EP1386139A2 - Fluorescence fluctuation microscope analytical module or scanning module, method for measurement of fluorescence fluctuation and method and device for adjustment of a fluorescence fluctuation microscope - Google Patents

Fluorescence fluctuation microscope analytical module or scanning module, method for measurement of fluorescence fluctuation and method and device for adjustment of a fluorescence fluctuation microscope

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Publication number
EP1386139A2
EP1386139A2 EP02724136A EP02724136A EP1386139A2 EP 1386139 A2 EP1386139 A2 EP 1386139A2 EP 02724136 A EP02724136 A EP 02724136A EP 02724136 A EP02724136 A EP 02724136A EP 1386139 A2 EP1386139 A2 EP 1386139A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fluorescence fluctuation
microscope
fluorescence
fluctuation
lens
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02724136A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jörg LANGOWSKI
Malte Wachsmuth
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.)
Deutsches Krebsforschungszentrum DKFZ
Original Assignee
Deutsches Krebsforschungszentrum DKFZ
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 Deutsches Krebsforschungszentrum DKFZ filed Critical Deutsches Krebsforschungszentrum DKFZ
Publication of EP1386139A2 publication Critical patent/EP1386139A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • G01N21/645Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/6456Spatial resolved fluorescence measurements; Imaging
    • G01N21/6458Fluorescence microscopy
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/0004Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002Scanning microscopes
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/02Mechanical
    • G01N2201/024Modular construction

Definitions

  • Fluorescence fluctuation microscope measuring module or scanning module and method for fluorescence fluctuation measurement as well as method and device for adjusting a fluorescence fluctuation microscope
  • the invention relates to a fluorescence fluctuation microscope, a fluorescence fluctuation measurement module or a fluorescence fluctuation scanning module and a method for fluorescence fluctuation measurement.
  • the invention also relates to a method and a device for adjusting a fluorescence fluctuation microscope.
  • a fluorescence fluctuation measurement module is known from WO 98/23944 A1, with which fluorescence fluctuation measurements or fluorescence correlation measurements and or fluorescence cross-correlation measurements can also be carried out with commercially available microscopes, in particular with inverted microscopes.
  • the corresponding measurement module is connected to an optical connection of a microscope, the paths of the excitation light and the measurement light being confocally aligned by the fluorescence fluctuation measurement module.
  • This arrangement is particularly designed for the measurement of mobile particles or molecules which pass through the focus due to their own movement, in particular due to the Brown 'see molecular movement or molecular flows.
  • the invention proposes a fluorescence fluctuation microscope in which excitation light and fluorescent light are coupled into or out of a microscope via a common beam path, preferably confocal, and which is characterized in that a closed-loop scanning unit is provided.
  • a closed-loop scanning unit In contrast to the resonant scanning units used in the known scanning fluorescence fluctuation measurement, a closed-loop scanning unit enables a specific location to be approached and the corresponding position to be held over a long period of time. This makes it possible to measure a sample in a targeted manner at different positions, these measurements being able to be carried out at a specific location, for example both according to WO 98/23944 A1 or according to the known scanning fluorescence fluctuation measurement.
  • a corresponding closed-loop scanning unit can be provided directly on the specimen slide, it proves to be particularly advantageous if the corresponding closed-loop scanning unit is provided in the common beam path of detection light and excitation light, so that excitation light and detection light are moved over the sample.
  • the invention enables a spatially extended sample in its entirety with regard to fluorescence measure fluctuations, so that even complex relationships, such as those that occur in a biological cell, can be fully recorded.
  • the invention also proposes a method for fluorescence fluctuation measurement, in which a closed-loop scanning unit focuses excitation light on a sample at a specific location and a fluorescence fluctuation measurement is carried out at this location and in which the closed-loop scanning unit then focuses the excitation light on the sample at one location and a fluorescence fluctuation measurement is also carried out at this other location.
  • a fluorescence fluctuation microscope is also advantageous, which comprises a microscope, a fluorescence fluctuation measurement module, for example according to WO 98/23944 A1, and a fluorescence fluctuation cam module.
  • a device operating according to the method according to the invention can be provided at relatively low cost, since only the corresponding scan module needs to be provided.
  • the fluorescence fluctuation measurement module can also be used without problems for classic fluorescence fluctuation measurements.
  • a fluorescence fluctuation scan module with two connections, a first connection on the microscope side and a second connection on the measurement module side, in which the two connections are designed to be complementary is advantageous.
  • a descan lens is preferably provided between the scanning unit and a beam splitter for excitation light and detection light.
  • such a descan lens can also be composed of several individual lenses.
