Die
Erfindung betrifft ein optisches System, zum Anregen und Messen
von Fluoreszenz an oder in mit Fluoreszenzfarbstoffen behandelten
Proben, gemäss
dem Oberbegriff des unabhängigen
Anspruchs 1. Solche optische Systeme sind z.B. als Raster-Licht-Mikroskope
bekannt.The
The invention relates to an optical system for exciting and measuring
of fluorescence on or in treated with fluorescent dyes
Samples, according to
the generic term of the independent
Claim 1. Such optical systems are e.g. as raster-light microscopes
known.
Raster-Licht-Mikroskope
sind seit einigen Jahrzehnten bekannt. Ihr Funktionsprinzip beruht darauf,
dass ein Lichtstrahl zu einem kleinen Lichtpunkt (dem sogenannten
ersten Brennpunkt) auf einer Probe konzentriert wird. Die Probe
und dieser Lichtpunkt werden gegenseitig so bewegt, dass eine bestimmte
Fläche
der Probe vom Lichtpunkt überstrichen
(abgerastert) wird. Das Licht, das während dem Rastern die Probe
durchdringt oder von dieser reflektiert wird bzw. die an oder in
der Probe ausgelöste Fluoreszenz
wird in der Folge als "von
der Probe stammendes Licht" bezeichnet
und von einem oder mehreren Photodetektoren gemessen. Ein Vergrösserungsbild
entsteht dadurch, dass einem ursprünglichen Messpunkt eine bestimmte
Fläche
auf einem Abbild der Probe zugeordnet wird. Grundsätzlich umfasst
deshalb ein solches Raster-Licht-Mikroskop:
- • eine Lichtquelle,
die einen Lichtstrahl produziert;
- • einen
Probenträger
zum Halten der Probe;
- • eine
Optik zum Bilden eines ersten Brennpunktes auf der Probe;
- • eine
optische Anordnung zum Abbilden eines zweiten Brennpunktes mit dem
Licht, welches die Probe durchstrahlte bzw. von der Probe reflektiert wurde
bzw. welches die an oder in der Probe ausgelöste Fluoreszenz darstellt;
- • einen
Photodetektor zum Messen der Intensität des zweiten Brennpunkts;
und
- • einen
Rastermechanismus zum gegenseitigen Bewegen von Probe und erstem
Brennpunkt.
Scanning light microscopes have been known for several decades. Their functional principle is based on the fact that a light beam is concentrated to a small point of light (the so-called first focal point) on a sample. The sample and this point of light are mutually moved so that a certain area of the sample is swept (scanned) by the light spot. The light which penetrates or is reflected by the sample during the scanning or the fluorescence triggered on or in the sample is referred to below as "sample-originating light" and measured by one or more photodetectors. An enlargement image is created by assigning a specific area on an image of the sample to an original measurement point. Basically, therefore, such a scanning light microscope comprises: - • a light source that produces a beam of light;
- A sample carrier for holding the sample;
- An optic for forming a first focus on the sample;
- An optical arrangement for imaging a second focal point with the light which was irradiated or reflected by the sample or which represents the fluorescence triggered on or in the sample;
- A photodetector for measuring the intensity of the second focus; and
- A raster mechanism for moving sample and first focus.
In
einem konventionellen Raster-Licht-Mikroskop wird der Lichtstrahl
zum Beleuchten der Probe in Richtung der zwei Raumachsen X und Y
abgelenkt. Dieses Vorgehen birgt den Nachteil, dass der Einfallswinkel
des durch die Projektivlinse gebrochenen Lichtes auf der Probe variiert
und in der Abbildung des Probenlichtes durch die Objektivlinse eine Bildverfälschung
erzeugt. Diese Bildverfälschung (Aberration)
kann durch eine entsprechende Konstruktion der Objektivlinse korrigiert
werden. Eine solche verteuert aber die Optik nachteilig und wirkt
sich gleichzeitig in Bezug auf Lichtsammeleffizienz und Arbeitsabstand
limitierend aus.In
a conventional scanning light microscope becomes the light beam
for illuminating the sample in the direction of the two spatial axes X and Y
distracted. This approach has the disadvantage that the angle of incidence
of the refracted by the projectile lens light on the sample varies
and image distortion in the image of the sample light through the objective lens
generated. This image corruption (aberration)
can be corrected by a corresponding construction of the objective lens
become. However, such an expensive and the optics disadvantageous effect
simultaneously in terms of light collection efficiency and working distance
limiting.
Gemäss US 5,081,350 wurde dieses
Problem gelöst,
indem dort eine Vorrichtung offenbart ist, mit der die Probe durch
einen Lichtstrahl abgerastert wird. Dabei sind die Vorrichtung zur
Beleuchtung der Probe und die Vorrichtung zur Messung des von der Probe
kommenden Signals auf einer hin-und-her beweglichen Einheit montiert.
Die Probe ist dabei auf einem senkrecht zu dieser Oszillation beweglichen Probentisch
montiert, so dass ein Abrastern der Probe bei konstantem Einfallswinkel
der Beleuchtung möglich
ist. Weil, speziell für
die Anwendung eines Schnellrasterverfahrens, die Lichtquelle vorzugsweise
ausserhalb des beweglichen Teils des Raster-Licht-Mikroskops angeordnet
sein soll, wird dort die Verwendung von Glasfaser-Lichtleitern vorgeschlagen,
welche die Lichtquelle optisch mit dem Projektiv verbinden. Allerdings
besteht die Gefahr, dass diese Glasfaserkabel durch das häufige und schnelle
hin-und-her Bewegen beschädigt
werden.According to US 5,081,350 This problem has been solved by the disclosure of a device with which the sample is scanned by a light beam. In this case, the device for illuminating the sample and the device for measuring the signal coming from the sample are mounted on a reciprocating unit. The sample is mounted on a sample stage which is movable perpendicularly to this oscillation, so that the sample can be scanned at a constant angle of incidence of the illumination. Because, especially for the application of a quick grid method, the light source should preferably be arranged outside of the moving part of the scanning light microscope, there is proposed the use of fiber optic light guides, which optically connect the light source with the projective. However, there is a risk that these fiber optic cables will be damaged by the frequent and rapid back and forth moving.
Aus US 5,260,569 ist eine verbesserte,
gattungsgemässe
Vorrichtung bekannt, welche die oben geschilderten Probleme des
Standes der Technik löst,
indem dort ein Raster-Licht-Mikroskop vorgeschlagen wird, welches
als Lichtquelle einen Laser, einen Spiegel, zum Umlenken des aus
dem Laser kommenden und parallel zu einer optischen Achse auf den
Spiegel einfallenden Lichtes in Richtung einer Probe, ein Umlenkelement
zum Umlenken dieses Lichtes auf diesen Spiegel, eine Optik zum Bilden
eines ersten Brennpunktes, eine den Spiegel und die Optik umfassende,
linear entlang der optischen Achse hin-und-her beweglich angeordnet
Einheit, in welcher Spiegel und Optik gegeneinander unbeweglich angeordnet
sind, einen mit dieser Einheit wirkverbundener, oszillierender Linearantrieb,
einen zumindest in Richtung der X- und Z-Raumachsen bewegbaren Probentisch
zum Ausrichten der Probe gegenüber dem
ersten Brennpunkt, eine optische Anordnung zum Abbilden eines zweiten
Brennpunktes mit von der Probe stammendem Licht, eine im zweiten Brennpunkt
angeordnete Lochblende zum Ausblenden von von der Probe stammendem
Licht, welches weiter entfernt als in einem bestimmten Abstand vom Brennpunkt
auf diese Lochblende auftrifft, ein Spektralfilter zum Auswählen eines
Anteils des durch die Lochblende durchgehenden, von der Probe stammenden
Lichtes und einen Detektor zum Messen der Intensität des von
der Lochblende durchgelassenen und vom Spektralfilter ausgewählten Teil
des von der Probe stammendem Lichtes umfasst. Die Optik ist zudem
als Kollimator für
das von der Probe stammenden Licht und der Spiegel ist zudem zum
Umlenken dieses kollimierten Lichtes entgegengesetzt zu der Einfallsrichtung
des Lichtes aus dem Laser und parallel zu der optischen Achse ausgebildet.Out US 5,260,569 An improved, generic device is known, which solves the above-described problems of the prior art by proposing a raster-light microscope, which as a light source, a laser, a mirror, for deflecting the coming out of the laser and parallel to a optical axis to the mirror incident light toward a sample, a deflecting element for deflecting this light on this mirror, optics for forming a first focal point, a mirror and the optics comprehensive, linearly along the optical axis back and forth arranged movable A unit in which the mirror and optics are arranged immovably relative to one another, an oscillating linear drive operatively connected to this unit, a sample table movable at least in the direction of the X and Z spatial axes for aligning the sample with respect to the first focal point, an optical arrangement for imaging a second Focal point with sample-derived light, an i a second aperture focal aperture for masking sample originating light which is farther than a certain distance from the focal point of said aperture, a spectral filter for selecting a portion of the sample passing through the aperture, and a detector for Measuring the intensity of the portion of sample-derived light transmitted by the aperture and selected by the spectral filter. The optic also acts as a collimator for the light originating from the sample, and the mirror is also designed to deflect this collimated light counter to the direction of incidence of the light from the laser and parallel to the optical axis.
Neben
allen Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 offenbart US 5,260,569 zudem ein Raster-Licht-Mikroskop,
bei welchem das durch eine Lichtquelle ausgesandte Licht mittels
einer als Teil des Projektivs wirkenden Kollimierlinse parallel
gerichtet wird. Das kollimierte Licht pflanzt sich in der zur Rasterrichtung
des Mikroskops parallelen Richtung fort. Deshalb fällt der
kollimierte Lichtstrahl – unabhängig von
der aktuellen Position der hin-und-her beweglichen Einheit – immer
aus der identischen Richtung auf den Spiegel, der in der hin-und-her
beweglichen Einheit fixiert ist. Dies hat zur Folge, dass der Lichtstrahl
vom Spiegel auf die Probe immer in der gleichen Richtung und in
kollimierter Form reflektiert wird. Dieses koilimierte Licht wird
nach einer 90°-Reflexion
am Spiegel mittels einer weiteren Projektivlinse, die ebenfalls
in der hin-und-her beweglichen Einheit fixiert ist, in einem ersten
Brennpunkt gebündelt.
Deshalb kann das Abrastern der Probe mittels der hin-und-her beweglichen
Einheit und mit dem Licht einer Lichtquelle erfolgen, welche an
der hin-und-her beweglichen Einheit befestigt ist. Bevorzugt ist
jedoch das Anbringen von Lichtquelle und Photodetektor ausserhalb
der hin-und-her beweglichen Einheit, damit diese Einheit – zum Ermöglichen einer
schnellen Abrasterung – einfacher
und leichter gebaut werden kann.In addition to all features of the preamble of claim 1 disclosed US 5,260,569 In addition, a raster-light microscope in which the light emitted by a light source is directed in parallel by means of a collimating lens acting as part of the projecting lens. The collimated light propagates in the direction parallel to the scanning direction of the microscope. That is why the collimated light beam falls - regardless of the current position of the back and forth movable unit - always from the identical direction to the mirror, which is fixed in the reciprocating unit. As a result, the light beam from the mirror to the sample is always reflected in the same direction and in collimated form. This koilimierte light is focused after a 90 ° reflection at the mirror by means of another projectile lens, which is also fixed in the reciprocating unit, in a first focal point. Therefore, the sample can be scanned by the reciprocating unit and by the light of a light source attached to the reciprocating unit. However, it is preferable to mount the light source and photodetector outside the reciprocating unit to make this unit simpler and easier to enable rapid scanning.
