EP1149279A1 - Method for detecting fluorescence phenomena in microscope - Google Patents

Method for detecting fluorescence phenomena in microscope

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Publication number
EP1149279A1
EP1149279A1 EP00988743A EP00988743A EP1149279A1 EP 1149279 A1 EP1149279 A1 EP 1149279A1 EP 00988743 A EP00988743 A EP 00988743A EP 00988743 A EP00988743 A EP 00988743A EP 1149279 A1 EP1149279 A1 EP 1149279A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser
modulated
detection
phase
fluorescence
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00988743A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ralf Wolleschensky
Volker Gerstner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jenoptik AG
Original Assignee
Carl Zeiss Jena GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Jena GmbH filed Critical Carl Zeiss Jena GmbH
Publication of EP1149279A1 publication Critical patent/EP1149279A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6408Fluorescence; Phosphorescence with measurement of decay time, time resolved fluorescence

Definitions

  • Time-resolved fluorescence or the use of the lifetime as a contrast parameter in confocal / 2-photon microscopy can be carried out in two different ways - by detection in time space (time-doamin detection) and detection in frequency space (frequency- domain detection).
  • a fluorescent sample is excited to fluoresce by means of a pulsed light source and the fluorescence emission either by means of time-correlated single-photon counting (TCSPC) [Müller] [Han ] or detection by means of an amplification time window in the detector (time-gated detection) [Schbg] [Cubeddu]] [Dowling].
  • TCSPC time-correlated single-photon counting
  • a fluorescent sample / preparation is excited with an actively modulated or (e.g. passively mode-coupled) pulsed light source. Since any modulation of the excitation by Fourier analysis breaks down into sinusoidal components, it is sufficient to consider a sinusoidal excitation.
  • the detection in the frequency space is based on the delay of the fluorescence emission by a phase f and a change in the modulation depth M compared to the excitation light as a function of the
  • the resulting fluorescence signal oscillates at the modulation frequency, but is out of phase and demodulated.
  • a frequency mixing process is used to acquire the signal. For mixing, e.g. each detection element with modulatable reinforcement.
  • ⁇ a G_ (homodyne)
  • the second harmonic and a frequency-independent component are generated by the mixing process of the "signals" Si and S 2 .
  • a low pass filter suppresses the components at ⁇ a and 2 ⁇ a . Only the DC background and the phase-dependent DC component is detected.
  • this frequency-independent (DC) signal is detected in several relative phases.
  • at least 3 different phase positions are necessary. With just two relative phase positions, the phase shift or demodulation induced by the fluorescence lifetime can be used as a contrast parameter. [Clegg].
  • the mixing process generates a high-frequency signal at the sum frequency and a signal at the cross-correlation frequency ⁇ .
  • the high-frequency components are suppressed again by a low-pass filter.
  • the difference frequency ⁇ is detected in the heterodyne detection.
  • the phase position and depth of modulation of the signal at the difference frequency enable the service life to be determined.
  • Typical cross-correlation frequencies are in the range from a few Hz to about 100 kHz.
  • the high-frequency change is reflected as it were on the low-frequency range.
  • the lifetimes determined from the depth of modulation and phase shift are different.
  • the excitation frequency must therefore be varied in order to measure the service life precisely [Gratton2].
  • the service life e.g. are generally not required as contrast parameters in an imaging process.
  • the representation of the phase shift or demodulation by the service life or the service lives calculated therewith at a fixed modulation frequency e.g. the representation of the phase shift or demodulation by the service life or the service lives calculated therewith at a fixed modulation frequency.
  • the confocal structure of an LSM is changed to reflect the service life in such a way that
  • the gain of the detector e.g. PMT
  • the gain of the detector e.g. PMT
  • RF frequencies in the range of 10-100 MHz are generated.
  • the output of the synthesizer S is connected on the one hand to a phase shifter / amplifier PA via a shielded high-frequency line (for example via a BNC cable).
  • the phase shifter / amplifier amplifies the high-frequency input signal of the synthesizer - in the implementation shown to a power of approx. 1.5 W with a resistance of 50 W.
  • the phase position of the amplified RF signal can be varied with the PA.
  • the relative phase of the PA can be set digitally via a control line - for example, by control via a serial interface of a PC.
  • the amplified RF signal becomes one modulatable PMT - for example the PMT module (H 6573) from Hamamatsu 1 - supplied.
  • the amplified RF voltage (approx. 25 V pp / 50 W) is fed to the 2nd Dynode in the PMT and used to modulate the amplification of the PMT.
  • the output signal of PMT 's using a standard low-pass (LP) filter to be smoothed.
  • the 3dB cut-off frequency f g of the LP filter should be selected so that
  • a second identical output of the synthesizer S is also connected to the control electronics of the light modulator M via a high-frequency line.
  • an acousto-optical modulator in the laser beam path (or else an electro-optical modulator) can be used as the modulator.
  • the light modulator is part of the laser module of the confocal laser scanning microscope.
  • the relative phase position of the PA and the light modulator M can be varied by such a construction.
  • the frequencies for M for modulating the laser light and the PMT boost voltage are the same.
  • the phase position is generally different.
  • At least the phase of an RF output can be set digitally in approximately 1 ° steps. In the case shown in Figure 1, the phase of the PMT modulation voltage is varied by the phase shifter in PA.
  • the light from the modulated / pulsed laser light source is focused into the object plane via the scanning mirror and the LSM scanning optics using the usual LSM structure.
  • the fluorescence is like in the confocal Zeiss LSM510 in
  • Image acquisition to create the lifetime contrast in a confocal microscopic image or to show the confocal lifetime distribution of dyes.
  • a first phase of the PMT detector is set digitally.
  • the setting is done as shown above with the electronic phase shifter / amplifier PA and the resulting DC signal of PMT 's (according to the usual currentistswandiung and analog - digital conversion) in synchronism with the scanner by means of conventional (LSM) evaluation electronics registered and by means of a storage medium stored in the PC.
  • LSM conventional
  • the at least two digital images are optionally displayed without further calculation.
  • the modulation depth r and the phase shift due to the lifetime ⁇ ⁇ can be determined by the Fourier coefficients be expressed.
  • the modulation depth / W is calculated pixel by pixel.
  • M and ⁇ are calculated using equations (9) and (10) and the Fourier coefficients a 0 , ai, bi determined using equation (8).
  • optimized algorithms can also be used, which are presented in a work by skil, Phase Evaluation by Folding, 1989.
  • a further realization of a confocal microscope with life time contrast or for measuring the life time distribution in a confocal sectional image can be done using pulse lasers.
  • pulse laser diodes or other fs laser systems Ti: sapphire laser
  • a frequency conversion unit connected downstream (eg frequency doubling / tripling).
  • the generation of the RF driver frequency by means of a synthesizer can be dispensed with.
  • an electronic diode signal of the pulse laser is made available (e.g. PD signal Out of the fs / ps NIR laser in Figure 1 or an equivalent structure by replacing / expanding the VIS laser module, e.g.
  • the RF signal of the (sufficiently fast) photodiode generated in this way is synchronized a priori with the laser excitation.
  • the RF signal can be used in the same way as the RF signal of a synthesizer, ie the phase shifter / amplifier PA unit is made available at the corresponding input (via an RF line).
  • the further method is analogous to implementation 1.
  • the use of a pulsed light source and the associated improvement in the signal / noise ratio in a lifetime contrast generated in this way are advantageous compared to the sinusoidal modulation of the laser excitation in implementation 1 and the omission of a synthesizer for generation the RF frequency.
