DE19836183A1 - Device for tracking movement of microscopic and sub-microscopic objects in microscopic volumes - Google Patents

Device for tracking movement of microscopic and sub-microscopic objects in microscopic volumes

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Abstract

The device uses two coherent beams which are crossed to form moving interference patterns. The frequencies of the beam in each pair are different, so that the scattered light intensity of a fixed object varies with the difference frequency of the beams, and each positional variation of the object perpendicular to the interference pattern can be detected as a phase change in the scattered light. A method for using the device is also claimed.

Description

Stand der Technik mit FundstellenState of the art with sites

In der Kolloidchemie, Partikeltechnologie und Biologie besitzen Lichtstreutechniken eine weite Verbreitung und werden routinemäßig zur Charakterisierung von Größe, Größenverteilung und Oberflächenladung an Suspensionen oder Emulsionen von Pulvern, Pigmenten, Kolloiden, Polymeren, Vesikeln, Mizellen und Molekülen eingesetzt (Berne, B.J., R. Pecora. 1976. Dynamic Light Scattering. Wiley, New York; Ostrowsky, N. 1993. Liposome size measurements by photon correlation spectroscopy. Chem. Phys. Lipids. 64: 45-56). Neben diesen Anwendungen werden Lichtstreumethoden in der Biologie ebenfalls angewandt, um aktive Bewegungen von Bakterien (Holz, M., S.-H. Chen. 1978. Tracking Bacterial Movements Using a One-Dimensional Fringe System. Optics Letters. 2: 109-111), Spermien (Gottlieb, C., M. Bygdeman, P. Thyberg, B. Hellman, R. Rigler. 1991. Dynamic laser light scattering compared with video micrography for analysis of sperm velocity and sperm head rotation. Andrologia. 23: 1-5) Epithelien, einzelnen Flagellen, Proteinbewegungen oder die Dynamik von Membransystemen (Tishler; R.B., F.D. Carlson. 1993. A study of the dynamic properties of the human red blood cell membrane using Quasi-elastic light-scattering spectroscopy Biophys. J. 65: 2586-2600) zu charakterisieren. Zur Messung inherenter elektrischer Eigenschaften kolloider und biologischer Partikeln und Zellen wurden spezielle Lichtstreumethoden entwickelt, die wechselfeldinduzierte Bewegungen auswerten (Prüger, B., P. Eppmann, E. Donath, J. Gimsa. 1997. Measurement of inherent particle properties by dynamic light scattering - introducing electrorotational light scattering. Biophys. J. 72: 1414-1424; Prüger, B., P. Eppmann, J. Gimsa. 1998. Particle charactehzation by AC-electrokinetic phenomena: 3. New developments in electrorotational light scattering (ERLS). Colloids and Surfaces A. 136: 199-207, Gimsa, F. Eppmann, B. Prüger. 1997. Introducing phase analysis light scattering for dielectric charactenzation. Measurement of traveling wave pumping. Biophys. 73: 3309-3316).In colloid chemistry, particle technology and biology, light scattering techniques have one widespread and are routinely used to characterize size, Size distribution and surface charge on suspensions or emulsions from Powders, pigments, colloids, polymers, vesicles, micelles and molecules are used (Berne, B.J., R. Pecora. 1976. Dynamic Light Scattering. Wiley, New York; Ostrowsky, N. 1993. Liposome size measurements by photon correlation spectroscopy. Chem. Phys. Lipids. 64: 45-56). In addition to these applications, light scattering methods are used in biology also applied to active movements of bacteria (Holz, M., S.-H. Chen. 1978. Tracking Bacterial Movements Using a One-Dimensional Fringe System. Optics Letters. 2: 109-111), sperm (Gottlieb, C., M. Bygdeman, P. Thyberg, B. Hellman, R. Rigler. 1991. Dynamic laser light scattering compared with video micrography for analysis of sperm velocity and sperm head rotation. Andrologia. 23: 1-5) epithelia, single flagella, protein movements or the dynamics of Membrane systems (Tishler; R.B., F.D. Carlson. 1993. A study of the dynamic properties of the human red blood cell membrane using quasi-elastic light-scattering spectroscopy biophys. J. 65: 2586-2600). For measuring inherent electrical properties of colloidal and biological particles and cells developed special light scattering methods, the alternating field-induced movements evaluate (Prüger, B., P. Eppmann, E. Donath, J. Gimsa. 1997. Measurement of inherent particle properties by dynamic light scattering - introducing electrorotational light scattering. Biophys. J. 72: 1414-1424; Prüger, B., P. Eppmann, J. Gimsa. 1998. Particle characterization by AC-electrokinetic phenomena: 3. New developments in electrorotational light scattering (ERLS). Colloids and Surfaces A. 136: 199-207, Gimsa, F. Eppmann, B. Prüger. 1997. Introducing phase analysis light scattering for dielectric character. Measurement of traveling wave pumping. Biophys. 73: 3309-3316).

Die herkömmliche Dynamische Lichtstreuung (DLS), oder auch "Quasielastische Lichtstreuung" ist eine Einstrahlmethode mit homodyner oder heterodyner Detektion. Sie erlaubt die Erfassung der Dynamik in Partikelensembles über viele Zeitdekaden bis in den ns-Bereich. Bei dieser Technik wird das Streulicht der makroskopischen Probe, die aus einer großen Anzahl einzelner Streuer besteht, in einer größerer Entfernung zum Probenvolumen und unter einem definierten Winkel zum einfallenden Strahl detektiert. Das Detektorsignal wird durch die Interferenz der Streulichtsignale aller Streuer gebildet, deren thermisch oder aktiv induzierte Bewegungen zur Überlagerung der relativen Phasen des Streufeldes am Detektionsort führt. Dadurch entstehen zeitliche Intensitätsfluktuationen, die i.a. über die Autokorrelationsfunktion der Intensität ausgewertet werden. So lassen sich z. B. über die Stokes-Einstein-Beziehung Partikelradien bestimmen. Für die DLS sind auch Aufbauten mit optischen Lichtleitfasern bekannt (Dhadiwal, H. S. 1993. Integrated Fiber Optic Probe for Dynamic Light Scattenng. Applied Optics. 32: 3901-3904).The conventional dynamic light scattering (DLS), or "quasielastic Light scattering "is a single-beam method with homodyne or heterodyne detection. It allows the dynamics in particle ensembles to be recorded over many decades in the ns area. With this technique, the scattered light from the macroscopic sample, which consists of a large number of individual spreaders, at a greater distance to the sample volume and at a defined angle to the incident beam detected. The detector signal is caused by the interference of the scattered light signals of all Spreaders formed, their thermally or actively induced movements for superimposition of the relative phases of the stray field at the detection site. This creates temporal intensity fluctuations, which generally about the autocorrelation function of intensity be evaluated. So z. B. about the Stokes-Einstein relationship Determine particle radii. Superstructures with optical are also for the DLS Optical fibers are known (Dhadiwal, H. S. 1993. Integrated Fiber Optic Probe for Dynamic Light scanning. Applied optics. 32: 3901-3904).

