DE102016119262B4 - A method for spatially high-resolution determination of the location of a singled, excitable light for the emission of luminescent light molecule in a sample - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zum räumlich hochauflösenden Bestimmen des Orts (x) eines vereinzelten Moleküls in einer oder mehreren Raumrichtungen in einer Probe, wobei das Molekül mit Anregungslicht zur Emission von Lumineszenzlicht (12) anregbar ist, wird das Anregungslichtmit einer Intensitätsverteilung auf die Probe gerichtet, die in jeder der Raumrichtungen mindestens einen Intensitätsanstiegsbereich (22) mit bekanntem streng monotonem Verlauf der Intensität des Anregungslichts über einem Abstand zu einem Aufpunkt der Intensitätsverteilung aufweist. Ein anfänglicher Ortsbereich (23) in der Probe, in dem das Molekül angeordnet ist, wird bestimmt. (i) in jeder der Raumrichtungen wird mindestens eine Position (x) des Aufpunkts der Intensitätsverteilung so festgelegt wird, dass sich der mindestens eine Intensitätsanstiegsbereich (22) in der jeweiligen Raumrichtung über den anfänglichen Ortsbereich (23) erstreckt; der Aufpunkt der Intensitätsverteilung wird an den Positionen (x) in der Probe angeordnet und zu jeder Position (x) des Aufpunkts der Intensitätsverteilung in der Probe wird das von dem Molekül emittierte Lumineszenzlicht (12) registriert. (ii) aus Intensitätswerten (I; I) des Lumineszenzlichts (12), die zu jeder der Raumrichtungen zwei Intensitätswerte (I; I) umfassen, von welchen einer die Intensität (I) des zu der mindestens einen Position (x) des Aufpunkts der Intensitätsverteilung registrierten Lumineszenzlichts (12) angibt, wird ein weiterer Ortsbereich (24) in der Probe bestimmt wird, in dem das Molekül angeordnet ist und der kleiner als der anfängliche Ortsbereich (23) ist. Die Schritte (i) und (ii) werden mindestens einmal unter Verwendung des weiteren Ortsbereichs (24) als neuer anfänglicher Ortsbereich (23) wiederholt.In a method for spatially high resolution determination of the location (x) of a singulated molecule in one or more spatial directions in a sample, the molecule being excitable with excitation light for emission of luminescent light (12), the excitation light is directed to the sample with an intensity distribution In each of the spatial directions, at least one intensity increase region (22) with a known strictly monotonous profile of the intensity of the excitation light has a distance to a reference point of the intensity distribution. An initial location area (23) in the sample in which the molecule is located is determined. (i) in each of the spatial directions, at least one position (x) of the point of intensity distribution is set such that the at least one intensity increasing region (22) extends in the respective spatial direction over the initial spatial region (23); the point of the intensity distribution is located at the positions (x) in the sample, and at each position (x) of the point of intensity distribution in the sample, the luminescent light (12) emitted from the molecule is registered. (ii) from intensity values (I; I) of the luminescent light (12) which comprise two intensity values (I; I) for each of the spatial directions, of which one the intensity (I) of the at least one position (x) of the point of view Indicates intensity distribution of registered luminescent light (12), another location area (24) is determined in the sample in which the molecule is located and which is smaller than the initial location area (23). Steps (i) and (ii) are repeated at least once using the further location area (24) as the new initial location area (23).
Description
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum räumlich hochauflösenden Bestimmen des Orts eines vereinzelten Moleküls in einer oder mehreren Raumrichtungen in einer Probe, wobei das Molekül mit Anregungslicht zur Emission von Lumineszenzlicht anregbar ist. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for spatially high-resolution determination of the location of an isolated molecule in one or more spatial directions in a sample, wherein the molecule is excitable with excitation light for emission of luminescent light. In particular, the present invention relates to a method having the features of the preamble of
Unter einem vereinzelten, mit Anregungslicht zur Emission von Lumineszenzlicht anregbaren Molekül wird hier ein Molekül verstanden, das einen Mindestabstand zu anderen gleichartigen Molekülen aufweist, die mit demselben Anregungslicht zur Emission von Lumineszenzlicht im selben Wellenlängenbereich anregbar sind. Dieser Mindestabstand wird sicher eingehalten, wenn der Abstand des vereinzelten Moleküls zu derartigen gleichartigen Molekülen mindestens gleich der Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Lumineszenzlichts ist, weil dann das Luminiszenzlicht von den verschiedenen mit Anregungslicht zur Emission von Lumineszenzlicht anregbaren Molekülen getrennt erfasst werden kann. Die Erfindung umfasst aber auch Ausführungsformen, bei denen dieser Mindestabstand kleiner als die Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Lumineszenzlichts ist.An isolated molecule excitable with excitation light for emission of luminescent light is understood here to be a molecule which has a minimum distance from other similar molecules which can be excited by the same excitation light for emission of luminescent light in the same wavelength range. This minimum distance is certainly maintained if the distance of the separated molecule to such similar molecules is at least equal to the diffraction limit at the wavelength of the luminescent light, because then the luminescent light can be detected separately from the different excitable excitation light for the emission of luminescent light molecules. However, the invention also includes embodiments in which this minimum distance is smaller than the diffraction limit at the wavelength of the luminescent light.
Das Lumineszenzlicht, zu dessen Emission das Molekül mit dem Anregungslicht anregbar ist, kann insbesondere Fluoreszenzlicht sein. Das Emittieren des Lumineszenzlichts durch das Molekül kann aber auf jedem photophysikalischen Prozess basieren, der durch das Anregungslicht angeregt wird. Hierzu zählen alle Prozesse der Photolumineszenz und beispielsweise auch eine durch das Anregungslicht angeregte Emission von Lumineszenzlicht durch Quantum Dots.The luminescent light, for the emission of which the molecule can be excited by the excitation light, can be in particular fluorescent light. However, the emission of the luminescent light by the molecule can be based on any photophysical process that is excited by the excitation light. These include all processes of photoluminescence and, for example, an emission of luminescent light excited by the excitation light by quantum dots.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Das einfachste Verfahren zum Bestimmen des Orts eines vereinzelten, mit Anregungslicht zur Emission von Lumineszenzlicht anregbaren Moleküls besteht darin, das Molekül mit dem Anregungslicht zur Emission von Lumineszenzlicht anzuregen und das Lumineszenzlicht auf einen Kamera oder allgemeiner auf einen räumlich auflösenden Detektor abzubilden. Für die bei dieser Abbildung erreichbare räumliche Auflösung gilt zwar grundsätzlich die Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Lumineszenzlichts. Wenn jedoch eine Vielzahl von Photonen des Lumineszenzlichts mit dem räumlich auflösenden Detektor detektiert wird, die von einem einzigen Molekül an einem festen Ort in der Probe stammen, kann aus der räumlichen Verteilung dieser Photonen über den Detektor der Ort des Moleküls mit einer um einen Faktor
Wenn ein vereinzeltes Molekül Lumineszenzlicht mit einer gerichteten räumlichen Verteilung emittiert, wirkt sich dies bei der Bestimmung seines Orts aus der Verteilung der Photonen des Lumineszenzlichts über einen räumlich auflösenden Detektor, d. h. durch Lokalisierung, in Form eines Ortsfehlers aus. Dieser Ortsfehler hängt von der Orientierung des Moleküls in der jeweiligen Probe ab. Eine gerichtete Verteilung des emittierten Lumineszenzlichts zeigt sich beispielsweise bei Molekülen, deren Rotationsdiffusionszeiten länger als ihre Verweildauer in ihrem angeregten Zustand sind, aus dem heraus sie das Lumineszenzlicht emittieren (siehe Engelhardt,
Aus der
Die
Das aus der
Aus der
Die jeweils in dem fluoreszenten Zustand vorliegenden Moleküle werden von dem Anregungslicht zur Emission von Fluoreszenzlicht angeregt, das mit einer Kamera als räumlich auflösendem Detektor registriert wird. Auf diese Weise werden sukzessive verschiedene Moleküle des Farbstoffs lokalisiert, da die Moleküle, von denen bereits Photonen registriert wurden, in den Dunkelzustand gelangen, aus dem andere Moleküle mit einer gewissen Übergangswahrscheinlichkeit in den fluoreszenten Zustand zurückkehren. Dieses bekannte Verfahren kann kontinuierlich durchgeführt werden, d. h. es können fortlaufend Frames aus der Kamera ausgelesen werden, während die Probe mit der hohen Intensität des Anregungslichts beaufschlagt wird, die den Farbstoff im Wesentlichen in dem Dunkelzustand hält und zugleich die dadurch vereinzelten fluoreszenten Moleküle zur Emission von Lumineszenzlicht anregt.The respective molecules present in the fluorescent state are excited by the excitation light for the emission of fluorescent light, which is registered with a camera as a spatially resolving detector. In this way, successively different molecules of the dye are localized, since the molecules, from which photons have already been registered, reach the dark state, from which other molecules with a certain transition probability return to the fluorescent state. This known method can be carried out continuously, d. H. frames can be continuously read out of the camera while the sample is exposed to the high intensity of the excitation light which keeps the dye substantially in the dark state and at the same time excites the scattered fluorescent molecules to emit luminescent light.