  • the fluorescence is detected after a 1-photon excitation (linear in the excitation intensity).
  • the subject of this chapter is the combination of 2-photon microscopy with homodyne detection for lifespan imaging.
  • heterodyne technique an fs laser is used for fluorescence excitation in a 2-photon microscope and the PMT detector is operated with a slightly different modulation frequency.
  • the typical repetition rate of fs-Ti: Sapphire-Lasem is in the range of 80MHz.
  • a frequency of 80MHZ + 25kHz is used for the gain modulation of the PMT detector. This creates a beat.
  • This beat is digitized and scanned with an ADC card. This enables a pixel-by-pixel detection of the phase shift of excitation and fluorescence (heterodyne method).
  • phase shift is determined not pixel by pixel but image by frame, i.e. first an image is recorded and stored at a relative phase shift ⁇ 1. In at least one further step, an image is then generated at a further different relative phase ⁇ 2. (Homodyne procedure).
  • a colored or self-fluorescent sample is excited to fluoresce via a two-photon absorption.
  • the pulsed laser can be, for example, a Ti: sapphire laser (also possibly frequency doubled, frequency tripled sums or difference frequency mixed, etc.), a ps laser diode or a laser modulated, for example, by means of AOM or EOM.
  • the physical process is in 1.1. a 1-photon excitation in 1.2 a 2-photon excitation (or generally multiphoton excitation).
  • An fs-Ti: sapphire laser is used to excite the fluorescence in the implementation according to Figure 1.
  • the repetition rate of the fs laser is around 80 MHz (NLO-LSM, fluorescence detection).
  • a modulatable PMT detector from Hamamatsu (H6573) is used for the detection.
  • the sinusoidal modulation frequency is generated via an ECL logic circuit from a photodiode signal from the laser (fs-Mira, Coherent) and is amplified to an average power of 1.5 W @ 50 W by means of an RF amplifier integrated in the phase shifters / amplifiers PA Output RF out of the PA available.
  • the phase of the generated sine (and thus of the amplified sine) can be set to approximately 1 ° (as in Chapter 1.1).
  • the electronic jitter is ⁇ 100ps (( Figure 1), phase shifter / RF amplifier).
  • the amplified RF frequency is made available to the input of the PMT module referred to in FIG. 1 as "RF modulation in”.
  • the current at the output of the PMT detector is smoothed by a passive LP filter or otherwise integrated by an integration circuit.
  • the resulting DC signal is again made available to the detection unit of an LRM.
  • the further data acquisition and evaluation takes place analogously to chapter 1.1.
  • the difference to 1.1 is that in one case a 2-photon (NLO) LSM is combined with the lifetime map - i.e. the fluorescence excitation is done with an fs or ps pulse laser.
  • NLO 2-photon
  • An essential difference is the type of fluorescence excitation (here 2 or more multi-photons (> 2) excitation in general.
  • a second tube lens TL2 is used in a detection beam path DE with another modulatable PMT directly, i.e. not via the scanning beam path.
  • a major disadvantage of these detection devices is generally the higher sensitivity to room light. Since the room light is generally not / or is modulated differently from the excitation light, the use of phase-sensitive detection devices for suppressing the room light makes sense. This eliminates the complex encapsulation of the detection unit. Arrangements with 1 and 2 / multi photon excitation have already been described above and can be completely transferred to a phase-sensitive detector. However, in the case of phase-sensitive detection, the reference signal (excitation light) and the measurement signal (fluorescence signal) have the same modulation. For the most commonly used TiSa laser systems, this modulation is 80 MHz. Thus homodyne detection takes place. For phase-sensitive detection, both signals are multiplied together in a multiplier with a fixed, adjustable phase relationship. In an advantageous arrangement, the first dynode of a modulatable photomultiplier (H6573) acts as a multiplier.
  • H6573 modulatable photomultiplier
  • the reference signal is generated by the phase shifter / RF amplifier shown above.
  • the clock for the phase shifter is the photodiode signal of the pulse laser.
  • AOM or EOM, see Figure 1 the repetition rate (repetition rate) specified by the pulse laser can be extended to a variable beat frequency range.
  • the beat frequency is set by a synthesizer with an adjustable phase, which is controlled by trigger signals from the excitation light source (see Figure 1).
  • the phase relationship between reference and measurement signal is set so that the phase shift is zero.
  • the measured variable is thus demodulated.
  • a DC or low-frequency modulated measurement signal is thus obtained.
  • disturbances such as room light are strong after the multiplier modulated (like reference signal approx. 80 MHz).
  • the highly modulated components are filtered out and thus suppressed by the downstream low-pass filter.
  • An example of a low-pass filter is the detection electronics of a conventional LSM.

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Abstract

According to the inventive method for detecting fluorescence phenomena in a microscope, the sample is irradiated with a modulated and/or pulsed laser light source and the fluorescence is detected in at least two different phase positions of the detector.

Description

Verfahren zur Erfassung von Fluoreszenzerscheinungen in einem MikroskopProcess for the detection of fluorescence phenomena in a microscope
Das dargestellte Verfahren betrifft die konfokale und die 2-Photonen- Fluoreszenzmikroskopie [Goeppert][Wilson]. Beide Verfahren werden als bekannt vorausgesetzt.The method shown concerns confocal and 2-photon fluorescence microscopy [Goeppert] [Wilson]. Both methods are assumed to be known.
Sowohl die konfokale Fluoreszenzmikroskopie als auch die 2-Photonen - Mikroskopie werden mit dem unten dargestellten Verfahren dahingehend verändert, daß ein zusätzlicher Kontrastparameter möglich wird: die Fluoreszenz- Lebensdauer.Both the confocal fluorescence microscopy and the 2-photon microscopy are modified with the method shown below in such a way that an additional contrast parameter is possible: the fluorescence lifetime.
Zeitaufgelöste Fluoreszenz bzw. die Nutzung der Lebensdauer als Kontrastparameter in der konfokalen/2-Photonen-Mikroskopie kann auf zwei verschiedene Arten durchgeführt werden - durch die Detektion im Zeit-Raum (time-doamin detection) und die Detektion im Frequenz-Raum (frequency-domain detection).Time-resolved fluorescence or the use of the lifetime as a contrast parameter in confocal / 2-photon microscopy can be carried out in two different ways - by detection in time space (time-doamin detection) and detection in frequency space (frequency- domain detection).
Bei der Time-domain Detektion [Wabnitz] [Gröbler] wird eine Fluoreszierende Probe mittels gepulster Lichtquelle zur Fluoreszenz angeregt und die Fluoreszenz- Emission entweder mittels Zeitkorrelierter Einzel-Photonenzählung (Time- Correlated-Single-Photon Counting, TCSPC) [Müller] [Han] oder Detektion mittels Verstärkungs-Zeitfenster im Detektor (Time-gated detection) [Schbg] [Cubeddu]] [Dowling] zeitaufgelöst detektiert.In time-domain detection [Wabnitz] [Gröbler], a fluorescent sample is excited to fluoresce by means of a pulsed light source and the fluorescence emission either by means of time-correlated single-photon counting (TCSPC) [Müller] [Han ] or detection by means of an amplification time window in the detector (time-gated detection) [Schbg] [Cubeddu]] [Dowling].