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein alternatives optisches System
bzw. ein alternatives optisches Verfahren vorzuschlagen, das bei
einfacherer, flexiblerer System-Bauweise bzw. Systemverwendung zusätzliche
Möglichkeiten
erschliesst und im Wesentlichen die Vorteile des Standes der Technik
aufweist.task
The present invention is an alternative optical system
or to propose an alternative optical method, the
simpler, more flexible system design or system usage additional
options
essentially reveals the advantages of the state of the art
having.
Diese
Aufgabe wird – gemäss einem
ersten Aspekt – mit
einem System entsprechend der Merkmalskombination des unabhängigen Anspruchs
1 gelöst,
in dem zusätzlich
zu den aus dem nächstliegenden
Stand der Technik bekannten Merkmalen des Oberbegriffs vorgeschlagen
wird, dass das optische System eine stetig und nicht durch die Probe
verlaufende, geometrische Achse G umfasst, auf welcher die optische
Anordnung, der zweite Brennpunkt, die Lochblende, das Spektralfilter
und der Detektor – zusammen
mit dem Spiegel und dem Umlenkelement – angeordnet sind, wobei diese
geometrische Achse G im Bereich zwischen dem Spiegel und dem Detektor zumindest
teilweise mit der optischen Achse identisch ist. Weitere erfindungsgemässe Merkmale
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.These
Task becomes - according to one
first aspect - with
a system according to the feature combination of the independent claim
1 solved,
in addition
to the nearest
Prior art known features of the preamble proposed
It will make the optical system steady and not through the sample
extending geometric axis G includes, on which the optical
Arrangement, the second focal point, the pinhole, the spectral filter
and the detector - together
with the mirror and the deflection - are arranged, these
geometric axis G in the area between the mirror and the detector at least
partially identical to the optical axis. Further inventive features
arise from the dependent ones
Claims.
Diese
Aufgabe wird – gemäss einem
zweiten Aspekt – mit
einem Verfahren entsprechend der Merkmalskombination des unabhängigen Anspruchs 25
gelöst,
in dem zusätzlich
zu den aus dem nächstliegenden
Stand der Technik bekannten Merkmalen des Oberbegriffs vorgeschlagen
wird, dass ein optisches System mit einer stetig und nicht durch
die Probe verlaufenden, geometrische Achse G bereitgestellt wird,
auf welcher die optische Anordnung, der zweite Brennpunkt, die Lochblende,
das Spektralfilter und der Detektor – zusammen mit dem Spiegel
und dem Umlenkelement – angeordnet
sind, wobei diese geometrische Achse G im Bereich zwischen dem Spiegel
und dem Detektor zumindest zum Teil mit der optischen Achse identisch
ist. Weitere erfindungsgemässe
Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These
Task becomes - according to one
second aspect - with
a method according to the feature combination of independent claim 25
solved,
in addition
to the nearest
Prior art known features of the preamble proposed
is that an optical system with a steady and not through
the sample extending geometric axis G is provided,
on which the optical arrangement, the second focal point, the pinhole,
the spectral filter and the detector - together with the mirror
and the deflection - arranged
are, with this geometric axis G in the area between the mirror
and the detector at least partially identical to the optical axis
is. Further inventive
Features emerge from the dependent claims.
Anhand
von schematischen Zeichnungen, welche lediglich bevorzugte Beispiele
von Ausführungsformen
darstellen und den Umfang der Offenbarung in Bezug auf die vorliegende
Erfindung nicht einschränken,
wird diese Erfindung nun näher
erläutert.
Dabei zeigen:Based
of schematic drawings, which are merely preferred examples
of embodiments
represent and scope of the disclosure in relation to the present
Do not limit the invention,
this invention will now be closer
explained.
Showing:
1 ein
quasi-räumliches
Schema eines optischen Systems gemäss einer ersten Ausführungsform
mit zwei Lasern; 1 a quasi-spatial scheme of an optical system according to a first embodiment with two lasers;
2 einen
vertikalen Teilschnitt eines optischen Systems gemäss einer
zweiten Ausführungsform
mit zumindest einem Laser; 2 a vertical partial section of an optical system according to a second embodiment with at least one laser;
3 einen
vertikalen Teilschnitt eines optischen Systems gemäss einer
dritten Ausführungsform
mit zumindest einem Laser. 3 a vertical partial section of an optical system according to a third embodiment with at least one laser.
1 zeigt
ein quasi-räumliches
Schema eines optischen Systems des Reflexionstyps, gemäss einer
ersten Ausführungsform.
Vorzugsweise ist dieses optische System, zum Anregen und Messen
von Fluoreszenz an oder in mit Fluoreszenzfarbstoffen behandelten
Proben geeignet und umfasst einen ersten Laser 1. Dieser
sendet – zum
Anregen von ersten Fluoreszenzfarbstoffen – Licht einer ersten Wellenlänge 2 aus,
damit diese ersten Fluoreszenzfarbstoffe Licht einer zweiten Wellenlänge 3 emittieren.
Ein Spiegel 4 lenkt das aus dem ersten Laser 1 kommende
und parallel zu einer optischen Achse 5 auf den Spiegel 4 einfallende
Licht der ersten Wellenlänge 2 in
Richtung einer Probe 6 um (vgl. 2 und 3). Ein
Umlenkelement 7 lenkt das Licht 2 aus dem ersten
Laser 1 auf diesen Spiegel 4 um. Eine Optik 8 bildet
einen ersten Brennpunkt 9 für das aus dem ersten Laser 1 einfallende
und durch den Spiegel 4 umgelenkte Licht der ersten Wellenlänge 2.
Eine Einheit 10 umfasst den Spiegel 4 und die
Optik 8. Dieser Spiegel 4 und die Optik 8 sind
in der Einheit 10 gegeneinander unbeweglich angeordnet. 1 shows a quasi-spatial scheme of a reflection-type optical system according to a first embodiment. Preferably, this optical system is suitable for exciting and measuring fluorescence on or in samples treated with fluorescent dyes and comprises a first laser 1 , This sends - to excite the first fluorescent dyes - light of a first wavelength 2 out, so that these first fluorescent dyes light a second wavelength 3 emit. A mirror 4 directs this from the first laser 1 coming and parallel to an optical axis 5 on the mirror 4 incident light of the first wavelength 2 in the direction of a sample 6 um (cf. 2 and 3 ). A deflecting element 7 directs the light 2 from the first laser 1 on this mirror 4 around. An optic 8th forms a first focal point 9 for that from the first laser 1 incident and through the mirror 4 redirected light of the first wavelength 2 , One unity 10 includes the mirror 4 and the optics 8th , This mirror 4 and the optics 8th are in unity 10 immovably arranged against each other.
Diese
Einheit 10 ist linear entlang der optischen Achse 5 hin-und-her
beweglich angeordnet und mit einem oszillierenden Linearantrieb 11 wirkverbunden.
Der oszillierende Linearantrieb 11 kann z.B. als Stapel
von Piezoelementen; als mechanischer, z.B. eine Pleuelstange umfassender
Antrieb oder auch als durch Ultraschallwellen angeregter, natürlich oszillierender
Festkörper
ausgebildet sein. Bevorzugt ist jedoch die Ausbildung eines oszillierenden
Linearantriebs 11 als "Voice
coil", wie dies
in US 5,260,569 und
insbesondere in US 5,880,465 beschrieben
ist. Dabei wird eine Einrichtung zur Erzeugung der hin-und-her Bewegung
verwendet, welche im Wesentlichen einem Lautsprecher entspricht,
wobei die Membranbewegungen mittels einer Wirkverbindung auf die
Einheit 10 übertragen
werden.This unit 10 is linear along the optical axis 5 arranged back and forth movable and with an oscillating linear drive 11 operatively connected. The oscillating linear drive 11 can eg as a stack of piezo elements; be formed as a mechanical, for example, a connecting rod comprehensive drive or as excited by ultrasonic waves, naturally oscillating solid. However, preferred is the formation of an oscillating linear drive 11 as a "voice coil" as in US 5,260,569 and in particular in US 5,880,465 is described. In this case, a device for generating the reciprocating movement is used, which essentially corresponds to a loudspeaker, wherein the membrane movements by means of an operative connection to the unit 10 be transmitted.
Diese
Optik 8 ist entsprechend ausgebildet, dass sie zudem als
Kollimator für
das von den ersten Fluoreszenzfarbstoffen emittierte Licht zweiter
Wellenlänge 3 ("von der Probe stammendes
Licht") wirkt. Der
Spiegel 4 lenkt zudem dieses kollimierte Licht 12 entgegengesetzt
zu der Einfallsrichtung des Lichtes erster Wellenlänge 2 und
parallel zu der optischen Achse 5 um.This look 8th is suitably designed such that it also acts as a collimator for the second wavelength light emitted by the first fluorescent dyes 3 ("sample-derived light"). The mirror 4 also directs this collimated light 12 opposite to the direction of incidence of the first wavelength light 2 and parallel to the optical axis 5 around.
Dieses
optische System umfasst ausserdem einen zumindest in Richtung der
X- und Z-Raumachsen
bewegbaren Tisch 13 für
mit zumindest einem ersten Fluoreszenzfarbstoff behandelten Proben 6 und
zum Ausrichten der Probe 6 gegenüber dem ersten Brennpunkt 9.
Vorzugsweise ist der Tisch 13 zudem in Richtung der Y-Raumachse
bewegbar, wobei die X-Achse und die Y-Achse zumindest näherungsweise
parallel zu der Oberfläche 15 eines
Probenträgers 14 verlaufen.This optical system also includes a movable at least in the direction of the X and Z spatial axes table 13 for samples treated with at least one first fluorescent dye 6 and for aligning the sample 6 opposite the first focus 9 , Preferably, the table is 13 also movable in the direction of the Y-space axis, wherein the X-axis and the Y-axis at least approximately parallel to the surface 15 a sample carrier 14 run.
Die
X-, Y- und Z-Raumachsen stehen alle zumindest näherungsweise rechtwinklig zueinander, wobei
sich die Y-Achse parallel zu einem horizontal verlaufenden Teil
der optischen Achse 5 und zur ebenfalls horizontal verlaufenden
geometrischen Achse G erstreckt.The X, Y and Z spatial axes are all at least approximately at right angles to each other, with the Y axis parallel to a horizontally extending part of the optical axis 5 and extends to the likewise horizontal geometric axis G.
