DE102021006651A1

DE102021006651A1 - Modul zur optischen Anregung eines Probenvolumens

Info

Publication number: DE102021006651A1
Application number: DE102021006651.0A
Authority: DE
Inventors: Pierre Türschmann; Daniel Böning; Rinat Tyumenev
Original assignee: Interherence GmbH
Current assignee: Interherence GmbH
Priority date: 2021-12-03
Filing date: 2021-12-03
Publication date: 2023-06-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Modul zur optischen Anregung eines Probenvolumens mittels eines optischen Chips, mit einer Steuereinheit, einer Aufnahmeeinrichtung für einen optischen Chip, mindestens einer Kopplungseinheit zum Einleiten von Licht in den optischen Chip, einer Positionierungseinheit, welche dazu ausgelegt ist, die Kopplungseinheit oder zumindest Teile dieser relativ zu dem optischen Chip zu positionieren, und mindestens einer Detektionseinheit zum Erfassen von Licht aus mindestens einem Dünnschichtwellenleiter des optischen Chips, wobei ein Signal betreffend das von der Detektionseinheit erfasste Licht, insbesondere betreffend dessen Intensität, an die Steuereinheit übertragen wird, welche dazu ausgelegt ist, auf der Grundlage des Signals die mindestens eine Lichtquelle und / oder die Positionierungseinheit anzusteuern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Modul zur optischen Anregung eines Probenvolumens mittels eines optischen Chips, welches vorzugsweise auf dem Gebiet der Internen Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie zum Einsatz kommt.
Interne Totalreflexionsmikroskopie (engl. „Total internal reflection fluorescence (TIRF)“) ist eine in der Biologie oder Biophysik weit verbreitete Mikroskopietechnik, die benutzt wird, um oberflächennahe Dynamiken zu beobachten. Dies können z.B. Biopartikel, wie Proteine sein, die sich auf einer Zellmembran in geringem Abstand zum Mikroskopsubstrat befinden. Diese Dynamiken werden häufig indirekt über Fluoreszenzfarbstoffe, die an das zu untersuchende Partikel angebracht worden sind, detektiert. Daneben sind Streulicht basierte Ansätze auch möglich. Bei beiden Ansätzen findet die optische Anregung über ein evaneszentes Feld statt, das an der Probenseite des Mikroskopsubstrats generiert wird. Eine Eigenschaft des evaneszenten Feldes ist, dass nur der oberflächennahe Bereich (<200 nm) beleuchtet wird, wohingegen der Rest der Probe keinem Licht ausgesetzt ist und auch so kein Hintergrundsignal generieren kann.
Herkömmlicherweise wird das evaneszente Feld durch einen total reflektierten Lichtstrahl an der Glas-Substrat-Probe-Grenzfläche erzeugt. Beim klassischen objektivbasiertem TIRF muss dazu der Lichtstrahl abseits der optischen Achse in der hinteren Apertur des Mikroskopobjektivs fokussiert werden und verlässt danach das Objektiv unter einem Winkel. Wenn der Strahlwinkel groß genug für eine Totalreflexion an der Grenzfläche Substrat-Probe ist, wird eine evaneszente Welle erzeugt.
Aktuelle Mikroskope, die TIRF-Messungen ermöglichen, verwenden einen Laserstrahl, der von der optischen Achse auf die hintere Öffnung der Objektivlinse fokussiert wird, damit der Strahl an der Grenzfläche Deckglas-Probe total reflektiert werden kann. Dieses Verfahren erfordert eine äußerst präzise Platzierung des Strahls. Leichte Variationen der Objektivposition sowie der Strahlplatzierung haben einen erheblichen Einfluss auf die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes und auf das seitliche Beleuchtungsprofil. Diese Variationen können z.B. durch mechanische Verschiebungen aufgrund von Temperaturänderungen oder durch Vibrationen, die durch AC-Kühlung oder menschliche Anwesenheit neben dem Mikroskop erzeugt werden. TIRF-Messungen, die eine absolute Präzision der Beleuchtungsintensität im Probenvolumen erfordern, werden sehr schwierig. Da außerdem der maximale Winkel, den ein Strahl das Objektiv verlassen kann, durch die numerische Apertur (NA) gegeben ist, sind Objektive mit hoher NA erforderlich, um eine interne Totalreflexion an der Substrat-Probe-Grenzfläche zu ermöglichen. Objektive mit hoher NA sind die teuersten Objektive auf dem Markt. Diese Objektive schränken aber auch das beobachtbare Sichtfeld (FOV) auf wenige hundert Mikrometer ein. Bildgebung in großem Maßstab, z.B. von mehreren zehn Zellen, ist mit Objektiven mit hoher NA nicht möglich.
Herkömmliche Ansätze erfordern somit eine sehr genaue Einstellung der Strahlposition in der hinteren Apertur des Mikroskopobjektivs zur Erzeugung des evaneszenten Feldes, da die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes von dem Winkel abhängig ist, in dem der Lichtstrahl auf die Substrat-Probe-Grenzfläche auftrifft.