Bei der Detektion im Frequenzraum wird eine fluoreszierende Probe/Präparat mit einer aktiv modulierten oder auch (z.B. passiv modengekoppelten) gepulsten Lichtquelle angeregt. Da jede beliebige Modulation der Anregung durch eine Fourieranalyse in sinusförmige Komponenten zerfällt, genügt die Betrachtung einer sinusförmigen Anregung. Die Detektion im Frequenz-Raum beruht auf der Verzögerung der Fluoreszenzemission um eine Phase f und einer Änderung der Modulationstiefe M verglichen mit dem Anregungslicht in Abhängigkeit von derFor detection in the frequency domain, a fluorescent sample / preparation is excited with an actively modulated or (e.g. passively mode-coupled) pulsed light source. Since any modulation of the excitation by Fourier analysis breaks down into sinusoidal components, it is sufficient to consider a sinusoidal excitation. The detection in the frequency space is based on the delay of the fluorescence emission by a phase f and a change in the modulation depth M compared to the excitation light as a function of the
Modulationsfrequenz ω (=2 π fmod ) und der Lebensdauer τ. φ atan(ω r) (1 )Modulation frequency ω (= 2 π f mod ) and the lifetime τ. φ atan (ω r) (1)
M = (2)M = (2)
+ ω τ+ ω τ
Das resultierende Fluoreszenz-Signal oszilliert mit der Modulationsfrequenz, ist aber phasenverschoben und demoduliert. Für typische Fluoreszenz-Lebensdauern im Bereich τ = 1...10 ns sind Modulationsfrequenzen im Bereic+h fm0d = 10...100MHz ausreichend.The resulting fluorescence signal oscillates at the modulation frequency, but is out of phase and demodulated. For typical fluorescence lifetimes in the range τ = 1 ... 10 ns, modulation frequencies in the range + hf m0 d = 10 ... 100MHz are sufficient.
Da es im allgemeinen nicht sinnvoll ist das Fluoreszenzsignal bei solch hohen Modulationsfrequenzen abzutasten, verwendet man einen Frequenz- Mischungsprozeß zur Erfassung des Signals. Zum Mischen eignet sich z.B. jedes Nachweiselement mit modulierbarer Verstärkung.Since it is generally not sensible to sample the fluorescence signal at such high modulation frequencies, a frequency mixing process is used to acquire the signal. For mixing, e.g. each detection element with modulatable reinforcement.
Im wesentlichen werden zwei Vorgehensweisen unterschieden - der Homodyne und der Heterodyne - Nachweis.There are essentially two different approaches - the homodyne and the heterodyne detection.
Um das Prinzip zu verstehen betrachtet man allgemein zwei "Signale" S1r S2 (z.B. Si modulierte Anregung, S2 modulierte Verstärkung).In order to understand the principle, consider generally two "signals" S 1r S 2 (eg Si modulated excitation, S 2 modulated amplification).
Multiplikation führt zuMultiplication leads to
S,S2 = A0B0 + AQBλ cos ωbt + ß) + 50_4, cos(_yαt + a) +S, S 2 = A 0 B 0 + A Q B λ cos ω b t + ß) + 5 0 _4, cos (_y α t + a) +
(4)(4)
AlBl {cos((ωa + ωb)t + (a + ?)) + cos((ωα - ωb)t + (a - ß))A l B l {cos ((ω a + ω b ) t + (a +?)) + Cos ((ω α - ω b ) t + (a - ß))
Homodyne-NachweisHomodyne detection
Ist ωa= G_ (homodyne) wird durch den Mischungsprozess der "Signale" Si and S2 die 2te Harmonische und eine frequenzunabhängige Komponente erzeugt. Ein Tiefpassfilter führt zur Unterdrückung der Komponenten bei ωa and 2 ωa . Nur der DC-Untergrund und die phasenabhängige DC-Komponente wird detektiert. Das mittels Tiefpass (LP= LowPass) gefilterte Signal lässt sich schreiben alsIf ω a = G_ (homodyne), the second harmonic and a frequency-independent component are generated by the mixing process of the "signals" Si and S 2 . A low pass filter suppresses the components at ω a and 2 ω a . Only the DC background and the phase-dependent DC component is detected. The signal filtered using a low pass (LP = LowPass) can be written as
LP(S1S2 ) = A0B0 + AχB, cos(c. - ß) (5)LP (S 1 S 2 ) = A 0 B 0 + A χ B, cos (c. - ß) (5)
Bei der homodyne Detektion wird dieses frequenzunabhängige (DC-) Signal bei mehreren relativen Phasen detektiert. Um die Fluoreszenz Lebensdauer zu messen, sind mindestens 3 verschiedene Phasenstellungen notwendig. Bereits mit zwei relativen Phasenstellungen kann die durch die Fluoreszenz-Lebensdauer induzierte Phasenverschiebung bzw. die Demodulation als Kontrastparameter genutzt werden. [Clegg].In homodyne detection, this frequency-independent (DC) signal is detected in several relative phases. In order to measure the fluorescence lifetime, at least 3 different phase positions are necessary. With just two relative phase positions, the phase shift or demodulation induced by the fluorescence lifetime can be used as a contrast parameter. [Clegg].
Heterodyne-Nachweis - KreuzkorrelationHeterodyne detection - cross correlation
Ist co =ωa +Dw (heterodyne), dann wird durch den Mischungsprozess ein hochfrequentes Signal bei der Summenfrequenz und ein Signal bei der Kreuzkorrelationsfrequenz Δω erzeugt. Durch einen Tiefpassfilter werden wieder die Hochfrequenzkomponenten unterdrückt.If co = ω a + Dw (heterodyne), the mixing process generates a high-frequency signal at the sum frequency and a signal at the cross-correlation frequency Δω. The high-frequency components are suppressed again by a low-pass filter.
LP(S]S2 ) = A0B0 + AiB] cos(Aωt + - ß) (6)LP (S ] S 2 ) = A 0 B 0 + A i B ] cos (Aωt + - ß) (6)
Bei dem Heterodynenachweis wird die Differenzfrequenz Δω detektiert. Phasenlage und Modulationstiefe des Signals bei der Differenzfrequenz ermöglichen die Bestimmung der Lebensdauer. Typische Kreuzkorrelationsfrequenzen liegen im Bereich von einigen Hz bis zu etwa 100kHz.The difference frequency Δω is detected in the heterodyne detection. The phase position and depth of modulation of the signal at the difference frequency enable the service life to be determined. Typical cross-correlation frequencies are in the range from a few Hz to about 100 kHz.
Eine umfassendere Darstellung der Heterodyne-Technik findet man in Veröffentlichungen von E. Gratton et al. [Gratton][Gratton2]A more comprehensive representation of the heterodyne technique can be found in publications by E. Gratton et al. [Gratton] [Gratton2]
Sowohl bei der homodyne als auch bei der heterodyne Detektion wird die hochfrequente Änderung gleichsam auf den niederfrequenten Frequenzbereich gespiegelt. Bei Multiexponentiellem Abklingverhalten der Fluoreszenzemission sind die aus der Modulationstiefe und Phasenverschiebung bestimmten Lebensdauern unterschiedlich. Zur präzisen Messung der Lebensdauer muss deshalb die Anregungsfrequenz variiert werden [Gratton2].In both the homodyne and the heterodyne detection, the high-frequency change is reflected as it were on the low-frequency range. In the case of multi-exponential decay behavior of the fluorescence emission, the lifetimes determined from the depth of modulation and phase shift are different. The excitation frequency must therefore be varied in order to measure the service life precisely [Gratton2].