Vorzugsweise
ist der Tisch 13 mehrteilig gebaut und umfasst einen in
Richtung der X-Achse über eine
kleinere Distanz (dünner
Pfeil) beweglichen Teil 13',
einen in Richtung der X-Achse über
eine grössere
Distanz (dicker Doppelpfeil) beweglichen Teil 13'' und einen in Richtung der Y-Achse über eine
grössere
Distanz (dicker Doppelpfeil) beweglichen Teil 13'''. Der
ganze Tisch 13 oder zumindest der Teil 13' ist in Richtung
der Z-Achse beweglich. Zum Bewegen der Teile des Tisches 13 werden
vorzugsweise Elektromotoren eingesetzt.Preferably, the table is 13 built in several parts and includes a in the direction of the X-axis over a smaller distance (thin arrow) moving part 13 ' , an in the direction of the X-axis over a greater distance (thick double arrow) moving part 13 '' and a movable in the direction of the Y-axis over a greater distance (thick double arrow) part 13 ''' , The whole table 13 or at least the part 13 ' is movable in the direction of the Z-axis. To move the parts of the table 13 are preferably used electric motors.
Als
Probenträger 14 sind
beispielsweise Objektträger
aus Glas geeignet, wie diese aus der Lichtmikroskopie seit langem
bekannt sind. Andere bzw. ähnliche
Probenträger
können
aus Kunststoff hergestellt sein. Wieder andere, im Wesentlichen
flache, z.B. auch für
die Rastertunnelmikroskopie geeignete Probenträger können aus Silizium oder pyrolytischem
Graphit und dergleichen, ausgebildet sein bzw. diese Stoffe umfassen.
Es kann auch vorgesehen sein, dass Probenträger verwendet werden, welche
eine definierte Einteilung auf der Oberfläche aufweisen. Diese Einteilung
kann in einer regelmässigen
rillenförmigen
Unterteilung bestehen; sie kann aber auch ein Array von Vertiefungen
aufweisen. Beispiele solcher ein Array von Vertiefungen aufweisenden
Probenträgern
sind Silizium- oder Glasplatten mit einer Vielzahl von eingeätzten Vertiefungen.
Weitere Beispiele sind Standard-MikrotiterplattenTM (Handelsmarke
von Beckman Coulter, Inc., 4300 N. Harbour Blvd., P.O. Box 3100
Fullerton, CA, USA 92834) oder "Mikroplatten", welche 96, 384,
1536 oder mehr Vertiefungen in der Form von Töpfchen oder sogenannten "Wells" umfassen.As a sample carrier 14 For example, glass slides are suitable, as they have long been known from light microscopy. Other or similar sample carriers may be made of plastic. Still other, substantially flat, eg also suitable for scanning tunneling microscopy sample carrier may be made of silicon or pyrolytic graphite and the like, or comprise these substances. It can also be provided that sample carriers are used which have a defined graduation on the surface. This division may consist of a regular groove-shaped subdivision; but it can also have an array of pits. Examples of such an array of wells are silicon or glass plates having a plurality of etched depressions. Further examples are standard microtiter plates TM (trademark of Beckman Coulter, Inc., 4300 N. Harbor Blvd., PO Box 3100 Fullerton, CA, USA 92834) or "microplates" which have 96, 384, 1536 or more wells in the mold of potty or so-called "wells" include.
Während trockene
oder zumindest angetrocknete oder immobilisierte Proben bevorzugt
zur Untersuchung auf Objektträgern
präpariert
werden, können
Probenträger 14 mit
Vertiefungen bzw. Wells flüssige
oder sich in einer Flüssigkeit
befindliche Proben 6 aufnehmen. Als besonders geeignet
erwiesen hat sich für
den Gebrauch im erfindungsgemässen optischen
System ein Rahmen 31, der im Wesentlichen die Aussenmasse
einer Mikroplatte aufweist. Dieser Rahmen passt deshalb in bzw.
auf den gleichen Probentisch 13 wie eine Mikroplatte und
kann dort auch entsprechend einer Mikroplatte automatisch, d.h.
mit einem Roboterarm platziert oder weggenommen werden. Dieser Rahmen 31 ist
zum Aufnehmen und Halten von mehreren Objektträgern, insbesondere aus Kunststoff,
Glas, Sili zium, pyrolytischem Graphit und dergleichen, ausgebildet.
Speziell bewährt
hat sich das Anordnen von 4 Glasobjektträgern auf einem solchen Rahmen.
Dabei werden die Objektträger 14 beispielsweise
wie in 1 dargestellt bzw. in einer Reihe, Längskante
an Längskante – jeweils
zusammengeschoben oder zueinander etwas beabstandet (vgl. 1) – angeordnet. Der
Rahmen 31 wird vorzugsweise aus Kunststoff und im Spritzgussverfahren
hergestellt, womit der Herstellungspreis niedrig und die Massgenauigkeit hoch
gehalten werden kann. Diese Massgenauigkeit erleichtert wesentlich
den Einsatz von solchen Rahmen 31 in allen möglichen
Geräten
zum automatisierten Handling von Mikroplatten. Selbstverständlich können die
Rahmen 31 auch von Hand mit den Objektträgern 14 bestückt und
in das erfindungsgemässe
optische System eingesetzt werden. Mit Objektträgern 14 bestückte Rahmen 31 erleichtern
zudem das weitere Handling dieser so gesicherten Objektträger, welche
nun zwischen den in Geräten
zum automatisierten Handling vorzunehmenden Prozessschritten nicht
mehr direkt angefasst werden müssen.While dry or at least dried or immobilized samples are preferably prepared for examination on microscope slides, sample carriers 14 with wells or wells liquid or in a liquid samples 6 take up. Has proved to be particularly suitable for use in the inventive optical system, a frame 31 which essentially has the outer dimensions of a microplate. Therefore, this frame fits in or on the same sample table 13 like a microplate and can be placed there according to a microplate automatically, ie with a robotic arm or taken away. This frame 31 is for receiving and holding a plurality of slides, in particular plastic, glass, Sili zium, pyrolytic graphite and the like, formed. The arrangement of 4 glass slides on such a frame has proven to be particularly suitable. This will be the slides 14 for example as in 1 shown or in a row, longitudinal edge on the longitudinal edge - each pushed together or slightly spaced from each other (see. 1 ) - arranged. The frame 31 is preferably made of plastic and injection molding, whereby the production price can be kept low and the dimensional accuracy high. This dimensional accuracy significantly facilitates the use of such frames 31 in all kinds of devices for the automated handling of microplates. Of course, the frames 31 also by hand with the slides 14 equipped and used in the inventive optical system. With slides 14 stocked frame 31 Furthermore, it facilitates the further handling of these secured slides, which no longer have to be touched directly between the process steps to be carried out in devices for automated handling.
Das
optische System umfasst zudem eine optische Anordnung 16 zum
Abbilden eines zweiten Brennpunktes 17 mit dem durch die
ersten Fluoreszenzfarbstoffe emittierten, durch die Optik 8 kollimierten
und den Spiegel 4 umgelenkten Licht der zweiten Wellenlänge 3 ("von der Probe stammendes
Licht"). Eine im
zweiten Brennpunkt 17 angeordnete Lochblende 18 dient
zum Ausblenden von Licht der zweiten Wellenlänge 3, welches weiter
entfernt als in einem bestimmten Abstand vom Brennpunkt 17 auf diese
Lochblende 18 auftrifft. Vorzugsweise ist diese Lochblende 18 auswechselbar
ausgebildet, damit mittels verschiedenen Durchmessern dieser Konfokalaperturblende
die Schärfe
bzw. die Helligkeit des zweiten Brennpunktes je nach Erfordernis
erhöht oder
erniedrigt werden kann. Speziell bei extrem schlechten Lichtverhältnissen
kann eine grössere Blende,
die eine Reduktion der Abbildungsschärfe bewirkt von Nutzen sein.
Eine auswechselbare Lochblende 18 erlaubt eine Auswahl
von unterschiedlichen Lochdurchmessern zur Anpassung der Abbildung
im zweiten Brennpunkt 17 an das Probenvolumen bzw. an die
gewünschte
Eindringtiefe des Anregungsstrahls in der Probe sowie die Auswahl
der entsprechenden Tiefenschärfe
der Detektoranordnung.The optical system also includes an optical arrangement 16 for imaging a second focal point 17 with the through the optics emitted by the first fluorescent dyes 8th collimated and the mirror 4 deflected light of the second wavelength 3 ("sample-derived light"). One in the second focus 17 arranged pinhole 18 serves to hide light of the second wavelength 3 which is farther away than at a certain distance from the focal point 17 on this pinhole 18 incident. Preferably, this pinhole 18 formed exchangeable, so that the sharpness and the brightness of the second focal point can be increased or decreased as required by means of different diameters of this Konfokalaperturblende. Especially in extremely low light conditions, a larger aperture, which reduces the sharpness of image will be of benefit. A replaceable pinhole 18 allows a choice of different hole diameters to match the image in the second focus 17 to the sample volume or to the desired penetration depth of the excitation beam in the sample as well as the selection of the corresponding depth of field of the detector arrangement.
Das
optische System umfasst auch ein erstes Spektralfilter 19 zum
Auswählen
eines Anteils des durch die Lochblende 18 durchgehenden
Lichtes der zweiten Wellenlänge 3 und
einen ersten Detektor 20 zum Messen der Intensität des von
der Lochblende 18 durchgelassenen und vom ersten Spektralfilter 19 ausgewählten Teil
des Lichtes der zweiten Wellenlänge 3 ("von der Probe stammendes
Licht").The optical system also includes a first spectral filter 19 for selecting a portion of the through the pinhole 18 continuous light of the second wavelength 3 and a first detector 20 for measuring the intensity of the pinhole 18 transmitted and from the first spectral filter 19 selected part of the light of the second wavelength 3 ("sample-derived light").
Das
erfindungsgemässe
optische System umfasst eine stetig und nicht durch die Probe verlaufende,
geometrische Achse G, auf welcher die optische Anordnung 16,
der zweite Brennpunkt 17, die Lochblende 18, das
erste Spektralfilter 19 und der erste Detektor 20 – zusammen
mit dem Spiegel 4 und dem Umlenkelement 7 – angeordnet
sind, wobei diese geometrische Achse G im Bereich zwischen dem Spiegel 4 und
dem ersten Detektor 20 zumindest teilweise mit der optischen
Achse 5 identisch ist.The optical system according to the invention comprises a continuous and not through the sample extending, geometric axis G, on which the optical arrangement 16 , the second focal point 17 , the pinhole 18 , the first spectral filter 19 and the first detector 20 - together with the mirror 4 and the deflecting element 7 Are arranged, said geometric axis G in the region between the mirror 4 and the first detector 20 at least partially with the optical axis 5 is identical.
