DE102016123258A1 - Luminescence detector arrangement, fluorescence microscope and method for detecting a luminescence signal - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Lumineszenzdetektoranordnung zum Detektieren eines Lumineszenzsignals mit einem Sensorelement (118) mit zumindest einem Multitap-Pixel mit zumindest einer ersten Speicherzelle und einer zweiten Speicherzelle, wobei das Sensorelement (118) dazu eingerichtet ist, das Multitap-Pixel in einem ersten Zeitintervall (208) mittels der ersten Speicherzelle auszulesen und in einem vom ersten Zeitintervall (208) verschiedenen zweiten Zeitintervall (209) mittels der zweiten Speicherzelle auszulesen. Ferner weist die Lumineszenzdetektoranordnung eine Lichtquelle (104) auf, welche dazu eingerichtet ist, ein erstes Emissionslicht in zumindest einem ersten Spektralbereich zu emittieren und unabhängig davon ein zweites Emissionslicht in einem zweiten Spektralbereich zu emittieren, wobei der erste Spektralbereich und der zweite Spektralbereich zumindest teilweise voneinander verschieden sind, wobei die Lichtquelle (104) mit dem Sensorelement (118) synchronisiert ist, um in dem ersten Zeitintervall (208) das erste Emissionslicht zu emittieren und in dem zweiten Zeitintervall (209) das zweite Emissionslicht zu emittieren; und wobei die Lumineszenzdetektoranordnung ferner dazu eingerichtet ist, ein durch das erste Emissionslicht und durch das zweite Emissionslicht hervorgerufenes Lumineszenzsignal mit dem Sensorelement (118) zu detektieren. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Fluoreszenzmikroskop und ein Verfahren zum Detektieren eines Lumineszenzsignals.The invention relates to a luminescence detector arrangement for detecting a luminescence signal having a sensor element (118) with at least one multitap pixel having at least a first memory cell and a second memory cell, wherein the sensor element (118) is adapted to operate the multitap pixel in a first time interval ( 208) by means of the first memory cell and to read in a second time interval (209) different from the first time interval (208) by means of the second memory cell. Furthermore, the luminescence detector arrangement has a light source (104) which is set up to emit a first emission light in at least one first spectral range and independently emit a second emission light in a second spectral range, wherein the first spectral range and the second spectral range are at least partially mutually distinct wherein the light source (104) is synchronized with the sensor element (118) to emit the first emission light in the first time interval (208) and to emit the second emission light in the second time interval (209); and wherein the luminescence detector arrangement is further configured to detect a luminescence signal caused by the first emission light and by the second emission light with the sensor element (118). In a further aspect, the invention relates to a fluorescence microscope and a method for detecting a luminescence signal.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lumineszenzdetektoranordnung, ein Fluoreszenzmikroskop und ein Verfahren zum Detektieren eines Lumineszenzsignals. Die Erfindung liegt dabei insbesondere auf dem Gebiet der Fluoreszenzmikroskopie, insbesondere auf dem Gebiet der Weitfeld-Mikroskopie.The present invention relates to a luminescence detector assembly, a fluorescence microscope, and a method for detecting a luminescence signal. The invention is particularly in the field of fluorescence microscopy, in particular in the field of wide-field microscopy.
Stand der TechnikState of the art
Im Bereich der Weitfeld-Mikroskopie, insbesondere in der Fluoreszenzmikroskopie mit Weitfeld-Detektion, ist oftmals die gleichzeitige Abbildung mehrerer lumineszierender Objekte, insbesondere mehrerer Fluorophore mit unterschiedlichen spektralen Eigenschaften, von zentralem Interesse, um strukturelle und funktionale Korrelationen zwischen unterschiedlichen Strukturen zu erforschen. Um eine ausreichende Sensitivität für Fluoreszenzabbildungen zu erreichen, werden bei dieser Art der Mikroskopie oftmals monochrome Kameras, d.h. farbinsensitive Kameras, verwendet, da diese typischerweise mit einer höheren Sensitivität und/oder einer schnelleren Auslesbarkeit zur Verfügung stehen, als andere Kamerasysteme, welche auch ein Farbauflösung bieten.In the field of far-field microscopy, in particular in fluorescence microscopy with far field detection, the simultaneous imaging of several luminescent objects, in particular several fluorophores with different spectral properties, is often of central interest in order to investigate structural and functional correlations between different structures. In order to achieve sufficient sensitivity for fluorescence imaging, this type of microscopy often involves monochrome cameras, i. color sensitive cameras, since these are typically available with a higher sensitivity and / or a faster readability than other camera systems, which also offer a color resolution.
Um dennoch mit monochromen Kameras farbsensitive Messungen durchführen zu können, bzw. um Messungen in unterschiedlichen spektralen Bereichen durchführen zu können, können herkömmlicherweise verschiedene Verfahren Anwendung finden.However, in order to be able to carry out color-sensitive measurements with monochrome cameras or to be able to carry out measurements in different spectral ranges, conventionally various methods can be used.
Beispielsweise werden zu diesem Zweck Wechselvorrichtungen für Baugruppen mit Anregungsspektralfiltern, einem dichroitischen Strahlteiler und einem Emissionsspektralfilter verwendet, welche in sogenannten Fluoreszenzfilterwürfeln kombiniert werden können. Diese Fluoreszenzfilterwürfel können sodann für Messungen in unterschiedlichen Spektralbereichen, bspw. für optische Anregungen und/oder Detektionen bei unterschiedlichen Wellenlängen, entsprechend den jeweiligen Bedürfnissen ausgetauscht werden. Dies kann den Nachteil aufweisen, dass ein Tausch von solchen Fluoreszenzfilterwürfeln zeitaufwändig sein kann, insbesondere wenn die auszutauschenden Fluoreszenzfilterwürfel eine große Masse aufweisen.For example, for this purpose changing devices for assemblies with excitation spectral filters, a dichroic beam splitter and an emission spectral filter are used, which can be combined in so-called fluorescence filter cubes. These fluorescence filter cubes can then be exchanged for measurements in different spectral ranges, for example for optical excitations and / or detections at different wavelengths, according to the respective requirements. This can have the disadvantage that a replacement of such fluorescence filter cubes can be time-consuming, in particular if the fluorescence filter cubes to be exchanged have a large mass.