Die Laser-Doppler-Anemometrie ist eine heterodyne Zweistrahlmethode, bei der zwei kohärente Laserstrahlen in ihrem Kreuzungsgebiet ein Interferenzmuster bilden, das aus elliptischen, ebenen Flachen hoher bzw. niedrig er Lichtintensität besteht (Berne, B.J., R. Pecora. 1976. Dynamic Light Scattering. Wiley, New York). Partikeln, die sich durch das Interferenzgebiet bewegen, erzeugen ein sinusförmiges Streulichtsignal mit Gauß-förmiger Hüllkurve (Dopplerburst). Da der Abstand der Interferenzebenen bekannt ist, läßt sich die Partikelgeschwindigkeit aus der Frequenz des Sinussignals berechnen. Physikalisch gleichwertig ist die Beschreibung über den Dopplereffekt: Partikeln, die das Kreuzungsgebiet durchqueren, kreuzen beide Strahlen in verschiedenen Winkeln. Deshalb erzeugen sie mit jedem Strahl ein Streulichtsignal gering unterschiedlicher Frequenz. Die Mischung der gleichzeitig erzeugten Dopplerstreulichtsignale erfolgt durch die Partikeln nach dem Heterodynprinzip direkt im Überkreuzungsgebiet. Dadurch ergibt sich die weit geringere Differenzfrequenz, die mit der Frequenz des Dopplerbursts identisch ist. Im Gegensatz zur DLS-Ein­ strahlmethode, bei der die Fluktuationsfrequenz des Streulichtes am Detektorort vom Detektionswinkel abhängt, ist die Zweistrahlmethode im Prinzip unabhängig vom Detektionswinkel. Mit der Zweistrahlmethode sind mehrere Raumrichtungs­ komponenten der Bewegung im Meßvolumen gleichzeitig erfaßbar; zwei Komponenten, wenn die Detektoren hinter Polarisationsfiltern angeordnet sind und jeweils ein horizontal und ein vertikal polarisiertes Strahlenpaar verwendet wird; drei Komponenten, wenn die Detektion hinter Farbfiltern erfolgt und drei farbige Strahlenpaare verwendet werden. Die Bewegungsrichtung der Partikeln im Interferenzgebiet wird bestimmt, indem ein wanderndes Interferenzmuster dadurch erzeugt wird, daß ein Strahl in seiner Frequenz verändert wird. Bewegt sich das Interferenzmuster in oder entgegen der Richtung der Partikelbewegung, so verringert oder erhöht sich die Dopplerfrequenz entsprechend. Diese Methode wird in der Technik z. B. für Strömungsmessungen eingesetzt.Laser Doppler anemometry is a heterodyne two-beam method in which two coherent laser beams form an interference pattern in their intersection area that consists of elliptical, flat surfaces of high or low light intensity (Berne, B.J., R. Pecora. 1976. Dynamic Light Scattering. Wiley, New York). Particles that are  moving through the interference area generate a sinusoidal scattered light signal with Gaussian envelope (Doppler burst). Because the distance of the interference planes is known, the particle speed from the frequency of the sinusoidal signal to calculate. The description of the Doppler effect is physically equivalent: Particles that cross the intersection cross both rays in different angles. That is why they generate a scattered light signal with each beam slightly different frequency. The mixture of the simultaneously generated Doppler scattered light signals are generated directly by the particles according to the heterodyne principle in the crossover area. This results in the much lower differential frequency, the is identical to the frequency of the Doppler burst. In contrast to the DLS-Ein Beam method in which the fluctuation frequency of the scattered light at the detector location depends on the detection angle, the two-beam method is in principle independent of Detection angle. With the two-beam method there are several spatial directions components of the movement in the measurement volume can be detected simultaneously; two components, if the detectors are arranged behind polarization filters and one each horizontally and a vertically polarized pair of rays is used; three Components if the detection takes place behind color filters and three colored ones Beam pairs can be used. The direction of movement of the particles in the Interference area is determined by a wandering interference pattern is generated that a beam is changed in frequency. Does that move Interference pattern in or against the direction of particle movement, so reduced or the Doppler frequency increases accordingly. This method is used in engineering e.g. B. used for flow measurements.

Zweistrahlmethoden sind auch zur Erfassung linearer Bewegungen in mikroskopischen Volumina geeignet. Allerdings müßte für ein ortsfestes Interferenzmuster die Partikelbewegung sehr schnell sein, damit die Partikeln bei der Wanderung durch das gesamte Interferenzgebiet sicher detektierbare Dopplerbursts erzeugen. Im wandernden Interferenzmuster wiederum wäre bei einer hohen Frequenzdifferenz des Strahlenpaares (in technischen Anwendungen im Bereich 40-120 MHz) und sehr langsamer Partikelbewegung, z. B. Brown'scher Bewegung, keine detektierbare Frequenzverschiebung zu erwarten. Deshalb werden in der Technik Wanderungsgeschwindigkeiten des Interferenzmusters im Bereich der Partikelgeschwindigkeiten eingesetzt, die z. B. durch Schwingspiegel erzeugt werden können.Two-beam methods are also used to detect linear movements in microscopic Suitable volumes. However, for a fixed interference pattern, the Particle movement must be very fast so that the particles move through the generate entire detectable Doppler bursts. in the wandering interference pattern would in turn be at a high frequency difference Radiation pair (in technical applications in the range 40-120 MHz) and very slow particle movement, e.g. B. Brownian motion, no detectable Frequency shift expected. That is why in technology Migration rates of the interference pattern in the range of Particle speeds used, the z. B. generated by oscillating mirror can.

Zur Erfassung kleinster Partikelgeschwindigkeiten wurde, ursprünglich für Elektrophoresemessungen in apolaren Medien, eine wesentlich elegantere Methode, die phasenanalytische Lichtstreuung (Phase Analysis Light Scattering; PALS) entwickelt (Schatzei, K., J. Merz. 1984. Measurement of small electrophoretic mobilities by light scattering and analysis of the amplitude weighted phase structure function. J. Chem. Phys. 81: 2482-2488, Schätzel, K. 1987. Correlation Techniques in Dynamic Light Scattering. Appl. Phys. B. 42: 193-213, Miller, J.F., K. Schätzel, B. Vincent. 1991. The Determination of Very Small Electrophoretic Mobilities in Polar and Nonpolar Colloidal Dispersions Using Phase Analysis Light Scattering. J. Colloid Interface Sci. 143: 532-554). Herzstuck der Methode sind optoakustische Modulatoren, die zwei Laserstrahlen mit einer sehr kleinen im Rahmen der Meßzeit phasenstarren Frequenzdifferenz erzeugen (vgl. auch Fig. 1). Für optoakustische Modulatoren läßt sich z. B. der Debye-Sears-Effekt nutzen, um eine Frequenzverschiebung des Strahls 1. Ordnung, die der elektronischen Ansteuerfrequenz entspricht, zu erzeugen. Da optoakustische Modulatoren üblicherweise mit Frequenzen um 30 bis 150 MHz betrieben werden, müssen zur Erzeugung einer kleineren Differenzfrequenz beide Strahlen durch optoakustische Modulatoren frequenzverschoben werden. Die Frequenzdifferenz der Ansteuersignale entspricht dann der Frequenzdifferenz der austretenden Strahlen 1. Ordnung. Im Meßvolumen werden diese Strahlen gekreuzt und es entsteht ein wanderndes Interferenzmuster. Die Streulichtintensität eines Partikels, das sich ortsfest im Meßvolumen befindet, würde exakt mit der optischen Frequenzdifferenz moduliert werden. Jede Translation entlang einer Achse senkrecht zu den Ebenen des Interferenzmusters führt zu einer Änderung der Phasenbeziehung zwischen dem detektierten Licht und dem elektronischen Referenzsignal Δf, die mit einem Lock-In-Voltmeter äußerst empfindlich ausgewertet werden kann (vgl. auch Fig. 1).Phase analysis light scattering (PALS), a much more elegant method was originally developed for electrophoresis measurements in apolar media to record the smallest particle velocities (Schatzei, K., J. Merz. 1984. Measurement of small electrophoretic mobilities by light scattering and analysis of the amplitude weighted phase structure function. J. Chem. Phys. 81: 2482-2488, Schätzel, K. 1987. Correlation Techniques in Dynamic Light Scattering. Appl. Phys. B. 42: 193-213, Miller, JF , K. Schätzel, B. Vincent, 1991. The Determination of Very Small Electrophoretic Mobilities in Polar and Nonpolar Colloidal Dispersions Using Phase Analysis Light Scattering. J. Colloid Interface Sci. 143: 532-554). At the heart of the method are optoacoustic modulators that generate two laser beams with a very small frequency difference that is phase-locked within the measuring time (cf. also FIG. 1). For optoacoustic modulators such. B. use the Debye-Sears effect to frequency shift the beam 1 . Generate order that corresponds to the electronic control frequency. Since optoacoustic modulators are usually operated at frequencies around 30 to 150 MHz, both beams have to be frequency shifted by optoacoustic modulators in order to generate a smaller difference frequency. The frequency difference of the control signals then corresponds to the frequency difference of the emerging beams 1 . Order. These beams are crossed in the measuring volume and a wandering interference pattern is created. The scattered light intensity of a particle that is stationary in the measurement volume would be modulated exactly with the optical frequency difference. Each translation along an axis perpendicular to the planes of the interference pattern leads to a change in the phase relationship between the detected light and the electronic reference signal Δf, which can be evaluated extremely sensitively with a lock-in voltmeter (cf. also FIG. 1).

