird. Jedoch können die lateralen Driftbewegungen durch die Nachfokussierung nicht korrigiert werden.
  • Besonders auf dem Gebiet der Hochauflösenden Mikroskopie, speziell auf dem neunen Gebiet der Lokalisationsmikroskopie (STORM, dSTORM, PALM, SALM, GSDIM, usw.) müssen oft bis zu mehrere tausend Bilder vom gleichen Objekt aufgenommen werden. Dies nimmt meist mehre Minuten Zeit in Anspruch in der eine Bewegung des Objektivs relativ zum Objekt im Nanometerbereich passiert welche nicht mehr tolerierbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird daher die Methode vorgeschlagen, den gesamten Mikroskop-Aufbau durch Hindurchleiten eines Temperiermediums auf eine konstante Temperatur zu regeln.
  • Zur Lösung dieses Problemfeldes wird hier eine gezielte Temperaturregelung innerhalb der kritischen Konstruktionselemente dadurch verwirklicht, dass diese durch entsprechend platzierte Kanäle mit einem flüssigen Wärmeübertragungsmedium durchströmbar ausgebildet werden.
  • Ein für die Erfindung typisches Ausführungsbeispiel ist in der dargestellt. Diese Abbildung dient nur zur Erklärung der Prinzipien im Einzelnen, anders ausgestaltete Lösungen sind möglich.
  • Das Temperaturerfassungssystem besteht beispielsweise aus einem oder mehreren Thermometern z. B. Widerstandsthermometer mit Pt 100-Fühler die jeweils durch eine 4-Drahtschaltung an ein USB-Datenerfassungssystem angeschlossen sind. Das Temperaturerfassungssystem sollte eine Auflösung in mK-Bereich aufweisen Die relative Auflösung eines solchen Systems kann nach heutigen Stand der Technik bis zu +/–0.001 K betragen.
  • Die absolute Temperaturgenauigkeit in °C ist nur bedingt für eine grobe Temperaturauswahl notwendig. Nach dieser Grobeinstellung muss die gewählte Temperatur auf einen möglichst gleichbleibenden Wert sehr genau geregelt werden.
  • Da eine typische Anordnung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Temperaturen gleichzeitig an mehreren Bauteilen sowie an den Wärmebädern ermittelt, können rechnergesteuert die einzelnen Bauteile auf der jeweils optimalen Temperatur für möglichst geringe Relativbewegungen zwischen Objekt und Objektivlinse gehalten werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Mikroskop Objektiv mit Wärmeausdehnung.
    2
    Temperaturerfassungssystem am Mikroskopkörper
    2a
    Temperaturerfassungssystem für die Raumluft
    2b
    Temperaturerfassungssystem am Objektiv
    2c
    Temperaturerfassungssystem im Wärmebad 1
    2d
    Temperaturerfassungssystem im Wärmebad 2
    3
    Spezielle schwingungsgedämpfte Leitung für das Temperiermedium aus Wärmebad 1
    4
    Spezielle schwingungsgedämpfte Leitung für das Temperiermedium aus Wärmebad 2
    5
    Verschiedene Bauteile und Wärmequellen eines Mikroskops mit relevanter Wärmeleitung und Wärmeausdehnung, z. B. hergestellt aus Aluminium, Stahl oder Messing mit Kanälen für das Durchleiten des Temperaturübertragungsmediums.
    6
    Wärmebäder mit Temperaturübertragungsmedium
    6a
    Wärmebad 1 mit regelbarer Temperatur, größerer Wärmekapazität.
    6b
    Wärmebad 2 mit regelbarer Temperatur, schwingungsarm.
    7
    Umwälzpumpe im Wärmebad
    7a
    Umwälzpumpe, hoher Durchfluss
    7b
    Umwälzpumpe, geringer Durchfluss
    8
    Rechner mit Algorithmen zur Erfassung der Temperatur/Schwingungen, Datenverarbeitung und Steuerung der Wärmebäder/Schwingungsdämpfer
    9
    Datenleitungen
    10
    Schwingungssensoren (z. B. Mikrophone)
    11
    Aktive Schwingungsdämpfer (z. B. Lautsprecher-Antrieb)
  • 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
    • US 6493135 [0004]
    • US 5181382 [0004]

Claims (5)

  1. Eine Anordnung zur Verminderung des Einflusses der Umgebungstemperatur sowie von selbst Wärme abgebenden Bauteilen auf kritische Konstruktionselemente von Superresolutionsmikroskopen besonders bezüglich der relativen räumlichen Position des Objektes zum Mikroskopobjektiv dadurch gekennzeichnet, dass eine Umlauftemperierung mit Hilfe eines temperaturregelbaren flüssigen oder gasförmigen Temperaturübertragungsmediums, das durch Kanäle innerhalb der für die Temperaturstabilität kritischen Konstruktionselemente geleitet wird, bewirkt wird.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des flüssigen Temperaturübertragungsmediums mit einem passenden Korrekturfaktor, abgeleitet von einer oder mehreren Temperaturmessstellen an strategisch wichtigen Stellen der Konstruktionselemente und von der Temperatur des flüssigen Wärmeübertragungsmediums sowie der Raumtemperatur mit einem passenden Algorithmus nachgeregelt wird.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass von einem das Temperaturregelverhalten der Anordnung steuernden Rechner nur dann eine automatische Freigabe der mikroskopisch erfassten Messwerte erfolgt, wenn bestimmte festlegbare Kriterien des während der Messung erfassten zeitlichen Temperaturverhaltens der kritischen Konstruktionselemente erfüllt worden sind.
  4. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragung bei den besonders Schwingungsempfindlicher Konstruktionselementen über z. B. einem weichen Silikonschlauch mit einem großen Durchmesser und mit dadurch geringer Fliessgeschwindigkeit erfolgt.
  5. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Objektivs so eingestellt wird, dass der temperaturabhängige Brechungsindex der optischen Elemente des Objektivs wie auch des Immersionsöls einen optimal angepassten vorgegebenen Wert annimmt.
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