  • Such a descan lens independent of the other features of the present invention, makes it easier to adjust the overall arrangement. This makes it possible to initially adjust excitation light and detection light, in particular confocal. This can be done in a manner known per se, in particular using a microscope. Such adjustment is considerably simplified, in particular, by the beam guidance divergent without the descan lens.
  • the descan lens can be used and adjusted without any problems, whereby it is only necessary to ensure that the beam path is sufficiently parallelized due to the descan lens.
  • a detachable adjustment holder connected to the descan lens and having a marker that can be displaced parallel to the optical axis can be used.
  • the descan lens can be arranged on the one hand on the microscope-side connection of the fluorescence fluctuation measurement module or on the connection of the fluorescence fluctuation scan module that faces away from the microscope.
  • the descan lens can preferably be adjusted with respect to an optical arrangement of the fluorescence fluctuation measurement module, in particular with respect to a pinhole.
  • the scanning unit is preferably adjustable perpendicular to its optical axis with respect to the optical axis of a detector arrangement and / or with respect to the optical axis of an excitation light source. This can be ensured in particular by designing at least one of the corresponding connections to be adjustable with respect to the rest of the module, in particular adjustable perpendicular to the optical axis.
  • the arrangement according to the invention makes it possible for the first time to use fluorescence fluctuation measurements for imaging. While the measurements themselves can easily be carried out in a reasonable time window, the associated calculations, which are necessary according to the prior art, prove to be so complex that it is difficult to speak of a “real-time” recording In the present case, also independently of the other features of the present invention, it is proposed to first statistically evaluate the pure measurement results and thus to significantly reduce the number of data to be processed before correlation analysis actually takes place. Such a procedure can be carried out in particular with a fluorescence fluctuation microscope which Means for spatially resolved detection of the measured intensity and means for spatially resolved detection of a correlation function integrated over time.
  • Fluorescence fluctuation measuring module in a schematic view
  • Figure 2 shows the other part of the fluorescence fluctuation scan module and a corresponding microscope in a schematic view
  • FIGS. 1 and 2 comprises a commercially available microscope 1, in the tube 10 of which a scanning unit 2 is arranged, to which, on the other hand, a fluorescence fluctuation measurement module 3 is connected.
  • the fluorescence fluctuation measurement module 3 used as an example in this exemplary embodiment comprises a laser light coupling via a fiber 30, the light emanating from the fiber being focused into an intermediate image plane 33 by means of a collimator 31 and a lens 32 with an adapted aperture.
  • lens 32 in particular can be shifted accordingly.
  • the beam waist of the excitation light beam serves as the light source for the arrangement described below, the corresponding light first being passed through an excitation filter 34 to a beam splitter 35.
  • This beam splitter 35 reflects the excitation light and allows longer-wave fluorescence or detection light to pass through, so that two conjugate intermediate image planes 33 are generated accordingly.
  • the detection light is passed through a pinhole 36, which produces the confocality, or a pinhole 36 in the plane 33 and is spectrally divided into two detectors 38 and 39 by means of a beam splitter 37.
  • the short-wave component is reflected on the beam splitter 37 and imaged on the detector 38 by an emission filter 40 and a detection lens 41.
  • the long-wave portion that passes through the beam splitter 37 is imaged by a lens 44 onto the second detector 39 via a mirror 42 and a filter 43.
  • the pinhole 36 acts as a reference point for adjustment.
  • the lenses 41 and 44 are shifted until the pinhole 36 is imaged on the detectors 38 and 39.
  • the lens 32 and — if appropriate — the collimator 31 are also adjusted such that the laser beam waist and pinhole 36 are arranged in a conjugate confocal manner.
  • an inverted microscope 1 with an optical output 11 on the side is used, which in itself can also be used for connecting CCD cameras or dissection devices.
  • a beam splitter cube 12 conducts approximately 80% of the light coming from a sample arranged on a sample carrier 14 and coming from an objective 13 via a tube lens 15 to the side exit 11 and 20% via a mirror 16 to an eyepiece 17 It goes without saying that other microscopes and other microscope outputs can also be used for an implementation according to the invention.
  • An intermediate plane 18 is provided in the tube 10 of the microscope 1 and is used as the focal plane for the fluorescence fluctuation measurement module 3 or for the fluorescence fluctuation scan module 2. It goes without saying that an intermediate level of the microscope 1 which is present at another location and can be used in a suitable manner can also be used for this purpose.
  • the arrangement according to the invention can also be implemented without the use of such an intermediate image plane, the use an intermediate image plane, on the other hand, enables a relatively simple implementation of the invention, in particular also with other microscopes, since it only has to be ensured by suitable connections that a correspondingly provided intermediate image plane can be used as the focal plane.
  • the fluorescence fluctuation scanning module 2 comprises a scanning lens 20 at its microscope-side connection, the focal plane of which coincides with the intermediate image plane 18 when the scanning module 2 is connected to the microscope 1.