Das aus der
Ein grundsätzlich anderes Verfahren zum räumlich hochaufgelösten Bestimmen von Orten von mit Anregungslicht zur Emission von Lumineszenzlicht anregbaren Molekülen in einer Probe wird bei räumlich hochauflösenden Varianten der Rasterfluoreszenzlichtmikroskopie angewandt. Bei der Rasterfluoreszenzlichtmikroskopie basiert die Präzision beim Bestimmen der Orte von fluoreszenten Molekülen in einer Probe auf einer zu jedem Zeitpunkt nur lokalen Anregung der Probe, so dass zu dem jeweiligen Zeitpunkt registriertes Fluoreszenzlicht dem räumlichen Bereich der Anregung zugeordnet werden kann. Wenn die Moleküle in der Probe mit fokussiertem Anregungslicht angeregt werden, setzt die Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Anregungslichts die Untergrenze für die räumlichen Abmessungen des Bereichs der Anregung und damit für die räumliche Auflösung, die bei der Abbildung einer mit den fluoreszenten Molekülen markierten Struktur in der Probe erreichbar ist.A fundamentally different method for spatially high-resolution determination of locations of excitable excitation light for the emission of luminescent light molecules in a sample is used in spatially high-resolution variants of the scanning fluorescence microscopy. In scanning fluorescent microscopy, the precision in determining the locations of fluorescent molecules in a sample is based on only local excitation of the sample at any time, so that fluorescent light registered at that particular time can be assigned to the spatial region of the excitation. When the molecules in the sample are excited with focused excitation light, the diffraction limit at the wavelength of the excitation light sets the lower limit for the spatial dimensions of the region of excitation and, thus, for the spatial resolution involved in imaging a structure labeled with the fluorescent molecules Probe is reachable.
Bei der STED (Stimulated Emission Depletion)-Fluoreszenzlichtmikroskopie wird die mit fokussiertem Anregungslicht bewirkte Anregung von Molekülen, mit denen eine interessierende Struktur einer Probe markiert ist, im Umfeld jedes Messpunkts durch gerichtete Emission wieder beseitigt. Die gerichtete Emission wird mit STED-Licht stimuliert und verhindert die Emission von Fluoreszenzlicht durch die Moleküle. Danach registriertes Fluoreszenzlicht kann nur noch aus dem Bereich stammen, in dem die Anregung mit dem STED-Licht nicht beseitigt wurde. Dieser Bereich, in dem die Anregung nicht beseitigt wird, kann sehr klein gehalten werden, indem er durch eine Nullstelle der Intensitätsverteilung des STED-Lichts definiert wird und die maximale Intensität des STED-Lichts in der Nullstelle benachbarten Intensitätsmaxima hoch gewählt wird, so dass es die Anregung der Moleküle bereits sehr nahe seiner Nullstelle vollständig beseitigt.In STED (Stimulated Emission Depletion) fluorescence microscopy, the excitation of molecules with which a structure of interest in a sample is marked is eliminated by directed emission in the vicinity of each measuring point. The directed emission is stimulated with STED light and prevents the emission of fluorescent light by the molecules. After that registered fluorescent light can only come from the area in which the excitation with the STED light was not eliminated. This range, in which the excitation is not eliminated, can be kept very small by being defined by a zero of the intensity distribution of the STED light and the maximum intensity of the STED light in the zero point adjacent intensity maxima is set high, so it completely eliminates the excitation of the molecules already very close to its zero.
Statt eine vorher bewirkte Anregung der Moleküle in Teilen der Probe wieder abzuregen, kann Fluoreszenzverhinderungslicht mit einer eine Nullstelle aufweisenden Intensitätsverteilung auch dazu genutzt werden, fluoreszente Moleküle außerhalb der Nullstelle in einen nicht-fluoreszenten Dunkelzustand zu schalten. Dies erfolgt beispielsweise bei der RESOLFT (Reversible Saturable Optical (Fluorescence) Transitions)-Fluoreszenzlichtmikroskopie oder der GSD (Ground State Depletion)-Fluoreszenzlichtmikroskopie.Instead of de-excitation of previously induced excitation of the molecules in parts of the sample, fluorescence-preventing light having a zero-intensity intensity distribution can also be used to switch fluorescent molecules outside the null to a non-fluorescent dark state. This is done, for example, in RESOLFT (Reversible Saturable Optical (Fluorescence) Transitions) fluorescence microscopy or GSD (Ground State Depletion) fluorescence light microscopy.
Bei den als STED-, RESOLFT- oder GSD-Rasterfluoreszenzlichtmikroskopie bekannten Verfahren wird jedes Molekül, bereits bevor Fluoreszenzlicht von ihm registriert wird, in den an die Nullstelle des Fluoreszenzverhinderungslichts angrenzenden Bereichen neben dem Anregungslicht mit den dort hohen Intensitäten des Fluoreszenzverhinderungslichts beaufschlagt, die mit einer erheblichen Gefahr des Bleichen der Moleküle verbunden sind. Die Gefahr des Bleichens besteht auch, wenn bei diesen bekannten Verfahren ein vereinzelte, mit Anregungslicht zur Emission von Lumineszenzlicht anregbares Molekül in einer Probe mit der Nullstelle des Fluoreszenzverhinderungslichtsverfolgt wird, da dazu die Rate der von dem Molekül emittierten Photonen des Luminiszenzlichts fortlaufend zu maximieren ist. In the method known as STED, RESOLFT or GSD scanning fluorescence microscopy, each molecule, even before it is detected by fluorescent light, is applied in the regions adjacent to the zero of the fluorescence-preventing light next to the excitation light with the high intensities of the fluorescence-inhibiting light therewith significant risk of bleaching of the molecules are connected. The danger of bleaching also exists when, in these known methods, a singular molecule excitable with excitation light for emission of luminescent light is traced in a sample having the zero of the fluorescence preventing light, in order to continuously maximize the rate of photons emitted from the molecule of the luminizing light.
Aus der
Bei diesem Verfahren werden zwar nur wenige Photonen, im Extremfall nur ein einziges, von jedem Molekül registriert, dem ein Ort in der Probe zugeordnet wird. Die Moleküle werden aber dennoch typischerweise einigen Zyklen von Anregung und stimulierter Emission unterworfen, so dass ihr Bleichen nicht ausgeschlossen ist. Zudem ist mit diesem bekannten Verfahren ein gezieltes Verfolgen eines bestimmten vereinzelten Moleküls nicht sinnvoll möglich.In this method, although only a few photons, in extreme cases only a single, registered by each molecule to which a location in the sample is assigned. However, the molecules are typically subjected to several cycles of stimulation and stimulated emission so that their bleaching is not excluded. In addition, targeted tracking of a particular isolated molecule is not meaningfully possible with this known method.
Aus der
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Bei dem aus der
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Die
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AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum räumlich hochauflösenden Bestimmen des Orts eines vereinzelten, mit Anregungslicht zur Emission von Lumineszenzlicht anregbaren Moleküls in einer Probe aufzuzeigen, wobei das Molekül ist, bei dem die Anzahl der Photonen, zu deren Emission das vereinzelte Molekül angeregt werden muss, bezogen auf die erreichte Präzision verglichen mit den bekannten Verfahren zum räumlich hochauflösenden Bestimmen des Orts eines vereinzelten Moleküls deutlich verringert ist.The invention has for its object to provide a method for spatially high-resolution determination of the location of a singular, excitable light for the emission of luminescent light molecule in a sample, which is the molecule in which the number of photons, the emission of which scattered molecule must be based on the achieved precision compared to the known methods for spatially high-resolution determination of the location of a scattered molecule is significantly reduced.
LÖSUNGSOLUTION
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 20 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Patentansprüche 21 und 22 betreffen wiederholte Durchführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen des Orts einer Vielzahl von nacheinander vereinzelten Molekülen bzw. zum Tracken des vereinzelten Moleküls; und Patentanspruch 23 betrifft eine Verwendung eines STED-Rasterfluoreszenzlichtmikroskops zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The object of the invention is achieved by a method having the features of
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
Die Erfindung geht aus von einem aus der
Zusätzlich zu dem bekannten Verfahren wird erfindungsgemäß zunächst ein anfänglicher Ortsbereich in der Probe bestimmt, in dem das Molekül angeordnet ist. Dann wird (i) in jeder der Raumrichtungen mindestens eine Position des Aufpunkts der Intensitätsverteilung so festgelegt, dass sich der mindestens eine Intensitätsanstiegsbereich in der jeweiligen Raumrichtung über den gesamten anfänglichen Ortsbereich hinweg erstreckt, und (ii) aus Intensitätswerten des Lumineszenzlichts, die zu jeder der Raumrichtungen zwei Intensitätswerte umfassen, von welchen einer die Intensität des zu der mindestens einen Position des Aufpunkts der Intensitätsverteilung registrierten Lumineszenzlichts angibt, wird ein weiterer Ortsbereich in der Probe bestimmt, in dem das Molekül angeordnet ist und der kleiner als der anfängliche Ortsbereich ist. Die Schritte (i) und (ii), einschließlich des Anordnens des Aufpunkts der Intensitätsverteilung des Anregungslichts an den in Schritt (i) festgelegten Positionen und des Registrierens des von dem Molekül emittierten Lumineszenzlichts zu jeder dieser Positionen, werden mindestens einmal unter Verwendung des weiteren Ortsbereichs als neuer anfänglicher Ortsbereich wiederholt.In addition to the known method, an initial local area in the sample in which the molecule is arranged is first determined according to the invention. Then, (i) in each of the spatial directions, at least one position of the point of intensity distribution is set so that the at least one intensity increasing region in the respective spatial direction extends over the entire initial spatial region, and (ii) from intensity values of the luminescent light corresponding to each of the first If spatial directions include two intensity values, one of which indicates the intensity of the luminescent light registered to the at least one position of the intensity distribution point, another location region in the sample in which the molecule is located and which is smaller than the initial local area is determined. Steps (i) and (ii), including arranging the point of the intensity distribution of the excitation light at the positions determined in step (i) and registering the luminescent light emitted by the molecule to each of these positions, are performed at least once using the further location area repeated as a new initial location area.