Bei der existierenden PALS-Methode wird das Streulicht durch das Ensemble der Partikeln im makroskopischen Meßvolumen erzeugt und die Lichtintensitäten an den Orten, an denen sich die einzelnen Partikeln befinden, besitzen ein unterschiedliches Phasenverhalten. Deshalb spiegelt das detektierte Streulicht synchrone Translationsbewegung des Ensembles nicht direkt wider. Zur Auswertung des Streulichtsignals wurde die amplitudengewichtete Phasendifferenz eingeführt, die eine statistisch sichere Messung der induzierten Partikelbewegungen erlaubt (Miller, J.F., K. Schätzel, B. Vincent. 1991. The Determination of Very Small Electrophoretic Mobilities in Polar and Nonpolar Colloidal Dispersions Using Phase Analysis Light Scattering. J Colloid Interface Sci. 143: 532-554). Da das wandernde Interferenzmuster auch bei Stillstand (bzw. reiner Diffusion) der Partikeln ein auswertbares Streulichtsignal erzeugt können mit PALS ungleich langsamere Bewegungen als mit den herkömmlichen Zweistrahlmethoden gemessen werden. Gegenüber diesen sinkt die untere Grenze der detektierbaren Partikelgeschwindigkeit um etwa zwei Größenordnungen, so daß z. B. elektrophoretisch Partikelladungen in der Größenordnung einer Elementarladung nachweisbar wurden.In the existing PALS method, the scattered light is created by the ensemble of Particles generated in the macroscopic measurement volume and the light intensities at the Locations where the individual particles are located have different ones Phase behavior. Therefore, the detected stray light reflects synchronous Translational movement of the ensemble is not directly reflected. To evaluate the Scattered light signal, the amplitude-weighted phase difference was introduced, the one statistically reliable measurement of the induced particle movements allowed (Miller, J.F., K. Schätzel, B. Vincent. 1991. The Determination of Very Small Electrophoretic Mobilities in Polar and Nonpolar Colloidal Dispersions Using Phase Analysis Light Scattering. J Colloid Interface Sci. 143: 532-554). Because the wandering interference pattern an evaluable scattered light signal even when the particles stand still (or pure diffusion) can generate much slower movements with PALS than with conventional two-beam methods can be measured. Compared to this, the sinks lower limit of the detectable particle speed by about two Orders of magnitude so that e.g. B. electrophoretic particle charges in the Order of magnitude of an elementary charge were detectable.

Geräte mit mikroskopischen Meßvolumina wurden sowohl für die DLS (Blank, P.S., R.B. Tishler, F.D. Carlson. 1987. Quasielastic light scattering microscope spectrometer. Appl. Optics. 26: 351-356; Herbert, T.J., J.D. Acton. 1979. Photon correlation spectroscopy of light scattered from microscopic regions. Appl. Optics. 18: 588-590) als auch für die Laser-Doppler-Methode (Holz, Chen. 1978. Tracking Bacterial Movements Using a One-Dimensional Fringe System. Optics Letters. 2: 109-111. Cochrane, T., J. C. Earnshaw. 1978. Practical Laser Doppler microscopes. J. Phys. E; 11: 196) beschrieben. Die Verringerung des Meßvolumens wurde durch den Einbau der Lichtstreumethoden in modifizierte kommerzielle Mikroskope erreicht. Blank et al. beschreiben für ein mikroskopisches DLS-Spektrometer, je nach verwendetem Objektiv, Durchmesser des Meßvolumens zwischen 2,5 und 50 µm. In ihrem Aufbau wurde der einfallende Strahl von oben in das beobachtete Meßvolumen unter einem bestimmten Winkel eingespiegelt und das Streulicht durch das Objektiv detektiert, wobei ein Detektionswinkelfehler von 5,5° oder mehr entstand.Devices with microscopic measurement volumes were used for the DLS (Blank, P.S., R.B. Tishler, F.D. Carlson. 1987. Quasielastic light scattering microscope spectrometer. Appl. Optics. 26: 351-356; Herbert, T.J., J.D. Acton. 1979. Photon correlation spectroscopy of light scattered from microscopic regions. Appl. Optics. 18: 588-590) as also for the laser Doppler method (Holz, Chen. 1978. Tracking Bacterial Movements Using a one-dimensional fringe system. Optics Letters. 2: 109-111. Cochrane, T., J.C. Earnshaw. 1978. Practical Laser Doppler microscopes. J. Phys. E; 11: 196) described. The reduction in the measuring volume was achieved by installing the Light scattering methods achieved in modified commercial microscopes. Blank et al. describe for a microscopic DLS spectrometer, depending on the one used Objective, diameter of the measuring volume between 2.5 and 50 µm. In their structure was the incident beam from above into the observed measurement volume under a certain angle reflected and the scattered light detected by the lens, with a detection angle error of 5.5 ° or more.