Diese
gemeinsame Anordnung auf der geometrischen Achse G hat den Vorteil,
dass das Abrastern der Probe mittels einer sehr einfach gebauten hin-und-her
beweglichen Einheit 10 mit hoher Geschwindigkeit erfolgen
kann. Tatsächlich
umfasst diese Einheit 10 nur den Spiegel 4 und
die Optik 8. Die Oszillationsfrequenz beträgt vorzugsweise
20 Hz, wobei die Oszillationsamplitude D bis zu 25 mm oder mehr
betragen kann.This common arrangement on the geometric axis G has the advantage that the scanning of the sample by means of a very simply built back and forth movable unit 10 can be done at high speed. In fact, this unit includes 10 only the mirror 4 and the optics 8th , The oscillation frequency is preferably 20 Hz, and the oscillation amplitude D may be up to 25 mm or more.
Das
Licht des entfernt von dieser Einheit 10 platzierten Lasers 1 und
auch das von der Probe stammende, parallel entgegengesetzt zu demjenigen des
Lasers 1 verlaufende Licht stellt eine rein optische Verbindung
zwischen dem Rasterteil des Systems und dem Anregungs- und Messteil
desselben dar, so dass keine Schwingungen vom Rasterteil auf den
Messteil des Systems übertragen
werden. Zudem ermöglicht
es diese Anordnung direkt das gebündelte Licht 2 eines
Lasers 1 ins optische System einzuspeisen. Der Spiegel 4 lenkt
den gebündelten Laserstrahl 2 auf
die Optik 8, welche wiederum den resultierenden Fokuspunkt
immer an die gleiche Stelle auf der optischen Achse 5 lenkt.
Diese optische Achse 5 verläuft zwischen dem Spiegel 4 und
der Probe 6 vorzugsweise senkrecht. Dieses optische, auf
der Einkopplung eines gebündelten
Laserstrahls basierende System erleidet weniger Lichtverluste als solche,
die einen kollimierten Lichtstrahl einspeisen und ablenken, um einen
ersten Brennpunkt zu erhalten.The light of the away from this unit 10 placed laser 1 and also from the sample, in parallel opposite to that of the laser 1 extending light represents a purely optical connection between the raster portion of the system and the excitation and measuring part of the same, so that no vibrations are transmitted from the raster portion of the measuring part of the system. In addition, this arrangement allows the bundled light directly 2 a laser 1 to feed into the optical system. The mirror 4 directs the bundled laser beam 2 on the optics 8th which in turn causes the resulting focus point always at the same location on the optical axis 5 directs. This optical axis 5 runs between the mirror 4 and the sample 6 preferably perpendicular. This optical system based on the coupling of a collimated laser beam suffers less light losses than those which feed and deflect a collimated light beam to obtain a first focal point.
In
dem erfindungsgemässen
System ist die optische Achse 5 entlang einem vorzugsweise
horizontal verlaufenden Teil der geometrischen Achse G identisch.
In einer Richtung parallel zu diesen Achsen 5, G wird ein
gebündelter
Laserstrahl zum Anregen der Probe und in dazu entgegengesetzter
Richtung ein kollimierter Strahl mit von der Probe stammendem Licht
verwendet. Dadurch kann das Umlenkelement 7, welches den
Laserstrahl 2 in Richtung des Spiegels 4 beugen
soll, welches für
den kollimierten Lichtstrahl aber durchlässig sein soll, eine einfache Glasscheibe
sein. Typischerweise werden an einer Grenzfläche Glas/Luft ca. 4% eines
Lichtstrahls reflektiert und ca. 96% transmittiert. Eine Vergütung (Entspiegelung)
erhöht
im Bedarfsfalle die Transmission und verringert die Reflexion einer
solchen Glasscheibe. Diese einfache Glasscheibe ersetzt die aus US 5,260,569 bekannten und
teureren Polarisationsstrahlteiler (siehe dort 1,
Bezugszeichen 13) und Viertelwellenplatten (siehe dort 1,
Bezugszeichen 18), welche im Stand der Technik nötig sind, weil
in beiden Richtungen ein kollimierter Lichtstrahl, der jeweils die
ganze Fläche
der Spiegel und Filter braucht, verwendet wird.In the system according to the invention, the optical axis is 5 along a preferably horizontally extending part of the geometric axis G identical. In a direction parallel to these axes 5 , G is a collimated laser beam for exciting the sample and in the opposite direction, a collimated beam with light originating from the sample is used. As a result, the deflecting element 7 which the laser beam 2 in the direction of the mirror 4 which is supposed to be permeable to the collimated light beam, should be a simple glass pane. Typically, about 4% of a light beam is reflected at an interface glass / air and about 96% is transmitted. A coating (antireflection coating) increases the transmission in case of need and reduces the reflection of such a glass pane. This simple glass pane replaces the one US 5,260,569 known and more expensive polarization beam splitter (see there 1 , Reference number 13 ) and quarter wave plates (see there 1 , Reference number 18 ), which are necessary in the prior art, because in both directions, a collimated light beam, which requires the entire surface of the mirror and filter, is used.
Ein
weiterer Vorteil dieses erfindungsgemässen Systems besteht darin,
dass der Laserstrahl 2 zum Anregen der Probenfluoreszenz
wohl parallel zur, aber nicht im Zentrum der optischen Achse 5 und nicht
im Zentrum der geometrischen Achse G verlaufen muss. Dies ist vor
allem für
das Bestimmen einer gegenseitig optimalen Z-Position von Probe 6 und erstem
Brennpunkt 9 von Vorteil. Der Laserstrahl verläuft dann
vorzugsweise in einem Abstand (A) zu der mit der geometrischen Achse
G identischen optischen Achse 5. Es ist also eine "azentrische Beleuchtung" der Probe möglich, wie
dies in z.B. den 2 und 3 dargestellt
ist.Another advantage of this inventive system is that the laser beam 2 for exciting the sample fluorescence probably parallel to, but not in the center of the optical axis 5 and not in the center of the geometric axis G must pass. This is primarily for determining a mutually optimal Z position of sample 6 and first focus 9 advantageous. The laser beam then preferably runs at a distance (A) from the optical axis identical to the geometric axis G. 5 , So it is an "acentric illumination" of the sample possible, as in the example 2 and 3 is shown.
Des
Weiteren besteht im erfindungsgemässen System die Möglichkeit,
ein bevorzugtes Umlenkelement 7 zu verwenden, welches zum
Umlenken des Lichtes 2 aus dem ersten Laser 1 in
eine zu der optischen Achse 5 parallelen Richtung auf diesen Spiegel 4 einen
für den
Laserstrahl 2 bestimmten, hochspiegelnden Bereich 21 umfasst
und in seinen übrigen
Bereichen sowohl für
das Licht der ersten 2 als auch der zweiten Wellenlänge 3 im
Wesentlichen durchlässig
ist. Damit ergibt sich bei der Verwendung eines solchen "Pinspiegels" gegenüber der
als Umlenkelement 7 verwendeten, einfachen Glasplatte eine
stark verbesserte Ausbeute für
das gebündelte Laserlicht
zum Anregen der Fluoreszenz der Fluoreszenzfarbstoffe in oder an
den Proben 6. Der Verlust von ca. 5% des von der Probe
stammenden und am hochspiegelnden Bereich 21 umgelenkten
Lichtes fällt
hier nicht ins Gewicht.Furthermore, in the system according to the invention there is the possibility of a preferred deflecting element 7 to use, which for deflecting the light 2 from the first laser 1 in one to the optical axis 5 parallel direction on this mirror 4 one for the laser beam 2 certain highly reflective area 21 covers and in its remaining areas both for the light of the first 2 as well as the second wavelength 3 is essentially permeable. This results in the use of such a "pin mirror" relative to the deflection element 7 Simple glass plate used a greatly improved yield for the collimated laser light to excite the fluorescence of the fluorescent dyes in or on the samples 6 , The loss of about 5% of the originating from the specimen and the high specular area 21 deflected light does not matter here.
Um
das Gerät
kompakter zu machen, kann vorgesehen sein, dass das optische System
zudem einen einfachen Spiegel zum Spiegeln der zwischen dem Umlenkelement 7 und
dem Spiegel 4 verlaufenden Lichtstrahlen umfasst (nicht
gezeigt). Dieser einfache Spiegel ist dann ebenfalls in der geometrischen Achse
(G) angeordnet. Allerdings werden in diesem Fall die optische Anordnung 16,
der zweite Brennpunkt 17, die Lochblende 18, das
erste Spektralfilter 19 und der erste Detektor 20 – entsprechend
der Ablenkung durch den einfachen Spiegel – auf einer von G verschiedenen
geometrischen Achse G' angeordnet.To make the device more compact, it can be provided that the optical system a simple mirror for mirroring between the deflector 7 and the mirror 4 extending light rays includes (not shown). This simple mirror is then also arranged in the geometric axis (G). However, in this case, the optical arrangement 16 , the second focal point 17 , the pinhole 18 , the first spectral filter 19 and the first detector 20 - According to the deflection by the simple mirror - arranged on a different geometric G G '.
Das
in 1 dargestellte optische System mit zwei vorzugsweise
monochromatischen Lasern unterschiedlicher Wellenlänge umfasst
zudem einen zweiten Laser 1',
der – zum
Anregen von zweiten Fluoreszenzfarbstoffen – zum Licht der ersten Wellenlänge 2 parallel
verlaufendes Licht einer dritten Wellenlänge 2' aussendet, damit diese Fluoreszenzfarbstoffe
Licht einer vierten Wellenlänge 3' emittieren. Ein
zweites Spektralfilter 19' wählt einen
Anteil des Lichtes der vierten Wellenlänge 3' aus und ein zweiter Detektor 20' misst die Intensität des vom
zweiten Spektralfilter 19' ausgewählten Teils
des Lichtes der vierten Wellenlänge 3'. Zudem ist
ein Strahlteilerelement 26 vorgesehen, welches für das durch
die ersten Fluoreszenzfarbstoffe emittierte und durch die Optik 8 kollimierte
Licht 12 der zweiten Wellenlänge 3 zumindest teilweise
durchlässig
ist und welches zum Spiegeln bzw. Auslenken des Lichts der vierten Wellenlänge 3' aus der geometrischen
Achse G in Richtung eines zweiten Detektors 20' ausgebildet
ist. Dieses Strahlteilerelement 26 kann als Dichroidspiegel
oder beispielsweise auch als 50%-Strahlteiler ausgelegt sein.This in 1 illustrated optical system with two preferably monochromatic lasers of different wavelength also includes a second laser 1' , which - for exciting second fluorescent dyes - to the light of the first wavelength 2 parallel light of a third wavelength 2 ' emits so that these fluorescent dyes light of a fourth wavelength 3 ' emit. A second spectral filter 19 ' selects a portion of the light of the fourth wavelength 3 ' off and a second detector 20 ' measures the intensity of the second spectral filter 19 ' selected portion of the light of the fourth wavelength 3 ' , In addition, a beam splitter element 26 provided, which for the emitted by the first fluorescent dyes and the optics 8th collimated light 12 the second wavelength 3 is at least partially transmissive and which for mirroring or deflecting the light of the fourth wavelength 3 ' from the geometric axis G in the direction of a second detector 20 ' is trained. This beam splitter element 26 may be designed as a dichroic mirror or, for example, as a 50% beam splitter.