  • a telecentric plane 21 of the scanning lens 20 lies between two mirrors 22, 23 of a galvanometer scanner.
  • rotary magnet galvanometer scanners in particular have proven to be advantageous.
  • the axis of rotation of the mirror 23 is tilted 15 ° from the horizontal in order to achieve the smallest possible distance between the mirrors, which is approximately 23.5 mm on the optical axis.
  • These galvanometer scanners are designed as closed-loop scanners so that they can maintain a deflection once they have been reached.
  • closed-loop scanners can also be used to move the sample holder 14.
  • the use of a scanning unit in the light path has the advantage that much smaller masses have to be moved.
  • the effects of the scanning unit which distort the measurement can be prevented or minimized.
  • the control loops available with closed-loop scanning units can be optimally designed.
  • a collimation or descan lens 24 focuses the light accordingly on the intermediate image plane 33, the aperture angle being chosen to be identical to the aperture angle of the light emerging from the microscope 1 at the output 11.
  • This aperture adjustment allows the fluorescence fluctuation scan module 2, consisting of tube 10, scan lens 20, scanner 22, 23 and descan lens 24, to be removed from the beam path between the output 11 and the fluorescence fluctuation measurement module 3 and to connect the fluorescence fluctuation module 3 directly to the output 11 or instead of the fluorescence fluctuation - Measuring module 3 to mount another confocal optics on the scan module 2.
  • the descan lens 24 can be displaced, in particular, laterally or perpendicularly to the optical axis.
  • An auxiliary frame 50 is preferably provided for the adjustment of the descan lens 24, which can be attached to the descan lens 24 in order to align it appropriately.
  • This auxiliary frame is designed in such a way that it can be used to check the parallelism of the light beam leaving the descan lens 24 by means of suitable markers 51 (exemplarily numbered in FIG. 3), and the descan lens 24 can be suitably readjusted.
  • the adjustment bracket in the present exemplary embodiment has two guides 52, on which a screen 53 is connected in parallel. is arranged, which carries the corresponding marker 51. The parallelism of the corresponding light beam can be checked easily by a parallel displacement of the slot 53.
  • a cross table 25 is arranged on the fluorescence fluctuation scan module 2, by means of which the optical axes of the fluorescence fluctuation measurement module 3 and of the fluorescence fluctuation scan module 2 can be made to coincide.
  • the outputs of the detectors 38 and 39 are connected to a corresponding evaluation device, in particular a corresponding computer.
  • a corresponding evaluation device in particular a corresponding computer.
  • This can in particular have separate inputs or cards with which individual functions can be easily controlled.
  • This can be, for example, a correlator card for recording the correlation functions and a counter card, the counter card providing the sampling rates which are unusually high for conventional correlator cards for scanning microscopy.
  • the necessary calculation can also be carried out to a sufficient extent in these cards so that the computer does not have to intervene directly. It goes without saying that the computer can, however, also be used for these calculations, in particular as a support.
  • the detector signal of the detectors 38, 39 is then first integrated in the photon counting mode, as is also common for the known fluorescence fluctuation spectroscopy, over time intervals ⁇ of, for example, 10 ⁇ s for a defined time of, for example, 50 ms (that is 5000 in tervalle) added. Then the auto- or cross-correlation fluctuation, depending on single-channel or two-channel operation, G ( ⁇ ) for ⁇ > 0 is calculated from this data.
  • the amplitude G (0) is calculated from this data, which in the case of diffusion is inversely proportional to the number of particles in focus and thus inversely proportional to the concentration.
  • the calculation of the amplitude G (0) from the counted photon pulses can be carried out as follows:
  • the integration via the correlation function ⁇ d ⁇ G ( ⁇ ) c • xj ⁇ G (0), where ⁇ ⁇ is the correlation or decay time of the signal correlations (in the case of diffusion, the mean length of stay of the Molecules in focus and inversely proportional to the diffusion coefficient), and the constant c number rically or analytically can be determined.
  • the constant c can also be determined with a single conventional FCS measurement in the same sample.
  • the values xj summed or integrated above over time can be used to represent the correlation time by appropriate means, for example by means of a screen visualization, in particular also almost in "real time".
  • the calculations are very fast on today's computers and can be carried out in parallel with the point-by-point data acquisition With the existing structure, points or locations can be approached in succession for short times (eg 50 ms), so that data can then be taken point by point.
  • images with the intensity distribution, with the concentration, as a correlation function integrated over time, and with the correlation time as a contrast-giving signal can be created very quickly, without additional effort in terms of data analysis or the like being necessary.

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Abstract

A fluorescence fluctuation microscope, in which excitation light and detection light are coupled into or out of a microscope by means of a common beam path, comprises a closed loop scanning unit (22, 23).