Auf diese Weise wird der Ort des vereinzelten Moleküls in der Probe in jeder Raumrichtung sehr schnell, d. h. auf Basis einer geringen Anzahl von von dem vereinzelten Molekül emittierten und registrierten Photonen, auf einen kleinen Ortsbereich eingeschränkt. Die Abmessungen dieses kleinen Ortsbereichs entsprechen der Präzision, mit der der Ort des vereinzelten Moleküls bestimmt wird. Sie können problemlos 10 nm und damit die Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Lumineszenzlichts deutlich unterschreiten.In this way, the location of the singulated molecule in the sample in each spatial direction becomes very fast, i. H. based on a small number of emitted and registered by the scattered molecule photons, limited to a small local area. The dimensions of this small area correspond to the precision with which the location of the isolated molecule is determined. You can easily below 10 nm and thus the diffraction limit at the wavelength of the luminescent light significantly.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Probe auch in dem anfänglichen Ortsbereich des Moleküls nicht räumlich abgetastet, sondern die Positionen des Aufpunkts der Intensitätsverteilung werden aufgrund der zu den bisherigen Positionen des Aufpunkts der Intensitätsverteilung registrierten Intensitäten des Lumineszenzlichts relativ zu dem Ortsbereich intelligent, d. h. unter maximaler Ausnutzung aller bislang aus den registrierten Intensitäten des Lumineszenzlichts verfügbaren Informationen über den tatsächlichen Ort des vereinzelten Moleküls, festgelegt. Dabei können die festgelegten Position des Aufpunkts den Ortsbereich selbst vollständig aussparen.In the method according to the present invention, the sample is not spatially scanned even in the initial locus of the molecule, but the positions of the intensity distribution point become intelligent, i.e., due to the intensities of the luminescent light registered relative to the locus at the previous positions of the intensity distribution point. H. with maximum utilization of all information available so far on the registered intensities of the luminescent light about the actual location of the isolated molecule. The fixed position of the point of view can completely eliminate the local area itself.
Dass das erfindungsgemäße Verfahren zum räumlich hochaufgelösten Bestimmen des Orts des vereinzelten Moleküls dient, bedeutet, wie sich aus der erreichbaren Präzision von 10 nm und deutlich besser ablesen lässt, dass insbesondere eine räumliche Auflösung deutlich unterhalb der Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Anregungslichts und auch des Lumineszenzlichts erreicht wird. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass die Formulierung „räumliche Auflösung“ hier als Synonym für die Präzision verwendet wird, mit der der Ort des jeweiligen vereinzelten Moleküls in der Probe bestimmt wird.The fact that the inventive method is used for spatially high-resolution determination of the location of the isolated molecule means, as can be read from the achievable precision of 10 nm and much better that in particular a spatial resolution well below the diffraction limit at the wavelength of the excitation light and the luminescence is reached. In this context, it should be noted that the term "spatial resolution" is used here as a synonym for the precision with which the location of each individual molecule in the sample is determined.
Dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen des Orts eines vereinzelten Moleküls dient, bedeutet, wie bereits eingangs angesprochen wurde, dass der Ort des vereinzelten Moleküls einen Mindestabstand zu nächstbenachbarten gleichartigen Molekülen einhält, die mit demselben Anregungslicht zur Emission von Lumineszenzlicht im selben Wellenlängenbereich anregbar sind, so dass das Lumineszenzlicht von den nächstbenachbarten gleichartigen Molekülen nicht aufgrund verschiedener Wellenlängen getrennt werden kann. Dieser Mindestabstand ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren von der Größenordnung der Beugungsgrenze bei der Wellenlänge des Lumineszenzlichts oder kleiner. Tatsächlich kann der Mindestabstand wie bei dem Ausgangsverfahren gemäß der
Dass das vereinzelte Molekül mit dem Anregungslicht zur Emission von Lumineszenzlicht anregbar ist, bedeutet, dass das vereinzelte Molekül photolumineszent ist. Konkret kann das vereinzelte Molekül fluoreszent, d. h. mit dem Anregungslicht zur Emission von Fluoreszenzlicht anregbar sein. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Angabe „lumineszent“ oder auch „fluoreszent“ hier nur angibt, das das vereinzelte Molekül mit dem Anregungslicht zur Emission von Lumineszenzlicht bzw. Fluoreszenzlicht anregbar ist, nicht aber, dass es bereits luminesziert bzw. fluoresziert, d. h. angeregt ist.That the isolated molecule with the excitation light for the emission of luminescent light Excitable, means that the isolated molecule is photoluminescent. Specifically, the isolated molecule can be fluorescent, ie be excited with the excitation light for emission of fluorescent light. It should be noted at this point that the term "luminescent" or "fluorescent" here only indicates that the isolated molecule can be excited with the excitation light for emission of luminescent light or fluorescent light, but not that it already luminesces or fluoresces, ie is excited.
Dass das Anregungslicht mit einer Intensitätsverteilung auf die Probe gerichtet wird, die in jeder der Raumrichtungen mindestens einen Intensitätsanstiegsbereich mit bekanntem, streng monotonem Verlauf der Intensität des Anregungslichts über einem Abstand zu einem Aufpunkt der Intensitätsverteilung aufweist, kann bedeuten, dass der Intensitätsanstiegsbereich durch in unterschiedlichem Abstand zu dem Aufpunkt unterschiedlich starke destruktive Interferenz ausgeformt wird. Weiterhin kann die Intensität des Anregungslichts in dem mindestens einen Intensitätsanstiegsbereich von null, d. h. zum Beispiel von einer vollständigen destruktiven Interferenz des Anregungslichts, ansteigen. Dann umfasst der Intensitätsanstiegsbereich insbesondere kleine Intensitäten des Anregungslichts, die das vereinzelte Molekül nur wenig durch Anregung zur Emission von Lumineszenzlicht beanspruchen. Dabei kann der Intensitätsanstiegsbereich an eine Nullstelle der Intensitätsverteilung des Anregungslichts angrenzen, an die auf der gegenüberliegenden Seit in der jeweiligen Raumrichtung ein weiterer Intensitätsanstiegsbereich angrenzt, wobei die beiden Intensitätsanstiegsbereiche in Bezug auf die Nullstelle symmetrisch zueinander ausgebildet sein können. Die Nullstelle kann zugleich als der Aufpunkt der Intensitätsverteilung des Anregungslichts verwendet werden, der sich dann in günstiger Weise nahe den kleinsten Intensitäten des Anregungslichts befindet, die das vereinzelte Molekül nur wenig beanspruchen. Allgemein ist der Aufpunkt der Intensitätsverteilung des Anregungslichts ein innerhalb der Intensitätsverteilung definierter Bezugspunkt, dessen jeweilige Position in der Probe definiert ist und der entsprechend an definierten Positionen in der Probe positionierbar ist. Wenn der Aufpunkt der Intensitätsverteilung des Anregungslichts eine Nullstelle ist, an die Intensitätsanstiegsbereiche angrenzen, steigt die Intensität des Anregungslichts über jeden dieser Intensitätsanstiegsbereich mit zunehmendem Abstand zu dem Aufpunkt streng monoton, das heißt kontinuierlich an. Je nach Art des Aufpunkts der Intensitätsverteilung kann die Intensität des Anregungslichts mit zunehmendem Abstand zu dem Aufpunkt aber auch streng monoton über die Intensitätsanstiegsbereiche hinweg abfallen.The fact that the excitation light is directed onto the sample with an intensity distribution having in each of the spatial directions at least one intensity increase region with a known, strictly monotonous progression of the intensity of the excitation light over a distance to an observation point of the intensity distribution may mean that the intensity increase region is at a different distance is formed to the Aufpunkt different destructive interference. Furthermore, the intensity of the excitation light in the at least one intensity increase range of zero, d. H. for example, from complete destructive interference of the excitation light. In particular, the intensity increase range then includes small intensities of the excitation light, which only slightly stress the singulated molecule by exciting it to emit luminescent light. In this case, the intensity increase range can adjoin a zero point of the intensity distribution of the excitation light to which a further intensity increase region adjoins on the opposite side in the respective spatial direction, wherein the two intensity increase regions can be formed symmetrically with respect to the zero point. The zero can be used at the same time as the point of the intensity distribution of the excitation light, which is then favorably close to the smallest intensities of the excitation light, which only make little use of the isolated molecule. In general, the point of origin of the intensity distribution of the excitation light is a reference point defined within the intensity distribution, whose respective position is defined in the sample and which can be positioned correspondingly at defined positions in the sample. When the point of the intensity distribution of the excitation light is a zero point adjoining the intensity increasing regions, the intensity of the excitation light above each of these intensity increasing regions increases strictly monotonically, that is, continuously, with increasing distance to the receptor point. Depending on the nature of the point of view of the intensity distribution, the intensity of the excitation light can decrease with increasing distance to the receptor point but also in a strictly monotonic manner over the intensity increase regions.
Unabhängig davon, ob zwei an eine Nullstelle oder einen anderen Aufpunkt der Intensitätsverteilung des Anregungslichts anschließenden Intensitätsanstiegsbereiche symmetrisch zueinander ausgebildet sind, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren von beiden Intensitätsanstiegsbereichen Gebrauch gemacht werden, indem beispielsweise im Schritt (i) Positionen des Aufpunkts auf unterschiedlichen Seiten des anfäglichen Ortsbereichs festgelegt werden.Regardless of whether two intensity increase regions adjoining a zero point or another point of the intensity distribution of the excitation light are symmetrical to one another, in the method according to the invention use can be made of both intensity increase regions, for example by positioning the point on different sides of the imaginary one in step (i) Local area.