Außerdem ist bei solchen Ansätzen die laterale Ausdehnung des evaneszenten Feldes auf typ. 100 × 100 µm2 begrenzt. Aufgrund der Streuung des Lichtstrahls treten Inhomogenitäten bei der Probenbeleuchtung hinsichtlich Intensitätsverteilung und Eindringtiefe in das Sichtfeld auf. Zudem erfordern herkömmliche Ansätze eine sperrige Mikroskopvorrichtung ohne die Möglichkeit, die Intensität des Lichts, das über das evaneszente Feld an die Probe geliefert wird, dynamisch zu steuern.
Aus der US 2016/0363728 A1 ist weiterhin eine Welllenleitervorrichtung bekannt, welche beispielsweise bei der Gensequenzierung einsetzbar ist. Weiteren Stand der Tehcnik stellt die Druckschrift EP 2425286 B1 dar.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Probleme des Stands der Technik abzumildern oder gar ganz zu beseitigen. Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte Möglichkeit zur TIR-Mikroskopie mit einem vergrößerten Beobachtungsbereich bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren kann das evaneszente Feld auch über eine sich in einer dünnen Schicht eines dielektrischen Materials ausbreitende Lichtmode erzeugt werden. Wenn diese dielektrische, modenhaltige Schicht der Probenhalter ist, kann der geführte Modus mit der Probe wechselwirken und dadurch ein evaneszentes Feld im Probenvolumen erzeugen.
Ein monolithischer, wellenleiterbasierter Ansatz kann die Nachteile herkömmlicher Lösungen umgehen. Die Eindringtiefe wird vorzugsweise über die Wellenleitergeometrie eingestellt, die ausgeleuchtete Fläche wird nur durch die Wellenleiterabmessungen begrenzt und ist in jeder Hinsicht in sich homogen, ein erfindungsgemäßes Modul passt auf einen herkömmlichen Mikroskoptisch und die evaneszente Feldstärke kann vorzugsweise über ein Rückkopplungssignal aktiv eingestellt werden mittels Sensoren, beispielsweise Photodioden, die die Intensität des Lichts messen, das sich im Wellenleitermodus ausbreitet.
In anderen Worten beschreibt die vorliegende Offenbarung ein kompaktes Anregungssystem oder Modul, welches eine evaneszente Anregung des Probenvolumens über einen optischen Chip vorzugsweise ohne eine Verwendung eines Mikroskopobjektiv ermöglicht.
Ein erfindungsgemäßes Modul zur optischen Anregung eines Probenvolumens mittels eines optischen Chips, weist eine Steuereinheit, eine Aufnahmeeinrichtung für einen optischen Chip, mindestens eine Kopplungseinheit, in welche Licht von der mindestens einen Lichtquelle eingekoppelt wird, eine Positionierungseinheit, welche dazu ausgelegt ist, den optischen Chip relativ zu der ersten Kopplungseinheit und / oder einer abbildenden Optik zu positionieren, und mindestens eine Detektionseinheit zum Erfassen von Licht aus mindestens einem Dünnschichtwellenleiter des optischen Chips auf, wobei ein Signal betreffend das von der Detektionseinheit erfasste Licht, insbesondere betreffend dessen Intensität, an die Steuereinheit übertragen wird, welche dazu ausgelegt ist, auf der Grundlage des Signals die mindestens eine Lichtquelle und / oder die Positionierungseinheit anzusteuern.
Ein erfindungsgemäßes Modul ermöglicht es somit, ein Probenvolumen über ein evaneszentes Feld anzuregen. Das evaneszente Feld wird auf einem optischen Chip mit einem bzw. mehreren Welleneitern, insbesondere Dünnschichtwellenleitern, erzeugt. Der optische Chip wird hierzu in eine Aufnahmeeinrichtung bzw. einen Chip-Träger eingelegt.
Ein erfindungsgemäßes Modul kann mit mindestens einer Lichtquelle zur Einleitung von Licht in den optischen Chip ausgestattet sein und / oder eine Aufnahme für eine externe Lichtquelle aufweisen, welche beim Betrieb des Moduls vorzugsweise in die Aufnahme eingesetzt wird.
Über die mindestens eine Kopplungseinheit wird Licht selektiv von der mindestens einen Lichtquelle auf den optischen Chip gelenkt und dort über eine Kopplungsstruktur, wie z.B. ein diffraktives Element, in einen Wellenleiter des Chips eingekoppelt. Das System kann mit mehreren Lichtquellen, insbesondere bis zu neun Lichtquellen, ausgestattet sein, deren Licht beispielsweise über eine gemeinsame optische Faser und über eine gemeinsame Optik zu dem optischen Chip gesendet wird.
In anderen Worten umfasst die Kopplungseinheit vorzugsweise eine Optik, welche es ermöglicht einen Lichtstrahl auf die Kopplungselemente des Chips, insbesondere mindestens ein Einkopplungselement, z.B. ein diffraktives Element, zu senden. Die Detektionseinheit fängt vorzugsweise das Licht aus einem weiteren Kopplungselement des Chips, insbesondere aus mindestens einem Auskopplungselement, z.B. einem diffraktiven Element, auf und erfasst vorzugsweise dessen Intensität mittels eines Sensors, wie beispielsweise einer Photodiode.
Wieder anders ausgedrückt, weist ein erfindungsgemäßes Modul vorzugsweise eine Kopplungseinheit und eine Detektionseinheit auf, welche beispielsweise dazu ausgelegt sind, jeweils Licht von den Lichtquellen in den Chip einzuleiten und Licht von dem Chip aufzufangen. Die Kopplungseinheit und die Detektionseinheit können in einer gemeinsamen Einheit des Moduls, beispielsweise einem Kopplungssystem oder Kopplungsmodul, integriert oder untergebracht sein.