Description

Fluoreszenzfluktuationsmikroskop, -messmodul bzw. -scanmodul und Verfahren zur Fluoreszenzfluktuationsmessung sowie Verfahren und Vorrichtung zur Justage eines FluoreszenzfluktuationsmikroskopsFluorescence fluctuation microscope, measuring module or scanning module and method for fluorescence fluctuation measurement as well as method and device for adjusting a fluorescence fluctuation microscope
Die Erfindung betrifft ein Fluoreszenzfluktuationsmikroskop, ein Fluores- zenzfluktuationsmessmodul bzw. ein Fluoreszenzfluktuationsscanrnodul sowie ein Verfahren zur Fluoreszenzfluktuationsmessung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Justage eines Fluoreszenzfluktuationsmikroskops .The invention relates to a fluorescence fluctuation microscope, a fluorescence fluctuation measurement module or a fluorescence fluctuation scanning module and a method for fluorescence fluctuation measurement. The invention also relates to a method and a device for adjusting a fluorescence fluctuation microscope.
Aus der WO 98/23944 AI ist ein Fluoreszenzfluktuationsmessmodul be- kannt, mit welchem Fluoreszenzfluktuationsmessungen bzw. Fluoreszenz- korrelationsmessungen und oder Fluoreszenzkreuzkorrelationsmessungen auch mit handelsüblichen Mikroskopen, insbesondere mit inversen Mikroskopen, durchgeführt werden können. Bei der dort dargestellten Lösung wird beispielsweise das entsprechende Messmodul an einen optischen An- schluss eines Mikroskops angeschlossen, wobei durch das Fluoreszenzfluk- tuationsmessmodul die Wege des Anregungslichtes und des Messlichtes konfokal ausgerichtet werden. Diese Anordnung ist insbesondere auf die Messung mobiler Partikel bzw. Moleküle ausgelegt, die aufgrund ihrer Eigenbewegung, insbesondere aufgrund der Brown' sehen Molekularbewegung oder molekularer Strömungen, den Fokus durchlaufen. Andererseits wird von K. M. Berland et. al. „Scanning Two-Photon Fluctuation Correlation Spectroscopy: Particle Counting Measurements for Detection of Molecular Aggregation", Biophysical Journal Volume 71 , July 1996, Seite 410 bis 420 eine Scanning-Fluoreszenzfluktuationsmessung dar- gestellt, bei welcher immobilisierte Partikel bzw. Moleküle periodisch bezüglich des Anregungslichtes bewegt und hieraus eine Korrelationsfunktion ermittelt wird. Die periodische Bewegung kann hierbei einerseits durch ein periodisches Bewegen des Objektträgers oder andererseits durch ein periodisches Bewegen des Anregungslichtes erreicht werden. Allerdings eignet sich das dort dargestellte Scanning- Verfahren nicht zur Erfassung mobiler Moleküle bzw. Partikel, da bei diesen die notwendige Periodizität nicht erreicht werden kann, insbesondere wenn diese Moleküle bzw. Partikel die periodische Bahn des Objektträgers bzw. des Anregungslichtes verlassen.A fluorescence fluctuation measurement module is known from WO 98/23944 A1, with which fluorescence fluctuation measurements or fluorescence correlation measurements and or fluorescence cross-correlation measurements can also be carried out with commercially available microscopes, in particular with inverted microscopes. In the solution shown there, for example, the corresponding measurement module is connected to an optical connection of a microscope, the paths of the excitation light and the measurement light being confocally aligned by the fluorescence fluctuation measurement module. This arrangement is particularly designed for the measurement of mobile particles or molecules which pass through the focus due to their own movement, in particular due to the Brown 'see molecular movement or molecular flows. On the other hand, KM Berland et. al. "Scanning Two-Photon Fluctuation Correlation Spectroscopy: Particle Counting Measurements for Detection of Molecular Aggregation", Biophysical Journal Volume 71, July 1996, pages 410 to 420 presents a scanning fluorescence fluctuation measurement in which immobilized particles or molecules periodically with respect to the excitation light The periodic movement can be achieved on the one hand by periodically moving the slide or on the other hand by periodically moving the excitation light. However, the scanning method shown there is not suitable for detecting mobile molecules or particles because the necessary periodicity cannot be achieved with these, in particular if these molecules or particles leave the periodic path of the slide or of the excitation light.