Die Nullstelle kann eine durch Interferenz gebildete Ideale Nullstelle sein, in der die Intensität des Anregungslichts tatsächlich auf null zurückgeht. Eine geringe Restintensität des Anregungslichts in der Nullstelle ist jedoch unschädlich, zumal es nicht Kern des erfindungsgemäßen Verfahren ist, die Nullstelle, sofern sie in der Intensitätsverteilung des Anregungslichts vorhanden so, so in der Probe zu positionieren, dass ihre Position mit dem Ort des Moleküls in der Probe zusammenfällt. Aus demselben Grund kann die von den Intensitätsanstiegsbereichen begrenzte Nullstelle grundsätzlich auch durch in der jeweiligen Raumrichtung beabstandete gaußförmige Intensitätsverteilungen, konkret durch das zwischen diesen verbleibende Intensitätsminimum, ausgebildet werden. Weiterhin kann der mindestens eine Intensitätsanstiegsbereich auch durch eine Flanke nur einer gaußförmigen Intensitätsverteilung bereitgestellt werden. In diesem Fall ist jedoch der Schwerpunkt des zu der gaußförmigen Intensitätsverteilung fokussierten Anregungslichts ein von den besonders interessanten kleinen Intensitäten des Anregungslichts in dem Intensitätsanstiegsbereich relativ weit entfernter Aufpunkt der Intensitätsverteilung.The zero can be an ideal zero formed by interference, in which the intensity of the excitation light actually goes back to zero. However, a low residual intensity of the excitation light at the zero point is harmless, since it is not the core of the method according to the invention to position the zero, if present in the intensity distribution of the excitation light so, in the sample such that its position coincides with the location of the molecule in FIG the sample coincides. For the same reason, the zero point bounded by the intensity increase ranges can in principle also be formed by Gaussian intensity distributions spaced apart in the respective spatial direction, specifically by the minimum intensity remaining between them. Furthermore, the at least one intensity increase range can also be provided by an edge of only a Gaussian intensity distribution. In this case, however, the center of gravity of the excitation light focussed to the Gaussian intensity distribution is a point of the intensity distribution which is relatively far from the particularly interesting small intensities of the excitation light in the intensity increase region.
Auch mit einem nur in einer einzigen Raumrichtung verlaufenden Intensitätsanstiegsbereich kann der Ort des Moleküls in der Probe in zwei oder allen drei Raumrichtungen hoch aufgelöst bestimmt werden. Ebenso kann mit nur in zwei Raumrichtungen verlaufenden Intensitätsanstiegsbereichen der Ort des vereinzelten Moleküls in der Probe nicht nur in diesen zwei sondern auch in allen drei Raumrichtungen hoch aufgelöst bestimmt werden. Dazu ist das erfindungsgemäße Verfahren unter Ausrichtung des oder der Intensitätsanstiegsbereiche in unterschiedlichen Raumrichtungen durchzuführen. Dies kann für die verschiedenen Ausrichtungen des oder der Intensitätsanstiegsbereiche nacheinander oder auch quasi gleichzeitig erfolgen, beispielsweise unter Wiederholung der Schritte (i) und (ii) erst dann, wenn sie für alle Raumrichtungen der Ausrichtung des oder der Intensitätsanstiegsbereiche zumindest einmal durchgeführt wurden.Even with an intensity increase range extending in only one spatial direction, the location of the molecule in the sample can be determined to be highly resolved in two or all three spatial directions. Likewise, with only two spatial directions extending intensity increase areas of the location of the isolated molecule in the sample not only in these two but also in all three spatial directions are determined high resolution. For this purpose, the method according to the invention is to be carried out by aligning the intensity increase range or regions in different spatial directions. This can be done successively or quasi simultaneously for the different orientations of the intensity increase range or areas, for example by repeating steps (i) and (ii) only if they have been performed at least once for all spatial directions of the orientation of the intensity increase range or regions.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der anfängliche Ortsbereich, in dem das Molekül angeordnet ist, auf unterschiedliche Weise bestimmt werden. Beispiele hierfür werden weiter unten angegeben.In the method according to the invention, the initial location area in which the molecule is arranged can be determined in different ways. Examples of this are given below.
Dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Schritt (i) in jeder der Raumrichtungen die mindestens eine Position des Aufpunkts der Intensitätsverteilung so festgelegt wird, dass sich der mindestens eine Intensitätsanstiegsbereich in der jeweiligen Raumrichtung über den anfänglichen Ortsbereich erstreckt, bedeutet, dass sich das Molekül sicher in dem von dem Intensitätsanstiegsbereich in Bezug auf die Intensität des Lumineszenzlichts von dem Molekül beeinflusste Bereich der Intensitätsverteilung des Anregungslichts befindet. That in the method according to the invention in step (i) the at least one position of the point of intensity distribution is determined in each of the spatial directions such that the at least one intensity increase range in the respective spatial direction extends beyond the initial local area, means that the molecule is safely embedded in is the region of the intensity distribution of the excitation light affected by the intensity increase region with respect to the intensity of the luminescent light from the molecule.
Dass im Schritt (ii) Intensitätswerte des Lumineszenzlichts, die zu jeder der Raumrichtungen zwei Intensitätswerte umfassen, von welchen einer die Intensität des zu der mindestens einen Position des Aufpunkts der Intensitätsverteilung registrierten Lumineszenzlichts ist, ausgewertet werden, schließt nicht aus, dass der jeweilige zweite Intensitätswert zu der jeweiligen Raumrichtung für alle Raumrichtungen derselbe Wert ist, so dass in dem Schritt (ii) insgesamt nur n+1 Intensitätswerte ausgewertet werden, wobei „n“ die Anzahl der Raumrichtungen ist, in denen der Ort des vereinzelten Moleküls bestimmt wird. Grundsätzlich kann für jede Raumrichtung aber auch ein zusätzlicher Intensitätswert Berücksichtigung finden, so dass dann insgesamt 2n-Intensitätswerte ausgewertet werden.That in step (ii) intensity values of the luminescent light, which comprise two intensity values for each of the spatial directions, one of which is the intensity of the luminescent light registered to the at least one position of the intensity distribution point, does not preclude the respective second intensity value is the same value for the respective spatial direction for all spatial directions, so that in the step (ii) a total of only n + 1 intensity values are evaluated, where "n" is the number of spatial directions in which the location of the singulated molecule is determined. In principle, however, an additional intensity value can also be taken into account for each spatial direction, so that a total of 2n intensity values are then evaluated.
Um in dem Schritt (ii) den weiteren Ortsbereich in der Probe zu bestimmen, in dem das Molekül angeordnet ist und der kleiner als der anfängliche Ortsbereich ist, ist die Abhängigkeit der Intensität des Lumineszenzlichts, das von dem vereinzelten Molekül emittiert wird, von dem Abstand des vereinzelten Moleküls zu dem Aufpunkt der Intensitätsverteilung des Anregungslichts zu berücksichtigen. Diese Abhängigkeit hängt von dem bekannten, in Richtung dieses Abstands streng monoton ansteigenden oder abfallenden Verlauf der Intensität des Anregungslichts in dem Intensitätsanstiegsbereich und auch von dem photophysikalischen Prozess ab, der der Anregung des Moleküls zur Emission des Lumineszenzlichts zugrunde liegt. So ergibt sich bei einem an eine durch destruktive Interferenz gebildeten Nullstelle angrenzenden Intensitätsanstiegsbereich und einer Photolumineszenz auf Basis eines Einphotonenprozesses näherungsweise eine quadratische Abhängigkeit der Intensität des von dem Molekül emittierten Lumineszenzlichts von dessen Abstand zu der Nullstelle. Bei einer Photolumineszenz auf Basis eines Zweiphotonenprozesses ist die Abhängigkeit noch ausgeprägter und folgt einer Funktion x4. Faktisch muss bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der streng monotone Verlauf der Intensität des Anregungslichts in dem Intensitätsanstiegsbereich nur insoweit bekannt sein, wie er sich auf die Intensität des Lumineszenzlichts von dem Molekül auswirkt. D. h., die Abhängigkeit der Intensität des Lumineszenzlichts vom Abstand des Moleküls zu dem Aufpunkt der Intensitätsverteilung des Anregungslichts muss bekannt sein, um sie bei der Bestimmung des weiteren Ortsbereichs berücksichtigen zu können. Diese Abhängigkeit lässt sich aber leicht bestimmen, beispielsweise empirisch durch Abtasten der Umgebung des Moleküls mit dem Intensitätsanstiegsbereich in kleinen Schritten.In order to determine the further location area in the sample in the step (ii) in which the molecule is located and which is smaller than the initial location area, the dependence of the intensity of the luminescence light emitted from the separated molecule on the distance of the singulated molecule to the point of the intensity distribution of the excitation light. This dependence depends on the known course of the intensity of the excitation light, which increases or decreases monotonically in the direction of this distance, in the intensity increase range and also on the photophysical process on which the excitation of the molecule for emission of the luminescence light is based. Thus, with an intensity increase range adjacent to a zero formed by destructive interference and photoluminescence based on a one-photon process, there is approximately a quadratic dependence of the intensity of the luminescent light emitted by the molecule on its distance from the zero. In a photoluminescence based on a two-photon process, the dependence is even more pronounced and follows a function x 4 . In fact, in the method according to the invention, the strictly monotonous course of the intensity of the excitation light in the intensity increase region only has to be known to the extent that it affects the intensity of the luminescent light from the molecule. That is, the dependence of the intensity of the luminescent light from the distance of the molecule to the point of the intensity distribution of the excitation light must be known so that it can be taken into account in the determination of the further local area. However, this dependency can be easily determined, for example empirically by scanning the environment of the molecule with the intensity increase range in small steps.