Soll hingegen die Lebensdauer z.B. in einem bildgebenden Verfahren als Kontrastparameter genutzt werden, ist dies im allgemeinen nicht erforderlich. Häufig genügt z.B. die Darstellung der Phasenverschiebung bzw. Demodulation durch die Lebensdauer bzw. die damit berechneten Lebensdauern bei einer festen Modulationsfrequenz.On the other hand, should the service life e.g. are generally not required as contrast parameters in an imaging process. Often, e.g. the representation of the phase shift or demodulation by the service life or the service lives calculated therewith at a fixed modulation frequency.
1.1 Confocal lifetime imaging, homodyne1.1 Confocal lifetime imaging, homodyne
Der konfokale Aufbau eines LSM wird zur Lebensdauerabbildung dahingehend verändert, daßThe confocal structure of an LSM is changed to reflect the service life in such a way that
• die Anregunglichtquelle moduliert wird oder eine Pulslaser eingesetzt wird• the excitation light source is modulated or a pulse laser is used
• die Verstärkung des Detektors (z.B. PMT) moduliert wird.• the gain of the detector (e.g. PMT) is modulated.
• ein elektronischer Phasenschieber eingesetzt wird, der die Einsteilung der relativen Phasenlage von Lichtanregung und Detektion erlaubt. Das Schema mit den verwendeten Komponenten ist in Abbildung 1 dargestellt.• An electronic phase shifter is used, which allows the relative phase position of light excitation and detection to be subdivided. The diagram with the components used is shown in Figure 1.
Realisierung 1 :Realization 1:
Mittels eines Synthesizers S getrieben durch einen Quarzkristall werden RF- Frequenzen im Bereich 10-100 MHz erzeugt. Der Ausgang des Synthesizers S wird einerseits über eine geschirmte Hochfrequenzleitung (z.B. über ein BNC Kabel) mit einem Phaseshifter/ Amplifier PA verbunden. Der Phaseshifter / Amplifier verstärkt einerseits das hochfrequente Eingangssignal des Synthesizers - in der dargestellten Realisierung auf eine Leistung von ca. 1.5W bei einem Widerstand von 50 W . Des weiteren kann mit dem PA die Phasenlage des verstärkten RF Signals variiert werden. Über eine Steuerleitung kann die relative Phase des PA digital eingestellt werden - z.B. durch eine Ansteuerung über eine serielle Schnittstelle eines PC. Das verstärkte RF-Signal wird einem modulierbaren PMT - z.B. dem PMT-Modul (H 6573) der Firma Hamamatsu 1- zugeführt. Die verstärkte RF-Spannung (etwa 25 Vpp / 50 W ) wird im PMT zur 2. Dynode geführt und zur Modulation der Verstärkung des PMT benutzt. Zur Erzeugung eines definierten Tiefpaßfilters kann das Ausgangssignal des PMT's mittels handelsüblichem Low-Pass (LP) Filter geglättet werden. Die 3dB Grenzfrequenz fg des LP Filters ist dabei so zu wählen, daßUsing a synthesizer S driven by a quartz crystal, RF frequencies in the range of 10-100 MHz are generated. The output of the synthesizer S is connected on the one hand to a phase shifter / amplifier PA via a shielded high-frequency line (for example via a BNC cable). On the one hand, the phase shifter / amplifier amplifies the high-frequency input signal of the synthesizer - in the implementation shown to a power of approx. 1.5 W with a resistance of 50 W. Furthermore, the phase position of the amplified RF signal can be varied with the PA. The relative phase of the PA can be set digitally via a control line - for example, by control via a serial interface of a PC. The amplified RF signal becomes one modulatable PMT - for example the PMT module (H 6573) from Hamamatsu 1 - supplied. The amplified RF voltage (approx. 25 V pp / 50 W) is fed to the 2nd Dynode in the PMT and used to modulate the amplification of the PMT. To produce a defined low pass filter, the output signal of PMT 's using a standard low-pass (LP) filter to be smoothed. The 3dB cut-off frequency f g of the LP filter should be selected so that
1/Pixel-Dwelltime « fg « fLaser 1 / pixel dwell time «f g « f laser
mit fLaSer = Laser-Modulationsfrequenz. Das so gefilterte Signal wird der Standard Detektionselektronik des LRM zugeführt, (zum Verständnis: prinzipiell z.B. einem ADC (Analog Digital Converter) der mit den xy- Scannern des LRM synchronisiert wird.)with f LaSer = laser modulation frequency. The signal filtered in this way is fed to the standard detection electronics of the LRM (to understand: in principle, for example, an ADC (Analog Digital Converter) which is synchronized with the xy scanners of the LRM.)
Ein zweiter identischer Ausgang des Synthesizers S wird mit der Steuerungselektronik des Lichtmodulators M ebenfalls über eine Hochfrequenzleitung verbunden. Als Modulator kann beispielsweise ein akustooptischen Modulator im Laserstrahlengang (oder auch ein elektrooptischer Modulator) verwendet werden. Der Lichtmodulator ist Bestandteil des Lasermoduls des konfokalen Laser-Raster-Mikroskops. Durch einen solchen Aufbau kann die relative Phasenlage von PA und Lichtmodulator M variiert werden. Die Frequenzen für M zur Modulation des Laserlichts und der PMT Verstärkungsspannung sind gleich. Die Phasenlage ist im allgemeinen unterschiedlich. Mindestens die Phase eines RF-Ausgangs ist digital in etwa 1 ° Schritten einstellbar. In dem in Abbildung 1 dargestellten Fall wird die Phase der PMT Modulationsspannung durch den Phasenschieber in PA variiert.A second identical output of the synthesizer S is also connected to the control electronics of the light modulator M via a high-frequency line. For example, an acousto-optical modulator in the laser beam path (or else an electro-optical modulator) can be used as the modulator. The light modulator is part of the laser module of the confocal laser scanning microscope. The relative phase position of the PA and the light modulator M can be varied by such a construction. The frequencies for M for modulating the laser light and the PMT boost voltage are the same. The phase position is generally different. At least the phase of an RF output can be set digitally in approximately 1 ° steps. In the case shown in Figure 1, the phase of the PMT modulation voltage is varied by the phase shifter in PA.
Beschreibung der Funktionsweise und der damit verbundenen Vorteile der dargestellten Methode.Description of the mode of operation and the associated advantages of the method shown.
Mittels des üblichen LSM-Aufbaus wird das Licht der modulierten/gepulsten Laserlichtqueile über die Scanspiegel und der LSM-Scanoptik in die Objektebene fokussiert. Die Fluoreszenz wird wie beim konfokalen Zeiss LSM510 inThe light from the modulated / pulsed laser light source is focused into the object plane via the scanning mirror and the LSM scanning optics using the usual LSM structure. The fluorescence is like in the confocal Zeiss LSM510 in
1 Eine detailliertere Darstellung der Funktionsweise ist als "Technical Information" zum H6573 der Fa. Hamamatsu erhaltlich. Reflektionsrichtung über Farbteiler, Fokussierlinse etc. auf das Detektionspinhole fokussiert. Durch rasterförmige Bewegung des Laserfokus über die Objektebene und synchronisierter Detektion im - jetzt modulierten - PMT entsteht ein konfokaies Abbild der Objektebene. Durch die Verwendung der homodyne Technik ist das PMT Signal am Ausgang des LP-Filters (Abbildung 1 ) ein DC-Signal, das nur in Abhängigkeit der LaserSpot Position (Pixel) variiert. Durch Wiederholen des Scanvorgangs bei mehreren unterschiedlichen relativen Phasen von Lichtmodulator und Detektormodulation wird die Detektion des Fluoreszenz-Lebensdauerkontrasts bzw. die Messung der Fluoreszenz-Lebensdauer möglich. Der wesentliche Vorteil besteht darin, daß die übliche Datenaufnahmeeinheit des LRM verwendet werden kann. Die Berechnung des Lebensdauerkontrasts geschieht Biidweise. 1 A more detailed description of how it works is available as "Technical Information" for the H6573 from Hamamatsu. The direction of reflection is focused on the detection pinhole via a color divider, focusing lens etc. A raster-like movement of the laser focus over the object plane and synchronized detection in the - now modulated - PMT creates a confocal image of the object plane. By using homodyne technology, the PMT signal at the output of the LP filter (Figure 1) is a DC signal that only varies depending on the laser spot position (pixel). By repeating the scanning process with several different relative phases of light modulator and detector modulation, the detection of the fluorescence lifetime contrast or the measurement of the fluorescence lifetime is possible. The main advantage is that the usual data acquisition unit of the LRM can be used. The calculation of the life-time contrast is done in images.