Es zeigt sich, dass diese an sich bekannten und sehr erfolgreichen Verfahren nicht in der Lage sind, nicht-ÜTimobilisierte Moleküle bzw. Partikel in ausreichendem Maße zu erfassen bzw. zu verfolgen. Insofern lassen sich die großen Vorteile der Fluoreszenzfluktuationsspektroskopie mit ihrer hohen Sensitivität und Selektivität hinsichtlich der Fluoreszenz, welche bis zur Erkennung einzelner Moleküle reicht, bei nicht-immobilisierten Molekülen nicht nutzen.It turns out that these methods, which are known and very successful, are not able to detect or track non-immobilized molecules or particles to a sufficient extent. In this respect, the great advantages of fluorescence fluctuation spectroscopy with its high sensitivity and selectivity with regard to fluorescence, which extends to the recognition of individual molecules, cannot be used with non-immobilized molecules.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Fluoreszenzfluktuationsmikro- skop bzw. ein Verfahren zur Fluoreszenzfluktuationsmessung bereit zu stellen, welche vorstehend beschriebenen Nachteil beseitigen. Als Lösung schlägt die Erfindung ein Fluoreszenzflukmationsmikroskop vor, bei welchem Anregungslicht und Fluoreszenzlicht über einen gemeinsamen Strahlengang, vorzugsweise konfokal, in ein Mikroskop eingekoppelt bzw. aus diesem ausgekoppelt werden und welches sich dadurch auszeichnet, dass eine closed-loop-Scanning-Einheit vorgesehen ist.It is an object of the present invention to provide a fluorescence fluctuation microscope or a method for fluorescence fluctuation measurement which eliminate the disadvantage described above. As a solution, the invention proposes a fluorescence fluctuation microscope in which excitation light and fluorescent light are coupled into or out of a microscope via a common beam path, preferably confocal, and which is characterized in that a closed-loop scanning unit is provided.
Im Gegensatz zu den bei der bekannten Scanning-Fluoreszenzfluktuations- messung genutzten resonant-Scanning-Einheiten ermöglicht es eine closed- loop-Scanning-Einheit, dass ein bestimmter Ort angefahren und über längere Zeit die entsprechende Position gehalten werden kann. Hierdurch wird es möglich, eine Probe gezielt an verschiedenen Positionen zu vermessen, wobei diese Messungen beispielsweise sowohl nach der WO 98/23944 AI bzw. nach der bekannten Scanning-Fluoreszenzfluktuationsmessung jeweils an einem bestimmten Ort vorgenommen werden können.In contrast to the resonant scanning units used in the known scanning fluorescence fluctuation measurement, a closed-loop scanning unit enables a specific location to be approached and the corresponding position to be held over a long period of time. This makes it possible to measure a sample in a targeted manner at different positions, these measurements being able to be carried out at a specific location, for example both according to WO 98/23944 A1 or according to the known scanning fluorescence fluctuation measurement.
Während eine entsprechende closed-loop-Scanning-Einl eit unmittelbar an dem Objektträger vorgesehen sein kann, erweist es sich insbesondere als vorteilhaft, wenn die entsprechende closed-loop-Scanning-Einheit in dem gemeinsamen Strahlengang von Detektionslicht und Anregungslicht vorgesehen ist, so dass Anregungslicht und Detektionslicht über die Probe bewegt werden. Auf diese Weise lassen sich erstmals Fluoreszenzfluktua- tionsmessimgen auch bei sich bewegenden Molekülen oder Partikeln bzw. bei entsprechenden Strömungen aufnehmen, wobei diesen Strömungen gezielt gefolgt werden kann. Darüber hinaus ermöglicht es die Erfindimg erstmals, eine räumlich ausgedehnte Probe in ihrer Gänze hinsichtlich Fluores- zenzfluktuationen zu vermessen, so dass auch komplexe Zusammenhänge, wie sie beispielsweise in einer biologischen Zelle auftreten, zur Gänze er- fasst werden können.While a corresponding closed-loop scanning unit can be provided directly on the specimen slide, it proves to be particularly advantageous if the corresponding closed-loop scanning unit is provided in the common beam path of detection light and excitation light, so that excitation light and detection light are moved over the sample. In this way, it is possible for the first time to record fluorescence fluctuation measurements even with moving molecules or particles or with corresponding flows, and these flows can be followed in a targeted manner. In addition, for the first time, the invention enables a spatially extended sample in its entirety with regard to fluorescence measure fluctuations, so that even complex relationships, such as those that occur in a biological cell, can be fully recorded.