Dass in dem Schritt (ii) der kleinere weitere Ortsbereich des Moleküls in der Probe aus Intensitätswerten des Lumineszenzlichts bestimmt wird, die zu jeder der Raumrichtungen zwei Intensitätswerte des Lumineszenzlichts umfassen, schließt nicht nur die Möglichkeit ein, verschiedene Raten von Photonen des Lumineszenzlichts zu berücksichtigen, sondern auch die Möglichkeit, zeitliche Abstände der registrierten Photonen zu betrachten. Dabei versteht es sich, dass der Mittelwert der zeitlichen Abstände der registrierten Photonen gleich dem Kehrwert der Rate der zu einer Position des Aufpunkts der Intensitätsverteilung des Anregungslichts registrierten Photonen des Lumineszenzlichts ist.The fact that in step (ii) the smaller further local area of the molecule in the sample is determined from intensity values of the luminescent light which comprise two intensity values of the luminescence light for each of the spatial directions does not only include the possibility of considering different rates of photons of the luminescent light, but also the possibility to look at temporal distances of the registered photons. It is understood that the mean value of the time intervals of the registered photons is equal to the reciprocal of the rate of the photons of the luminescent light registered to a position of the point of the intensity distribution of the excitation light.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Schritte (i) und (ii) mindestens einmal wiederholt. D. h., der Ortsbereich, in dem sich das Molekül in der Probe befindet, wird gegenüber dem anfänglichen Ortsbereich zumindest zweimal verkleinert. Dies bedeutet, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest zweimal der Ortsbereich des Moleküls in der Probe gegenüber seiner ersten Abschätzung eingeengt wird. Es können auch weitere Einengungen des Ortsbereichs auf dieselbe oder auf andere Weise erfolgen. Der nach den mindestens zwei Einengungen des anfänglichen Ortsbereichs erhaltene kleinere Ortsbereich kann aber auch direkt verwendet werden, um den Ort des vereinzelten Moleküls anzugeben, beispielsweise als Zentrum des Ortsbereichs mit dem Radius des Ortsbereichs als möglichem Fehler.In the method according to the invention, steps (i) and (ii) are repeated at least once. That is, the location area in which the molecule is located in the sample is reduced at least two times from the initial location area. This means that with the aid of the method according to the invention at least twice the local area of the molecule in the sample is narrowed compared to its first estimate. There may also be other restrictions of the location area in the same or in another way. However, the smaller local area obtained after the at least two narrowings of the initial location area can also be used directly to indicate the location of the separated molecule, for example as the center of the location area with the radius of the location area as a possible error.
Der zweite Intensitätswert zu der jeweiligen Raumrichtung, der in dem Schritt (ii) des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgewertet wird, kann eine Intensität des zu einer zweiten Position des Aufpunkts der Intensitätsverteilung in der Probe registrierten Lumineszenzlichts sein. Diese zweite Position kann in der jeweiligen Raumrichtung an anderer Stelle auf derselben Seite wie die mindestens eine Position des Aufpunkts der Intensitätsverteilung oder auf der der mindestens einen Position des Aufpunkts der Intensitätsverteilung gegenüberliegenden Seite des anfänglichen Ortsbereichs liegen. In jedem Fall wird die Auswirkung der unterschiedlichen Intensitäten des Anregungslichts in dem Intensitätsanstiegsbereich bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens an zwei Positionen des Aufpunkts der Intensitätsverteilung des Anregungslichts erfasst, von denen bekannt ist, wo sie in der jeweiligen Raumrichtung in Bezug auf den anfänglichen Ortsbereich des Moleküls liegen.The second intensity value for the respective spatial direction, which is evaluated in step (ii) of the method according to the invention, can be an intensity of the luminescent light registered to a second position of the point of the intensity distribution in the sample. This second position may lie in the respective spatial direction elsewhere on the same side as the at least one position of the point of intensity distribution or on the side of the initial local region opposite the at least one position of the point of the intensity distribution. In any case, the effect of the different intensities of the excitation light in the intensity increasing region in this embodiment of the method according to the invention is detected at two positions of the point of the intensity distribution of the excitation light, of which it is known where respective spatial direction with respect to the initial location of the molecule.
Unter Berücksichtigung des bekannten Verlaufs der Intensität des Anregungslichts in dem Intensitätsanstiegsbereich kann in Verbindung mit dem Abstand der Positionen des Aufpunkts in der jeweiligen Raumrichtung aus den zugehörigen Intensitäten des Lumineszenzlichts auf den tatsächlichen Ort des Moleküls in der jeweiligen Raumrichtung geschlossen werden. Auch bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens müssen für jede Raumrichtung nicht zwei separate Positionen des Aufpunkts bezüglich der dazu registrierten Intensitäten des Lumineszenzlichts berücksichtigt werden. Vielmehr können z. B. zur Bestimmung des Orts des Moleküls in zwei Raumrichtungen die Positionen des Aufpunkts in einer von diesen beiden Raumrichtungen aufgespannten Ebene in den Ecken eines Dreiecks liegen, also insgesamt nur drei Positionen umfassen. Entsprechend können die Positionen des Aufpunkts zur Bestimmung des Ortes in drei Raumrichtungen in den Ecken eines Tetraeders liegen. Grundsätzlich sind natürlich auch zwei separate Positionen des Aufpunkts je Raumrichtung möglich, in der der Ort des Moleküls bestimmt wird. Unter dem Gesichtspunkt, den Ort des Moleküls in der Probe mit möglichst wenig Photonen des Lumineszenzlichts zu bestimmen, ist die damit größere Zahl der Positionen des Aufpunkts in der Probe, zu denen das Lumineszenzlicht registriert wird, aber nicht unbedingt bevorzugt.Taking into account the known profile of the intensity of the excitation light in the intensity increase region, the associated intensities of the luminescent light on the actual location of the molecule in the respective spatial direction can be inferred in conjunction with the distance of the positions of the point of view in the respective spatial direction. Also in this embodiment of the method according to the invention, two separate positions of the point of view with respect to the intensities of the luminescent light registered therefor need not be taken into account for each spatial direction. Rather, z. B. for determining the location of the molecule in two spatial directions, the positions of the point in a plane spanned by these two spatial directions plane in the corners of a triangle, so a total of only three positions. Correspondingly, the positions of the point for determining the location can lie in three spatial directions in the corners of a tetrahedron. In principle, of course, two separate positions of the Aufpunkts per spatial direction are possible in which the location of the molecule is determined. However, from the viewpoint of determining the location of the molecule in the sample with as few photons as possible of the luminescent light, the greater number of positions of the spot in the sample to which the luminescent light is registered is not necessarily preferred.
In einer anderen Ausführungsform ist der zweite Intensitätswert zu der jeweiligen Raumrichtung im Schritt (ii) ein Maß für die relative Leuchtstärke des vereinzelten Moleküls. Bei diesem Maß kann es sich konkret um eine Maximalintensität des Lumineszenzlichts von dem Molekül bei Anregung mit dem Anregungslicht oder um einen hiermit unmittelbar korrelierter Intensitätswert handeln. Die Maximalintensität oder der damit korrelierte Intensitätswert kann für das vereinzelte Molekül konkret gemessen oder auch für alle potentiellen vereinzelten Moleküle mit einem bestimmten Wert abgeschätzt werden.In another embodiment, the second intensity value to the respective spatial direction in step (ii) is a measure of the relative luminous intensity of the separated molecule. Concretely, this measure may be a maximum intensity of the luminescent light from the molecule upon excitation with the excitation light or an intensity value directly correlated therewith. The maximum intensity or the intensity value correlated therewith can be measured concretely for the separated molecule or can also be estimated for all potential isolated molecules with a specific value.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Lumineszenzlicht zu den verschiedenen Positionen des Aufpunkts der Intensitätsverteilung in der Probe quasi gleichzeitig registriert werden, indem der Aufpunkt wiederholt zwischen den Positionen in der Probe verschoben wird. Zu diesem Zweck kann dieselbe Intensitätsverteilung des Anregungslichts mit Hilfe eines Scanners verschoben werden kann. Es ist aber auch möglich, die Intensitätsverteilung für jede der verschiedenen Positionen ihres Aufpunkts in der Probe neu auszubilden, beispielsweise mit Hilfe eines im Strahlengang des Anregungslichts angeordneten Spatial Light Modulators (SLM). Dann kann zumindest insoweit auf einen Scanner verzichtet werden. Weiterhin ist es möglich, den Aufpunkt der Intensitätsverteilung des Anregungslichts in der Probe zu verschieben, indem das Anregungslicht nacheinander durch ganz oder teilweise verschiedene Lichtquellen bereitgestellt wird. Bei allen diesen möglichen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Aufpunkt der Intensitätsverteilung des Anregungslichts zwischen seinen Positionen in der Probe wiederholt hin und her verschoben werden. Es versteht sich, dass dabei das zu den einzelnen Positionen des Aufpunkts gehörige Lumineszenzlicht von dem Molekül getrennt registriert wird. Das quasi gleichzeitige Registrieren des Lumineszenzlicht zu den verschiedenen Positionen des Aufpunkts der Intensitätsverteilung des Anregungslichts hat den Vorteil, dass das Beaufschlagen der Probe mit dem Anregungslicht und das Registrieren des Lumineszenzlichts von der Probe sofort abgebrochen werden kann, wenn es die zu den einzelnen Positionen des Aufpunkts der Intensitätsverteilung des Anregungslichts registrierten Photonen des Lumineszenzlichts bereits erlauben, den anfänglichen Ortsbereich in der Probe, in dem das Molekül angeordnet ist, um ein vorgegebenes Maß einzuengen.In the method according to the invention, the luminescent light can be registered to the various positions of the point of the intensity distribution in the sample quasi simultaneously by the reference point is repeatedly shifted between the positions in the sample. For this purpose, the same intensity distribution of the excitation light can be shifted by means of a scanner. However, it is also possible to re-form the intensity distribution for each of the different positions of its point of view in the sample, for example with the aid of a spatial light modulator (SLM) arranged in the beam path of the excitation light. Then, at least insofar can be dispensed with a scanner. Furthermore, it is possible to shift the point of the intensity distribution of the excitation light in the sample by providing the excitation light successively by wholly or partially different light sources. In all these possible embodiments of the method according to the invention, the point of view of the intensity distribution of the excitation light between its positions in the sample can be repeatedly shifted back and forth. It goes without saying that the luminescence light belonging to the individual positions of the point of view is registered separately from the molecule. The quasi-simultaneous registration of the luminescence light to the different positions of the point of the intensity distribution of the excitation light has the advantage that the application of the sample to the excitation light and the registration of the luminescence light from the sample can be stopped immediately, if it is to the individual positions of the Aufpunkts the intensity distribution of the excitation light registered photons of the luminescent light already allow the initial location area in the sample in which the molecule is arranged to narrow by a predetermined amount.