Der Chip weist vorzugsweise korrespondierende Kopplungselemente, beispielsweise in Form von diffraktiven Elementen auf, in welche das Licht von der Kopplungseinheit des Moduls einkoppelbar ist und / oder welche Licht aus dem Chip zur Weiterleitung an die Detektionseinheit des Moduls auskoppeln. Die Ausgestaltung der Kopplungselemente des Chips ist frei nach den Anforderungen einer bestimmten Anwendung wählbar.
Die Kopplungseinheit, sowie die Lichtquelle(n) und / oder die Positionierungseinheit, welche vorzugsweise die Aufnahmeeinrichtung für den Chip bewegen kann, werden über eine Kontrolleinheit elektronisch angesteuert. Vorzugsweise führt die Steuereinheit eine automatische Steuerung derart aus, dass die in dem oder den Wellenleiter(n) vorliegenden Lichtintensitäten einem gewünschten Wert entsprechen. Der optische Chip ist vorzugsweise ein austauschbares Element (disposable), auf welchem sich die Probe in direktem Kontakt mit den auf dem Chip befindlichen DünnschichtWellenleitern befindet.
Ein erfindungsgemäßes Modul ist beispielsweise für die Verwendung mit einem optischen Abbildungssystem gedacht, welches es ermöglicht das Probenvolumen räumlich aufgelöst zu detektieren. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Invers- oder ein Aufrecht-Mikroskop handeln.
Die Erfindung ermöglicht die definierte Anregung eines bestimmten Teils des Probenvolumens über verschiedene Wellenleiter, mit verschiedenen Anregungswellenlängen und mit unterschiedlichen Eindringtiefen. Das Modul ist außerdem in der Lage, die Intensität der im Wellenleiter geführten Mode zu überwachen und die Einkopplung des Lichts in den Wellenleiter automatisiert zu optimieren.
Mit einem erfindungsgemäßen Modul wird weiterhin der Strahlengang zwischen räumlich aufgelöster Detektion des Probenvolumens und der optischen Anregung vollständig von einander entkoppelt. Gleichzeitig gewährleistet das Modul eine wohldefinierte Anregung des Probenvolumens nahe des optischen Chips (wenige 100 nm) über einen sehr großen lateralen Bereich bis zu einigen mm².
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit weiterhin dazu ausgelegt, auf der Grundlage des Signals betreffend das von der Detektionseinheit erfassten Licht, insbesondere betreffend dessen Intensität, eine fokussierende Optik und / oder eine Umlenkoptik vorzugsweise derart anzusteuern, dass das Einkoppeln von Licht in den mindestens einen Dünnschichtwellenleiter des optischen Chips optimiert wird. Beispielsweise kann die fokussierende Optik und / oder die Umlenkoptik, beispielsweise ein Spiegel, derart verschoben, geneigt und / oder gedreht werden, dass der Lichtstrahl bzw. die Lichtstrahlen optimal in den oder die gewünschten Wellenleiter eingeleitet wird bzw. werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann eine Mehrzahl an Lichtquellen vorgesehen sein, deren Licht über eine gemeinsame Kopplungseinheit in einen gemeinsamen Pfad überführt wird und über eine gemeinsame fokussierende Optik und vorzugsweise eine gemeinsame Umlenkoptik zu dem optischen Chip geleitet wird. Die Lichtquellen können beispielsweise als LEDs oder Laser ausgestaltet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Mehrzahl an Lichtquellen vorgesehen sein, deren Licht jeweils über eine eigene Kopplungseinheit in einen eigenen Pfad überführt wird und jeweils über eine eigene fokussierende Optik und vorzugsweise eine gemeinsame Umlenkoptik zu dem optischen Chip geleitet wird. Mit dieser Ausgestaltung kann Licht gleichzeitig in mehrere Dünnschichtwellenleiter des Chips eingeleitet werden. Der Chip kann grundsätzlich eine beliebige Anzahl an Dünnschichtwellenleitern aufweisen, vorzugsweise, umfasst er bis zu 24 Dünnschichtwellenleiter.
Ebenso wäre es denkbar, dass jeweils einer Untergruppe, wie z.B. 2 von insgesamt 6 Lichtquellen, eine eigene Kopplungseinheit zugeordnet ist.
Es hat sich in der Praxis als vorteilhaft herausgestellt, wenn die jeweilige eigene Mode oder die gemeinsame Mode in einer optischen Faser, insbesondere als polarisations-erhaltende und / oder Single-Mode-Faser geführt ist. In anderen Worten kann der Pfad als optische Faser ausgestaltet sein. Das Licht von den Lichtquellen oder der Lichtquelle wird hierbei vorzugsweise über einen optischen Koppler in die optische Faser überführt.
Um eine automatische Optimierung der Systemeinstellung durch die Steuereinheit zu ermöglichen, greift die Steuereinheit auf das Signal betreffend das von der Detektionseinheit erfasste Licht, insbesondere betreffend dessen Intensität, nach Art einer Regelschleife bzw. eines Feedback-Systems zurück.