Zwar sind aus der DE 198 29 953 AI, der DE 197 33 195 AI und aus der DE 43 23 129 AI Laser-Scanning-Mikroskope bekannt, die auch für Fluoreszenzmessungen zur Anwendung kommen können. Fluoreszenzfluktuati- onsmessungen sind in diesen Druckschriften nicht erwähnt. Ein Blick auf die in diesen Druckschriften dargestellten Ausfuhrungsformen zeigt dem Fachmann, dass diese Anordnungen aufgrund ihrer Komplexität, der verhältnis- mäßig langen optischen und somit auch mechanischen Wege zwischen Anregungslicht und Detektionslicht trennendem Strahlteiler und den Detektoren sowie aufgrund der je Detektor vorgesehenen Pinhole- Anordnungen, der vielen übrigen mechanischen Komponenten sowie der integrierten Laser für Fluoreszenzfluktuationsmessungen nicht geeignet sind, da all diese Kompo- nenten einerseits erheblich zum Hintergrundrauschen bei Fluoreszenzfluktuationsmessungen sowie zu korrelierten Schwingungen und somit zu Scheinmessergebnissen fuhren. Insofern sind diese Anordnungen zwar für über die Zeit integrierend ausgebildete Fluoreszenzmessungen jedoch gerade nicht für zeitkritische Fluoreszenzfluktuationsmessungen geeignet.Laser scanning microscopes are known from DE 198 29 953 AI, DE 197 33 195 AI and DE 43 23 129 AI, which can also be used for fluorescence measurements. Fluorescence fluctuation measurements are not mentioned in these publications. A glance at the embodiments shown in these publications shows the person skilled in the art that these arrangements, owing to their complexity, the relatively long optical and thus also mechanical paths between the beam splitter separating excitation light and detection light and the detectors, and also the pinhole arrangements provided for each detector, of the many other mechanical components and the integrated laser are not suitable for fluorescence fluctuation measurements, since all of these components on the one hand lead to background noise during fluorescence fluctuation measurements and to correlated vibrations and thus to sham measurement results. In this respect, these arrangements are indeed not suitable for time-critical fluorescence fluctuation measurements for fluorescence measurements designed to be integrative over time.
Dementsprechend schlägt die Erfindung auch ein Verfahren zur Fluores- zenzfluktuationsmessung vor, bei welchem eine closed-loop-Scanning- Einheit Anregungslicht auf einer Probe an einem bestimmten Ort fokussiert und an diesem Ort eine Fluoreszenzfluktuationsmessung durchgeführt sowie bei welchem anschließend die closed-loop-Scanning-Einheit das Anregungslicht auf der Probe an einem Ort fokussiert und an diesem anderen Ort ebenfalls eine Fluoreszenzfluktuationsmessung durchgeführt wird.Accordingly, the invention also proposes a method for fluorescence fluctuation measurement, in which a closed-loop scanning unit focuses excitation light on a sample at a specific location and a fluorescence fluctuation measurement is carried out at this location and in which the closed-loop scanning unit then focuses the excitation light on the sample at one location and a fluorescence fluctuation measurement is also carried out at this other location.
Unabhängig von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung ist darüber hinaus ein Fluoreszenzfluktuationsmikroskop vorteilhaft, welches ein Mikroskop, ein Fluoreszenzfluktuationsmessmodul, beispielsweise nach der WO 98/23944 AI, sowie ein Fluoreszenzfluktuationsscamnodul umfasst. Auf diese Weise kann eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Vorrichtung verhältnismäßig kostengünstig bereit gestellt werden, da ledig- lieh das entsprechende Scanmodul bereit gestellt werden braucht. Bei einer derartigen Anordnung kann darüber hinaus, insbesondere wenn der mikro- skopseitige Anschluss des Fluoreszenzfluktuationsscanmoduls identisch zu dem mikroskopseitigen Anschluss des Fluoreszenzfluktuationsmessmoduls ausgestaltet ist, das Fluoreszenzfluktuationsmessmodul ohne weiteres auch für klassische Fluoreszenzfluktuationsmessungen genutzt werden. Dementsprechend ist, auch unabhängig von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung, ein Fluoreszenzfluktuationsscanmodul mit zwei Anschlüssen, einem ersten mikroskopseitigen Anschluss und einem zweiten, messmodul- seitigem Anschluss, vorteilhaft, bei welchem die beiden Anschlüsse kom- plementär ausgestaltet sind.Regardless of the other features of the present invention, a fluorescence fluctuation microscope is also advantageous, which comprises a microscope, a fluorescence fluctuation measurement module, for example according to WO 98/23944 A1, and a fluorescence fluctuation cam module. In this way, a device operating according to the method according to the invention can be provided at relatively low cost, since only the corresponding scan module needs to be provided. With such an arrangement, especially if the microscope-side connection of the fluorescence fluctuation scan module is configured identically to the microscope-side connection of the fluorescence fluctuation measurement module, the fluorescence fluctuation measurement module can also be used without problems for classic fluorescence fluctuation measurements. Accordingly, regardless of the other features of the present invention, a fluorescence fluctuation scan module with two connections, a first connection on the microscope side and a second connection on the measurement module side, in which the two connections are designed to be complementary, is advantageous.