Ein entsprechendes Abbruchkriterium kann zwar auch bei einem kontinuierlichen Registrieren des Lumineszenzlichts zu jeder Position des Aufpunkts der Intensitätsverteilung des Anregungslichts in der Probe angewandt werden. Es gibt jedoch Fälle, in denen die Betrachtung der Intensitäten des zu allen Positionen des Aufpunkts der Intensitätsverteilung des Anregungslichts registrierten Lumineszenzlichts schon nach insgesamt weniger Photonen von dem Molekül erkennen lässt, dass der anfängliche Ortsbereich um ein gewünschtes Maß eingrenzbar ist.Although a corresponding termination criterion can be applied to a continuous recording of the luminescence light to any position of the point of the intensity distribution of the excitation light in the sample. However, there are cases where observing the intensities of the luminescent light registered to all positions of the point of the intensity distribution of the excitation light after only a few total photons from the molecule indicates that the initial local area can be limited by a desired amount.
Wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Lumineszenzlicht zu den Positionen des Aufpunkts der Intensitätsverteilung des Anregungslichts jeweils nur solange registriert wird, bis die Intensitäten des registrierten Lumineszenzlichts zu den Positionen mit einer ausreichenden Genauigkeit erfasst sind, dass der weitere Ortsbereich um einen vorgegebenen Wert kleiner als der anfängliche Wert bestimmbar ist, kann dieser vorgegebene Wert in einem Bereich von 5 % bis 75 % liegen. Dabei bezieht sich diese Angabe auf die Abmessung des Ortsbereichs in der jeweiligen Raumrichtung. Es versteht sich, dass die Intensitäten des zu den verschiedenen Positionen des Aufpunkts der Intensitätsverteilung des Anregungslichts registrierten Lumineszenzlichts umso genauer erfasst werden müssen, desto mehr der weitere Ortsbereich gegenüber dem anfänglichen Ortsbereich eingegrenzt werden soll. Eine geringere Eingrenzung erfordert eine geringere Genauigkeit bei der Erfassung der Intensitäten des Lumineszenzlichts zu den verschiedenen Positionen des Aufpunkts, aber auch mehr Wiederholungen der Schritte (i) und (ii) des erfindungsgemäßen Verfahrens, um dieselbe Präzision zu erreichen. Hier kann in Bezug auf die Anzahl der Photonen des Lumineszenzlichts, die für das Erreichen einer bestimmten Präzision bei der Bestimmung des Orts des Moleküls in der Probe benötigt werden, eine Optimierung durchgeführt werden.In the method of the present invention, when the luminescent light is registered to the positions of the intensity distribution of the excitation light only until the intensities of the registered luminescent light to the positions are detected with sufficient accuracy that the further local area is smaller than the initial one by a predetermined value Value can be determined, this predetermined value can be in a range of 5% to 75%. In this case, this specification refers to the dimension of the location area in the respective spatial direction. It is understood that the intensities of the luminescent light registered at the different positions of the point of view of the intensity distribution of the excitation light must be detected more accurately, the more the further location area is to be delimited from the initial location area. A smaller confinement requires less accuracy in detecting the intensities of the luminescent light to the different positions of the point of view, but also more repetitions of the Steps (i) and (ii) of the method according to the invention to achieve the same precision. Here, optimization can be made with respect to the number of photons of the luminescent light needed to achieve a certain precision in determining the location of the molecule in the sample.
Wie bereits angesprochen wurde, sollte sich der gesamte anfängliche Ortsbereich an jeder Position des Aufpunkts in einem Bereich der Intensitätsverteilung des Anregungslichts befinden, in dem die Intensitäten in dem Intensitätsanstiegsbereich unter der Sättigungsintensität des Anregungslichts bleiben, über der eine weitere Erhöhung der Intensität des Anregungslichts keine höhere Intensität des Lumineszenzlichts von dem vereinzelten Molekül mehr zur Folge hat. Bevorzugt ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, wenn eine maximale Intensität, d. h. ein absolutes Intensitätsniveau des Anregungslichts jeweils so eingestellt wird, dass sich der anfängliche Ortsbereich bezüglich jeder in dem Schritt (i) festgelegten Position des Aufpunkts der Intensitätsverteilung des Anregungslichts in einem Bereich von nicht mehr als 90 % der Sättigungsintensität des Anregungslichts befindet.As already mentioned, the entire initial location area at each position of the point of view should be in a range of the intensity distribution of the excitation light in which the intensities in the intensity increase range remain below the saturation intensity of the excitation light, above which a further increase in the intensity of the excitation light will not be higher Intensity of the luminescent light of the isolated molecule more result. It is preferred in the method according to the invention if a maximum intensity, i. H. an absolute intensity level of the excitation light is respectively set so that the initial location area is in a range of not more than 90% of the saturation intensity of the excitation light with respect to each position of the intensity distribution of the excitation light set in the step (i).
Mit kleiner werdendem Ortsbereich kann die maximale Intensität des Anregungslichts erhöht werden. Auf diese Weise kann der kleiner werdende Ortsbereich wieder auf die volle Bandbreite der unterschiedlichen Intensitäten des Anregungslichts in dem Intensitätsanstiegsbereich und damit auf die volle Bandbreite der unterschiedlichen Intensitäten des Lumineszenzlichts von dem vereinzelten Molekül aufgeteilt werden.With decreasing local area, the maximum intensity of the excitation light can be increased. In this way, the decreasing local area can be divided back to the full bandwidth of the different intensities of the excitation light in the intensity increase range and thus to the full bandwidth of the different intensities of the luminescent light from the separated molecule.
Konkret kann die maximale Intensität des Anregungslichts über alle Wiederholungen der Schritte (i) und (ii) um mindestens 50 % erhöht werden. Sie kann aber auch um mindestens 100 % oder auch auf das 3-fache, 4-fache oder mehrfache ihres Anfangswerts erhöht werden.Specifically, the maximum intensity of the excitation light can be increased by at least 50% over all repetitions of steps (i) and (ii). It can also be increased by at least 100%, or 3 times, 4 times, or more times its initial value.
Die Schritte (i) und (ii) des erfindungsgemäßen Verfahrens können solange wiederholt werden, bis der weitere Ortsbereich in dem zuletzt durchgeführten Schritt (ii) nicht mehr größer als eine vorgegebene Präzision ist. Diese vorgegebene Präzision kann im Bereich von 20 nm oder kleiner liegen. Sie kann auch kleiner als 10 nm sein. Auch eine vorgegebene Präzision in der Größenordnung von 1 nm und damit herab bis zu 0,5 nm ist möglich. Grundsätzlich weist das erfindungsgemäße Verfahren keine inhärente Grenze für die bei der Bestimmung des Orts des vereinzelten Moleküls in der Probe erreichbare Präzision auf. Im jeweiligen Einzelfall auftretende Verhältnisse, wie beispielsweise ein abnehmendes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis können jedoch die praktisch erreichbare Präzision begrenzen. So kann als Abbruchkriterium für das Wiederholen der Schritte (i) und (ii) bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch das Unterschreiten eines vorgegebenen Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses oder einer Untergrenze für eine erreichte weitere Verkleinerung des Ortsbereichs festgelegt werden, in dem sich das vereinzelte Molekül in der Probe befindet.The steps (i) and (ii) of the method according to the invention can be repeated until the further location area in the last performed step (ii) is no longer greater than a predetermined precision. This predetermined precision may be in the range of 20 nm or smaller. It can also be less than 10 nm. Also, a predetermined precision on the order of 1 nm and thus down to 0.5 nm is possible. Basically, the method according to the invention has no inherent limit on the precision achievable in determining the location of the singulated molecule in the sample. However, circumstances occurring in each case, such as a decreasing signal-to-noise ratio, may limit the precision that can be achieved in practice. Thus, as a termination criterion for repeating steps (i) and (ii) in the method according to the invention, the undershooting of a predetermined signal-to-noise ratio or a lower limit for an achieved further reduction of the location area can be determined, in which the isolated Molecule is located in the sample.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann zu Beginn des Bestimmens des Orts des vereinzelten Moleküls ein das vereinzelte Molekül umfassender Bereich der Probe in jeder der Raumrichtungen mit dem mindestens einen Intensitätsanstiegsbereich abgetastet werden, wobei aus dem Verlauf der Intensität des Lumineszenzlichts während des Abtastens der erste anfängliche Ortsbereich bestimmt wird. Dieses räumliche Abtasten zumindest eines Bereichs der Probe kann mit vergleichsweise geringer Intensität des Anregungslichts und in vergleichsweise großen räumlichen und kleinen zeitlichen Schritten durchgeführt werden, weil der anfängliche Ortsbereich hieraus nur grob bestimmt werden muss. Statt mit dem mindestens einen Intensitätsanstiegsbereich kann der das vereinzelte Molekül umfassende Bereich der Probe zu Beginn des Bestimmens des Orts des vereinzelten Moleküls mit einer gaußförmigen Intensitätsverteilung des Anregungslichts, d. h. mit einem einfachen fokussierten Strahl des Anregungslichts, in jeder der Raumrichtungen abgetastet werden. Dies entspricht einer konfokalmikroskopischen Abbildung des vereinzelten Moleküls in der Probe.In the method according to the invention, at the beginning of determining the location of the singulated molecule, an area of the sample comprising the singulated molecule can be scanned in each of the spatial directions with the at least one intensity increase range, wherein the first initial location area is determined from the course of the intensity of the luminescence light during the scanning becomes. This spatial scanning of at least one region of the sample can be carried out with comparatively low intensity of the excitation light and in comparatively large spatial and small temporal steps, because the initial local area has to be determined only roughly from this. Instead of having the at least one intensity increase region, the portion of the sample comprising the singulated molecule can be detected at the beginning of determining the location of the singulated molecule with a Gaussian intensity distribution of the excitation light, i. H. with a simple focused beam of excitation light, scanned in each of the spatial directions. This corresponds to a confocal microscopic image of the isolated molecule in the sample.