Ferner finden herkömmlicherweise dichroitische Multiband-Strahlteiler mit dazu passenden Emissions- und Anregungsfiltersätzen Verwendung. Diese weisen oftmals relativ kleine Filter auf, welche beispielsweise mittels schneller Filterräder bewegt werden können, so dass ein Filterwechsel unter Umständen schneller durchgeführt werden kann als beim Wechsel von Fluoreszenzfilterwürfeln. Jedoch nimmt auch ein derartiger, mechanischer Wechselvorgang noch erhebliche Zeit in Anspruch. Zudem kann sich bei beiden herkömmlichen Methoden für manche Messungen ein Nachteil auch daraus ergeben, dass die Bilder unterschiedlicher Fluorophore bei unterschiedlichen spektralen Anregungsbereichen und/oder Lumineszenzbereichen zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen werden und dadurch eine Vergleichbarkeit der Messdaten von unterschiedlichen Spektralbereichen reduziert sein kann. Insbesondere bei schnellen Prozessen kann dies die Interpretation von räumlichen Korrelationen der untersuchten Objekte erschweren.Furthermore, conventionally, dichroic multiband beam splitters with matching emission and excitation filter sets have been used. These often have relatively small filters, which can be moved, for example, by means of fast filter wheels, so that a filter change can possibly be carried out faster than when changing from fluorescence filter cubes. However, even such a mechanical change process still takes considerable time. In addition, in both conventional methods, for some measurements, a disadvantage may also result from the fact that the images of different fluorophores are recorded at different times at different spectral excitation regions and / or luminescence regions and thus a comparability of the measurement data from different spectral regions can be reduced. Especially with fast processes this can complicate the interpretation of spatial correlations of the examined objects.
Auch ist die Verwendung von Multiband-Filtersätzen und Farbkameras bekannt. Dabei kann jedoch oftmals die Trennung der einzelnen Farbkanäle stark kompromittiert sein. Also, the use of multiband filter sets and color cameras is known. However, often the separation of the individual color channels can be severely compromised.
Weiterhin kann durch die Verwendung von Bayer-Masken für Farbsensoren die Sensitivität durch deren Filterwirkung reduziert sein, da die Intensitätswerte des Signals von einzelnen Pixeln teilweise rechnerisch aus den benachbarten Pixeln ermittelt werden, was eine quantitative, wissenschaftliche Auswertung der Detektorsignale häufig erschweren kannFurthermore, the use of Bayer masks for color sensors can reduce the sensitivity due to their filter effect, since the intensity values of the signal of individual pixels are determined in part mathematically from the neighboring pixels, which can often complicate a quantitative, scientific evaluation of the detector signals
Auch können Mehrkamera-Methoden zum Einsatz kommen. Diese sind jedoch oftmals kostenintensiv und aufwändig, da mehrere Kameras angeschafft werden müssen und die verschiedenen Kameras zudem synchronisiert und deren Bilder zum Überlapp gebracht werden müssen, was bei toleranzbedingten unterschiedlichen lateralen Bildlagen und geometrischen Verzerrungen oftmals mit einem sehr großen Aufwand verbunden sein kann.Also multi-camera methods can be used. However, these are often cost-intensive and expensive, since several cameras must be purchased and the different cameras also synchronized and their images must be overlapped, which can often be associated with tolerance-related different lateral layers and geometric distortions with a great deal of effort.
Des Weiteren sind Kamera-Teiler bekannt, bei denen ein mikroskopisches Sehfeld spektral geteilt wird und auf unterschiedliche Bereiche desselben Sensors abgebildet wird. Solche Systeme sind oftmals nicht telezentrisch und leiden ebenfalls unter Überlapp-Problemen wie die oben erwähnten Mehrkamera-Methoden.Furthermore, camera splitters are known in which a microscopic field of view is spectrally divided and imaged on different areas of the same sensor. Such systems are often non-telecentric and also suffer from overlap problems, such as the multiple camera methods mentioned above.