Kudo et al. (Kudo, S., Y. Mgariyama, S.-I. Aizawa. 1990. Abrupt changes in flagellar rotation observed by laser dark-field microscopy. Nature. 346: 677-680) haben eine spezielle Laser-Dunkelfeldmikroskopietechnik entwickelt. Diese ermöglicht die Beobachtung der Rotation eines einzelnen Bakterienflagellums über eine Schlitzblende mit einer zeitlichen Auflösung von weniger als einer ms. Mit Hilfe dieser Schlitzblende, die parallel zum Flagellum orientiert war, konnte die gewundene Form des Flagellums zur Signalerzeugung verwendet werden. Somit besitzt dieser Aufbau trotz seiner guten zeitlichen, letztendlich nur eine eindimensionale räumliche Auflösung.Kudo et al. (Kudo, S., Y. Mgariyama, S.-I. Aizawa. 1990. Abrupt changes in flagellar  rotation observed by laser dark-field microscopy. Nature. 346: 677-680) have one special laser dark field microscopy technology developed. This enables the Observation of the rotation of a single bacterial flagellum through a slit diaphragm with a temporal resolution of less than one ms. With the help of this slit diaphragm, which was oriented parallel to the flagellum, could be the tortuous shape of the flagellum be used for signal generation. Thus, despite its good structure, temporal, ultimately only a one-dimensional spatial resolution.

Eine solch drastische Einschränkung besitzt die "Lokalisierte DLS" im Prinzip nicht, die zur Charakterisierung von Einzelpartikeln unterhalb von 1 µm Größe mit einer zeitlichen Auflösung bis in den ps-Bereich und einer prinzipiellen Ortsauflösung im nm-Bereich entwickelt wurde (Bar-Iv, R., A. Meller, T. Tlusty, E. Moses, J. Stavans, S.A. Safran. 1997. Localized dynamic light scattering: Probing single particle dynamics at the nanoscale. Phys. Rev. Letters. 78: 154-157; Meller, A., R. Bar-Ziv, T. Tlusty, E. Moses, J. Stavans, S.A. Safran. 1998. Localized dynamic light scattering: A new approach to dynamic measurements in optical microscopy Biophys. J. 74: 1541-1548). Nachteilig für allgemeinere Anwendungen ist jedoch der bisherige Aufbau: Das Partikel wird mit einer Laserpinzette lokalisiert. Ein zweiter, andersfarbiger Meßlaserstrahl wird ebenfalls durch das Mikroskopobjektiv eingekoppelt und in das Zentrum der Laserpinzette fokussiert. Der Fokusdurchmesser kann dabei unterhalb der Lichtwellenlänge liegen (Berns, M. W 1998. Mit Laserwerkzeugen ins Zellinnere. Spektrum d. Wissenschaft (6) 56-61). Die Partikelbewegung in der Nähe des Fokus erzeugt eine Intensitätsfluktuation des gestreuten Meßlaserlichtes, die über die Autokorrelationsanalyse ausgewertet werden kann. Auch diese Methode besitzt also keine 3-dimensionale Auflösung.In principle, the "Localized DLS" does not have such a drastic limitation for the characterization of single particles below 1 µm in size with a temporal Resolution down to the ps range and a basic spatial resolution in the nm range was developed (Bar-Iv, R., A. Meller, T. Tlusty, E. Moses, J. Stavans, S.A. Safran. 1997. Localized dynamic light scattering: probing single particle dynamics at the nanoscale. Phys. Rev. Letters. 78: 154-157; Meller, A., R. Bar-Ziv, T. Tlusty, E. Moses, J. Stavans, S.A. Saffron. 1998. Localized dynamic light scattering: A new approach to dynamic measurements in optical microscopy Biophys. J. 74: 1541-1548). Disadvantageous for more general applications, however, is the previous structure: the particle is also localized with a pair of laser tweezers. A second, differently colored measuring laser beam is also used coupled through the microscope objective and into the center of the laser tweezers focused. The focus diameter can be below the light wavelength (Berns, M. W 1998. With laser tools into the cell interior. Spectrum of science (6) 56-61). The particle movement near the focus creates an intensity fluctuation of the scattered measuring laser light, which is evaluated via the autocorrelation analysis can be. This method also has no 3-dimensional resolution.

Für mikroskopische Zweistrahl-Laser-Doppler-Methoden ist die in der Technik übliche Frequenzverschiebung der Strahlen größer als 30 MHz für die Erfassung mikroskopischer Partikelbewegungen ebenso wie Geräte mit einem festen Interferenzmuster unsinnig. Für die Detektion von z. B. der Brown'schen Bewegung von Proteinen würde im ersten Fall keine ausreichende Frequenzdifferenz entstehen. Im zweiten Fall wären sehr lange Detektionszeiten erforderlich. Besser könnten eine Reihe von gerichteten Bewegungen biologischer Objekte, wie z. B. der lichtinduzierten Chloroplastenbewegungen, oder von Proteinbewegungen bei der Zellmigration, detektiert werden. Die Kräfte für diese gerichteten Bewegungen werden über spezielle Motorproteine, wie Kinesin oder Dynein erzeugt und bereits mit Laser-Pinzetten untersucht (Ashkin, A., K. Schütze, J. M. Dziedzic, U. Euteneuer, M. Schliwa. 1990. Force generation of organelle transport measured in vivo by an infrared laser trap. Nature. 348: 346-348; Svoboda, K., C.F. Schmidt, D. Branton, B.J. Schnapp, S.M. Block. 1993. Direct observation of kinesin stepping by optical trapping interferometry. Nature. 365: 721-727). Die Atomic Force Microscopy und Scanning-Optical-Near-Field- Microscopy erreichen potentiell molekulare Auflosungen, rufen jedoch eine mechanische Belastung des Meßobjektes hervor oder besitzen eine geringe Zeitauflösung. Die Verwendung von Schwingspiegeln im Strahlengang zur Erzeugung sehr geringer Frequenzunterschiede ist für genaue Messungen der Ortsveränderung unpraktikabel.For microscopic two-beam laser Doppler methods, this is the usual technique Frequency shift of the beams greater than 30 MHz for the detection microscopic particle movements as well as devices with a fixed Interference pattern nonsensical. For the detection of z. B. Brownian movement of In the first case, proteins would not have a sufficient frequency difference. in the in the second case, very long detection times would be required. A number could do better of directional movements of biological objects, such as B. the light-induced Chloroplast movements, or protein movements during cell migration, can be detected. The forces for these directed movements are special Motor proteins, such as kinesin or dynein, are produced using laser tweezers examined (Ashkin, A., K. Schütze, J.M. Dziedzic, U. Euteneuer, M. Schliwa. 1990. Force generation of organic transport measured in vivo by an infrared laser trap. Nature. 348: 346-348; Svoboda, K., C.F. Schmidt, D. Branton, B.J. Schnapp, S.M. Block. 1993. Direct observation of kinesin stepping by optical trapping interferometry. Nature. 365: 721-727). The Atomic Force Microscopy and Scanning Optical Near Field Microscopy potentially reach molecular resolutions, but call one mechanical load on the test object or have a low Time resolution. The use of oscillating mirrors in the beam path for generation very little frequency difference is for accurate measurements of the change of location impractical.

Ergänzung zu Fundstellen (Relevante US-Patentanmeldungen) 4,986,659; 5,013,928; 5,404,218; 5,627,642 und 5,751,422. Supplement to references (Relevant US patent applications) 4,986,659; 5,013,928; 5,404,218; 5,627,642 and 5,751,422.  