Bildaufnahme zur Erzeugung des Lebensdauerkonrasts in einer konfokalen mikroskopischen Abbildung bzw. zur Darstellung der konfokalen Lebensdauerverteilung von Farbstoffen.Image acquisition to create the lifetime contrast in a confocal microscopic image or to show the confocal lifetime distribution of dyes.
• In einem ersten Schritt wird in der hier dargestellten Realisierung eine erste Phase des PMT-Detektors digital eingestellt. Die Einstellung geschieht wie oben dargestellt mit dem elektronischen Phasenschieber/Amplifier PA und das resultierende DC-Signal des PMT's (nach üblicher Strom-Spannungswandiung und Analog - Digital- Wandlung ) synchron mit dem Scanner mittels üblicher (LSM-) Auswertelektronik registriert und mittels eines Speichermediums im PC gespeichert.• In a first step, in the implementation shown here, a first phase of the PMT detector is set digitally. The setting is done as shown above with the electronic phase shifter / amplifier PA and the resulting DC signal of PMT 's (according to the usual current Spannungswandiung and analog - digital conversion) in synchronism with the scanner by means of conventional (LSM) evaluation electronics registered and by means of a storage medium stored in the PC.
• In mindestens einem zweiten Schritt wird das Vorgehen mit einer zweiten unterschiedlichen relativen Phasenlage wiederholt.• In at least a second step, the procedure is repeated with a second different relative phase position.
Mittels eines z.B. Computerbildschirms werden wahlweise die mindestens zwei digitalen Bilder ohne weitere Berechnung dargestellt.Using e.g. On the computer screen, the at least two digital images are optionally displayed without further calculation.
Zur Darstellung werden auch die mit den nachfolgenden Algorithmen erzeugten Bilder auf dem Bildschirm dargestellt (Fourierentwicklung) Die Fourierentwicklung ist gegeben durchThe images generated with the following algorithms are also displayed on the screen for display (Fourier development) The Fourier expansion is given by
Iφ + φτ ) = a0 + aλ • sin(< ) + bλ • cos(<p) (7)Iφ + φ τ ) = a 0 + a λ • sin (<) + b λ • cos (<p) (7)
Mit der Fluoreszenzintensität eines Pixels / und den entsprechenden Fourierkoeffizienten a0, a-i, bi.With the fluorescence intensity of a pixel / and the corresponding Fourier coefficients a 0 , ai, bi.
- l ri 2π αn = I = — > / r+n —- l ri 2π α n = I = -> / r + n -
2 ^ (2πn\ ( 2π b, = — > cos / φτ +n2 ^ (2πn \ (2π b, = -> cos / φ τ + n
Dabei sind ao, ai, b0 die Fourierkoeffizienten (per Pixel), N>=2 die Anzahl der gespeicherten Phasenbilder (bzw. Pixelintensitäten) l=l(φ) Die Modulationstiefe rund die Phasenverschiebung durch die Lebensdauer φτ können durch die Fourierkoeffizienten ausgedrückt werden.Here, ao, ai, b 0 are the Fourier coefficients (per pixel), N> = 2 the number of stored phase images (or pixel intensities) l = l (φ) The modulation depth r and the phase shift due to the lifetime φ τ can be determined by the Fourier coefficients be expressed.
φτ=-\-^T = ωτ (10)φ τ = - \ - ^ T = ωτ (10)
Die Modulationstiefe /W wird pixelweise berechnet. M=M(i,j) = M,j. (i,j, Pixelindices). Ebenso die Phasenverschiebung φ= φ (i,j)= φv The modulation depth / W is calculated pixel by pixel. M = M (i, j) = M, j . (i, j, pixel indices). Likewise the phase shift φ = φ (i, j) = φ v
Dargestellt wird auf dem Monitor das so pixelweise berechnete Abbild der Modulationstiefe MtJ und die Phasenverschiebung φΨ The image of the modulation depth M tJ calculated in this way pixel by pixel and the phase shift φ Ψ are shown on the monitor
Eine weitere Darstellungsart ist die τ - Abbildung, d.h. die durch Auflösung Gleichungen (9) bzw. (10) nach t berechneten Lebensdauern τ(M),j bzw. τ(φ) . [Clegg] :( ) = - 1 (11 ) \ MAnother type of representation is the τ mapping, ie the lifetimes τ (M), j and τ (φ) calculated according to t by solving equations (9) and (10). [Clegg] :() = - 1 (11) \ M
τ{φ) = —tan{φ) (12) ωτ {φ) = —tan {φ) (12) ω
M bzw φ werden über Gleichung (9) bzw. (10) und die mit Gleichung (8) bestimmten Fourierkoeffizienten a0, a-i, bi berechnet. Zur Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung der Phase können auch optimierte Algorithmen verwendet werden, die in einer Arbeit von Küchel, Phasenauswertung durch Faltung, 1989 dargestellt sind.M and φ are calculated using equations (9) and (10) and the Fourier coefficients a 0 , ai, bi determined using equation (8). To increase the accuracy in determining the phase, optimized algorithms can also be used, which are presented in a work by Küchel, Phase Evaluation by Folding, 1989.