In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zu Beginn des Bestimmens des Orts des vereinzelten Moleküls das Anregungslichts mit einer gaußförmigen Intensitätsverteilung nur punktweise oder auf Kreis- oder Spiralbahnen auf einen das vereinzelte Molekül umfassenden Bereich der Probe gerichtet, wobei der erste anfängliche Ortsbereich aus dem Verlauf der Intensität des Lumineszenzlichts über die Punkte bzw. Bahnen bestimmt wird. Um dabei die Anzahl der von dem vereinzelten Molekül emittierten Photonen des Lumineszenzlichts zu begrenzen, ist die gaußförmige Intensitätsverteilung sehr schnell zu bewegen und/oder bezüglich der maximalen Intensität des Anregungslichts klein zu halten. Bei dem Bewegen der gaußförmigen Intensitätsverteilung auf Kreis- oder Spiralbahnen kann der Intensitätsanstiegsbereich in der Peripherie der gaußförmigen Intensitätsverteilung des Anregungslichts genutzt werden, um das vereinzelte Molekül nur mit geringer Intensität des Anregungslichts zu beaufschlagen, die aber ausreichend ist, um den anfänglichen Ortsbereich durch Lokalisierung des Moleküls zu bestimmen.In another embodiment of the method according to the invention, at the beginning of determining the location of the singulated molecule, the excitation light having a Gaussian intensity distribution is directed only pointwise or on circular or spiral paths onto an area of the sample comprising the singulated molecule, the first initial location area being derived from the course the intensity of the luminescent light is determined via the points or tracks. In order to limit the number of photons emitted by the isolated molecule of the luminescent light, the Gaussian intensity distribution is very fast to move and / or small with respect to the maximum intensity of the excitation light. When moving the Gaussian intensity distribution on circular or spiral paths, the intensity increase region in the periphery of the Gaussian intensity distribution of the excitation light can be used to apply the isolated molecule only with low intensity of the excitation light, but sufficient to localize the initial local area by localization of the excitation light Molecule to determine.
Bei noch einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zu Beginn des Bestimmens des Orts des vereinzelten Moleküls ein das vereinzelte Molekül umfassender Bereich der Probe räumlich, d. h. insgesamt, mit dem Anregungslicht beaufschlagt und auf einen das Lumineszenzlicht mit räumlicher Auflösung registrierenden Detektor, wie beispielsweise eine Kamera, abgebildet. Dann kann der erste anfängliche Ortsbereich aus der mit dem Detektor registrierten räumlichen Verteilung des Lumineszenzlichts bestimmt werden. Da der Ortsbereich bei dieser Bestimmung noch nicht besonders eingeengt werden muss, reichen hierfür wenige Photonen von dem vereinzelten Molekül aus.In still another embodiment of the method of the invention, at the beginning of determining the location of the singulated molecule, an area of the singulated molecule is obtained Probe spatially, ie in total, subjected to the excitation light and imaged on a the luminescence with spatial resolution registering detector, such as a camera. Then, the first initial location area can be determined from the spatial distribution of the luminescence light registered with the detector. Since the local area does not have to be particularly narrowed down in this determination, only a few photons from the isolated molecule are sufficient for this purpose.
Bei allen hier geschilderten, zu Beginn des Bestimmens des Orts des vereinzelten Moleküls durchführbaren Schritten, um den ersten anfänglichen Ortsbereich zu bestimmen, kann zugleich eine Maximalintensität des Lumineszenzlichts von dem Molekül bei Anregung mit dem Anregungslicht oder ein damit korrelierter Intensitätswert erfasst werden, die/der ein Maß für die relative Leuchtstärke des vereinzelten Moleküls ist.In all of the steps described here, which can be carried out at the beginning of determining the location of the singulated molecule in order to determine the first initial location area, a maximum intensity of the luminescence light from the molecule upon excitation with the excitation light or a correlated intensity value can be detected at the same time is a measure of the relative luminosity of the isolated molecule.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Lumineszenzlicht auch grundsätzlich räumlich, beispielsweise mit einem räumlich auflösenden Detektor, wie einer Kamera, aber auch einem kleineren Array von beispielsweise nur 2x2 oder 3x3 Punktsensoren, registriert werden. Aus der Summe der über die verschiedenen Positionen des Aufpunkts des Anregungslichts registrierten Photonen des Lumineszenzlichts von dem vereinzelten Molekül kann dessen Position zusätzlich durch Lokalisierung bestimmt werden. Dabei kann ein sich bei der Lokalisierung ergebender anderer Ort des Moleküls in der Probe auf eine bestimmte Orientierung des Moleküls in der Probe hinweisen, weil zwar die Lokalisierung zur Bestimmung des Orts des Moleküls in der Probe von dessen Orientierung beeinflusst wird, nicht aber die erfindungsgemäße Bestimmung des Orts des Moleküls in der Probe. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommt es nicht darauf an, wo das jeweilige von dem Molekül emittierte Photon registriert wird. Entsprechend kann das Lumineszenzlicht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch mit einem Punktdetektor registriert werden.In the method according to the invention, the luminescent light can also be registered, in principle, spatially, for example with a spatially resolving detector, such as a camera, but also a smaller array of, for example, only 2x2 or 3x3 point sensors. From the sum of the photons of the luminescent light registered by the different positions of the point of view of the excitation light from the separated molecule, its position can additionally be determined by localization. In this case, a location of the molecule in the sample resulting from the localization may indicate a specific orientation of the molecule in the sample, because the localization for determining the location of the molecule in the sample is influenced by its orientation, but not the determination according to the invention the location of the molecule in the sample. In the method according to the invention, it does not matter where the particular photon emitted by the molecule is registered. Accordingly, the luminescent light can also be registered with a point detector in the method according to the invention.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Probe vor dem Bestimmen des Orts des vereinzelten Moleküls mit einem Schaltsignal beaufschlagt werden, das das Molekül von benachbarten gleichartigen Molekülen vereinzelt, indem es die benachbarten gleichartigen Moleküle - im Gegensatz zu dem vereinzelten Molekül - in einen Dunkelzustand schaltet, in dem sie mit dem Anregungslicht nicht zur Emission von Lumineszenzlicht anregbar sind. Dieser Dunkelzustand kann ein anderer Konformationszustand der Moleküle sein, der nicht lumineszent ist. Es kann sich aber auch um einen elektronischen Dunkelzustand handeln. Alternativ kann das Schaltsignal nur das zu vereinzelnde Molekül in einen lumineszenten Zustand schalten. Das Schaltsignal kann Schaltlicht mit einer anderen Wellenlänge und Intensität als das Anregungslicht sein. Es kann aber auch dieselbe Wellenlänge wie und nur eine andere Intensität als das Anregungslicht aufweisen. Grundsätzlich kann das Schaltsignal auch das Anregungslicht selbst sein.In the method according to the invention, prior to determining the location of the singulated molecule, the sample may be subjected to a switching signal which singles the molecule from adjacent like molecules by switching the neighboring like molecules to a dark state, as opposed to the singulated molecule which they can not be excited by the excitation light to emit luminescent light. This dark state may be another conformational state of the molecules that is not luminescent. It can also be an electronic dark state. Alternatively, the switching signal can switch only the molecule to be separated into a luminescent state. The switching signal may be switching light of a different wavelength and intensity than the excitation light. However, it can also have the same wavelength as and only a different intensity than the excitation light. In principle, the switching signal can also be the excitation light itself.