Problemproblem

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß bisher kein Verfahren existiert, das die kontinuierliche, dreidimensionale Verfolgung individueller, mikroskopischer oder submikroskopischer Objekte in mikroskopischen Volumina mit einer zeitlichen Auflösung im ms-Bereich und einer räumlichen Auflösung im nm-Bereich ermöglicht. Schnelle bildgebende Verfahren erlauben i. allg. nur eine 2-dimensionale Auflösung und erfordern die mikroskopische Sichtbarkeit der Objekte. Scannende Laser-Verfahren besitzen zwar eine hohe Raum-, jedoch nur eine geringe zeitliche Auflösung. Für die Messung molekularer Bewegungen läßt sich zwar z. B. mit der Atomic-Force-Microscopy eine sehr hohe Auflösung erreichen, die Messung erfordert jedoch einen mechanischen Kontakt zum Objekt. Dies stellt in derartigen Mikrosystemen eine unvertretbar große Belastung des Systems dar und führt zu einer Verfälschung der Meßergebnisse.The invention specified in claim 1 is based on the problem that So far, there is no method for continuous, three-dimensional tracking individual, microscopic or submicroscopic objects in microscopic Volumes with a temporal resolution in the ms range and a spatial resolution enabled in the nm range. Fast imaging procedures allow i. generally only one 2-dimensional resolution and require microscopic visibility of the objects. Scanning laser processes have a high spatial, but only a small one temporal resolution. For the measurement of molecular movements z. B. with the atomic force microscopy achieve a very high resolution, the measurement however requires mechanical contact with the object. This represents in such Microsystems represents an unacceptably large load on the system and leads to a Falsification of the measurement results.

Lösungsolution

Das Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale mit einer lokalisierten phasenanalytischen Lichtstreumethode gelöst. Die Erfindung erlaubt, mikroskopische oder submikroskopische Objekte in mikroskopischen Volumina kontinuierlich zu verfolgen.The problem is solved by the features listed in claim 1 with a localized phase analytical light scattering method solved. The invention allows microscopic or submicroscopic objects in microscopic volumes to track continuously.

Erreichte VorteileAchieved advantages

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine kontinuierliche Verfolgung mikroskopischer oder submikroskopischer Objekte in mikroskopischen Volumina ohne mechanische Belastung mit einer zeitlichen Auflösung mindestens im ms-Bereich und parallel zu einer räumlichen Auflösung bis unterhalb des nm-Bereichs ermöglicht wird. Parallel kann das Meßvolumen mikroskopisch, spektroskopisch oder anderweitig beobachtet werden. Das Verfahren läßt sich zur Untersuchung sehr unterschiedlicher physikalischer, chemischer oder biologischer Phänomene einsetzen und gleichzeitig mit einer großen Anzahl physikalischer, chemischer oder biologischer Methoden kombinieren.The advantages achieved by the invention are in particular that a continuous tracking of microscopic or submicroscopic objects in microscopic volumes without mechanical stress with a temporal resolution at least in the ms range and parallel to a spatial resolution below the nm range is enabled. In parallel, the measurement volume can be microscopically be observed spectroscopically or otherwise. The method can be used Investigation of very different physical, chemical or biological Use phenomena and at the same time with a large number of physical, combine chemical or biological methods.

Weitere Ausgestaltung der ErfindungFurther embodiment of the invention

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Die Verwendung von 3 verschiedenfarbigen Strahlpaaren, die im Meßvolumen so gekreuzt werden, daß die Zentralachsen der Interferenzmuster zueinander orthogonale Komponenten besitzen, ermöglicht die Detektion der Bewegungskomponenten in allen 3 Raumrichtungen. Obwohl keine Absolutmessung des Ortes möglich ist, erlaubt das Verfahren jedoch die Verfolgung des Objektes relativ zum Startort. Dadurch läßt sich z. B. die dreidimensionale Trajektorie eines Objektes berechnen.An advantageous embodiment of the invention is specified in claim 2. The Use of 3 differently colored beam pairs, which are crossed in the measuring volume that the central axes of the interference pattern are orthogonal to each other Having components enables the detection of motion components in all 3 spatial directions. Although no absolute measurement of the location is possible, this allows However, proceeding to track the object relative to the starting location. This allows e.g. B. calculate the three-dimensional trajectory of an object.

Die Einkopplung der Strahlen in das Meßvolumen und die Auskopplung des Streu- oder Fluoreszenzlichts kann auf verschiedene Art und Weise, z. B. über ein Mikroskopobjektiv, über Lichtleitfasern oder einer Kombination aus beidem erfolgen. Das ermöglicht eine genaue Lokalisation des Meßvolumens und einen hohen Signal- Rauschabstand. Gleichzeitig wird durch die Eingrenzung des Meßvolumens die eindeutige Zuordnung des detektierten Signals zu einem bestimmten Objekt möglich.The coupling of the beams into the measuring volume and the coupling of the scattering or Fluorescent light can be used in various ways, e.g. B. about a Microscope objective, over optical fibers or a combination of both. This enables precise localization of the measurement volume and a high signal  S / N ratio. At the same time, by limiting the measuring volume unambiguous assignment of the detected signal to a specific object possible.

AusführungsbeispieleEmbodiments

Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 (- Hauptzeichnung -) dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit der Darstellung ist im Ausführungsbeispiel zunächst nur die Verwendung eines einfarbigen Strahls gezeigt so daß die Objektbewegung nur in einer Dimension verfolgt werden kann. Das Ausführungsbeispiel ist jedoch sehr leicht für die Erfassung der mehrdimensionalen Bewegung erweiterbar.An embodiment is shown in Fig. 1 (- main drawing -) and is described in more detail below. To improve the clarity of the representation, only the use of a single-color beam is shown in the exemplary embodiment, so that the object movement can only be traced in one dimension. However, the exemplary embodiment can be expanded very easily for the detection of the multidimensional movement.