Realisierung 2:Realization 2:
Eine weitere Realisierung eines konfokalen Mikroskops mit Lebensdauerkontrast bzw. zur Messung der Lebendauerverteilung in einem konfokalen Schnittbild kann unter Verwendung von Pulslasern erfolgen. Geeignet sind z.B. Pulslaserdioden oder andere z.B. fs-Lasersysteme (Ti:Saphir-Laser) z.B. mit nachgeschalteter Frequenzkonversionseinheit (z.B. Frequenzverdopplung/Verdreifachung). Bei Verwendung von Pulslasern kann auf die Erzeugung der RF-Treiberfrequenz mittels Synthesizer verzichtet werden. Stattdessen wird z.B. ein elektronisches Diodensignal des Pulslasers zur Verfügung gestellt (z.B. PD-Signal Out des fs/ps NIR-Lasers in Abbildung 1 oder ein äquivalenter Aufbau durch Austauch/Erweiterung des VIS-Lasermoduls z.B. mit einem ps-Diodenlaser etc.). Das so erzeugte RF-Signal der (ausreichend schnellen) Photodiode ist a priori synchronisiert mit der Laseranregung. Das RF-Signal kann analog dem RF-Signal eines Synthesizers verwendet werden, d.h. es wird der Phasenschieber/Amplifier PA Einheit am entsprechenden Eingang (über eine RF-Leitung) zur Verfügung gestellt. Das weitere Verfahren ist analog der Realisierung 1. Vorteilhaft ist hier einerseits die Verwendung einer pulsförmigen Lichtquelle und die damit einhergehende Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses in einem damit erzeugten Lebensdauerkontrasts im Vergleich zur sinusförmigen Modulation der Laseranregung in Realisierung 1 und der Verzicht auf einen Synthesizer zur Erzeugung der RF-Frequenz. Detektiert wird die Fluoreszenz nach einer 1- Photonen Anregung (linerar in der Anregungsintensität). 1.2 2-Photonen Confocal lifetime imaging, homodyneA further realization of a confocal microscope with life time contrast or for measuring the life time distribution in a confocal sectional image can be done using pulse lasers. Suitable are, for example, pulse laser diodes or other fs laser systems (Ti: sapphire laser), for example with a frequency conversion unit connected downstream (eg frequency doubling / tripling). When using pulse lasers, the generation of the RF driver frequency by means of a synthesizer can be dispensed with. Instead, for example, an electronic diode signal of the pulse laser is made available (e.g. PD signal Out of the fs / ps NIR laser in Figure 1 or an equivalent structure by replacing / expanding the VIS laser module, e.g. with a ps diode laser etc.). The RF signal of the (sufficiently fast) photodiode generated in this way is synchronized a priori with the laser excitation. The RF signal can be used in the same way as the RF signal of a synthesizer, ie the phase shifter / amplifier PA unit is made available at the corresponding input (via an RF line). The further method is analogous to implementation 1. On the one hand, the use of a pulsed light source and the associated improvement in the signal / noise ratio in a lifetime contrast generated in this way are advantageous compared to the sinusoidal modulation of the laser excitation in implementation 1 and the omission of a synthesizer for generation the RF frequency. The fluorescence is detected after a 1-photon excitation (linear in the excitation intensity). 1.2 2-photon confocal lifetime imaging, homodyne
Gegenstand dieses Kapitels ist die Kombination der 2-Photonen-Mikroskopie mit der Homodyne-Detektion zur Lebensdauerabbildung.The subject of this chapter is the combination of 2-photon microscopy with homodyne detection for lifespan imaging.
Die Kombination von Zeit-Auflösung und 2-Photonen-Mikroskopie wurde bereits von Gratton mit der sogenannte Heterodyne-Technik demonstriert [So]. Bei der Heterodyne Technik wird ein fs-Laser zur Fluoreszenz-Anregung in einem 2- Photonen-Mikroskop verwendet und der PMT-Detektor mit einer leicht unterschiedlichen Modulationsfrequenz betrieben. Die typische Wiederholrate von fs-Ti:Saphir-Lasem liegt im Bereich von 80MHz. In [So] wird zur Verstärkungsmodulation des PMT-Detektors eine Frequenz von 80MHZ+25kHz verwendet. Dadurch entsteht eine Schwebung. Diese Schwebung wird mit einer ADC-Karte digitalisiert und abgetastet. Dadurch ist eine Pixelweise Erfassung der Phasenverschiebung von Anregung und Fluoreszenz möglich (Heterodyne- Verfahren).The combination of time resolution and 2-photon microscopy has already been demonstrated by Gratton using the so-called heterodyne technique [So]. In the heterodyne technique, an fs laser is used for fluorescence excitation in a 2-photon microscope and the PMT detector is operated with a slightly different modulation frequency. The typical repetition rate of fs-Ti: Sapphire-Lasem is in the range of 80MHz. In [So] a frequency of 80MHZ + 25kHz is used for the gain modulation of the PMT detector. This creates a beat. This beat is digitized and scanned with an ADC card. This enables a pixel-by-pixel detection of the phase shift of excitation and fluorescence (heterodyne method).
In dem hier dargestellten Aufbau wird im Unterschied zu [So] nicht pixelweise sondern Bildweise die Phasenverschiebung bestimmt, d.h. zuerst ein Bild bei einer relativen Phasenverschiebung φ1 aufgenommen und gespeichert. In mindestens einem weiteren Schritt wird danach bei einer weiteren unterschiedlichen relativen Phase φ2 ein Bild erzeugt. (Homodyne Verfahren).In the structure shown here, in contrast to [So], the phase shift is determined not pixel by pixel but image by frame, i.e. first an image is recorded and stored at a relative phase shift φ1. In at least one further step, an image is then generated at a further different relative phase φ2. (Homodyne procedure).
Das Berechnen der diversen Bilder zur Darstellung des Kontrasts geschieht analog Kapitel 1.1.The various images for the representation of the contrast are calculated analogously to Chapter 1.1.
Vorgehensweisemethod
Eine gefärbte oder selbst fluoreszierende Probe wird zur Fluoreszenz über eine Zwei-Photonen-Absorption angeregt. Bei dem gepulsten Laser kann es sich z.B. um einen Ti:Saphir Laser (auch evtl. frequenzverdoppelt, frequenzverdreifacht Summen oder Diffrerenz frequenzgemischt etc. ),eine ps-Laserdiode oder um einen z.B. mittels AOM oder EOM pulsförmig modulierten Laser handeln. Der physikalische Prozess ist in 1.1. eine 1 -Photonenanregung in 1.2 eine 2- Photonenanregung (oder allgemein Multiphotonenanregung). Zur Anregung der Fluoreszenz in der Realisierung nach Abbildung 1 wird ein fs-Ti:Saphirlaser verwendet. Die Wiederholrate des fs-Lasers liegt bei etwa 80 MHz (NLO-LSM, Fluoreszenz-Detektion). Zur Detektion wird ein modulierbarer PMT-Detektor der Fa. Hamamatsu (H6573) verwendet. Die sinusförmige Modulationsfrequenz wird über eine ECL- Logikschaltung aus einem Photodiodensignal des Lasers (fs-Mira, Fa. Coherent) generiert und mittels eines im Phaseshifters/Amplifiers PA integrierten RF- Verstärkers auf eine mittlere Leistung von 1.5 W @ 50 W verstärkt und steht am Ausgang RF out des PA zur Verfügung. Die Phase des generierten Sinus (und damit des verstärkten Sinus) ist auf etwa 1 ° einstellbar (analog Kapitel 1.1 ). Der elektronische Jitter ist < 100ps ((Abbildung 1 ), Phasenschieber/RF Amplifier). Mit dem verstärkten Sinus mit der der Laserwiederholrate entsprechenden Frequenz (f.ep=fmod) wird die Verstärkung des PMT-Detektors moduliert. Dazu wird die verstärkte RF-Frequenz dem in Abbildung 1 als "RF-Modulation In" bezeichneten Eingangs des PMT-Moduls zur Verfügung gestellt. Der Strom am Ausgang des PMT-Detektors wird über einen passiven LP-Filter geglättet oder über eine Integrationsschaltung auf andere Art und Weise integriert. Das resultierende DC- Signal wird wieder der Detektionseinheit eines LRM zur Verfügung gestellt. Die weitere Datenaufnahme und Auswertung geschieht analog Kapitel 1.1.A colored or self-fluorescent sample is excited to fluoresce via a two-photon absorption. The pulsed laser can be, for example, a Ti: sapphire laser (also possibly frequency doubled, frequency tripled sums or difference frequency mixed, etc.), a ps laser diode or a laser modulated, for example, by means of AOM or EOM. The physical process is in 1.1. a 1-photon excitation in 1.2 a 2-photon excitation (or generally multiphoton excitation). An fs-Ti: sapphire laser is used to excite the fluorescence in the implementation according to Figure 1. The repetition rate of the fs laser is around 80 MHz (NLO-LSM, fluorescence detection). A modulatable PMT detector from Hamamatsu (H6573) is used for the detection. The sinusoidal modulation frequency is generated via an ECL logic circuit from a photodiode signal from the laser (fs-Mira, Coherent) and is amplified to an average power of 1.5 W @ 50 W by means of an RF amplifier integrated in the phase shifters / amplifiers PA Output RF out of the PA available. The phase of the generated sine (and thus of the amplified sine) can be set to approximately 1 ° (as in Chapter 1.1). The electronic jitter is <100ps ((Figure 1), phase shifter / RF amplifier). The amplification of the PMT detector is modulated with the amplified sine at the frequency corresponding to the laser repetition rate (f.ep = fm od ). For this purpose, the amplified RF frequency is made available to the input of the PMT module referred to in FIG. 1 as "RF modulation in". The current at the output of the PMT detector is smoothed by a passive LP filter or otherwise integrated by an integration circuit. The resulting DC signal is again made available to the detection unit of an LRM. The further data acquisition and evaluation takes place analogously to chapter 1.1.