Eine
Objektbeleuchtung 30 z.B. in Form einer einfachen Lampe,
ist vorzugsweise ebenfalls entfernt von der Einheit 10 vorgesehen,
damit die abzurasternden Objekte bei Bedarf lichtoptisch betrachtet bzw.
abgebildet werden können.
Das verwendete Licht wird mittels eines auf den Achsen 5,
G angeordneten Dichroidspiegels eingespiesen. Die Spektralfilter 19, 19' sind so ausgelegt,
dass sie dieses Licht ausfiltern. Ein eigener Detektor (nicht gezeigt)
kann vorgesehen sein, um das visuelle Bild der Proben 6 festzuhalten.
Alternativ kann auch der Detektor 20 genutzt werden, um
die Probe beispielsweise im Fluoreszenzmodus abzurastern.An object lighting 30 eg in the form of a simple lamp, is preferably also removed from the unit 10 provided so that the objects to be scanned can be viewed or imaged, if necessary, optically. The light used is by means of one on the axes 5 G arranged dichroic mirror gimmed. The spectral filters 19 . 19 ' are designed to filter out this light. A separate detector (not shown) may be provided to view the visual image of the samples 6 hold. Alternatively, the detector can also be used 20 be used to scan the sample, for example, in fluorescence mode.
2 zeigt
einen vertikalen Teilschnitt eines optischen Systems, zum Anregen
und Messen von Fluoreszenz an oder in mit Fluoreszenzfarbstoffen behandelten
Proben, gemäss
einer zweiten Ausführungsform.
Dieses optische System umfasst alle Merkmale von Anspruch 1. Für diese
zweite, etwas einfachere Ausführungsform
ist nur ein monochromatischer Laser 1 vorgesehen. Der Tisch 13 ist
zudem in Richtung der Y-Raumachse bewegbar, wobei X- und Y-Achse
zumindest näherungsweise
parallel zu der Oberfläche 15 eines
Probenträgers 14 verlaufen.
Die unter der 1 besprochenen Probenträger können alle
auch in dieser Ausführungsform
eingesetzt werden. 2 shows a vertical partial section of an optical system, for exciting and measuring fluorescence on or in samples treated with fluorescent dyes, according to a second embodiment. This optical system comprises all the features of claim 1. For this second, somewhat simpler embodiment is only a monochromatic laser 1 intended. The table 13 is also movable in the direction of the Y-space axis, wherein X- and Y-axis at least approximately parallel to the surface 15 a sample carrier 14 run. The under the 1 All discussed sample carriers can all be used in this embodiment as well.
Das
Umlenkelement 7 zum Umlenken des Lichtes 2 aus
dem ersten Laser 1 in eine zu der optischen Achse 5 parallelen
Richtung auf diesen Spiegel 4 umfasst einen für den Laserstrahl 2 bestimmten,
hochspiegelnden Bereich 21. In seinen übrigen Bereichen ist das Umlenkelement 7 sowohl
für das Licht
der ersten 2 als auch der zweiten Wellenlänge 3 im
Wesentlichen durchlässig.
Der hochspiegelnde Bereich 21 des Umlenkelements 7 ist
in einem Abstand A zu der mit der geometrischen Achse G identischen
optischen Achse 5 angeordnet, so dass der Strahlengang
für das
aus dem Laser 1 kommende Licht der ersten Wellenlänge 2 parallel
und in dem Abstand A zu diesen Achsen 5, G verläuft.The deflecting element 7 for redirecting the light 2 from the first laser 1 in one to the optical axis 5 parallel direction on this mirror 4 includes one for the laser beam 2 certain highly reflective area 21 , In its other areas is the deflecting element 7 both for the light of the first 2 as well as the second wavelength 3 essentially permeable. The high-reflectance area 21 of the deflecting element 7 is at a distance A from the optical axis identical to the geometric axis G. 5 arranged so that the beam path for the out of the laser 1 coming light of the first wavelength 2 parallel and at the distance A to these axes 5 , G runs.
Eine
lichtundurchlässige
Blende 22 ist zum zeitweisen Ausblenden eines zum Fokussieren
und Anregen benutzten und von der Probe 6 reflektierten Laserstrahls
zwischen dem Umlenkelement 7 und der optischen Anordnung 16 angeordnet.
Im gezeigten Zustand ist diese Blende 22 in den Strahlengang geschoben.An opaque aperture 22 is used to temporarily hide one used for focusing and stimulation and the sample 6 reflected laser beam between the deflecting element 7 and the optical arrangement 16 arranged. In the state shown, this aperture 22 pushed into the beam path.
Das
vom Laser 1 kommende, gebündelte Licht 2 wird
am hochspiegelnden Bereich 21 des Umlenkelements 7 in
Richtung des – vorzugsweise
gegenüber
der Horizontalen um 45° geneigten
Spiegels 4, parallel zu den Achsen 5, G und im
Abstand A zu diesen Achsen abgelenkt. Der Spiegel 4 lenkt
diesen gebündelten
Laserstrahl 2 parallel und im Abstand A zur nun zumindest
näherungsweise
senkrecht verlaufenden optischen Achse 5 um, worauf der
Laserstrahl in der optischen Achse 5 liegenden Brennpunkt 9 gelenkt
wird. Der bisher beschriebene Verlauf des Laserstrahls 2 wird
für die
Fokussierung, d.h. für
das Festlegen eines optimalen Arbeitsabstandes zwischen Optik 8 und
Probe 6 verwendet. Dabei wird (wie später beschrieben) die gegenseitige
Position von Brennpunkt 9 und Probe 6 bestimmt
und eingestellt. Der auf den Brennpunkt 9 konzentrierte
Fokussierstrahl 25 weist einen Fleckdurchmesser zwischen dem
Beugungslimit und 2 mm auf. Ein bevorzugter Fleckdurchmesser beträgt weniger
als 15 μm.
Der Fokussierstrahl 25 wird von der Probe reflektiert und erreicht
in einem Abstand von der optischen Achse 5 wieder den Spiegel 4,
welcher diesen Reflexionsstrahl in paralleler Richtung zu den horizontal
verlaufenden Achsen 5, G ablenkt.The laser 1 coming, bundled light 2 becomes at the highly reflective area 21 of the deflecting element 7 in the direction of - preferably inclined to the horizontal by 45 ° mirror 4 , parallel to the axes 5 , G and deflected at a distance A to these axes. The mirror 4 directs this bundled laser beam 2 parallel and at a distance A to the now at least approximately perpendicular optical axis 5 around, whereupon the laser beam in the optical axis 5 lying focal point 9 is steered. The course of the laser beam described so far 2 is used for focusing, ie for setting an optimal working distance between optics 8th and sample 6 used. This will (as described later) the mutual position of focus 9 and sample 6 determined and adjusted. The focus 9 concentrated focusing beam 25 has a spot diameter between the diffraction limit and 2 mm. A preferred spot diameter is less than 15 μm. The focusing beam 25 is reflected from the sample and reaches at a distance from the optical axis 5 again the mirror 4 , which reflects this reflection beam in a direction parallel to the horizontal axes 5 , G distracts.
Zum
Bestimmen eines exakten Arbeitsabstandes – der vorzugsweise bis zu 7
mm beträgt, aber
auch mehr oder weniger betragen kann – ist diese azentrische Beleuchtung
speziell gut geeignet, weil der Laserstrahl in einem Winkel auf
die Probe auftrifft, der kleiner ist als 90°. Es ist einsichtig, dass mit
abnehmendem Einfallswinkel die Genauigkeit bzw. die Auflösung in
Richtung der Z-Achse steigt, während
ein Einfallswinkel von 90° die
geringste Auflösung
in Richtung der Z-Achse
erlaubt, weil z.B. unter Umständen
nicht festzustellen ist, in welcher Tiefe sich der Brennpunkt 9 innerhalb
einer Probe 6 befindet. Aus dem Gesagten folgt zudem, dass
die Auflösung
des optischen Systems in Richtung der Z-Achse mit zunehmendem Abstand
A ansteigt. Der parallel zu den Achsen 5, G verlaufende
Reflexionsstrahl wird durch eine optische Anordnung 16 in
den zweiten Brennpunkt 17 gelenkt, wo er die Lochblende 18 durchtritt.
Das Spektralfilter ist jetzt vorzugsweise aus dem Strahlengang gezogen
oder durch ein Neutraldichtefilter (Graufilter) ersetzt, so dass
der Reflexionsstrahl auf dem Detektor 20 auftrifft und
von diesem die Intensität
des Reflexionsstrahls gemessen werden kann.To determine an exact working distance - which is preferably up to 7 mm, but can also be more or less - this acentric illumination is particularly well suited because the laser beam impinges on the sample at an angle which is smaller than 90 °. It is obvious that with decreasing angle of incidence the accuracy or the resolution increases in the direction of the Z-axis, while an angle of incidence of 90 ° allows the lowest resolution in the direction of the Z-axis, because, for example, it is not possible to determine the depth at which the focal point 9 within a sample 6 located. From the above it also follows that the resolution of the optical system in the direction of the Z-axis increases with increasing distance A. The parallel to the axes 5 G running reflection beam is through an optical arrangement 16 in the second focus 17 directed where he pinhole 18 passes. The spectral filter is now preferably pulled out of the beam path or replaced by a neutral density filter (gray filter), so that the reflection beam on the detector 20 impinges and from this the intensity of the reflection beam can be measured.
Soll
der optimale Arbeitsabstand nicht mit der Reflexion, sondern an
Hand der Intensität
der in oder an den Proben angeregten Fluoreszenz bzw. an Hand von
in oder an der Probe 6 erzeugtem, diffusem Streulicht eingestellt
werden, so wird die Blende 22 in den Strahlengang geschoben
(vgl. 2) und das Spektralfilter 19 bzw. ein
Neutraldichtefilter (Graufilter) vor den Detektor 20 platziert.