Zusätzlich ist die Verwendung von Kameras bzw. Flächensensoren mit mehreren Pixel-Anzapfungen bekannt, d.h. Kameras mit sogenannten Multitap- oder Two-Tap-Pixeln, wobei derartige Kamerasysteme beispielsweise als FLIM-Kameras (pco.flim, PCO AG; MEMFLIM, TELEDYNE DALSA PROFESSIONAL IMAGING) oder als Timeof-Flight-Kameras (epc660, ESPROS PHOTONICS CORPORATION) bekannt sind. Dabei wird eine durch den Detektionsprozess in einem Detektorpixel entstehende elektrische Ladung in zwei oder mehreren Speicherzellen gesammelt, wobei die Integrationszeit pro Speicherzelle in einem festen Phasenbereich einer hochfrequenten Modulationsfrequenz (Pixelschaltfrequenz) liegt. Beispielsweise werden derartige Kameras meist für Entfernungsmessungen und für Messungen mittels Fluoreszenzlebensdauermikroskopie verwendet.In addition, the use of cameras or area sensors with multiple pixel taps is known, ie cameras with so-called multitap or two-tap pixels, such camera systems being used, for example, as FLIM cameras (pco.flim, PCO AG, MEMFLIM, TELEDYNE DALSA PROFESSIONAL IMAGING) or time-of-flight cameras (epc660, ESPROS PHOTONICS CORPORATION). In this case, an electrical charge resulting from the detection process in a detector pixel is collected in two or more memory cells, the integration time per memory cell being in a fixed phase range of a high-frequency modulation frequency (FIG. Pixel switching frequency). For example, such cameras are mostly used for range measurements and measurements by fluorescence lifetime microscopy.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Lumineszenzdetektoranordnung, ein Fluoreszenzmikroskop und ein Verfahren zum Detektieren eines Lumineszenzsignals bereitzustellen, welche eine vereinfachte Detektion von Lumineszenzsignalen bei verschiedenen Anregungswellenlängen in kurzen Zeitabständen ermöglichen.It is therefore the object of the invention to provide a luminescence detector arrangement, a fluorescence microscope and a method for detecting a luminescence signal, which enable a simplified detection of luminescence signals at different excitation wavelengths at short time intervals.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß werden eine Lumineszenzdetektoranordnung, ein Fluoreszenzmikroskop und ein Verfahren zum Detektieren eines Lumineszenzsignals mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a luminescence detector arrangement, a fluorescence microscope and a method for detecting a luminescence signal with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous embodiments are the subject of the respective subclaims and the following description.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Lumineszenzdetektoranordnung zum Detektieren eines Lumineszenzsignals, welcher ein Sensorelement mit zumindest einem Multitap-Pixel mit zumindest einer ersten Speicherzelle und einer zweiten Speicherzelle aufweist, wobei das Sensorelement dazu eingerichtet ist, das Multitap-Pixel in einem ersten Zeitintervall mittels der ersten Speicherzelle auszulesen und in einem vom ersten Zeitintervall verschiedenen zweiten Zeitintervall mittels der zweiten Speicherzelle auszulesen. Ferner weist die Lumineszenzdetektoranordnung eine Lichtquelle auf, welche dazu eingerichtet ist, ein erstes Emissionslicht in zumindest einem ersten Spektralbereich zu emittieren und unabhängig davon ein zweites Emissionslicht in einem zweiten Spektralbereich zu emittieren, wobei der erste Spektralbereich und der zweite Spektralbereich zumindest teilweise voneinander verschieden sind (Überlappungen nicht ausgeschlossen). Dabei ist die Lichtquelle mit dem Sensorelement synchronisiert, um in dem ersten Zeitintervall das erste Emissionslicht zu emittieren und in dem zweiten Zeitintervall das zweite Emissionslicht zu emittieren. Auch ist die Lumineszenzdetektoranordnung ferner dazu eingerichtet, ein durch das erste Emissionslicht und durch das zweite Emissionslicht hervorgerufenes Lumineszenzsignal mit dem Sensorelement zu detektieren.In a first aspect, the invention relates to a luminescence detector arrangement for detecting a luminescence signal, which has a sensor element with at least one multitap pixel having at least a first memory cell and a second memory cell, wherein the sensor element is adapted to the multitap pixel in a first time interval by means of read the first memory cell and read in a second time interval different from the first time interval by means of the second memory cell. Furthermore, the luminescence detector arrangement has a light source which is set up to emit a first emission light in at least one first spectral range and independently emit a second emission light in a second spectral range, wherein the first spectral range and the second spectral range are at least partially different from one another ( Overlaps not excluded). In this case, the light source is synchronized with the sensor element in order to emit the first emission light in the first time interval and to emit the second emission light in the second time interval. The luminescence detector arrangement is also configured to detect a luminescence signal caused by the first emission light and by the second emission light with the sensor element.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Fluoreszenzmikroskop mit einer erfindungsgemäßen Lumineszenzdetektoranordnung, wobei das Fluoreszenzmikroskop dazu eingerichtet ist, ein zu untersuchendes Objekt mittels der Lichtquelle zumindest teilweise optisch anzuregen und ein von dem optisch angeregten zu untersuchenden Objekt erzeugtes Fluoreszenzsignal zumindest teilweise als Lumineszenzsignal zu detektieren.In a further aspect, the invention relates to a fluorescence microscope with a luminescence detector arrangement according to the invention, wherein the fluorescence microscope is adapted to at least partially optically excite an object to be examined by means of the light source and at least partially detect a fluorescence signal generated by the optically excited object to be examined as a luminescence signal.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Detektieren eines Lumineszenzsignals mit den Schritten a) Bereitstellen eines Sensorelements mit zumindest einem Multitap-Pixel mit zumindest einer ersten Speicherzelle und einer zweiten Speicherzelle; b) Bereitstellen einer Lichtquelle; c) Emittieren eines ersten Emissionslichts in zumindest einem ersten Spektralbereich mittels der Lichtquelle in einem ersten Zeitintervall und Auslesen des zumindest einen Multitap-Pixels mittels der ersten Speicherzelle in dem ersten Zeitintervall; und d) Emittieren eines zweiten Emissionslichts in zumindest einem zweiten Spektralbereich mittels der Lichtquelle in einem zweiten Zeitintervall und Auslesen des zumindest einen Multitap-Pixels mittels der zweiten Speicherzelle in dem zweiten Zeitintervall. Dabei sind das erste Zeitintervall und das zweite Zeitintervall voneinander verschieden und der erste Spektralbereich und der zweite Spektralbereich sind zumindest teilweise voneinander verschieden.In a further aspect, the invention relates to a method for detecting a luminescence signal with the steps of a) providing a sensor element having at least one multitap pixel with at least one first memory cell and a second memory cell; b) providing a light source; c) emitting a first emission light in at least a first spectral range by means of the light source in a first time interval and reading out the at least one multitap pixel by means of the first memory cell in the first time interval; and d) emitting a second emission light in at least a second spectral range by means of the light source in a second time interval and reading out the at least one multitap pixel by means of the second memory cell in the second time interval. In this case, the first time interval and the second time interval are different from one another and the first spectral range and the second spectral range are at least partially different from one another.