Die Detektionseinheit weist hierfür vorzugsweise einen oder mehrere Sensoren, vorzugsweise Photodioden, auf, mittels welcher eine Lichtintensität in einem oder mehreren Dünnschichtwellenleiter(n) des optischen Chips erfassbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Detektionseinheit die gleiche Anzahl an Photodioden auf, wie Lichtquellen vorgesehen sind. Sodass eine 1:1-Zuordnung zwischen einer Lichtquelle, einem Dünnschichtwellenleiter, in welchen das Licht von der Lichtquelle eingeleitet wird, und einem Sensor, welcher die Lichtintensität in dem Dünnschichtwellenleiter überwacht, erreicht wird.
Weiterhin kann ein erfindungsgemäßes Modul mit einer Erfassungseinheit ausgestattet sein, welche dazu ausgelegt ist, vorzugsweise mittels magnetischer Signale die Anwesenheit eines optischen Chips bzw. des Chiphalters in der Aufnahmeeinrichtung und / oder der Aufnahmeeinrichtung zu erfassen, wobei die Aufnahmeeinrichtung vorzugsweise beweglich ausgebildet ist. Vorzugsweise wird das Erfassungsergebnis der Erfassungseinheit automatisch an die Steuereinheit übermittelt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein erfindungsgemäßes Modul mit einem optischen Chip, welcher vorzugsweise in der Aufnahmeeinrichtung aufgenommen ist und mindestens einen Dünnschichtwellenleiter und vorzugsweise ein Dünnschichtheizelement und / oder in mindestens einem aktiven Bereich eine Streustruktur zur Erzeugung eines Referenzlichtstrahls aufweist.
Zudem umfasst die Erfindung eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Moduls zur Nachrüstung eines bestehenden optischen Systems, insbesondere eines Mikroskops, insbesondere eines Mikroskops zur Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie.
Auch ein Mikroskop mit einem erfindungsgemäßen Modul ist von der vorliegenden Erfindung umfasst.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein System mit einem erfindungsgemäßen Modul und einem optischen Chip, wobei der optische Chip vorzugsweise in der Aufnahmeeinrichtung angeordnet ist und mindestens ein Einkopplungselement sowie mindestens ein Auskopplungselement aufweist, die Detektionseinheit die Intensität von dem mindestens einen Auskopplungselement des optischen Chips stammendem Licht erfasst, und die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die Positioniereinheit derart anzusteuern, dass die Kopplungseinheit oder zumindest Teile dieser relativ zu dem optischen Chip derart positioniert werden, dass Licht auf eine gewünschte Weise in das mindestens eine Einkopplungselement des optischen Chips eingeleitet wird, und / oder die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die mindestens eine Lichtquelle derart anzusteuern, dass eine gewünschte Intensität mittels der Detektionseinheit erfasst wird.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein optisches System, vorzugsweise ein Mikroskop, mit einem erfindungsgemäßen Modul und / oder einem erfindungsgemäßen System.
An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ die jeweiligen Bezugsworte nicht auf den Singular beschränkt, sondern im Sinne „mindestens ein“ bzw. „mindestens eine“ auszulegen ist und die vorliegende Offenbarung somit auch die Bezugsworte im Plural umfasst.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass sämtliche hierin offenbarte Merkmale, Vorteile und Effekte der vorliegenden Erfindung beliebig miteinander kombiniert oder auch isoliert betrachtet werden können. Die vorliegende Offenbarung ist somit nicht auf die explizit genannten Ausgestaltungen beschränkt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Effekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bestimmter Ausgestaltungen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche oder ähnliche Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Hierbei zeigt:

1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Moduls gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Moduls gemäß einer ersten Ausführungsform;
3 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Moduls, welches mit einem optischen System zum Einsatz kommt;
4 einen optischen Chip mit einem aktiven Bereich, welcher mit einem erfindungsgemäßen optischen Modul einsetzbar ist;
5 einen optischen Chip mit mehreren aktiven Bereichen, welcher mit einem erfindungsgemäßen optischen Modul einsetzbar ist;
6 eine weitre schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Moduls, und
7 eine spezifische Ausgestaltung eines optischen Chips.

Die nachstehend beschriebenen Module ermöglichen die Entkopplung des Anregungsstrahlengangs vom Detektionsstrahlengang. Dies wird durch die optische Anregung des Probenvolumens über das evaneszente Feld eines optischen Chips ermöglicht, welcher einen oder mehrere Wellenleiter beinhalten kann und in direktem Kontakt mit dem Probenvolumen steht.
Die örtlich aufgelöste Detektion des angeregten Probenvolumens kann somit mit jeder zur Verfügung stehenden Optik abgebildet werden und unabhängig vom Anregungsschema gewählt werden. Explizit ermöglicht dies den Einsatz von Objektiven mit geringerer optischer Vergrößerung (z.B. 20x, 40x, 60x) bei gleichbleibender Anregung und den optionalen Verzicht auf Immersionsmedium. Auf diese Weise kann objektivunabhängig eine selektive, oberflächennahe Anregung des Probenvolumens mit einer axialen Ausbreitung unterhalb der optischen Wellenlänge gewährleistet werden.
Der semi-monolithische Ansatz, die optische Anregung auf einen Chip zu integrieren, ermöglicht ein höchst-kompaktes und benutzerfreundliches Design, sodass das Anregungssystem einfach in bestehende, wissenschaftliche als auch in hochkompakte Mikroskope integriert werden kann.