Alle Lichtwege in Fig. 1 sind gestrichelt dargestellt. Das kohärente Licht eines Lasers (1) wird über den Strahlteiler (2) in zwei Strahlen gleicher Intensität geteilt, die durch optoakustische Wandler (3a, 3b) in ihrer Frequenz um die Frequenz f1 bzw. f2 verschoben werden. Als optoakustische Wandler (3a, 3b) können z. B. Bragg-Zellen eingesetzt werden. Die elektrischen Ansteuersignale der optoakustische Wandler (3a, 3b) werden durch die elektronischen Treiber (16a, 16b) erzeugt. Im Mischer (17) wird die Differenzfrequenz Δf gebildet und als Referenzsignal des Lock-In-Verstärkers (15) verwendet. Die aus den optoakustischen Wandlern (3a, 3b) austretenden frequenzverschobenen Strahlen erster Ordnung, die zueinander die Frequenzdifferenz Δf besitzen, werden durch Einkoppeloptiken (4a, 4b) in Lichtleitfasern (5a, 5b) eingekoppelt und zum mikroskopischen Objektträger (8) geleitet. Dort werden die Strahlen durch Auskoppeloptiken (6a, 6b), die z. B. als Gradientenindexstäbe ausgeführt sein können, in das Zentrum des Meßvolumens (7) fokussiert, in dem ein wanderndes Interferenzmuster entsteht. Die Intensität des Streulichts eines ortsfesten mikroskopischen oder submikroskopischen Objekts im wandernden Interferenzmuster des mikroskopischen Meßvolumens (7) schwankt mit der Frequenz Δf und besitzt eine starre Phasenbeziehung zum Referenzsignal des Lock-In-Verstärkers (15). Jede Ortsveränderung senkrecht zum Interferenzmuster führt zu einer Änderung dieser Phasenbeziehung und kann direkt und kontinuierlich in eine Geschwindigkeitskomponente oder eine Ortsänderung relativ zum Startort umgerechnet werden. Die Umwandlung der Streulichtintensität in ein elektronisches Signal mit der Frequenz fMeß erfolgt durch den Photodetektor (14), der z. B. als Sekundärelektronenvervielfacher (SEV) oder Lawinenphotodiode, ausgeführt sein kann. Zur Detektion wird das Streulicht über das Mikroskopobjektiv (9) gesammelt und über einen Spiegel (10), die Lochblende (12) zur Eingrenzung des Meßvolumens und den Farb- oder Polarisationsfilter (13) geführt. Der Spiegel (10) kann halbdurchlässig oder als Klappspiegel ausgeführt sein, so daß parallel zur Messung eine direkte visuelle Beobachtung des Meßvolumens oder eine Beobachtung über die Kamera (11) erfolgen kann.All light paths in Fig. 1 are shown in dashed lines. The coherent light of a laser ( 1 ) is divided into two beams of the same intensity via the beam splitter ( 2 ), which are shifted in frequency by the frequency f 1 or f 2 by optoacoustic converters ( 3 a, 3 b). As an optoacoustic transducer ( 3 a, 3 b) z. B. Bragg cells can be used. The electrical control signals of the optoacoustic transducers ( 3 a, 3 b) are generated by the electronic drivers ( 16 a, 16 b). The difference frequency Δf is formed in the mixer ( 17 ) and used as a reference signal of the lock-in amplifier ( 15 ). The first-order frequency-shifted beams emerging from the optoacoustic transducers ( 3 a, 3 b), which have the frequency difference Δf to one another, are coupled into optical fibers ( 5 a, 5 b) by coupling optics ( 4 a, 4 b) and to the microscopic slide ( 8 ) directed. There, the rays through decoupling optics ( 6 a, 6 b), the z. B. can be designed as gradient index rods, focused in the center of the measurement volume ( 7 ), in which a wandering interference pattern is formed. The intensity of the scattered light from a stationary microscopic or submicroscopic object in the wandering interference pattern of the microscopic measurement volume ( 7 ) fluctuates with the frequency Δf and has a rigid phase relationship to the reference signal of the lock-in amplifier ( 15 ). Every change in location perpendicular to the interference pattern leads to a change in this phase relationship and can be converted directly and continuously into a speed component or a change of location relative to the starting location. The conversion of the scattered light intensity into an electronic signal with the frequency f measurement is carried out by the photodetector ( 14 ), which, for. B. as a secondary electron multiplier (SEV) or avalanche photodiode. For detection, the scattered light is collected via the microscope objective ( 9 ) and guided via a mirror ( 10 ), the pinhole ( 12 ) to limit the measuring volume and the color or polarization filter ( 13 ). The mirror ( 10 ) can be semi-transparent or a folding mirror, so that a direct visual observation of the measurement volume or an observation via the camera ( 11 ) can take place parallel to the measurement.

Fig. 2 zeigt zwei verschiedene Ausführungsarten für Lichtleitfaser-Optiken zur Erzeugung des Meßvolumens (1) mit einem wandernden Interferenzmuster. Zur Detektion der Bewegungskomponente in x-Richtung wird das Interferenzmuster durch die beiden Strahlkomponenten x1 und x2 gebildet. Im Meßvolumen (1) ist schematisch eine Momentaufnahme des Interferenzmusters dargestellt, das sich in x-Richtung, entlang der Zentralachse (4), bewegt. Fig. 2A stellt 2 Lichtleitfasern oder Gradientenindexstäbe (2, 3) dar, aus denen unfokussierte Strahlen (gestrichelte Begrenzung) austreten. Trotzdem ist das Meßvolumen (1) auf ihr Überschneidungsgebiet begrenzt. Fig. 2B stellt 2 Lichtleitfasern (2a, 3a) mit einer speziellen Optik dar, die z. B. aus speziellen Kollimations- (2b, 3b) und Fokussierlinsen (2c, 3c) besteht. Diese Optik fokussiert die Strahlen in das Meßvolumen (1) und grenzt es dadurch sehr stark ein. Fig. 2 shows two different embodiments for optical fiber optics for generating the measurement volume ( 1 ) with a wandering interference pattern. To detect the movement component in the x direction, the interference pattern is formed by the two beam components x 1 and x 2 . A snapshot of the interference pattern is shown schematically in the measuring volume ( 1 ), which moves in the x-direction along the central axis ( 4 ). Fig. 2A shows optical fibers 2 or Gradientenindexstäbe (2, 3) from which unfocused rays (dashed limitation) leak. Nevertheless, the measurement volume ( 1 ) is limited to its overlap area. Fig. 2B shows 2 optical fibers ( 2 a, 3 a) with special optics, the z. B. from special collimation ( 2 b, 3 b) and focusing lenses ( 2 c, 3 c). This optics focuses the rays in the measuring volume ( 1 ) and thus limits it very strongly.

Fig. 3 zeigt zwei verschiedene Ausführungsarten für Mikroskop-Optiken zur Erzeugung des Meßvolumens (1) mit einem ändernden Interferenzmuster (siehe schematische Momentaufnahme des Interferenzmusters im Ausschnittsbild in Fig. 3B). In beiden Ausführungsbeispielen befindet sich das Meßvolumen (1) oberhalb des mikroskopischen Objektträgers (2) und ist von unten durch das Objektiv (3) beobachtbar. Das wandernde Interferenzmuster wird durch die beiden Strahlkomponenten mit den Frequenzen f1 und f2 durch Frequenzverschiebung in den optoakustischen Modulatoren (4a, 4b) gebildet. Das Objektiv (3) fokussiert die Strahlen in das Meßvolumen (1) und grenzt es dadurch sehr stark ein. In Fig. 2A erfolgt die Detektion mit dem Photodetektor (5), der z. B. ein Sekundärelektronenvervielfacher (SEV) sein kann, durch eine Lichtleitfaser (7), die mit oder ohne spezielle Optik (6), ausgeführt sein kann. In Fig. 2B erfolgt die Detektion durch das Mikroskopobjektiv (3) mit dem Photodetektor (5). Fig. 3 shows two different embodiments for microscope optics for generating the measuring volume (1) with a changing interference pattern (see schematic snapshot of the interference pattern in the cut-out image in Fig. 3B). In both exemplary embodiments, the measurement volume ( 1 ) is located above the microscopic slide ( 2 ) and can be observed from below through the objective ( 3 ). The wandering interference pattern is formed by the two beam components with the frequencies f 1 and f 2 by frequency shift in the optoacoustic modulators ( 4 a, 4 b). The objective ( 3 ) focuses the beams into the measuring volume ( 1 ) and thus limits it very strongly. In Fig. 2A the detection with the photodetector ( 5 ), z. B. can be a secondary electron multiplier (SEV), by an optical fiber ( 7 ), which can be carried out with or without special optics ( 6 ). In Fig. 2B the detection is carried out by the microscope objective ( 3 ) with the photodetector ( 5 ).