Bei einem Emissionslicht handelt es sich vorzugsweise insbesondere um Anregungslicht zur Anregung eines zu untersuchenden Objekts bzw. von Fluorophoren in dem zu untersuchenden Objekt und/oder um Beleuchtungslicht zum Beleuchten des zu untersuchenden Objekts. Der erste Sepktralbereich und der zweite Spektralbereich sind dabei zumindest teilweise voneinander verschieden, d.h. der erste und der zweite Sepktralbereich überlappen einander nicht vollständig, wobei ein teilweises spektrales Überlappen möglich aber nicht zwingend erforderlich ist.An emission light is preferably in particular excitation light for excitation of an object to be examined or of fluorophores in the object to be examined and / or illumination light for illuminating the object to be examined. The first Sepktralbereich and the second spectral range are at least partially different from each other, i. the first and the second Sepktralbereich do not overlap each other completely, with a partial spectral overlap is possible but not mandatory.
Ein Lumineszenzsignal kann beispielsweise ein Fluoreszenzsignal und/oder ein Phosphoreszenzsignal aufweisen, welches beispielsweise durch eine optische Anregung eines zu untersuchenden, fluoreszenten und/oder phosphoreszenten Objektes auftritt bzw. von dem Objekt emittiert wird.A luminescence signal can, for example, have a fluorescence signal and / or a phosphorescence signal which occurs, for example, by an optical excitation of a fluorescent and / or phosphorescent object to be examined, or is emitted by the object.
Multitap-Pixel können dabei Pixel sein, welche mit mehreren Speicherzellen verbunden sind, um zu verschiedenen Zeitpunkten von jeweils einer der mehreren Speicherzellen ausgelesen zu werden. Dies kann beispielsweise dazu dienen, den Ausleseprozess des Multitap-Pixels gegenüber dem Ausleseprozess von herkömmlichen Pixeln mit nur einer Speicherzelle zu beschleunigen. Beispielsweise kann ein Multitap-Pixel in Form eines Two-Tap-Pixels vorliegen, welcher über zwei Speicherzellen verfügt. Andere Ausführungsformen von Multitap-Pixeln können jedoch auch eine beliebige andere Anzahl größer als 1 von Speicherzellen aufweisen, beispielsweise 3, 4, 8 oder 16 Speicherzellen.In this case, multitap pixels can be pixels which are connected to a plurality of memory cells in order to be read out at different times from in each case one of the several memory cells. This can serve, for example, to accelerate the read-out process of the multitap pixel compared to the read-out process of conventional pixels with only one memory cell. For example, a multi-tap pixel may be in the form of a two-tap pixel having two memory cells. However, other embodiments of multitap pixels may also have any other number greater than 1 of memory cells, for example 3, 4, 8 or 16 memory cells.
Als eine Lichtquelle soll dabei eine Quelle von elektromagnetischer Strahlung verstanden werden. Entsprechend soll als Licht bzw. Emissionslicht elektromagnetische Strahlung verstanden werden. Dies kann, muss aber nicht zwingend, im sichtbaren optischen Spektralbereich liegen, sondern kann beispielsweise auch ultraviolette und/oder infrarote und/oder Röntgenstrahlung umfassen. Als Spektralbereich wird dabei ein Wellenlängenbereich bzw. Frequenzbereich der Frequenzen der elektromagnetischen Strahlung verstanden, wobei es sich im Falle von monochromatischem Licht um einzelne Wellenlängen bzw. Frequenzen handeln kann oder im Falle von mehr oder weniger breitbandiger Strahlung um einen kontinuierlichen Wellenlängenbereich bzw. Frequenzbereich, über welchen sich das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung erstreckt.As a light source is to be understood a source of electromagnetic radiation. Accordingly, it should be understood as light or emission light electromagnetic radiation. This may, but not necessarily, in the visible optical spectral range, but may for example include ultraviolet and / or infrared and / or X-rays. A spectral range is understood to be a wavelength range or frequency range of the frequencies of the electromagnetic radiation, which in the case of monochromatic light may be individual wavelengths or frequencies or, in the case of more or less broadband radiation, a continuous wavelength range or frequency range which extends the spectrum of electromagnetic radiation.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass für die Detektion der Lumineszenz nicht notwendigerweise Spektralfilter, wie etwa Anregungsspektralfilter zur Selektion der Anregungswellenlänge(n) und/oder Emissionsspektralfilter zur Selektion der zu detektierenden Wellenlänge(n) verwendet werden müssen. Dadurch kann insbesondere ein zeitaufwändiger Wechsel von Spektralfiltern entfallen, wodurch die Messdauer verkürzt werden kann und insbesondere mehrere in sehr kurzen Zeitabständen aufeinanderfolgende Messungen in unterschiedlichen Spektralbereichen erfolgen können. Beispielsweise kann dies ermöglichen, innerhalb von wenigen Mikrosekunden oder Millisekunden Detektionen von Lumineszenz in unterschiedlichen Spektralbereichen durchzuführen. Insbesondere ermöglicht die Erfindung, in bestimmten Zeitintervallen nur Emissionslicht des gewünschten Spektralbereichs zu emittieren und die dadurch hervorgerufene Lumineszenz zu detektieren und in anderen bestimmten Zeitintervallen Emissionslicht eines anderen gewünschten Spektralbereichs zu emittieren und die dadurch hervorgerufene Lumineszenz zu detektieren. Mit anderen Worten kann die Emission von bestimmter Emissionsstrahlung und die Detektion mittels des Sensorelements derart synchronisiert werden, dass eine vorzugsweise vollständige Zuordenbarkeit des detektierten Signals zu einer bestimmten Emissionsstrahlung bzw. Anregungsstrahlung möglich ist, wenngleich das Sensorelement optional farbinsensitiv ist, insbesondere keine Farbfiltermatrix aufweist und auch eine spektrale Filterung des Anregungslichts und/oder der Lumineszenzstrahlung nicht stattfindet und insbesondere keine Anregungsspektralfilter oder Emissionsspektralfilter verwendet werden.The invention offers the advantage that for the detection of the luminescence not necessarily spectral filters, such as excitation spectral filters for selecting the excitation wavelength (s) and / or emission spectral filters for selecting the wavelength (s) to be detected must be used. As a result, in particular, a time-consuming change of spectral filters can be dispensed with, as a result of which the measurement duration can be shortened and, in particular, several measurements in different spectral ranges which follow one another at very short time intervals can take place. For example, this can make it possible to carry out detections of luminescence in different spectral ranges within a few microseconds or milliseconds. In particular, the invention makes it possible to emit only emission light of the desired spectral range at certain time intervals and to detect the luminescence produced thereby and to emit emission light of another desired spectral range at other specific time intervals and to detect the luminescence produced thereby. In other words, the emission of certain emission radiation and the detection by means of the sensor element can be synchronized such that a preferably complete assignability of the detected signal to a specific emission radiation or excitation radiation is possible, although the sensor element is optionally color insensitive, in particular has no color filter matrix and also a spectral filtering of the excitation light and / or the luminescence radiation does not take place and in particular no excitation spectral filters or emission spectral filters are used.