Die Eindringtiefe in die Probe wird vorzugsweise hauptsächlich durch das Wellenleiterdesign bestimmt und ist daher nutzerunabhängig. Dies gewährleistet in Kombination mit einer aktiven Überwachung und / oder Anpassung der im Wellenleiter befindlichen Lichtleistung reproduzierbare Messbedingungen im Probenvolumen.
Durch die Anregung über einen optischen Wellenleiter wird die Homogenität der Sichtfeldausleuchtung durch die Wellenleitermode und nicht durch das Sichtfeld des Mikroskopobjektiv bestimmt. Auf diese Weise kann eine Feldhomogenität geschaffen werden, welche mehrere Größenordnungen besser als bei Objektiv-basierten Ansätzen ist.
Ein erfindungsgemäßes Modul ist vorzugsweise darauf ausgelegt, Licht unterschiedlicher Wellenlängen, z.B. der Wellenlängen 405 (+/- 20), 488 (+/- 20), 520 (+/- 20) und / oder 640 (+/- 20) nm, in einen oder mehrere Wellenleiter einzukoppeln. Ein erfindungsgemäßes Modul ermöglicht durch eine entsprechende Ausgestaltung der Steuereinheit neben einer Intensitätsmodulierung auch einen zeitlichen gepulsten Betrieb und / oder eine Synchronisation mit einem Detektor, wie z.B. einer Kamera.
Ein vorzugsweise automatisierter Einkopplungsmechanismus ermöglicht Licht in unterschiedliche Wellenleiter auf dem Chip zu koppeln und gewährleistet eine optimale Kopplungseffizienz und minimierten Streulichthintergrund. Ein optisches Feedbacksignal, welches durch definierte Auskoppler im optischen Chip generiert wird, wird für die Intensitätsüberwachung der in den Wellenleiter geführten Moden genutzt und ermöglicht eine Intensitätsstabilisierung. Das Design eines erfindungsgemäßen Moduls ermöglicht die Verwendung unterschiedlicher, dem Anwendungsfall angepassten, optischen Chips mit unterschiedlichen Wellenleitergeometrien.
Wie in 1 schematisch dargestellt, weist ein erfindungsgemäßes Modul eine Steuereinheit 1, auf, welche mit vier Lichtquellen L1 -L4, welche als LEDs und / oder Laser ausgestaltet sind, verbunden ist. Das von den Lichtquellen L1-L4 generierte Licht wird durch einen optischen Koppler 2 in eine optische Faser 3 überführt, welche eine polarisations-erhaltende Single-Mode-Faser ist. Das Licht wird über eine fokussierende Optik 4 auf einen Spiegel 5 gelenkt, welcher den Lichtstrahl auf den Chip 6 lenkt, welcher in einer Aufnahmevorrichtung 7 angeordnet ist.
Sowohl die fokussierende Optik 4 auf als auch der Spiegel 5 ist mit einer eigenen Positioniereinheit 8 ausgestattet, welche jeweils mit der Steuereinheit 1 verbunden ist und die fokussierende Optik 4 und den Spiegel 5 beliebig positionieren bzw. ausrichten kann. Auch die Aufnahmevorrichtung 7 (auch als Chip-Träger bezeichnet) verfügt über eine in 1 nicht gezeigte Positioniereinheit, mittels welcher der Chip 6 positionierbar ist.
Das auf den Chip 6 fallende Licht wird über diffraktive Elemente in auf dem Chip 6 befindliche Dünnschichtwellenleiter eingekoppelt. Von einer Wechselwirkung mit der auf dem Chip befindlichen Probe oder darin enthaltener Partikel herrührende Signale werden mittels eines in 1 nicht gezeigten Detektors erfasst.
Besonders bei effizienter Kopplung zu der jeweiligen Wellenleitermode wird auf dem Chip 6 ein optisches Referenzsignal erzeugt, welches über eine Detektionseinheit 9 mit mindestens einem Sensor, beispielsweise einer Photodiode, ausgekoppelt und erfasst werden kann. Das Erfassungsergebnis des Sensors wird an die Steuereinheit 1 übertragen und kann so als Feedbacksignal verwendet werden, um beispielsweise über die Positionierung der fokussierenden Optik 4 und / oder des Spiegels 5 und / oder der Aufnahmeeinrichtung 7 die Kopplung des Lichts in den jeweiligen Wellenleiter des Chips 6 zu optimieren. Diese Optimierung erfolgt vorzugsweise vollautomatisch und kann beispielsweise zur Stabilisierung der in den Wellenleitern vorliegenden Lichtintensitäten zum Einsatz kommen.
Die in 2 gezeigte Ausgestaltung unterscheidet sich von der Ausgestaltung in 1 dahingehend, dass mehrere optische Koppler 2 und mehrere fokussierende Optiken 4 eingesetzt werden, um gleichzeitig Licht in mehrere Dünnschichtwellenleiter des Chips 6 einzuleiten. Ebenso sind mehrere Detektionseinheiten 9 bzw. mehrere Sensoren, beispielsweise Photodioden, vorgesehen, die jeweils die Lichtintensität in einem der Dünnschichtwellenleiter des Chips 6 erfassen.