Fig. 4 zeigt zwei verschiedene Ausführungsarten mit Lichtleitfaser-Optiken (2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) zur Erzeugung eines Meßvolumens (1) mit mehreren wandernden Interferenzmustern, zur Detektion der mehrdimensionalen Bewegungskomponenten des Objektes. Bei den gezeichneten Lichtleitfaser-Optiken (2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) kann es sich z. B. um Lichtleitfasern mit oder ohne spezielle Auskoppeloptik oder Gradientenindexstäbe handeln, aus denen unfokussierte oder fokussierte Strahlen austreten. Der Strahlverlauf ist gestrichelt dargestellt. Fig. 4A zeigt 3 Paare von Lichtleitfaser-Optiken (2a-2b, 3a-3b, 4a-4b) zur Erzeugung des Meßvolumens (1) mit drei verschiedenfarbigen, wandernden Interferenzmustern. Die zugehörigen Strahlen x1-x2, y1-y2 und z1-z2 besitzen jeweils paarweise die gleiche Farbe und sind dadurch voneinander unterscheidbar. Jedes Paar erzeugt zur Detektion einer bestimmten Raumrichtung ein wanderndes Interferenzmuster mit Zentralachsen in x-, y- bzw. z-Richtung. Um die Detektion der Objektbewegung in 3 Raumrichtungen zu ermöglichen, müssen die Zentralachsen nicht notwendig ideal orthogonal zueinander sein, sondern es reicht im Prinzip aus, wenn sie orthogonale Komponenten aufweisen. Abweichungen von einer orthogonalen Anordnung lassen sich bei der Auswertung der Trajektorie der Objektbewegung verrechnen. Im orthogonalen Aufbau sind die Lichtleitfaser-Optiken 2a, 2b, 3a, 3b in einer Ebene, die Lichtleitfaser-Optiken 4a und 4b senkrecht dazu angeordnet. Zur Detektion der Bewegungskomponente in x-Richtung wird das Interferenzmuster durch die beiden Strahlkomponenten x1 und x2 (Fasern 2a und 2b) für die y-Richtung durch die beiden Strahlkomponenten y1 und y2 (Fasern 3a und 3b) und für die z-Richtung durch die beiden Strahlkomponenten z1 und z2 (Fasern 4a und 4b), gebildet. Die Detektion des Streulichtes aus dem Meßvolumen kann sowohl über eine Mikroskopoptik (nicht gezeichnet), eine zusätzliche Faseroptik (nicht gezeichnet) oder auch durch eine der gezeichneten optischen Fasern erfolgen. Fig. 4B zeigt einen Aufbau mit einer auf 4 reduzierten Anzahl von Lichtleitfaser-Optiken (2a, 2b, 2c, 2d), die in zwei verschiedenen, zueinander senkrechten Ebenen angeordnet sind (parallel zur Papierebene: 2b und 2c; senkrecht dazu: 2a und 2d). Die Anzahl von 4 Fasern reicht aus, um 3 wandernde Interferenzmuster im Meßvolumen (1) zu erzeugen, wobei deren Zentralachsen zueinander orthogonale Komponenten aufweisen. Auch in dieser Ausführung besitzen die Strahlen x1-x2, y1-y2 und z1-z2 jeweils paarweise die gleiche Farbe und sind dadurch voneinander unterscheidbar. Jedes Paar erzeugt zur Detektion der Objektbewegung in einer bestimmten Raumrichtung ein wanderndes Interferenzmuster. Zur Detektion der Bewegungskomponente in x-Richtung wird das Interferenzmuster durch die beiden Strahlkomponenten x1 und x2 (Fasern 2a und 2b) für die y-Richtung durch die beiden Strahlkomponenten y1 und y2 (Fasern 2b und 2c) und für die z-Richtung durch die beiden Strahlkomponenten z1 und z2 (Fasern 2a und 2d) gebildet. Die Detektion des Streulichtes aus dem Meßvolumen kann sowohl über eine Mikroskopoptik (nicht gezeichnet), eine zusätzliche Faseroptik (nicht gezeichnet) oder auch durch eine der gezeichneten optischen Fasern erfolgen. Fig. 4 shows two different embodiments with optical fiber optics ( 2 a, 2 b, 3 a, 3 b, 4 a, 4 b) for generating a measuring volume ( 1 ) with several wandering interference patterns, for detecting the multidimensional movement components of the object. In the optical fiber optics shown ( 2 a, 2 b, 3 a, 3 b, 4 a, 4 b) it can be, for. B. are optical fibers with or without special coupling optics or gradient index rods from which unfocused or focused rays emerge. The beam path is shown in dashed lines. Fig. 4A shows 3 pairs of fiber optics (2 a- 2 b, 3 a-3 b, 4 a-4 b) for generating the measuring volume (1) with three differently colored, migratory interference patterns. The associated rays x 1 -x 2 , y 1 -y 2 and z 1 -z 2 each have the same color in pairs and can therefore be distinguished from one another. To detect a certain spatial direction, each pair generates a wandering interference pattern with central axes in the x, y or z direction. In order to enable the detection of the object movement in 3 spatial directions, the central axes do not necessarily have to be ideally orthogonal to one another, but in principle it is sufficient if they have orthogonal components. Deviations from an orthogonal arrangement can be offset when evaluating the trajectory of the object movement. In the orthogonal structure, the optical fiber optics 2 a, 2 b, 3 a, 3 b are arranged in one plane, the optical fiber optics 4 a and 4 b perpendicular to it. To detect the motion component in the x direction, the interference pattern is determined by the two beam components x 1 and x 2 (fibers 2 a and 2 b), and in the y direction by the two beam components y 1 and y 2 (fibers 3 a and 3 b) and for the z-direction by the two beam components z 1 and z 2 (fibers 4 a and 4 b). The detection of the scattered light from the measurement volume can be carried out using microscope optics (not shown), additional fiber optics (not shown) or one of the drawn optical fibers. Fig. 4B shows a structure with a reduced to 4 number of optical fiber optics ( 2 a, 2 b, 2 c, 2 d), which are arranged in two different, mutually perpendicular planes (parallel to the paper plane: 2 b and 2 c ; perpendicular to: 2 a and 2 d). The number of 4 fibers is sufficient to produce 3 wandering interference patterns in the measurement volume ( 1 ), the central axes of which have components orthogonal to one another. In this embodiment, too, the beams x 1 -x 2 , y 1 -y 2 and z 1 -z 2 each have the same color in pairs and can therefore be distinguished from one another. Each pair generates a wandering interference pattern to detect the object movement in a certain spatial direction. To detect the motion component in the x direction, the interference pattern is determined by the two beam components x 1 and x 2 (fibers 2 a and 2 b), and in the y direction by the two beam components y 1 and y 2 (fibers 2 b and 2 c) and formed for the z-direction by the two beam components z 1 and z 2 (fibers 2 a and 2 d). The detection of the scattered light from the measurement volume can be carried out using microscope optics (not shown), additional fiber optics (not shown) or one of the drawn optical fibers.