Vorzugsweise ist zwischen der Scanning-Einl eit und einem Strahlteiler für Anregungslicht und Detektionslicht eine Descanlinse vorgesehen, wobei in vorliegendem Zusammenhang unter dem Begriff „Descanlinse" jede opti- sehe Anordnung, durch welche fokussierte Strahlen in parallele Strahlen gewandelt werden können, zu verstehen ist. Insbesondere kann eine derartige Descanlinse auch aus mehreren Einzellinsen zusammengesetzt sein. Durch eine derartige Descanlinse erleichtert sich, unabhängig von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung, eine Justage der Gesamtanordnung. Es wird hierdurch nämlich möglich, zunächst Anregungslicht und Detektionslicht, insbesondere konfokal, zu justieren. Dieses kann insbesondere über das Mikroskop in an sich bekannter Weise geschehen. Eine derartige Justage ist insbesondere durch die ohne die Descanlinse divergente Strahlenfüh- rung erheblich vereinfacht.A descan lens is preferably provided between the scanning unit and a beam splitter for excitation light and detection light. In the present context, under the term “descan lens” each optically see arrangement through which focused rays can be converted into parallel rays. In particular, such a descan lens can also be composed of several individual lenses. Such a descan lens, independent of the other features of the present invention, makes it easier to adjust the overall arrangement. This makes it possible to initially adjust excitation light and detection light, in particular confocal. This can be done in a manner known per se, in particular using a microscope. Such adjustment is considerably simplified, in particular, by the beam guidance divergent without the descan lens.
Im Anschluss hieran kann die Descanlinse ohne weiteres eingesetzt und justiert werden, wobei hierzu lediglich darauf geachtet werden muss, dass der Strahlengang aufgrund der Descanlinse ausreichend parallelisiert wird. Hierzu kann insbesondere eine mit der Descanlinse verbundene und abnehmbare Justierhalterung mit einem parallel zu der optischen Achse verlagerbaren Marker genutzt werden.Following this, the descan lens can be used and adjusted without any problems, whereby it is only necessary to ensure that the beam path is sufficiently parallelized due to the descan lens. For this purpose, in particular a detachable adjustment holder connected to the descan lens and having a marker that can be displaced parallel to the optical axis can be used.
Es versteht sich, dass die Descanlinse einerseits am mikroskopseitigen Anschluss des Fluoreszenzfluktuationsmessmoduls oder aber an dem Anschluss des Fluoreszenzfluktuationsscanmoduls, der dem Mikroskop abgewandt ist, angeordnet sein kann. Vorzugsweise ist die Descanlinse bezüglich einer optischen Anordnung des Fluoreszenzfluktuationsmessmoduls, insbesondere bezüglich eines Pinholes, justierbar. Vorzugsweise ist die Scanning-Einheit senkrecht zu ihrer optischen Achse bezüglich der optischen Achse einer Detektoranordnung und/oder bezüglich der optischen Achse einer Anregungslichtquelle justierbar. Dieses kann insbesondere dadurch gewährleistet werden, dass wenigstens einer der entspre- chenden Anschlüsse bezüglich des restlichen Moduls justierbar, insbesondere senkrecht zur optischen Achse justierbar, ausgebildet ist. Auf diese Weise kann, nachdem bei der vorbeschriebenen Justage durch die Descanlinse ein paralleler Lichtstrahl erzeugt worden ist, dafür gesorgt werden, dass dieser in optimaler Weise die Scanning-Einheit durchläuft bzw. dass deren optische Achse mit der optischen Achse der Anordnung aus Descanlinse und Anre- gungslichtung bzw. Detektionslichtweg übereinstimmt.It goes without saying that the descan lens can be arranged on the one hand on the microscope-side connection of the fluorescence fluctuation measurement module or on the connection of the fluorescence fluctuation scan module that faces away from the microscope. The descan lens can preferably be adjusted with respect to an optical arrangement of the fluorescence fluctuation measurement module, in particular with respect to a pinhole. The scanning unit is preferably adjustable perpendicular to its optical axis with respect to the optical axis of a detector arrangement and / or with respect to the optical axis of an excitation light source. This can be ensured in particular by designing at least one of the corresponding connections to be adjustable with respect to the rest of the module, in particular adjustable perpendicular to the optical axis. In this way, after a parallel light beam has been generated in the above-described adjustment by the descan lens, it can be ensured that it passes through the scanning unit in an optimal manner or that its optical axis coincides with the optical axis of the arrangement consisting of the descan lens and stim - clearing or detection light path matches.