Der Unterschied zu 1.1 liegt darin, daß in einem Fall ein 2-Photonen (NLO) LSM mit der Lebensdauerabbildung kombiniert wird - d.h. die Fluoreszenzanregung geschieht mit einem fs- oder ps- Pulslaser. Ein wesentlicher Unterschied besteht also durch die Art der Fluoreszenzanregung (hier 2 oder allgemein Mehr-Photonen (>2) Anregung.The difference to 1.1 is that in one case a 2-photon (NLO) LSM is combined with the lifetime map - i.e. the fluorescence excitation is done with an fs or ps pulse laser. An essential difference is the type of fluorescence excitation (here 2 or more multi-photons (> 2) excitation in general.
1.3 Anordnung zur phasenempfindlichen Fluoreszenzdetektion in einem Laser Scanning Mikroskop1.3 Arrangement for phase-sensitive fluorescence detection in a laser scanning microscope
Bei einer 2 / multi Photonen-Anregung ist der Einsatz von effizienterenWith 2 / multi photon excitation, the use of more efficient
Detektionseinrichtungen aufgrund der tiefendiskrimierten Anregung möglich. Diese sind in der Literatur unter dem Sammelbegriff der nicht-descannten Detektion beschrieben.Detection devices possible due to the deeply discriminated excitation. These are described in the literature under the collective term of non-descanned detection.
Dies ist schematisch in Abb.2 dargestellt, die an der Scanlinse SL und demThis is shown schematically in Fig.2, which on the scan lens SL and the
Scanner von Abb.1 ansetzt und einen mikroskopischen Strahlengang darstellt, mit der Probe P , der Objektivlinse OL, dem Strahlteiler ST zur Einkoppiung der Beleuchtung/ Auskoppiung der von der Probe kommenden Strahlung sowie eine erste Tubuslinse TL1.Attaches scanner of Fig.1 and represents a microscopic beam path, with the sample P, the objective lens OL, the beam splitter ST for coupling the Illumination / decoupling of the radiation coming from the sample and a first tube lens TL1.
Über eine zweite Tubuslinse TL2 wird in einem Detektionsstrahlengang DE mit einem weiteren modulierbaren PMT direkt, d.h. nicht über den Scanstrahlengang , detektiert.A second tube lens TL2 is used in a detection beam path DE with another modulatable PMT directly, i.e. not via the scanning beam path.
Dieser ist mit der Steuereinheit ST in Abb.1 und über diese mit weiteren Einheiten in Abb.1 verbunden.This is connected to the control unit ST in Fig.1 and via this to other units in Fig.1.
Ein wesentlicher Nachteil dieser Detektionseinrichtungen besteht generell in der höheren Raumlichtempfindlichkeit. Da das Raumlicht im allgemeinen nicht/oder verschieden vom Anregungslicht moduliert ist, ist der Einsatz von phasenempfindlichen Nachweiseinrichtungen zur Unterdrückung des Raumlichtes sinnvoll. Somit entfällt die aufwendige Kapselung der Detektionseinheit. Anordnungen bei 1 und 2 / multi Photonen-Anregung wurden bereits oben beschrieben und sind vollständig auf einen phasenempfindlichen Detektor übertragbar. Jedoch besitzt beim phasenempfindlichen Nachweis das Referenzsignal (Anregungslicht) und das Meßsignal (Fluoreszenzsignal) die gleiche Modulation. Für die meist verwendeten TiSa Lasersysteme beträgt diese Modulation 80 Mhz. Somit findet eine homodyne Detektion statt. Zum phasenempfindlichen Nachweis werden beide Signale in einem Multiplikator mit einer festen einstellbaren Phasenbeziehung miteinander multipliziert. In einer vorteilhaften Anordnung fungiert als Multiplikator die erste Dynode eines modulierbaren Photomultipliers (H6573) .A major disadvantage of these detection devices is generally the higher sensitivity to room light. Since the room light is generally not / or is modulated differently from the excitation light, the use of phase-sensitive detection devices for suppressing the room light makes sense. This eliminates the complex encapsulation of the detection unit. Arrangements with 1 and 2 / multi photon excitation have already been described above and can be completely transferred to a phase-sensitive detector. However, in the case of phase-sensitive detection, the reference signal (excitation light) and the measurement signal (fluorescence signal) have the same modulation. For the most commonly used TiSa laser systems, this modulation is 80 MHz. Thus homodyne detection takes place. For phase-sensitive detection, both signals are multiplied together in a multiplier with a fixed, adjustable phase relationship. In an advantageous arrangement, the first dynode of a modulatable photomultiplier (H6573) acts as a multiplier.
Das Referenzsignal wird von dem oben dargestellten Phasenschieber/ RF Verstärker erzeugt. Die Clock für den Phasenschieber ist das Photodiodensignal des Pulslasers. Zuzsätzlich kann durch "Beaten" des Laserlichts mit einem optischen Modulator (AOM oder EOM, siehe Abbildung 1 ) die durch den Pulslaser vorgegebene Wiederholfrequenz (Repetitionsrate) auf einen variablen Beat- Frequenzbereich ausgedehnt werden Die Beat-Frequenz wird durch einem Synthesizer mit einstellbarer Phase, der durch Triggersignale der Anregungslichtquelle gesteuert wird, bereitgestellt (siehe Abbildung 1 ). Die Phasenbeziehung zwischen Referenz- und Meßsignal wird so eingestellt, daß die Phasenverschiebung null beträgt. Somit findet eine Demodulation der Meßgröße statt. Man erhält somit ein DC bzw. niederfrequent moduliertes Meßsignal. Störgrößen wie Raumlicht sind nach dem Multiplikator jedoch stark moduliert (wie Referenzsignal ca. 80 Mhz). Durch den nachgeschalteteπ Tiefpaßfilter werden die hochmodulierten Anteile (Störgrößen) herausgefiltert und somit unterdrückt. Beispiel für Tiefpaßfilter ist die Nachweiselektronik eines herkömmlichen LSM.The reference signal is generated by the phase shifter / RF amplifier shown above. The clock for the phase shifter is the photodiode signal of the pulse laser. In addition, by "beating" the laser light with an optical modulator (AOM or EOM, see Figure 1), the repetition rate (repetition rate) specified by the pulse laser can be extended to a variable beat frequency range. The beat frequency is set by a synthesizer with an adjustable phase, which is controlled by trigger signals from the excitation light source (see Figure 1). The phase relationship between reference and measurement signal is set so that the phase shift is zero. The measured variable is thus demodulated. A DC or low-frequency modulated measurement signal is thus obtained. However, disturbances such as room light are strong after the multiplier modulated (like reference signal approx. 80 MHz). The highly modulated components (disturbance variables) are filtered out and thus suppressed by the downstream low-pass filter. An example of a low-pass filter is the detection electronics of a conventional LSM.