Dies bietet den Vorteil, dass eine Lumineszenzdetektoranordnung bereitgestellt werden kann, welcher ohne kostenintensiven Spektralfilter betrieben werden kann und welcher insbesondere ohne ein mechanisches Wechseln von Spektralfiltern und/oder ohne ein Manipulieren von Filterrädern betrieben werden kann. Ferner bietet die Erfindung den Vorteil, dass keine farbsensitiven Kameras verwendet werden müssen, sondern eine Verwendung eines monochromen Sensorelements ausreichend ist. Dies ermöglicht, besonders sensitive und/oder besonders schnell auslesbare Sensorelemente zu verwenden.This offers the advantage that a luminescence detector arrangement can be provided which can be operated without a cost-intensive spectral filter and which can be operated in particular without mechanically changing spectral filters and / or without manipulating filter wheels. Furthermore, the invention offers the advantage that no color-sensitive cameras must be used, but a use of a monochrome sensor element is sufficient. This makes it possible to use particularly sensitive and / or particularly quickly readable sensor elements.
Vorzugsweise werden während einer Messung das erste Zeitintervall und das zweite Zeitintervall jeweils zumindest zweimal durchlaufen. D.h. während einer Messung wird jeweils zumindest zweimal das erste Emissionslicht und das zweite Emissionslicht emittiert und das zumindest eine Multitap-Pixel jeweils zumindest zweimal mittels der ersten sowie mittels der zweiten Speicherzelle ausgelesen. Besonders bevorzugt erfolgt andererseits die Messung über einen Messzeitraum bzw. eine Messdauer, welcher bzw. welche derart bemessen ist, dass eine Lebensdauer bzw. Abklingdauer der zu messenden Lumineszenz des Objekts, welche beispielsweise von einer Abklingdauer der Fluoreszenz der Fluorophore in dem zu untersuchenden Objekt abhängt, die Detektion der Lumineszenz bzw. das Messsignal im Wesentlichen nicht beeinflusst. Beispielsweise kann dazu eine Messdauer gewählt werden, welche länger, insbesondere wesentlich länger, als eine durchschnittliche Abklingdauer der Lumineszenz des zu detektierenden Objektes ist. Im Falle von Fluoreszenzprozessen liegt die strahlende Lebensdauer auf der Zeitskala von wenigen Nanosekunden, so dass eine Messdauer im Mikrosekundenbereich unbeeinflusst von der strahlenden Lebensdauer des Fluorophors ist, auf der Zeitskala zellulärer Vorgänge im Millisekundenbereich jedoch weiterhin quasi simultane Detektion mehrerer Fluorophore zulässt.Preferably, during a measurement, the first time interval and the second time interval each pass at least twice. That During a measurement, at least twice the first emission light and the second emission light are emitted and the at least one multitap pixel is read out at least twice by means of the first and the second memory cell. On the other hand, the measurement is preferably carried out over a measurement period or a measurement period which is such that a lifetime or decay time of the object to be measured luminescence, which depends, for example, on a decay of the fluorescence of the fluorophore in the object to be examined , the detection of the luminescence or the measurement signal is not substantially affected. For example, it is possible to select a measurement duration which is longer, in particular significantly longer, than an average decay duration of the luminescence of the object to be detected. In the case of fluorescence processes, the radiating life on the time scale of a few nanoseconds, so that a measurement period in the microsecond range is unaffected by the radiating life of the fluorophore, on the time scale of cellular processes in the millisecond range, however, still allows simultaneous detection of multiple fluorophores.
Vorzugsweise weist das Sensorelement eine Mehrzahl von Multitap-Pixeln auf, welche vorzugsweise in einer Matrix angeordnet sind. Dies bietet den Vorteil, dass auch eine räumliche Auflösung des detektierten Lumineszenzsignals erzielt werden kann. Dabei kann beispielsweise die Bereitstellung von optischen Elementen vorteilhaft sein, um beispielsweise das Lumineszenzsignal auf das Sensorelement abzubilden. Beispielsweise kann das Sensorelement eine CMOS-Matrix aufweisen, in welcher eine Mehrzahl von Multitap-Pixeln beispielsweise in einer rechteckigen Matrix angeordnet ist. Beispielsweise kann das Sensorelement eine Matrix umfassend 1008x1008 Multitap-Pixel aufweisen, wobei auch andere Matrixgrößen und/oder Sensorelementgrößen möglich sind.Preferably, the sensor element has a plurality of multitap pixels, which are preferably arranged in a matrix. This offers the advantage that a spatial resolution of the detected luminescence signal can be achieved. In this case, for example, the provision of optical elements may be advantageous in order, for example, to image the luminescence signal onto the sensor element. By way of example, the sensor element may have a CMOS matrix in which a plurality of multitap pixels is arranged, for example, in a rectangular matrix. For example, the sensor element may comprise a matrix comprising 1008 × 1008 multitap pixels, wherein other matrix sizes and / or sensor element sizes are also possible.