Der gebündelte
Laserstrahl 1 wird dann als Anregungsstrahl 24 verwendet,
welcher auf gleiche Weise wie der Fokussierstrahl 25 in
den ersten Brennpunkt 9 gelenkt wird. Ein Teil der sich
im Wesentlichen kalottenförmig
von der Probe 6 ausdehnenden Fluoreszenz wird in der Optik 8 kollimiert
(d.h. parallel gerichtet) und vom Spiegel 4 in Richtung
der optischen Anordnung 16 abgelenkt. Trotz eines kleinen
Verlustes, der im Wesentlichen von der Fläche des hochspiegelnden Bereiches 21 des
Umlenkelements 7 und der Blende 22 bestimmt wird,
trifft dieses kollimierte Fluoreszenzlicht bei der optischen Anordnung 16 ein
und wird im zweiten Brennpunkt 17 fokussiert. Dort durchtritt – je nach dem
gewählten
Durchmesser der Lochblende 18 – ein gewisser Teil des fokussierten
Fluoreszenzlichtes diese Lochblende 18 und das Spektralfilter 19 und wird
vom Detektor 20 detektiert. Zum Abrastern der Probe wird
der gleiche Strahlengang, wie eben beschrieben, verwendet.If the optimal working distance is not with the reflection, but with the intensity of the fluorescence excited in or on the samples or on the basis of in or on the sample 6 be created, diffused scattered light, so the aperture 22 pushed into the beam path (see. 2 ) and the spectral filter 19 or a neutral density filter (gray filter) in front of the detector 20 placed. The bundled laser beam 1 then becomes an excitation beam 24 used, which in the same way as the focusing beam 25 in the first focus 9 is steered. Part of it is essentially dome-shaped from the sample 6 Expansive fluorescence is reflected in optics 8th collimated (ie, collimated) and from the mirror 4 in the direction of the optical arrangement 16 distracted. Despite a small loss, essentially from the area of the highly reflective area 21 of the deflecting element 7 and the aperture 22 is determined, this collimated fluorescent light is incident on the optical arrangement 16 and becomes the second focal point 17 focused. There passes - depending on the selected diameter of the pinhole 18 - A certain part of the focused fluorescent light this pinhole 18 and the spectral filter 19 and is from the detector 20 detected. For scanning the sample, the same beam path, as just described, is used.
Das
erste Spektralfilter 19 ist zwischen der Lochblende 18 und
dem ersten Detektor 20 angeordnet. Es kann auch als Fenster
im Detektor 20 eingesetzt sein. Bevorzugt ist jedoch das
Ausbilden des ersten Spektralfilters 19 als Filterschieber
mit beispielsweise fünf
unterschiedlichen, untereinander automatisch auswechselbaren Filtern,
wobei dieses Spektralfilter 19 manuell gegen einen anderen
Filterschieber mit einem anderen Filtersatz austauschbar ist.The first spectral filter 19 is between the pinhole 18 and the first detector 20 arranged. It can also act as a window in the detector 20 be used. However, it is preferred to form the first spectral filter 19 as a filter slide with, for example, five different, automatically interchangeable filters, this spectral filter 19 manually interchangeable with another filter pack with another filter set.
Dieses
optische System umfasst vorzugsweise einen Computer oder Mikroprozessor
zum Aufzeichnen und Verarbeiten der durch den Detektor 20 erfassten
Messsignale und zum Ausgeben von diesen Signalen entsprechenden
Daten. Dieser Computer oder Mikroprozessor ist zudem vorzugsweise
zum Steuern der Bewegungen des Tisches 13 ausgebildet.
Der in den Richtungen der X- und/oder Y- und/oder Z-Achse verschiebbare Tisch 13 ist
vorzugsweise zudem um die X- und/oder
Y-Achse kippbar ausgebildet.This optical system preferably comprises a computer or microprocessor for recording and processing by the detector 20 recorded measurement signals and for outputting of these signals corresponding data. This computer or microprocessor is also preferably for controlling the movements of the table 13 educated. The movable in the directions of the X and / or Y and / or Z-axis table 13 is preferably also formed tiltable about the X and / or Y axis.
Nach
dem erfindungsgemässen
Verfahren wird ein solches optisches System mit einer stetig und
nicht durch die Probe verlaufenden, geometrischen Achse G bereitgestellt.
Auf dieser geometrischen Achse G wird die optische Anordnung 16,
der zweite Brennpunkt 17, die Lochblende 18, das
erste Spektralfilter 19 und der erste Detektor 20 – zusammen
mit dem Spiegel 4 und dem Umlenkelement 7 – angeordnet.
Dabei ist diese geometrische Achse G im Bereich zwischen dem Spiegel 4 und
dem ersten Detektor 20 zumindest zum Teil mit der optischen Achse 5 identisch.According to the method according to the invention, such an optical system is provided with a geometrical axis G which is continuous and does not extend through the sample. On this geometric axis G, the optical arrangement 16 , the second focal point 17 , the pinhole 18 , the first spectral filter 19 and the first detector 20 - together with the mirror 4 and the deflecting element 7 - arranged. In this case, this geometric axis G is in the region between the mirror 4 and the first detector 20 at least in part with the optical axis 5 identical.
Während dem
Anregen und Messen der von den Proben 6 emittierten Fluoreszenz
wird die Einheit 10 dieses optischen Systems gemäss einer
ersten Verwendungsart fixiert. Der Probentisch 13 wird gleichzeitig
in Richtung der X- und/oder Y-Achse
bewegt, wobei die Y-Achse parallel zu den Achsen 5, G verläuft. Mit
dieser Tischbewegung, welche z.B. durch die Teile 13' (X-Bewegung)
und 13''' (Y-Bewegung) ausgeführt werden
kann, wird bei kontinuierlicher Anregung und Messung ein Linienscan,
bei Punktanregung und Punktmessung ein Punktscan, auf oder in den
Proben 6 ermöglicht.While stimulating and measuring the of the samples 6 emitted fluorescence becomes the unit 10 this optical system fixed according to a first use. The sample table 13 is simultaneously moved in the direction of the X and / or Y axis, with the Y axis parallel to the axes 5 , G runs. With this table movement, which eg through the parts 13 ' (X-movement) and 13 '' '(Y-motion) can be performed, with continuous excitation and measurement, a line scan, at point excitation and point measurement, a point scan, on or in the samples 6 allows.
Während dem
Anregen und Messen der von den Proben 6 emittierten Fluoreszenz
wird die Einheit 10 dieses optischen Systems gemäss einer
zweiten Verwendungsart in Richtung der Y-Achse hin-und-her bewegt.
Der Probentisch 13 wird gleichzeitig fixiert bzw. in Richtung
der X-Achse bewegt. Mit diesen Bewegungen der Einheit 10 allein
wird bei kontinuierlicher Anregung und Messung ein Linienscan, bei gleichzeitiger
Bewegung von Einheit 10 (Y-Bewegung) und Tisch 13 (Bewegung
des Teils 13' ergibt X-Bewegung)
wird bei kontinuierlicher Anregung und Messung ein Flächenscan
auf oder in den Proben 6 ermöglicht. Die Y-Achse verläuft dabei
parallel zu den Achsen 5, G. Der oszillierende Linearantrieb 11 für die Einheit 10 ist
bevorzugt als "Voice
coil" ausgebildet.While stimulating and measuring the of the samples 6 emitted fluorescence becomes the unit 10 this optical system according to a second mode of use in the direction of the Y-axis back and forth moves. The sample table 13 is simultaneously fixed or moved in the direction of the X-axis. With these movements of unity 10 alone, with continuous excitation and measurement becomes a line scan, with simultaneous movement of unit 10 (Y-movement) and table 13 (Movement of the part 13 ' results in X-motion), with continuous excitation and measurement, a surface scan is performed on or in the samples 6 allows. The Y-axis runs parallel to the axes 5 , G. The oscillating linear drive 11 for the unit 10 is preferably designed as a "voice coil".
Vor
dem effektiven Abrastern (Messen) der Proben wird die Z-Position
der Probenträger
eingestellt.In front
the effective scanning of the samples becomes the Z position
the sample carrier
set.
Als
alternative Lichtquelle für
die Anregung der Fluoreszenz können
Laserpulse oder Lampenblitze verwenden werden. Bevorzugt werden
dann diskrete, einzelne Laserpulse oder diskrete Kleinserien von
wenigen Laserpulsen, welche die Fluoreszenz an je einem Punkt in
oder auf Proben 6 anregt. Speziell beim Messen der Fluoreszenz
in Proben, die z.B. in den 1536 Wells einer hochdichten Mikroplatte vorgelegt
sind, werden vorzugsweise solche Punktmessungen ausgeführt. Zwischen
oder während
den Messungen werden dabei Einheit 10 und Probenträger 14 gegeneinander
verschoben, wobei vor allem die Verschiebung der Einheit 10 in
Richtung der Y-Achse extrem schnell geschehen kann. Das Messen der
Fluoreszenz in diesen 1536 Wells, das im Flächenscan mit kontinuierlichem
Anregen und Messen mit den derzeit schnellsten Geräten etwa
1 Minute dauert, kann so auf ca. 10 Sekunden verkürzt werden.
Bei Mikroplatten mit noch mehr Wells oder noch kleinerem Rastermass
ergibt sich eine noch grössere Zeitersparnis.As an alternative light source for the excitation of fluorescence laser pulses or lamp flashes can be used. Then be preferred discrete, single laser pulses or discrete small series of a few laser pulses which fluoresce at one point in or on samples 6 stimulates. Specifically, when measuring the fluorescence in samples presented, for example, in the 1536 wells of a high density microplate, such spot measurements are preferably made. Between or during the measurements become unity 10 and sample carriers 14 shifted against each other, especially the shift of the unit 10 can happen extremely fast in the direction of the Y-axis. Measuring the fluorescence in these 1536 wells, which takes about 1 minute in the area scan with continuous excitation and measuring with the currently fastest devices, can thus be shortened to about 10 seconds. For microplates with even more wells or even smaller grid dimensions, even greater time savings are achieved.
Für z.B. auf
im Wesentlichen flachen Probenträgern 14 immobilisierte
Proben 6 wird zum Definieren einer optimalen Z-Position
des bewegbaren Tisches 13 bzw. einer Probe 6 – die zwischen
dem Umlenkelement 7 und der optischen Anordnung 16 angeordnete,
lichtundurchlässige
Blende 22 aus dem Strahlengang gezogen. Darauf wird- an
Hand einer während
einer Z- Bewegung des Tisches 13 durch den ersten Detektor 20 erzeugten
und in einem Computer oder Mikroprozessor aufgezeichneten Reihe von
Messsingnalen – die
dem Maximum dieser Messsignale entsprechende Z-Position des Tisches errechnet
und der Tisch 13 in diese Z-Position gefahren. Zum Festlegen des
Maximums dieser Messsignale wird bevorzugt der geometrische Mittelpunkt zwischen
den Wendepunkten der aufsteigenden und absteigenden Flanke des Messsignals
genommen. Dieses Verfahren wird vorzugsweise an zumindest drei Stellen
eines Probenträgers
durchgeführt
und der Tisch 13 – entsprechend
den definierten Maxima für
diese drei Stellen – so
weit wie erforderlich in den Richtungen der X-, Y- und Z-Achse verschoben
und um die X- und Y-Achse gekippt. Es ist von Vorteil, wenn dieses
Definieren einer optimalen Z-Position mittels eines Computers oder
Mikroprozessors durchgeführt
wird, welcher die vom Detektor 20 erzeugten Messsignale
erfasst und verarbeitet, welcher diesen Signalen entsprechenden
Daten ausgibt und zudem die Bewegungen des Tisches 13 steuert.For example on essentially flat sample carriers 14 immobilized samples 6 is used to define an optimal Z position of the movable table 13 or a sample 6 - Between the deflection 7 and the optical arrangement 16 arranged, opaque aperture 22 pulled out of the beam path. On it becomes one hand during a Z movement of the table 13 through the first detector 20 generated and recorded in a computer or microprocessor series of Messnsnalen - calculates the maximum of these measurement signals corresponding Z position of the table and the table 13 moved to this Z-position. To set the maximum of these measurement signals, the geometric center is preferably taken between the inflection points of the rising and falling edge of the measurement signal. This method is preferably performed on at least three locations of a slide and the table 13 - according to the defined maxima for these three places - as far as necessary in the directions of the X, Y and Z axis shifted and tilted about the X and Y axis. It is advantageous if this definition of an optimal Z-position is performed by means of a computer or microprocessor, which is the one from the detector 20 acquired measuring signals and processed, which outputs data corresponding to these signals and also the movements of the table 13 controls.