Wie in 3 gezeigt, wird das Licht L von der fokussierenden Optik zu einem Spiegel 5 geleitet, welcher das Licht auf den Chip 6, insbesondere auf dessen diffraktiven Bereich 10, lenkt. Durch eine Translation der fokussierenden Optik und / oder des Spiegels 5 oder durch eine Translation des Chips 6 in der ebene kann der Lichtstrahl korrekt auf den diffraktiven Bereich 10 gelenkt werden.
Zusätzlich kann über eine Rotation des Spiegels 5 der korrekte Einfallswinkel des Lichts eingestellt werden. Der aktive Bereich 11 des Chips, in welchem eine Probe mit einem evaneszenten Feld wechselwirken kann, ist gepunktet dargestellt. Zudem ist das Probenvolumen 12 gezeigt.
Das Probenvolumen kann von oben und / oder unten mittels einer abbildenden Optik 13 erfasst werden, wobei die Erfassung bei der gleichen Wellenlänge wie die Anregung und / oder bei einer anderen Wellenlänge spektral getrennt (z.B. bei einer Fluoreszenz) räumlich aufgelöst erfolgen.
Mittels der Detektoren 14 und 15 wird zudem aus einem oder mehreren Dünnschichtwellenleitern des Chips 6 ausgekoppeltes Licht erfasst.
4 zeigt einen Chip 6, welcher mit einem erfindungsgemäßen Modul verwendet werden kann und einen aktiven Bereich sowie zwei diffraktive Bereiche 10 aufweist.
5 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der Ein- und Auskoppelbereiche eines Chips 6, wie er mit einem erfindungsgemäßen Modul 6 einsetzbar ist. Der in 5 gezeigte Chip wiest beispielsweise mehrere diffraktive Bereich 10 auf, welche jeweils zum Einkoppeln von Licht in einen bestimmten Dünnschichtwellenleiter des Chips 6 ausgelegt sind. Die diffraktiven Bereiche 10 sind in dieser Ausgestaltung mit einem gleichbleibenden Abstand zueinander nebeneinander entlang einer Kante des Chips 6 angeordnet. Alternative Anordnungen sind denkbar.
Trifft der Lichtstrahl L unter dem richtigen Winkel und in der richtigen Position auf einen diffraktiven Bereich 10, koppelt Licht in den entsprechenden Dünnschichtwellenleiter des Chips 6 ein und ein gewisser Teil der geführten Mode wird wieder über ein diffraktives Auskopplungselement 16 in Richtung eines Detektors 14, 15 gestreut und so von den Detektoren erfasst.
In der Darstellung in 6 ist die Steuereinheit 1 gezeigt, welche mit einer Kopplungseinheit in wechselseitiger optisch-elektronsicher Kommunikationsverbindung steht. In dieser Darstellung sind die Einheiten 2 und 9 zur Leitung von Licht aus den Lichtquellen in Richtung des Chips 6 und zur Erfassung des in dem Chip 6 geführten Lichts in einer gemeinsamen Einheit dargestellt. Der Chip 6 ist in einer Aufnahmeeinrichtung 7 aufgenommen. Die Aufnahmeeinrichtung 7 dient in dieser Ausführungsform vorzugsweise auch als Adapter für ein bestehendes optisches System oder Mikroskop, um dieses zu befähigen, mit einem optischen Chip 6 verwendet zu werden.
7 zeigt zudem eine spezifische Ausgestaltung eines Chips 6, welcher im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann. Der Chip kann eine Größe von 5 mm × 5 mm bis zu 30 mm × 30 mm aufweisen und einen aktiven Bereich 11 mit einer Größe zwischen 0.5 mm × 0.5 mm bis 15 mm × 15 mm aufweisen. Der Chip 6 weist mehrere diffraktive Bereiche auf. Insgesamt dienen vier diffraktive Bereiche als Einkopplungselemente 10 und vier diffraktive Bereiche dienen als Auskopplungselemente 16. Licht wird in die Einkopplungselemente 10 eingekoppelt, läuft durch Wellenleiter 17 zu dem aktiven Bereich 11 und wird durch die Auskopplungselemente 18 ausgekoppelt. Ein Teil des Lichts aus dem Wellenleiter wird in einen Referenzwellenleiter gekoppelt 19 und über ein Auskopplungselement 16 ausgekoppelt. Es besteht darüber die Möglichkeit Licht unterschiedlicher Wellenlängen über Wellenlängen spezifische Einkopplungsmodule 10 in einen Wellenleiter einzukoppeln, deren Mode in einen gemeinsamen Wellenleiter überführt wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann ein erfindungsgemäßes Modul vier Komponenten aufweisen, deren Funktionalität im Folgenden erläutert wird:

Eine Steuereinheit, welche 1 bis 9 Lichtquellen gleicher und/oder unterschiedlicher Wellenlänge ansteuert und eine Steuerelektronik für die Ansteuerung der Kopplungseinheit aufweist, mittels welcher Licht von den Lichtquellen in eine optische Faser geleitet wird. Die Detektionseinheit erfasst das die Intensität von in dem optischen Chip geführtem Licht. Vorzugsweise weist die Steuereinheit weiterhin eine Ausleselektronik zum Auslesen der im Wellenleiter befindlichen optischen Leistung, welche von der Detektionseinheit erfasst ist, und eine Auswerteelektronik auf, welche beispielsweise die ausgelesene Leistung oder Intensität mit einem Soll-Wert oder - Bereich vergleicht. Die Steuereinheit ist vorzugsweise über eine optische Faser mit der Kopplungseinheit verbunden. Diese optische Faser ist bevorzugt single-mode und Polarisation-erhaltend.