Vorzugsweise ist die Lumineszenzdetektoranordnung dazu eingerichtet, mittels eines extern bereitgestellten Synchronisationssignals das Sensorelement und die Lichtquelle zu synchronisieren. Das Synchronisationssignal kann beispielsweise von einem elektrischen Signalgeber und/oder einem elektrischen Impulsgeber bereitgestellt werden. Dies hat den Vorteil, dass das Auslesen der Speicherzellen und das Emittieren des Emissionslichts durch die Lichtquelle auf besonders einfache Weise synchronisiert werden können.The luminescence detector arrangement is preferably set up to synchronize the sensor element and the light source by means of an externally provided synchronization signal. The synchronization signal can be provided, for example, by an electrical signal transmitter and / or an electric pulse generator. This has the advantage that the readout of the memory cells and the emission of the emission light by the light source can be synchronized in a particularly simple manner.
Alternativ oder zusätzlich kann die Lumineszenzdetektoranordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einen Synchronisationssignalgeber aufweisen, welcher vorzugsweise dazu eingerichtet ist, ein Synchronisationssignal bereitzustellen. Das Synchronisationssignal kann insbesondere dazu eingerichtet sein, um das Sensorelement und die Lichtquelle mittels des Synchronisationssignals zu synchronisieren. Dies hat den Vorteil, dass gegebenenfalls auf die Bereitstellung eines Synchronisationssignals durch eine externe Synchronisationssignalquelle bzw. einen externen Synchronisationssignalgeber verzichtet werden kann. Beispielsweise kann das Sensorelement den Synchronisationssignalgeber aufweisen. Mit anderen Worten ist der Synchronisationssignalgeber optional in das Sensorelement integriert. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise das Sensorelement ein internes Synchronisationssignal bereitstellt um das Auslesen der Speicherzellen zu steuern, welches auch extern für die Synchronisierung anderer Komponenten, wie etwa der Lichtquelle, verwendet werden kann. Alternatively or additionally, in accordance with a preferred embodiment, the luminescence detector arrangement can have a synchronization signal generator, which is preferably set up to provide a synchronization signal. The synchronization signal can in particular be set up to synchronize the sensor element and the light source by means of the synchronization signal. This has the advantage that it may be possible to dispense with the provision of a synchronization signal by an external synchronization signal source or an external synchronization signal generator. For example, the sensor element may comprise the synchronization signal generator. In other words, the synchronization signal generator is optionally integrated in the sensor element. This has the advantage that, for example, the sensor element provides an internal synchronization signal to control the readout of the memory cells, which can also be used externally for the synchronization of other components, such as the light source.
Vorzugsweise ist die Lichtquelle modulierbar. Ferner ist die Lichtquelle vorzugsweise dazu eingerichtet, in Reaktion auf das Synchronisationssignal das erste Emissionslicht und/oder das zweite Emissionslicht zu emittieren. Dabei kann die Lichtquelle ein oder mehrere Emissionselemente aufweisen. Insbesondere kann die Lichtquelle derart ausgestaltet sein, dass sie für das erste und das zweite Emissionslicht ein einziges Emissionselement aufweist, oder dass sie für jedes Emissionslicht ein separates Emissionselement aufweist. Dies bietet den Vorteil, dass mit einer einzigen Lichtquelle das erste Emissionslicht und das zweite Emissionslicht bereitgestellt bzw. emittiert werden können und nicht notwendigerweise mehrere Lichtquellen bereitgestellt werden müssen. Dadurch kann zum einen ein kompakter Aufbau der Lumineszenzdetektoranordnung erreicht werden. Zum anderen kann dies vorteilhaft hinsichtlich der Synchronisierung der Lichtquelle mit dem Sensorelement sein, da auf diese Weise nur eine einzige Lichtquelle mit den Sensorelement synchronisiert werden muss.Preferably, the light source is modulated. Furthermore, the light source is preferably configured to emit the first emission light and / or the second emission light in response to the synchronization signal. In this case, the light source can have one or more emission elements. In particular, the light source can be designed such that it has a single emission element for the first and the second emission light, or that it has a separate emission element for each emission light. This offers the advantage that with a single light source, the first emission light and the second emission light can be provided or emitted and not necessarily multiple light sources must be provided. As a result, on the one hand a compact construction of the luminescence detector arrangement can be achieved. On the other hand, this can be advantageous with regard to the synchronization of the light source with the sensor element, since in this way only a single light source has to be synchronized with the sensor element.
Vorzugsweise weist das Synchronisationssignal ein periodisches Signal auf, welches vorzugsweise eine Wiederholfrequenz aufweist, die in einem Bereich von 100 Hz bis 100 MHz , bevorzugt in einem Bereich von 1 kHz bis 10 MHz, am meisten bevorzugt in einem Bereich von 10 kHz bis 1 MHz liegt. Beispielsweise kann das Synchronisationssignal als ein elektrisches Spannungssignal ausgestaltet sein oder ein solches umfassen. Insbesondere kann das Synchronisationssignal ein sinusförmiges und/oder rechteckförmiges und/oder sägezahnförmiges Spannungssignal aufweisen. Die Amplituden des Spannungssignals können dabei beispielsweise zwischen 0,1 V und 20 V liegen. Beispielsweise können das Sensorelement und/oder die Lichtquelle derart eingerichtet sein, dass diese durch das Synchronisationssignal zu Zeitpunkten ausgelöst werden, wenn das Synchronisationssignal eine steigende Flanke und/oder eine fallende Flanke aufweist. Dies hat den Vorteil, dass das Synchronisationssignal mit einfachen Mitteln und auf zuverlässige Weise bereitgestellt werden kann, ohne dass dafür hohe Anforderungen an die Hardware eines Synchronisationssignalgebers erforderlich sind.Preferably, the synchronization signal comprises a periodic signal, which preferably has a repetition frequency which is in a range of 100 Hz to 100 MHz, preferably in a range of 1 kHz to 10 MHz, most preferably in a range of 10 kHz to 1 MHz , For example, the synchronization signal may be configured as an electrical voltage signal or comprise such. In particular, the synchronization signal may have a sinusoidal and / or rectangular and / or sawtooth-shaped voltage signal. The amplitudes of the voltage signal can be between 0.1 V and 20 V, for example. For example, the sensor element and / or the light source can be set up such that they are triggered by the synchronization signal at times when the synchronization signal has a rising edge and / or a falling edge. This has the advantage that the synchronization signal can be provided in a simple and reliable manner, without requiring high demands on the hardware of a synchronization signal generator.