3 zeigt
einen vertikalen Teilschnitt eines optischen Systems, zum Anregen
und Messen von Fluoreszenz an oder in mit Fluoreszenzfarbstoffen behandelten Proben,
gemäss
einer dritten Auführungsform.
Dieses optische System umfasst alle Merkmale von Anspruch 1. Für diese
dritte Ausführungsform
können
ein oder mehrere vorzugsweise monochromatische Laser 1,1' vorgesehen
sein. Der Tisch 13 ist vorzugsweise in Richtung der X-,
Y- und Z-Raumachse bewegbar, wobei X- und Y-Achse zumindest annähernd parallel
zu der Oberfläche 15 eines
Probenträgers 14 verlaufen.
Zudem ist der Tisch 13 bevorzugt um die X- und/oder Y-Achse
kippbar. Die unter der 1 und 2 besprochenen
Probenträger
können
alle auch in dieser Ausführungsform
eingesetzt werden. 3 shows a vertical partial section of an optical system, for exciting and measuring fluorescence on or in samples treated with fluorescent dyes, according to a third Auführungsform. This optical system comprises all features of claim 1. For this third embodiment, one or more preferably monochromatic lasers 1 . 1' be provided. The table 13 is preferably movable in the direction of the X, Y and Z spatial axes, wherein the X and Y axes are at least approximately parallel to the surface 15 a sample carrier 14 run. In addition, the table 13 preferably tiltable about the X and / or Y axis. The under the 1 and 2 All discussed sample carriers can all be used in this embodiment as well.
Das
Umlenkelement 7 zum Umlenken des Lichtes 2 aus
dem ersten Laser 1 in eine zu der optischen Achse 5 parallelen
Richtung auf diesen Spiegel 4 umfasst einen für den Laserstrahl 2 bestimmten,
hochspiegelnden Bereich 21. In seinen übrigen Bereichen ist das Umlenkelement 7 sowohl
für das Licht
der ersten 2 als auch der zweiten Wellenlänge 3 im
Wesentlichen durchlässig.
Der hochspiegelnde Bereich 21 des Umlenkelements 7 ist
im Zentrum der zur der geometrischen Achse G identischen optischen
Achse 5 angeordnet, so dass der Strahlengang für das aus
dem Laser 1 kommende Licht der ersten Wellenlänge 2 parallel
und im Zentrum dieser Achsen 5, G verläuft.The deflecting element 7 for redirecting the light 2 from the first laser 1 in one to the optical axis 5 parallel direction on this mirror 4 includes one for the laser beam 2 certain highly reflective area 21 , In its other areas is the deflecting element 7 both for the light of the first 2 as well as the second wavelength 3 essentially permeable. The high-reflectance area 21 of the deflecting element 7 is in the center of the optical axis identical to the geometric axis G. 5 arranged so that the beam path for the out of the laser 1 coming light of the first wavelength 2 parallel and in the center of these axes 5 , G runs.
Dieses
optische System umfasst ein Trennelement 23 zum Auftrennen
des aus dem Laser 1 kommenden Lichtes der ersten Wellenlänge 2 in
einem Anregungsstrahl 24 für die Fluoreszenz und einen
zu diesem Anregungsstrahl 24 parallelen Fokussierstrahl 25.
Eine lichtundurchlässige
Blende 22 ist zum zeitweisen Ausblenden eines zum Anregen
der Fluoreszenz benutzten Laserstrahls zwischen dem Umlenkelement 7 und
dem Trennelement 23 angeordnet. Dieses Trennelement 23 kann,
falls nur ein Laser 1 verwendet werden soll, als einfache,
planparallele Glasplatte mit rückseitiger
Vollverspiegelung ausgebildet sein.This optical system comprises a separating element 23 for separating the from the laser 1 coming light of the first wavelength 2 in an excitation beam 24 for the fluorescence and one to this excitation beam 24 parallel focusing beam 25 , An opaque aperture 22 is for temporarily masking a used for exciting the fluorescence laser beam between the deflecting element 7 and the separator 23 arranged. This separator 23 if only one laser can 1 should be used as a simple, plane-parallel glass plate with back Vollverspiegelung be formed.
Das
gebündelte
Licht 2 aus dem Laser 1 wird zu etwa 4% an der
unverspiegelten ersten Oberfläche
des Trennelements 23 in Richtung des Umlenkelements 7 reflektiert.
Dort trifft dieser Laserstrahl auf einen unverspiegelten Bereich
und wird wieder zu ca. 4% und in einem Abstand A parallel zu den
Achsen 5, G in Richtung des Spiegels 4 abgelenkt.
Das vom Laser 1 kommende, gebündelte Licht 2 wird zudem an
der hinteren Oberfläche
des Trennelements 23 gespiegelt. Bei einer rückseitig
vollverspiegelten Glasplatte werden ca. 96% des Laserlichtes 2 auf
optischen Achse 5 auf das Umlenkelement 7 gelenkt, wo
das Licht 2 auf dessen hochspiegelnden Bereich 21 trifft.
Das Trennelement 23 erfüllt
somit die Aufgabe, den Laserstrahl 2 in einen auf der optischen
Achse 5 verlaufenden Anregungsstrahl 24 und einen dazu
parallel in einem Abstand A verlaufenden Fokussierstrahl 25 aufzutrennen.The bundled light 2 from the laser 1 is about 4% of the uncoated first surface of the separator 23 in the direction of the deflecting element 7 reflected. There, this laser beam strikes a non-mirrored area and becomes again approximately 4% and at a distance A parallel to the axes 5 , G in the direction of the mirror 4 distracted. The laser 1 coming, bundled light 2 will also be on the back surface of the separator 23 mirrored. In the case of a mirrored glass panel at the rear, approx. 96% of the laser light is used 2 on optical axis 5 on the deflector 7 directed where the light 2 on its highly reflective area 21 meets. The separating element 23 thus fulfills the task of the laser beam 2 in one on the optical axis 5 extending excitation beam 24 and a focusing beam parallel thereto at a distance A 25 separate.
Als
alternatives Trennelement kann auch eine einfache, planparallele
Glasplatte, die schräg
in den Strahlengang gestellt wird, verwendet werden. Die Position
dieser planparallelen Glasplatte soll sich zwischen dem Laser 1 und
dem Umlenkelement 7 befinden; vorzugsweise ist diese planparallele
Glasplatte jedoch zwischen dem Laser 1 und dem Trennelement 23 angeordnet
(nicht gezeigt). Der grösste Anteil
des Laserstrahles tritt mit leichtem Parallelversatz durch die Glasplatte.
An der hinteren Grenzfläche
Glas/Luft werden dabei ca. 4% in die Glasplatte zurückreflektiert.
Wiederum ein Anteil von ca. 4% des reflektierten Strahles erfährt anschliessend
an der vorderen Grenzfläche
eine erneute Reflexion. Dies führt
dazu, dass ein kleiner Anteil des Laserlichtes parallel zum Hauptstrahl
in Richtung des Umlenkelements 7 gelenkt wird. In diesem
Falle ist das Trennelement 23 als Vorderflächenspiegel
ausgebildet und dient nicht zur Auftrennung des Strahles.As an alternative separating element can also be a simple, plane-parallel glass plate, which is obliquely placed in the beam path can be used. The position of this plane-parallel glass plate should be between the laser 1 and the deflecting element 7 are located; Preferably, this is plane-parallel glass but plate between the laser 1 and the separator 23 arranged (not shown). Most of the laser beam passes through the glass plate with a slight offset. About 4% are reflected back into the glass plate at the rear glass / air interface. Again, a proportion of about 4% of the reflected beam then undergoes a renewed reflection at the front interface. This results in that a small portion of the laser light parallel to the main beam in the direction of the deflecting element 7 is steered. In this case, the separating element 23 designed as a front surface mirror and does not serve to separate the beam.
Falls
zwei oder mehr monochromatische Laser unterschiedlicher Wellenlänge verwendet
werden sollen, wird als Trennelement 23 eine planparallele als
Dichroidspiegel ausgebildete Platte verwendet. Jedem Laser kann
dann – entsprechend
der Wellenlänge
seines Lichtes – ein
eigenes Trennelement 23, 23' zugeordnet werden, welches von
den übrigen
Lasern durchstrahlbar ist. Diese Trennelemente sind dann bevorzugt
auf einer gemeinsamen optischen Achse angeordnet und lenken die
Laserstrahlen in Richtung eines einzigen Umlenkelements 7,
wie dies aus 1 ersichtlich ist.If two or more monochromatic lasers of different wavelengths are to be used, is used as a separator 23 used a plane-parallel formed as a dichroic mirror plate. Each laser can then - according to the wavelength of its light - its own separation element 23 . 23 ' be assigned, which is durchstrahlbar by the other lasers. These separating elements are then preferably arranged on a common optical axis and direct the laser beams in the direction of a single deflecting element 7 like this 1 is apparent.
Das
von den Lasern 1, 1' kommende,
gebündelte
Licht 2, 2' wird
am hochspiegelnden Bereich 21 des Umlenkelements 7 in
Richtung des – vorzugsweise
gegenüber
der Horizontalen um 45° geneigten – Spiegels 4 abgelenkt.That of the lasers 1 . 1' coming, bundled light 2 . 2 ' becomes at the highly reflective area 21 of the deflecting element 7 in the direction of - preferably inclined to the horizontal by 45 ° - mirror 4 distracted.