Der Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht darin, daß die Elektronik auf der Detektionsseite nur für Niederfrequente Signale ausgelegt werden muß, da die Demodulation bereits im Photomultipier stattfindet. The advantage of the arrangement described is that the electronics on the detection side only have to be designed for low-frequency signals, since the demodulation already takes place in the photomultiplier.
Literaturverzeichnisbibliography
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Verfahren zur Bestimmung von Calciumionenkonzentration in Zellen Offeniegungsschrift DE 41 04 014, Anmeldetag 9.02.91Method for the determination of calcium ion concentration in cells Offenlegungsschrift DE 41 04 014, filing date 9.02.91
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Vorrichtung zur Analyse und bildlichen Darstellung des bei einer punktweisen Anregung eines Präparates durch Laserlicht entstehenden zeitlichen Intensitätsverlaufs der FluoreszenzstrahlungDevice for analysis and visual representation of the temporal intensity curve of the fluorescence radiation that occurs when a specimen is excited by laser light
Patent DE 36 14 359 C2Patent DE 36 14 359 C2
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System zur Unterscheidung fluoreszierender Molekülgruppen durch zeitaufgelöste Fluoreszenzmessung Patent WO 98/09154System for distinguishing fluorescent groups of molecules by time-resolved fluorescence measurement Patent WO 98/09154
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[Schbg] H. Schneckenburger, K. König, T. Dienersberger R. Hahn[Schbg] H. Schneckenburger, K. König, T. Dienersberger R. Hahn
Time - gated microscopic imaging and spectroscopy in medical diagnosis and photobiologyTime-gated microscopic imaging and spectroscopy in medical diagnosis and photobiology
Optoical Engineering 33 (8) 2600 (1994)Optoical Engineering 33 (8) 2600 (1994)
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A continuously variable frequency cross-correlation phase föuorometer with picosecond resolutionA continuously variable frequency cross-correlation phase foometer with picosecond resolution
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Theory and Practice of Scanning Optical MicroscopyTheory and Practice of Scanning Optical Microscopy
Academic Press, 1984 Academic Press, 1984

Claims

Patentansprücheclaims
1.1.
Verfahren zur Erfassung von Fiuoreszenzerscheinungen in einem Mikroskop, wobei die Probe von einer modulierten und/ oder gepulsten Laserlichtquelle bestrahlt wird, und die Detektion der Fluoreszenz mindestens in zwei unterschiedlichenMethod for detecting fluorescence phenomena in a microscope, the sample being irradiated by a modulated and / or pulsed laser light source, and detecting the fluorescence in at least two different ones
Phasenlagen des Detektors erfolgt.Phase positions of the detector takes place.
2.Second
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei für die Phasenlagen jeweils ein Bild erzeugt wirdThe method of claim 1, wherein an image is generated for each phase
3.Third
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erzeugten Bilder oder aus diesen Bildern berechnete Bilder auf einem Monitor dargestellt werden.Method according to at least one of the preceding claims, wherein the images generated or images calculated from these images are displayed on a monitor.
4.4th
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Beleuchtung und Detektion über ein Laser- Scanning - Mikroskop erfolgt.Method according to at least one of the preceding claims, wherein illumination and detection takes place via a laser scanning microscope.
5.5th
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Detektion mit einem modulierbaren PMT erfolgt.Method according to at least one of the preceding claims, wherein the detection is carried out with a modulatable PMT.
6.6th
Verfahren zur Erfassung von Fiuoreszenzerscheinungen in einem Mikroskop, wobei die Probe von einer modulierten und/ oder gepulsten Laserlichtquelle bestrahlt wird, wobei ein dem modulierten und/ oder gepulsten Laser entsprechendes Referenzsignal und ein einer modulierten Detektion entsprechendes Meßsignal mit einer fest einstellbaren Phasenbeziehung miteinander multipliziert werden und dasMethod for the detection of fluorescence phenomena in a microscope, the sample being irradiated by a modulated and / or pulsed laser light source, a reference signal corresponding to the modulated and / or pulsed laser and a measurement signal corresponding to a modulated detection being multiplied by a fixedly adjustable phase relationship and the
Ergebnis zur bildlichen Darstellung dient. Result is used for visualization.
7.7th
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Phasenbeziehung so eingestellt, daß dieThe method of claim 6, wherein the phase relationship is set so that the
Phasenverschiebung Null beträgt .Phase shift is zero.
8.8th.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, mit nicht descannter Detektion.Method according to one of claims 6 or 7, with non-descanned detection.
9.9th
Anwendung eines Verfahrens gemäß einem der obengenannten Ansprüche auf die Mutiphotonen-Anregung von Fluoreszenzemission , insbesondereApplication of a method according to one of the above claims to the mutiphoton excitation of fluorescence emission, in particular
ZweiphotonenanregungTwo-photon excitation
10.10th
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, unter Verwendung eines mittels akustooptischen Modulators (AOM) modulierten cw-Lasers.Method according to at least one of the preceding claims, using a cw laser modulated by means of an acousto-optical modulator (AOM).
11.11th
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, unter Verwendung eines mittels Pockelszelle modulierten cw-Lasers.Method according to at least one of the preceding claims, using a cw laser modulated by means of a Pockels cell.
12.12th
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, unter Verwendung eines Pulslasers welcher zusätzlich moduliert wird.Method according to at least one of the preceding claims, using a pulse laser which is additionally modulated.
13.13th
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, unter Verwendung eines Pulslasers welcher zusätzlich mittels AOM moduliert wird.Method according to at least one of the preceding claims, using a pulse laser which is additionally modulated by means of AOM.
14.14th
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, unter Verwendung eines Pulslasers welcher zusätzlich mittels einer Pockelszelle moduliert wird.Method according to at least one of the preceding claims, using a pulse laser which is additionally modulated by means of a Pockels cell.
15.15th
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, unter Verwendung zur Zeitauflösung von Multiphotonenprozessen wie SecondMethod according to at least one of the preceding claims, using for time resolution of multiphoton processes such as second
Harmonie Generation an Oberflächen oder Zweiphotonenanregung.Harmony generation on surfaces or two-photon excitation.
16.16th
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, unter Verwendung eines gepulsten Near Infrared (NIR) Lasers. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, unter Verwendung eines gepulsten Near Infrared (NIR) Lasers mit nachfolgenderMethod according to at least one of the preceding claims, using a pulsed near infrared (NIR) laser. Method according to at least one of the preceding claims, using a pulsed near infrared (NIR) laser with the following
Frequenzkonversion zur 1 -Photonen-Anregung.Frequency conversion for 1-photon excitation.
18.18th
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, unter Verwendung eines gepulsten Near Infrared (NIR) Lasers mit nachfolgenderMethod according to at least one of the preceding claims, using a pulsed near infrared (NIR) laser with the following
Frequenzkonversion zur 1 -Photonen Anregung von FluoreszenzFrequency conversion for 1-photon excitation of fluorescence
19.19th
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, unter Verwendung des phasensensitiven Nachweises zur Verbesserung desMethod according to at least one of the preceding claims, using the phase-sensitive detection to improve the
Signal/Rausch Verhältnisses. Signal / noise ratio.
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