Vorzugsweise weist die Lichtquelle zumindest eine Halbleiter-Lichtquelle auf. Insbesondere kann zumindest ein Emissionselement der Lichtquelle eine Halbleiter-Lichtquelle aufweisen. Beispielsweise kann die Halbleiter-Lichtquelle zumindest eine lichtemittierende Diode (LED) bzw. Leuchtdiode und/oder eine Laserdiode und/oder einen Diodenlaser aufweisen. Beispielsweise können mehrere Halbleiterlichtquellen bereitgestellt sein, welche bei voneinander verschiedenen Farben bzw. Emissionsspektren emittieren. Besonders bevorzugt sind mehrere verschiedenartige Halbleiter-Lichtquellen in der Lichtquelle integriert. Die Verwendung von Halbleiter-Lichtquellen bietet den Vorteil, dass diese im Vergleich zu anderen Lichtquellen besonders schnell moduliert werden können, d.h. besonders schnell ein- und ausgeschaltet werden können. Dies kann insbesondere bei besonders kurzen und/oder schnell aufeinanderfolgenden Messintervallen vorteilhaft sein, um einen schnellen Übergang von Emissionslicht des ersten Spektralbereichs zu Emissionslicht des zweiten Spektralbereichs zu erreichen. Die einzelnen Halbleiterlichtquellen können weiterhin Bandpassfilter zur Anpassung des emittierten Spektralbereichs beinhalten.The light source preferably has at least one semiconductor light source. In particular, at least one emission element of the light source can have a semiconductor light source. For example, the semiconductor light source may have at least one light emitting diode (LED) or light emitting diode and / or a laser diode and / or a diode laser. For example, a plurality of semiconductor light sources can be provided, which emit at mutually different colors or emission spectra. Particularly preferably, a plurality of different types of semiconductor light sources are integrated in the light source. The use of semiconductor light sources offers the advantage that they can be modulated very quickly compared to other light sources, i. can be switched on and off particularly quickly. This can be advantageous, in particular, in the case of particularly short and / or rapidly successive measurement intervals in order to achieve a rapid transition from emission light of the first spectral range to emission light of the second spectral range. The individual semiconductor light sources may further include bandpass filters for adjusting the emitted spectral range.
Vorzugsweise ist ein erfindungsgemäßes Fluoreszenzmikroskop derart eingerichtet, dass die optische Anregung des zu untersuchenden Objekts ohne Verwendung eines Anregungsspektralfilters erfolgt. Weiter bevorzugt ist das Fluoreszenzmikroskop derart eingerichtet, dass das von dem optisch angeregten zu untersuchenden Objekt erzeugte Fluoreszenzsignal ohne Verwendung eines Lumineszenzspektralfilters erfolgt. Wenngleich die Verwendung von derartigen Spektralfiltern nicht ausgeschlossen ist, ist es dennoch vorteilhaft, dass auf derartige Filter verzichtet werden kann. Dies bietet den Vorteil, dass auf eine kostenintensive Anschaffung derartiger Spektralfilter verzichtet werden kann. Auch entfällt die Notwendigkeit, zeitaufwendige Filterwechsel zwischen Messungen bei unterschiedlichen Spektralbereichen durchzuführen. Darüber hinaus bietet dies den Vorteil, dass zwischen Messungen bei unterschiedlichen Spektralbereichen Vibrationen und/oder mechanischen Erschütterungen, welche mit einem mechanischen Wechsel der Spektralfilter einher gehen und negative Auswirkungen auf die mikroskopische Messung haben können, vermieden werden können. Es ist aber auch möglich, Lumineszenzspektralfilter zu verwenden, welche den Überlappbereich der Lumineszenzspektren der einzelnen Fluorophore blockieren, und somit unter Verzicht auf das Signal aus dem spektralen Überlappbereich die Zuordenbarkeit der einzelnen Lummineszenzsignale zu den einzelnen Fluorophoren verbessern. Solche Lumineszenzspektralfilter müssen während einer Messung nicht ausgetauscht werden, so dass keine dadurch hervorgerufenen Nachteile entstehen.Preferably, a fluorescence microscope according to the invention is set up such that the optical excitation of the object to be examined takes place without the use of an excitation spectral filter. More preferably, the fluorescence microscope is set up such that the fluorescence signal generated by the optically excited object to be examined is carried out without the use of a luminescence spectral filter. Although the use of such spectral filters is not excluded, it is still advantageous that such filters can be dispensed with. This offers the advantage that it is possible to dispense with cost-intensive acquisition of such spectral filters. Also eliminates the need to perform time-consuming filter changes between measurements at different spectral ranges. Moreover, this offers the advantage that between measurements at different spectral ranges vibrations and / or mechanical shocks, which go hand in hand with a mechanical change of the spectral filters and can have negative effects on the microscopic measurement, can be avoided. But it is also possible To use luminescence spectral filters which block the overlap region of the luminescence spectra of the individual fluorophores, and thus improve the assignability of the individual Lummzenzzenzsignale to the individual fluorophores waiving the signal from the spectral overlap region. Such luminescence spectral filters need not be replaced during a measurement, so that no disadvantages caused thereby arise.