Fig. 5 zeigt eine integrierte Lichtleitfaser-Optik zur Erzeugung von zwei zueinander orthogonalen, wandernden Interferenzmustern im Meßvolumens (1). Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist die Kompaktheit, die durch die Verwendung eines gemeinsamen Objektivs (2) für 4 Lichtleitfasern (3a, 3b, 4a, 4b) erreicht wird. Der gezeigte Aufbau ist zur Detektion der zweidimensionalen Bewegungskomponenten des Objektes geeignet, wenn 2 verschiedenfarbige oder verschieden polarisierte Strahlpaare, wobei die Strahlen eines Paares zur Erzeugung eines wandernden Interferenzmusters eine geringe Frequenzdifferenz aufweisen sollen, durch die zugehörigen Faserpaare 3a, 3b und 4a, 4b über das gemeinsame Objektiv (2) in das Meßvolumen (1) fokussiert werden. Für die Detektion einer dritten Raumkomponente ist eine zusätzliche Faser- oder Mikroskop-Optik erforderlich. Wie in den anderen Ausführungsbeispielen kann die Detektion des Streulichtes aus dem Meßvolumen sowohl über eine Mikroskopoptik (nicht gezeichnet), eine zusätzliche Faseroptik (nicht gezeichnet) oder auch durch eine der gezeichneten optischen Fasern erfolgen. FIG. 5 shows an integrated optical fiber optic for generating two mutually orthogonal, traveling interference patterns in the measurement volume ( 1 ). An advantage of this embodiment is the compactness, which is achieved by using a common objective ( 2 ) for 4 optical fibers ( 3 a, 3 b, 4 a, 4 b). The structure shown is suitable for the detection of the two-dimensional movement components of the object if 2 differently colored or differently polarized beam pairs, the beams of a pair for generating a wandering interference pattern should have a small frequency difference, through the associated fiber pairs 3 a, 3 b and 4 a, 4 b can be focused into the measuring volume ( 1 ) via the common lens ( 2 ). Additional fiber or microscope optics are required for the detection of a third spatial component. As in the other exemplary embodiments, the scattered light can be detected from the measurement volume both via microscope optics (not shown), additional fiber optics (not shown) or also by one of the drawn optical fibers.

Claims (10)

1. Verfahren und Vorrichtung zur räumlich und zeitlich aufgelösten Verfolgung der Bewegung mikroskopischer und submikroskopischer Objekte in mikroskopischen Volumina, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden kohärenten Strahlen eines oder mehrerer Strahlpaare so gekreuzt werden, daß in einem mikroskopischen Meßvolumen ein oder mehrere wandernde Interferenzmuster dadurch gebildet werden, daß sich die beiden Strahlen jedes Paares in ihrer Frequenz so unterscheiden, daß die Streulichtintensität eines ortsfesten Objektes mit der Differenzfrequenz der Strahlen jedes Paares schwankt und jede Ortsveränderung des Objektes senkrecht zum jeweiligen Interferenzmuster als Phasenänderung des Streulichts relativ zu einer unabhängigen Referenz detektiert werden kann.1. Method and device for spatially and temporally resolved tracking of the movement of microscopic and submicroscopic objects in microscopic volumes, characterized in that the two coherent beams of one or more pairs of beams are crossed so that one or more wandering interference patterns are thereby formed in a microscopic measuring volume that the two beams of each pair differ in frequency in such a way that the scattered light intensity of a fixed object fluctuates with the difference frequency of the beams of each pair and every change in location of the object perpendicular to the respective interference pattern can be detected as a phase change in the scattered light relative to an independent reference. 2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung jeder Bewegungsrichtung des Objektes jeweils ein Strahlpaar benutzt wird, das von anderen Strahlpaaren durch seine Farbe oder Polarisation unterscheidbar ist.2. The method and device according to claim 1, characterized in that for A beam pair is used for each direction of movement of the object, which is distinguishable from other beam pairs by its color or polarization. 3. Verfahren und Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verfolgung der Objektbewegung das Streulicht und/oder Fluoreszenzlicht des Objektes detektiert wird.3. The method and device according to claim 1 or 2, characterized in that the scattered light and / or fluorescent light of the Object is detected. 4. Verfahren und Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzfrequenz der kohärenten Strahlen eines Paars konstant oder veränderlich ist, jedoch um viele Größenordnungen geringer ist als die Lichtfrequenz und der Vergleich der vom Objekt detektierten Schwankung der Streulichtintensität mit einer unabhängig erzeugten Differenzfrequenz-Referenz zur Messung der Ortsveränderung und/oder Geschwindigkeit benutzt wird.4. The method and device according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that the difference frequency of the coherent rays of a pair is constant or variable, but is many orders of magnitude smaller than that Light frequency and the comparison of the fluctuation of the object detected Scattered light intensity with an independently generated difference frequency reference Measurement of the change in location and / or speed is used. 5. Verfahren und Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Phasenverhalten der Streulichtintensität, die durch jeweils ein Strahlpaar, das von den anderen Strahlpaaren durch sein Polarisation oder Farbe unterscheidbar ist, die ein-, oder mehrdimensionale Trajektorie der Bewegung des oder der Objekte errechnet wird.5. The method and device according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that from the phase behavior of the scattered light intensity by each a pair of beams that is different from the other pairs of beams by its polarization or Color is distinguishable, the one- or multi-dimensional trajectory of the movement of the object or objects is calculated. 6. Verfahren und Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche und zeitliche Auflösung der Bewegung des oder der Objekte im mikroskopischen Meßvolumen im nm- bzw. im ms-Bereich oder besser ist.6. The method and device according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that the spatial and temporal resolution of the movement of the or Objects in the microscopic measurement volume in the nm or ms range or better. 7. Verfahren und Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplung der Strahlen in das mikroskopische Meßvolumen, das im Überkreuzungsgebiet der Strahlen gebildet wird, durch Lichtleitfasern mit speziellen Auskoppeloptiken und/oder durch Lichtleitfasern ohne solche Optiken und/oder durch die Mikroskopoptik z. B. über Kollimatoren, Spiegel, Blenden und das Objektiv, erfolgt.7. The method and device according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that the coupling of the beams into the microscopic measurement volume, which is formed in the crossover area of the rays by means of optical fibers special decoupling optics and / or through optical fibers without such optics and / or through the microscope optics z. B. on collimators, mirrors, diaphragms and that Lens. 8. Verfahren und Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektion des Streulichtsignals des oder der Objekte, die sich im mikroskopischen Meßvolumen befinden, mit einem oder mehreren Photodetektoren über die Mikroskopoptik z. B. über ein Objektiv, Spiegel, Blenden und Farb- und/oder Polarisationsfilter, erfolgt und/oder über Lichtleitfasern mit speziellen Einkoppeloptiken oder durch Lichtleitfasern ohne solche Einkoppeloptiken, wobei das Licht über Farb- und/oder Polarisationsfilter geleitet wird.8. The method and device according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that the detection of the scattered light signal of the object or objects, which are in the microscopic measurement volume with one or more photodetectors  about the microscope optics z. B. via a lens, mirror, aperture and color and / or Polarization filter, and / or via optical fibers with special coupling optics or by means of optical fibers without such coupling optics, the light being transmitted via Color and / or polarization filter is passed. 9. Verfahren und Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrfachnutzung von Lichtleitfasern und/oder Objektiven dadurch erfolgt daß Strahlen unterschiedlicher Farbe, Frequenz und/oder Polarisation gleichzeitig durch dieselbe Faser oder dasselbe Objektiv in das Meßvolumen eingekoppelt werden oder Streulicht aus dem Meßvolumen zum Photodetektor geleitet wird.9. The method and device according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that multiple use of optical fibers and / or lenses this means that rays of different color, frequency and / or polarization simultaneously through the same fiber or the same lens into the measuring volume be coupled in or scattered light from the measuring volume is guided to the photodetector becomes. 10. Verfahren und Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mit der mikroskopischen Beobachtung des Meßvolumens kombiniert wird, die visuell oder durch ein Kamerasystem erfolgen kann.10. The method and device according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that the method with microscopic observation of the Measuring volume is combined, which can be done visually or by a camera system.
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