Eine wiederholte Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zum Bestimmen des Orts einer Vielzahl von nacheinander vereinzelten, mit Anregungslicht zur Emission des Lumineszenzlichts anregbaren Molekülen genutzt werden, die eine interessierende Struktur in der Probe markieren. In einer anderen Ausführungsform dient eine wiederholte Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verfolgen des sich in der Probe bewegenden vereinzelten Moleküls. Dabei kann der erste anfängliche Ortsbereich bei jeder Wiederholung des erfindungsgemäßen Verfahrens der kleinste zuvor bestimmte weitere Ortsbereich des Moleküls plus ein diesen umgebender Fehlerbereich sein. Die Breite dieses Fehlerbereichs ist auf die maximale Bewegungsgeschwindigkeit des Moleküls in der Probe abzustimmen.A repeated implementation of the method according to the invention can be used to determine the location of a multiplicity of molecules that are sequentially separated and excitable with excitation light for emission of the luminescent light and that mark a structure of interest in the sample. In another embodiment, a repeated implementation of the method according to the invention serves to track the separated molecule moving in the sample. In this case, the first initial location area for each repetition of the method according to the invention may be the smallest previously determined further location area of the molecule plus an error range surrounding it. The width of this error range is to be matched to the maximum movement speed of the molecule in the sample.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein STED-Rasterfluoreszenzlichtmikroskop verwendet werden, wobei das durch das STED-Rasterfluoreszenzlichtmikroskop bereitgestellte STED-Licht mit einer von Intensitätsmaxima benachbarten Nullstelle als das Anregungslicht verwendet wird.For carrying out the method according to the invention, an STED scanning fluorescent microscope can be used, the STED light provided by the STED scanning fluorescent microscope being used with a zero point adjacent to intensity maxima as the excitation light.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.Advantageous developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the description are merely exemplary and can take effect alternatively or cumulatively, without the advantages having to be achieved by embodiments according to the invention. Without thereby altering the subject matter of the appended claims, as regards the disclosure of the original application documents and the patent, further features can be found in the drawings, in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components and their relative arrangement and operative connection. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different claims is also possible deviating from the chosen relationships of the claims and is hereby stimulated. This also applies to those features which are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different claims. Likewise, in the Patent claims listed features omitted for further embodiments of the invention.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem vereinzelten Molekül die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein vereinzeltes Molekül, zwei vereinzelte Moleküle oder mehr vereinzelte Moleküle vorhanden sind, deren Orte bestimmt werden. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die der beanspruchte Gegenstand aufweist.The features mentioned in the patent claims and the description are to be understood in terms of their number that exactly this number or a greater number than the said number is present, without requiring an explicit use of the adverb "at least". For example, if we are talking about an isolated molecule, it is to be understood that there is exactly one isolated molecule, two isolated molecules or more isolated molecules whose locations are determined. The features cited in the claims may be supplemented by other features or be the only features exhibited by the claimed subject matter.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.The reference numerals contained in the claims do not limit the scope of the objects protected by the claims. They are for the sole purpose of making the claims easier to understand.
Weitere Informationen zu möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können der
Figurenlistelist of figures
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
-
1 zeigt schematisch ein STED-Mikroskop, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen des Orts eines vereinzelten, mit Anregungslicht zur Emission von Lumineszenzlicht anregbaren Moleküls in einer Probe verwendbar ist. -
2 zeigt einen Schnitt durch eine Intensitätsverteilung von Anregungslicht mit einer von Intensitätsmaxima benachbarten Nullstelle, das bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem STED-Mikroskop gemäß 1 auf eine Probe gerichtet wird, und resultierende Intensitäten von Lumineszenzlicht, das von dem an den jeweiligen Ort in der Probe angeordneten lumineszenten Molekül emittiert wird. -
3 illustriert eine erste Durchführung von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens in Bezug auf einen ersten anfänglichen Ortsbereich des vereinzelten Moleküls in der Probe. -
4 illustriert eine zweite Durchführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in Bezug auf einen verkleinerten anfänglichen Ortsbereich des vereinzelten Moleküls in der Probe. -
5 illustriert eine alternative Ausführungsform einer Durchführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer gaußförmigen Intensitätsverteilung des Anregungslichts. -
6 illustriert zwei aufeinanderfolgende Durchführungen der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer ersten Relativanordnung von Positionen eines Aufpunkts der Intensitätsverteilung des Anregungslichts in Bezug auf die anfänglichen Ortsbereiche. -
7 illustriert zwei aufeinanderfolgende Durchführungen der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer anderen Relativanordnung der Positionen des Aufpunkts der Intensitätsverteilung des Anregungslichts in Bezug auf die anfänglichen Ortbereiche. -
8 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Orts eines vereinzelten Moleküls in einer Probe. -
9 ist ein Blockdiagramm einer wiederholten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abbildung einer mit vereinzelbaren Molekülen markierten Struktur in einer Probe; und -
10 ist ein Blockdiagramm einer wiederholten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Tracken einer Bewegung eines vereinzelten Moleküls in einer Probe.
-
1 1 schematically shows an STED microscope which can be used to carry out the method according to the invention for determining the location of an isolated molecule excitable with excitation light for emitting luminescent light in a sample. -
2 shows a section through an intensity distribution of excitation light with a zero intensity adjacent to the zero point, which in the implementation of the method according to the invention with the STED microscope according to1 is directed to a sample, and resulting intensities of luminescent light emitted from the luminescent molecule located at the respective location in the sample. -
3 illustrates a first implementation of steps of the inventive method with respect to a first initial location area of the singulated molecule in the sample. -
4 illustrates a second implementation of the steps of the method according to the invention with respect to a reduced initial local area of the isolated molecule in the sample. -
5 illustrates an alternative embodiment of carrying out the steps of the method according to the invention with a Gaussian intensity distribution of the excitation light. -
6 illustrates two successive implementations of the steps of the method according to the invention with a first relative arrangement of positions of a point of the intensity distribution of the excitation light with respect to the initial location areas. -
7 illustrates two successive implementations of the steps of the method according to the invention with another relative arrangement of the positions of the point of the intensity distribution of the excitation light with respect to the initial location areas. -
8th Figure 3 is a block diagram of one embodiment of the method of the invention for determining the location of a singulated molecule in a sample. -
9 Figure 10 is a block diagram of a repeated procedure of the method of the invention for imaging a singly-labeled structure in a sample; and -
10 Figure 10 is a block diagram of a repeated practice of the method of the invention for tracking a movement of a singulated molecule in a sample.
FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES
In
Statt den weiteren Ortsbereich
Das in den
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- STED-FluoreszenzlichtmikroskopSTED fluorescent light microscope
- 22
- Lichtquellelight source
- 33
- Anregungslichtexcitation light
- 44
- StrahlformungsmittelBeam shaping means
- 55
- Objektivlens
- 66
- Probesample
- 77
- Lichtquellelight source
- 88th
- Schaltlichtswitching light
- 99
- dichroitischer Strahlteilerdichroic beam splitter
- 1010
- Scannerscanner
- 1111
- dichroitischer Strahlteilerdichroic beam splitter
- 1212
- Lumineszenzlichtluminescence
- 1313
- Optikoptics
- 1414
- Kameracamera
- 1515
- dichroitischer Strahlteilerdichroic beam splitter
- 1616
- Punktdetektorpoint detector
- 1717
- Lochblendepinhole
- 1818
- Probenhaltersample holder
- 1919
- Intensitätsverteilungintensity distribution
- 2020
-
Nullstelle (Aufpunkt) der Intensitätsverteilung
19 des Anregungslichts 3Zero (Aufpunkt) of the intensity distribution19 of theexcitation light 3 - 2121
- Maximummaximum
- 2222
- IntensitätsanstiegsbereichIntensity increase area
- 2323
- anfänglicher Ortsbereichinitial location area
- 2424
- weiterer Ortsbereichfurther local area
- 2525
- weiterer Ortsbereichfurther local area
- 2626
-
Schwerpunkt (Aufpunkt) der Intensitätsverteilung
19 des Anregungslichts 3Center of gravity (point of view) of the intensity distribution19 of theexcitation light 3 - 2727
- Molekülmolecule
- 2828
- Startbegin
- 2929
- BestimmenDetermine
- 3030
- FestlegenEstablish
- 3131
- Schrittstep
- 3232
- BestimmenDetermine
- 3333
- ÜberprüfungVerification
- 3434
- EndeThe End
- 3535
- Vereinzelnseperate
- 3636
- Routineroutine
- 3737
- ÜberprüfungVerification
- 3838
- WartenWaiting
- IA I A
-
Intensität des Anregungslichts 3Intensity of the
excitation light 3 - LL
-
Intensität des Lumineszenzlichts
12 Intensity of theluminescent light 12 - IS I S
-
Sättigungsintensität des Anregungslichts 3Saturation intensity of the
excitation light 3 - ISW I SW
-
Sättigungswert der Intensität
L des Lumineszenzlichts 12Saturation value of the intensityL of theluminescent light 12 - x0 x 0
-
Ort des Moleküls
27 in der Probe 6Place of themolecule 27 in thesample 6 - xN1 x N1
-
Position der Nullstelle
20 der Intensitätsverteilung19 des Anregungslichts 3Position of the zeropoint 20 the intensity distribution19 of theexcitation light 3 - xN2 x N2
-
Position der Nullstelle
20 der Intensitätsverteilung19 des Anregungslichts 3Position of the zeropoint 20 the intensity distribution19 of theexcitation light 3 - xG1a x G1a
-
Position des Schwerpunkts
26 der Intensitätsverteilung19 des Anregungslichts 3Position of the center ofgravity 26 the intensity distribution19 of theexcitation light 3 - XG1bXG1b
-
Position des Schwerpunkts
26 der Intensitätsverteilung19 des Anregungslichts 3Position of the center ofgravity 26 the intensity distribution19 of theexcitation light 3
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Title |
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J. et al. „Molecular Orientation Affects Localization Accuracy in Superresolution Far-Field Fluorescence Microscopy", NanoLett 2011 Jan. 12; 11 (1):209-13) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102017104736B9 (en) | 2017-03-07 | 2020-06-25 | MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Method and device for the spatial measurement of nanoscale structures |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE102016119262A1 (en) | 2018-04-12 |
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