Vorzugsweise
der lichtstärkere
der beiden durch das Trennelement 23 erzeugten Strahlen
trifft somit auf den hochspiegelnden Bereich 21 des Umlenkelements 7 auf,
wo er in Richtung der optischen Achse 5 und der dazu identischen,
geometrischen Achse G auf den Spiegel 4 gelenkt wird. Dieser
Anregungsstrahl 24, der zum Fokussieren mittels eingeschobener
Blende 22 vorzugsweise ausgeblendet wird, wird vom Spiegel 4 in
Richtung der zumindest näherungsweise
senkrecht verlaufenden optischen Achse 5 abgelenkt, durchstösst die
Optik 8 und trifft in der optischen Achse 5 auf
die Probe 6 auf. Der zumindest näherungsweise senkrecht auf
der Probe 6 auftreffende Anregungsstrahl 24 ist
speziell geeignet, die Fluoreszenz in Proben 6 anzuregen,
welche in eine Flüssigkeit
getaucht sind oder in flüssiger
Form vorliegen. Solche Proben werden vorzugsweise in den Wells von
Mikroplatten zur Untersuchung vorgelegt. Selbst wenn hochdichte
Mikroplatten mit nicht nur 96 sondern mit 384, 1536 oder mehr Wells
verwendet werden sollen, erreicht der zumindest näherungsweise
senkrechte Anregungsstrahl immer die Proben 6.Preferably, the brighter of the two by the separating element 23 generated rays thus hits the high-reflectance area 21 of the deflecting element 7 on where he is in the direction of the optical axis 5 and the geometrical axis G identical thereto, on the mirror 4 is steered. This excitation beam 24 , which focuses by means of inserted aperture 22 is preferably hidden by the mirror 4 in the direction of the at least approximately perpendicular optical axis 5 distracted, pierces the optics 8th and hits in the optical axis 5 to the test 6 on. The at least approximately perpendicular to the sample 6 incident excitation beam 24 is especially suitable for fluorescence in samples 6 which are immersed in a liquid or in liquid form. Such samples are preferably presented in the wells of microplates for examination. Even if high-density microplates are to be used with not only 96 but 384, 1536 or more wells, the at least approximately perpendicular excitation beam always reaches the samples 6 ,
Im
Gegensatz zu der Verwendung von bekannten und teuren, sogenannten "f(θ)-Optiken" zum Erreichen eines
zumindest beinahe senkrecht auf eine Probe 6 einfallenden
Anregungsstrahls ermöglicht
die vorliegende Erfindung den Einsatz von wesentlich kostengünstigeren
optischen Elementen für den
Spiegel 4 und die Optik 8.In contrast to the use of known and expensive, so-called "f (θ) optics" to achieve at least almost perpendicular to a sample 6 incident excitation beam, the present invention allows the use of much lower cost optical elements for the mirror 4 and the optics 8th ,
Der
zweite, vorzugsweise schwächere
Lichtstrahl trifft somit auf einen unverspiegelten Bereich des Umlenkelements 7,
wo er (zu ca. 4%) parallel zu der Richtung der Achsen 5,
G und im Abstand A verlaufend auf den Spiegel 4 gelenkt
wird. Dieser Fokussierstrahl 25 ist vorzugsweise nur bei
eingeschobener Blende 22 aktiv und wird vom Spiegel 4 parallel und
in einem Abstand A zur Richtung der zumindest näherungsweise senkrecht verlaufenden
optischen Achse 5 abgelenkt. Die Optik 8 lenkt
den Fokussierstrahl auf den in der zumindest näherungsweise senkrechten optischen
Achse 5 liegenden Brennpunkt 9.The second, preferably weaker light beam thus strikes a non-mirrored region of the deflection element 7 where he (about 4%) parallel to the direction of the axes 5 , G and at the distance A running on the mirror 4 is steered. This focusing beam 25 is preferably only with inserted aperture 22 active and is from the mirror 4 parallel and at a distance A to the direction of the at least approximately perpendicular optical axis 5 distracted. The optics 8th directs the focusing beam on the in the at least approximately vertical optical axis 5 lying focal point 9 ,
Die
oben zu der Verwendung des Fokussierstrahls (vgl. zweite Ausführungsform, 2)
und an Hand der Reflexion ausgeführten Überlegungen
zu der Fokussierung, d.h. zum Festlegen eines optimalen Arbeitsabstandes
zwischen Optik 8 und Probe 6 gelten sinngemäss auch
hier. Dasselbe gilt auch für die
Fokussierung mittels Messung der Fluoreszenz bzw. an Hand von in
oder an der Probe 6 erzeugtem, diffusem Streulicht, wobei
bei Verwendung der hier beschriebenen dritten, Ausführungsform
und beim Messen der Fluoreszenz die Blende 22 aus dem Strahlengang
zurückgezogen
bleibt.The above for the use of the focusing beam (see second embodiment, 2 ) and based on the reflection reflections on the focus, ie to set an optimal working distance between optics 8th and sample 6 apply mutatis mutandis here. The same applies to the focusing by measuring the fluorescence or by hand in or on the sample 6 produced diffused scattered light, wherein using the third embodiment described herein and when measuring the fluorescence, the aperture 22 retracted from the beam path remains.
Ein
Teil der sich im Wesentlichen kalottenförmig von der Probe 6 ausdehnenden
Fluoreszenz wird in der Optik 8 kollimiert (d.h. parallel
gerichtet) und vom Spiegel 4 in Richtung der optischen
Anordnung 16 abgelenkt. Trotz eines kleinen Verlustes,
der im Wesentlichen von der Fläche
des hochspiegelnden Bereiches 21 des Umlenkelements 7 bestimmt
wird, trifft dieses kollimierte Fluoreszenzlicht bei der optischen
Anordnung 16 ein und wird im zweiten Brennpunkt 17 fokussiert.
Dort durchtritt – je
nach dem gewählten
Durchmesser der Lochblende 18 – ein gewisser Teil des fokussierten
Fluoreszenzlichtes diese Lochblende 18 und das Spektralfilter 19 und
wird vom Detektor 20 detektiert. Zum Abrastern der Probe wird
der gleiche Strahlengang, wie eben beschrieben, verwendet.Part of it is essentially dome-shaped from the sample 6 Expansive fluorescence is reflected in optics 8th collimated (ie, collimated) and from the mirror 4 in the direction of the optical arrangement 16 distracted. Despite a small loss, essentially from the area of the highly reflective area 21 of the deflecting element 7 is determined, this collimated fluorescent light is incident on the optical arrangement 16 and becomes the second focal point 17 focused. There passes - depending on the selected diameter of the pinhole 18 - A certain part of the focused fluorescent light this pinhole 18 and the spectral filter 19 and is from the detector 20 detected. For scanning the sample, the same beam path, as just described, is used.
Der
hier immer in der optischen Achse 5 verlaufende Anregungsstrahl
wird von der Probe 6 reflektiert und verläuft auf
dem entgegengesetzten Wege in Richtung der Laser 1, 1'.This one always in the optical axis 5 extending excitation beam is from the sample 6 reflects and runs in the opposite direction towards the laser 1 . 1' ,
Bei
Verwendung von zwei monochromatischen Lasern 1, 1' wird bevorzugt
ein Strahlteilerelement 26 zwischen der Lochblende 18 und
dem ersten Detektor 20 (vgl. 3) angeordnet.
Eine erste Sammelliste 28 dient zum Sammeln des durch die
Lochblende 18 durchgehenden Lichtes der zweiten Wellenlänge 3.
Dem Strahlteilerelement 26 wird eine zweite Sammellinse 28' nachgeordnet,
mit welcher das durch die Lochblende 18 durchgehenden Licht der
vierten Wellenlänge 3' gesammelt und
dem zweiten Detektor 20' mit
dem zweiten Spektralfilter 19' zugeleitet wird.When using two monochromatic lasers 1 . 1' is preferably a beam splitter element 26 between the pinhole 18 and the first detector 20 (see. 3 ) arranged. A first collection list 28 serves to collect the through the pinhole 18 continuous light of the second Wel lenlänge 3 , The beam splitter element 26 becomes a second condenser lens 28 ' downstream, with which through the pinhole 18 continuous light of the fourth wavelength 3 ' collected and the second detector 20 ' with the second spectral filter 19 ' is forwarded.
Gegebenenfalls
können
weitere optische Elemente (Linsen, Spiegel, Blenden) zur optimierten Strahlführung hinsichtlich
Signalausbeute und Filterwirkung zwischen der Lochblende 18 und
dem Detektor 20 – vorzugsweise
zwischen dem Spektralfilter 19 und dem Detektor 20 – platziert
werden.Optionally, further optical elements (lenses, mirrors, diaphragms) for optimized beam guidance with regard to signal efficiency and filtering effect between the pinhole 18 and the detector 20 - Preferably between the spectral filter 19 and the detector 20 - to be placed.
Die
Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren bezeichnen jeweils die
gleichen Merkmale. Beliebige Kombinationen der gezeigten bzw. beschriebenen
Ausführungsformen
gehören
zum Umfang der vorliegenden Erfindung.The
Reference numerals in the various figures indicate the respective
same characteristics. Any combinations of the shown or described
embodiments
belong
to the scope of the present invention.
Zu
den die vorliegende Erfindung vom Stand der Technik unterscheidenden
Vorteilen gehören:
- • der
Einsatz von Probenträgern 14 in
der Grösse einer
Mikroplatte oder von noch grösseren
Probenträgern
wird ermöglicht;
- • der
Arbeitsabstand kann bis zu 7 mm oder mehr betragen;
- • die
numerische Apertur des Objektivs liegt über einem Wert von 0.4 und
beträgt
bis zu 0.6 oder mehr;
- • insbesondere
dank dem Einsatz eines Gegenschwingers 29 kann die Oszillationsamplitude
D bis zu 25 mm oder mehr betragen;
- • die
zumindest näherungsweise
senkrechte Anregung der Proben wird mit einer kostengünstigen und
weitgehend aberrationsfreien Optik erreicht;
- • das
Umlenkelement 7 kann als einfache Glasscheibe oder als
Pinspiegel ausgebildet sein und ermöglicht als einfaches optisches
Element das Trennen von Anregungsstrahl und Fluoreszenz;
- • die
Verwendung eines Umlenkelements 7 in der Form eines Pinspiegels
ermöglicht
den gleichzeitigen Einsatz von mehreren monochromatischen Lasern
unterschiedlicher Wellenlänge
und die Vermessung einer nahezu unbegrenzten Zahl verschiedener
Fluoreszenzfarbstoffe unterschiedlicher Emissionswellenlänge;
- • der
Austausch von zwei monochromatischen Lasern unterschiedlicher Wellenlänge bedingt
keine weiteren Umbauten am optischen System;
- • die
Anwendung der offenbarten unterschiedlichen Fokussiermodi in Kombination
mit einer Lochblende unterschiedlichen Durchmessers erlaubt das
in den Fokus bringen, Anregen und Vermessen der Fluoreszenz verschiedenster
Proben und Probenformate.
Among the advantages of the present invention different from the prior art include: - • the use of sample carriers 14 in the size of a microplate or even larger sample carriers is enabled;
- • the working distance can be up to 7 mm or more;
- • The numerical aperture of the lens is above a value of 0.4 and is up to 0.6 or more;
- • especially thanks to the use of a counter-oscillator 29 the oscillation amplitude D can be up to 25 mm or more;
- • The at least approximately vertical excitation of the samples is achieved with a cost-effective and largely aberration-free optics;
- • the deflection element 7 can be designed as a simple glass plate or as a pin mirror and allows the separation of the excitation beam and fluorescence as a simple optical element;
- • the use of a deflecting element 7 in the form of a pin mirror allows the simultaneous use of several monochromatic lasers of different wavelengths and the measurement of a virtually unlimited number of different fluorescent dyes of different emission wavelength;
- • the replacement of two monochromatic lasers of different wavelengths requires no further modifications to the optical system;
- The use of the disclosed different focusing modes in combination with a pinhole of different diameters allows to focus, excite and measure the fluorescence of a wide variety of samples and sample formats.