Vorzugsweise ist das Auslesen des zumindest einen Multitap-Pixels mittels der ersten Speicherzelle mit dem Emittieren des ersten Emissionslichts synchronisiert ist und das Auslesen des zumindest einen Multitap-Pixels mittels der zweiten Speicherzelle mit dem Emittieren des zweiten Emissionslichts synchronisiert. Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann das zumindest eine Multitap-Pixel auch mehr als zwei Speicherzellen aufweisen und die Lichtquelle mehr als zwei verschiedene Arten von Emissionslicht, d.h. Emissionslicht in mehr als zwei verschiedenen Spektralbereichen emittieren. Besonders bevorzugt erfolgt das Auslesen des Multitap-Pixels durch eine bestimmte Speicherzelle synchron mit der Emission von bestimmtem Emissionslicht durch die Lichtquelle. Dies hat den Vorteil, dass in sehr kurzem zeitlichen Abstand Messungen bei verschiedenen Anregungsspektralbereichen durchgeführt werden können und ein selektives Detektieren der dabei entstehenden Lumineszenz ermöglicht wird.The readout of the at least one multitap pixel by means of the first memory cell is preferably synchronized with the emission of the first emission light and the reading of the at least one multitap pixel by means of the second memory cell is synchronized with the emission of the second emission light. According to further preferred embodiments, the at least one multitap pixel may also have more than two memory cells and the light source may have more than two different types of emission light, i. Emit emission light in more than two different spectral ranges. The readout of the multitap pixel by a specific memory cell particularly preferably takes place synchronously with the emission of determined emission light by the light source. This has the advantage that measurements can be carried out at different excitation spectral ranges in a very short time interval and a selective detection of the resulting luminescence is made possible.
Vorzugsweise werden die Schritte c) und d) einander abwechselnd wiederholt, vorzugsweise mit einer Wiederholfrequenz, die in einem Bereich von 100 Hz bis 100 MHz , bevorzugt in einem Bereich von 1 kHz bis 10 MHz, am meisten bevorzugt in einem Bereich von 10 kHz bis 1 MHz liegt.Preferably, steps c) and d) are repeated alternately, preferably at a repetition frequency ranging from 100 Hz to 100 MHz, preferably in a range from 1 kHz to 10 MHz, most preferably in a range from 10 kHz to 1 MHz is.
Besonders bevorzugt werden für eine vollständige Detektion die Schritte c) und d) jeweils zumindest zweimal durchlaufen. Dies hat den Vorteil, dass über einen längeren Zeitraum gemessen werden kann, d.h. dass optional auch lichtschwache Lumineszenzen detektiert werden können und insbesondere kurzlebige Lumineszenzen zeitabhängig detektiert werden können. Ferner können durch eine alternierende bzw. abwechselnde Anregung und Detektion bei verschiedenen Spektralbereichen ein quasi gleichzeitige aber separate Messungen erzielt werden, da die Zeitunterschiede zwischen den Messungen bei den unterschiedlichen Emissionslichtern in sehr kurzem Zeitabstand erfolgen. Dies bietet den Vorteil, dass der Einfluss von eventuell auftretenden zeitlichen Veränderungen des zu untersuchenden Objektes auf die Messung so gering wie möglich gehalten werden könnenFor complete detection, the steps c) and d) are particularly preferably run through at least twice. This has the advantage that it can be measured over a longer period, i. that optionally light-faint luminescences can be detected and, in particular, short-lived luminescences can be detected in a time-dependent manner. Furthermore, an alternating or alternating excitation and detection at different spectral ranges a quasi simultaneous but separate measurements can be achieved, since the time differences between the measurements in the different emission lights in a very short time interval. This offers the advantage that the influence of possibly occurring temporal changes of the object to be examined on the measurement can be kept as low as possible
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is illustrated schematically with reference to an embodiment in the drawings and will be described below with reference to the drawing.
Figurenlistelist of figures
-
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Fluoreszenzmikroskop gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.1 shows a schematic representation of a fluorescence microscope according to a preferred embodiment. -
2 zeigt eine beispielhafte zeitliche Abfolge von Vorgängen eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.2 shows an exemplary time sequence of operations of a method according to the invention according to a preferred embodiment.
Das von dem Strahlteiler
Das Sensorelement
Wie bei herkömmlichen Verfahren zur Fluoreszenzlebensdauermikroskopie wird gemäß der gezeigten Ausführungsform der Erfindung die Pixelschaltfrequenz
Als entsprechend schnell modulierbare Lichtquellen
Die Modulation der Lichtquelle
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Fluoreszenzmikroskopfluorescence microscope
- 102102
- Objektobject
- 104104
- Lichtquellelight source
- 106106
- BeleuchtungsstrahlengangsIllumination beam path
- 108108
- AnregungsspektralfilterAnregungsspektralfilter
- 110110
- Strahlteilerbeamsplitter
- 112112
- Objektivlens
- 114114
- EmissionsspektralfilterEmissionsspektralfilter
- 116116
- optisches Element, Tubusoptikoptical element, tube optics
- 116a116a
- Strahlengangbeam path
- 118118
- Sensorelementsensor element
- 120120
- Kontrolleinheitcontrol unit
- 121121
- SynchronisationssignalgeberSynchronization signal generator
- 201201
- PixelschaltfrequenzPixel switching frequency
- 202202
- Periode der PixelschaltfrequenzPeriod of pixel switching frequency
- 203203
- Emission des ersten EmissionslichtsEmission of the first emission light
- 204204
- Emission des zweiten EmissionslichtsEmission of the second emission light
- 205205
- Auslesen der ersten SpeicherzelleReading the first memory cell
- 206206
- Auslesen der zweiten SpeicherzelleReadout of the second memory cell
- 207207
- Bildaufnahmeimage capture
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