Einen optischen Chip, welcher beispielsweise ein Glas basierter Chip mit einer Größe zwischen 25 und 800 mm² ist, welcher 1 bis zu 24 optische Dünnschichtwellenleiter aufweist. Der Chip kann diffraktive Kopplungselemente zum Einkoppeln von Licht auch unterschiedlicher Wellenlänge in den jeweiligen Wellenleiter aufweisen und kann zudem mit diffraktiven Auskopplungselementen zur Überwachung und Detektion der optischen Leistung in dem jeweiligen Wellenleiter ausgestattet sein. Der aktive Probenbereich des Chips tritt vorzugsweise in direktem Kontakt mit dem Probenvolumen. Der optische Chip kann mehrere aktive Bereiche enthaltenes wird eine homogene Ausleuchtung über den jeweiligen Anregungsbereich des Wellenleiters erreicht.
Ein Kopplungsmodul, welches auch als Detektionseinheit bezeichnet werden kann oder diese aufweisen kann und vorzugsweise eine Lichtkopplungseinheit aufweist, die Photodioden enthält, um die Intensität des Referenzstrahls in dem Wellenleiter des Chips zu detektieren. Das Kopplungsmodul kann auch eine Kopplungseinheit umfassen und mit der Einkopplung von Licht in den Chip befasst sein und eine Umlenkoptik und / oder fokussierende Optik mit Motoren enthalten, um die Position des Lichtstrahls in der Ebene des Chips zu verstellen und mit hoher Genauigkeit (etwa 1 µm) genau zu positionieren.
Dies ermöglicht es auch, den Einkopplungswinkel, mit dem der Lichtstrahl auf das Substrat fällt, einzustellen. Die Steuereinheit ist vorzugsweise dazu ausgelegt, die Position des Lichtstrahls beispielsweise mittels der Positioniereinheit anzupassen, um eine optimale Kopplung zu gewährleisten. Eine Erfassungseinheit ermöglicht die Erfassung der Präsenz eines Chips und / oder einer Aufnahmeeinrichtung (Chip-Trägers) für den Chip, vorzugsweise über magnetische Signale.
Die Aufnahmeeinrichtung für den Chip bzw. der Chip-Träger ermöglicht vorzugsweise die relative Positionierung des optischen Chips zu dem Kopplungsmodul und die relative Positionierung des gekoppelten Chipsystems (Kopplungsmodul, Chip und Chip Träger) relativ zu einer abbildenden Optik (bspw. Objektiv).
Zudem verhindert der Chip -Träger, dass das Licht des Einkopplungsmoduls im Betrieb in die Umgebung gelenkt wird. Der Chip -Träger ermöglicht zudem den optischen Zugang zum aktiven Bereich des optischen Chips von dem unteren als auch dem oberen Halbraum mit Objektiven hoher numerischer Apertur und anderen Gerätschaften.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung können in anderen Worten wie folgt ausgedrückt werden:

Die Erfindung betrifft ein Modul zur optischen Anregung eines Probenvolumens mittels eines optischen Chips, welcher mehrere Wellenleiter beinhaltet, die mit dem Probenvolumen über ein evaneszentes Feld wechselwirken können.

Licht unterschiedlicher Wellenlänge wird beispielsweise über ein Kopplungsmodul, insbesondere eine Kopplungseinheit, in einen Wellenleiter, welcher sich auf einen optischen Chip befindet, eingekoppelt.
Das Kopplungsmodul ermöglicht beispielsweise durch eine Ansteuerung der relevanten Optikkomponenten durch die Steuereinheit die genaue Positionierung eines Lichtstrahls auf dem optischen Chip, um Licht in einen spezifischen Wellenleiter einzukoppeln und die Kopplungseffizenz zu optimieren. Dies beinhaltet einen Positioniermechanismus in der Substratebene.
Das Kopplungsmodul kann zudem über einen Sensor, z.B. eine Photodiode, das Licht in den Wellenleiter auf dem optischen Chip überwachen. Dieses Signal kann für die automatisierte Positionierung des Lichts oder Laserstrahls relativ zu dem Gitterkoppler auf dem optischen Chip als auch zur Intensitätsüberwachung und der Intensitätsstabilisierung des Lichts in dem jeweiligen Wellenleiter herangezogen werden.
Die Kopplungseinheit und die Detektionseinheit können in einem gemeinsamen Kopplungsmodul vorhanden sein.
Ein Steuerungsmodul ermöglicht vorzugsweise die automatisierte Positionierung des Lichtstrahls auf dem Wellenleiterchip.
Ein Adaptermodul (auch als Aufnahmeeinrichtung oder Chip-Träger bezeichnet) positioniert den Wellenleiterchip relativ zu den anderen Komponenten des Moduls, beispielsweise zu dem Kopplungsmodul und ermöglicht den Zugang mit einem Mikroskopobjektiv hoher numerischer Apertur von unten (Inverersmikroskop) als auch on von oben (Aufrechtmikroskop).
Das Steuerungsmodul beinhaltet vorzugsweise Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlängen, die gemeinsam in eine optische Faser eingekoppelt werden, welche nur eine optische Mode unterstützt (single mode) und optional Polarisation-erhaltend ist.
Erfindungsgemäß wird eine homogene Ausleuchtung des Probenvolumens über einen Bereich zwischen 100 µm² und einigen mm² erreicht sowie eine definierte Lichtmenge und Eindringtiefe des evaneszenten Feldes in das Probenvolumen. Die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes liegt vorzugsweise zwischen 5 nm und 1 µm in das Probenvolumen.
Die Wellenleiterbreite liegt vorzugsweise zwischen 10 µm und 5 mm und die Chipgröße zwischen 5 mm² und 900 mm². Die Intensitäten der in Wellenleitern des Chips geführten Moden liegen im Bereich von einigen Nanowatt bis hin zu wenigen Milliwatt.
Mit der vorliegenden Erfindung lässt sich ein hohes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis erreichen, insbesondere aufgrund des geringen Hintergrundsignals (keine Streueffekte im Objektiv, in der Probe etc.).
Die Erfindung kann daher die Genauigkeit wissenschaftlicher Studien, in denen bisher TIRF Mikroskopie verwendet wurde, verbessern. Sie kann alle herkömmlichen TIRF Mikroskope ersetzen und stellt ein System dar, dass nicht kalibriert werden muss. Sie eröffnet neue Möglichkeiten, TIRF Mikroskopie in einem 100fach vergrößerten Beobachtungsbereich durchführen zu können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2016/0363728 A1 [0007]
EP 2425286 B1 [0007]

Claims

Modul zur optischen Anregung eines Probenvolumens mittels eines optischen Chips, mit - einer Steuereinheit, - einer Aufnahmeeinrichtung für einen optischen Chip, - mindestens einer Kopplungseinheit zum Einleiten von Licht in den optischen Chip, - einer Positionierungseinheit, welche dazu ausgelegt ist, die Kopplungseinheit oder zumindest Teile dieser relativ zu dem optischen Chip zu positionieren, und - mindestens einer Detektionseinheit zum Erfassen von Licht aus mindestens einem Dünnschichtwellenleiter des optischen Chips, - wobei ein Signal betreffend das von der Detektionseinheit erfasste Licht, insbesondere betreffend dessen Intensität, an die Steuereinheit übertragen wird, welche dazu ausgelegt ist, auf der Grundlage des Signals die mindestens eine Lichtquelle und / oder die Positionierungseinheit anzusteuern,und - eine Mehrzahl an Lichtquellen vorgesehen ist, deren Licht in eine gemeinsame Mode überführt wird und über eine gemeinsame Optik zu dem optischen Chip geleitet wird.
Modul gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul mindestens eine Lichtquelle und / oder eine Aufnahme für eine Lichtquelle aufweist.
Modul gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit weiterhin dazu ausgelegt ist, auf der Grundlage des Signals eine Optik und / oder eine Umlenkoptik vorzugsweise derart anzusteuern, dass das Einkoppeln von Licht in den mindestens einen Dünnschichtwellenleiter des optischen Chips optimiert wird.
Modul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Mode in einer optischen Faser, insbesondere einer polarisations-erhaltenden und / oder Single-Mode-Faser, geführt ist.
Modul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit eine oder mehrere Photodioden aufweist, mittels welcher eine Lichtintensität in einem oder mehreren Dünnschichtwellenleiter(n) des optischen Chips erfassbar ist.
Modul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit weiterhin einer Erfassungseinheit, welche dazu ausgelegt ist, vorzugsweise mittels magnetischer Signale die Anwesenheit eines optischen Chips und/oder einer Aufnahmeeinheit für einen optischen Chip zu erfassen, wobei die Aufnahmeeinrichtung vorzugsweise beweglich ausgebildet ist.
Modul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem optischen Chip, welcher mindestens einen Dünnschichtwellenleiter und vorzugsweise ein Dünnschichtheizelement und / oder in mindestens einem aktiven Bereich eine Streustruktur zur Erzeugung eines Referenzlichtstrahls aufweist.
Verwendung eines Moduls gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Nachrüstung eines bestehenden optischen Systems, insbesondere eines Mikroskops, insbesondere eines Mikroskops zur Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie.
System mit einem Modul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 und einem optischen Chip, wobei der optische Chip vorzugsweise in der Aufnahmeeinrichtung angeordnet ist und mindestens ein Einkopplungselement sowie mindestens ein Auskopplungselement aufweist, die Detektionseinheit die Intensität von von dem mindestens einen Auskopplungselement des optischen Chips stammendem Licht erfasst, und die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die Positioniereinheit derart anzusteuern, dass die Kopplungseinheit oder zumindest Teile dieser relativ zu dem optischen Chip derart positioniert werden, dass Licht auf eine gewünschte Weise in das mindestens eine Einkopplungselement des optischen Chips eingeleitet wird, und / oder die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die mindestens eine Lichtquelle derart anzusteuern, dass eine gewünschte Intensität mittels der Detektionseinheit erfasst wird.
Optisches System, vorzugsweise Mikroskop, mit einem Modul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 oder einem System gemäß Anspruch 9.