Wie bereits vorstehend beschrieben, ermöglicht es die erfindungsgemäße Anordnung erstmals, Fluoreszenzfluktuationsmessungen bildgebend einzusetzen. Während die Messungen an sich ohne weiteres in einem vernünftigen Zeitfenster durchgeführt werden können, erweisen sich die zugehörigen Berechnungen, die nach dem Stand der Technik notwendig sind, als derart komplex, dass von einer „Echtzeit"-Aufhahme nur schwerlich gesprochen werden kann. Insofern wird vorliegend, auch unabhängig von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung, vorgeschlagen, die reinen Messergeb- nisse zunächst statistisch auszuwerten und somit die Zahl der zu verarbeitenden Daten erheblich zu verringern, bevor eine eigentlich Korrelationsauswertung geschieht. Eine derartige Vorgehensweise ist insbesondere bei einem Fluoreszenzfluktuationsmikroskop durchführbar, welches Mittel zur ortsaufgelösten Erfassung der gemessenen Intensität und Mittel zur ortsauf- gelösten Erfassung einer über die Zeit integrierten Korrelationsfunktion aufweist. Diese Werte lassen sich einerseits in einem Rechner und andererseits durch lokal an den entsprechenden Detektoren vorgesehenen Einrichtungen verhältnismäßig zeitnah und ohne erheblichen Aufwand ermitteln. Aus der gemessenen Intensität und der integrierten Korrelationsfunktion lässt sich anschließend immittelbar eine Korrelationszeit bestimmen und entsprechend darstellen. Auf diese Weise kann einem Nutzer nahezu in „Echtzeit" eine ortsaufgelöste Darstellung einer Fluoreszenzfluktuationsmessung geboten werden, die insbesondere einerseits die integrierte Korrelationsfunktion und andererseits die Korrelationszeit umfasst.As already described above, the arrangement according to the invention makes it possible for the first time to use fluorescence fluctuation measurements for imaging. While the measurements themselves can easily be carried out in a reasonable time window, the associated calculations, which are necessary according to the prior art, prove to be so complex that it is difficult to speak of a “real-time” recording In the present case, also independently of the other features of the present invention, it is proposed to first statistically evaluate the pure measurement results and thus to significantly reduce the number of data to be processed before correlation analysis actually takes place. Such a procedure can be carried out in particular with a fluorescence fluctuation microscope which Means for spatially resolved detection of the measured intensity and means for spatially resolved detection of a correlation function integrated over time. These values can be determined on the one hand in a computer and, on the other hand, relatively promptly and without considerable effort by means provided locally on the corresponding detectors. A correlation time can then be determined immediately from the measured intensity and the integrated correlation function and displayed accordingly. In this way, a user can be provided with a spatially resolved representation of a fluorescence fluctuation measurement almost in “real time”, which includes the integrated correlation function on the one hand and the correlation time on the other hand.
Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand der Beschreibung anliegender Zeichnung erläutert, in welcher schematisch ein erfindungsgemäßes Fluoreszenzfluktuationsmikroskop und eine Justierhalterung dargestellt sind.Further advantages, goals and properties of the present invention are explained with the aid of the description of the attached drawing, in which a fluorescence fluctuation microscope according to the invention and an adjustment holder are shown schematically.
In der Zeichnung zeigen:The drawing shows:
Figur 1 einen Teil eines Fluoreszenzfluktuationsscanmoduls sowie ein1 shows a part of a fluorescence fluctuation scan module and a
Fluoreszenzfluktuationsmessmodul in schematischer Ansicht,Fluorescence fluctuation measuring module in a schematic view,
Figur 2 den anderen Teil des Fluoreszenzfluktuationsscanmoduls sowie ein entsprechendes Mikroskop in schematischer Ansicht undFigure 2 shows the other part of the fluorescence fluctuation scan module and a corresponding microscope in a schematic view and
Figur 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Justierhalterung. Das in Figuren 1 und 2 dargestellte Fluoreszenzfluktuationsmikroskop umfasst ein handelsübliches Mikroskop 1, in dessen Tubus 10 eine Scanning- Einheit 2 angeordnet ist, an welcher andererseits ein Fluoreszenzfluktuati- onsmessmodul 3 angeschlossen ist. Das bei diesem Ausführungsbeispiel bei- spielhaft verwandte Fluoreszenzfluktuationsmessmodul 3 umfasst eine La- serlichteinkopplung über eine Faser 30, wobei das von der Faser ausgehende Licht mittels eines Kollimators 31 und einer Linse 32 mit angepasster Apertur in eine Zwischenbildebene 33 fokussiert wird. Hierzu kann insbesondere die Linse 32 entsprechend verlagert werden. Die Strahltaille des Anregungs- lichtstrahls dient für die nachfolgend bescliriebene Anordnung als Lichtquelle, wobei das entsprechende Licht zunächst durch einen Anregungsfilter 34 auf einen Strahlteiler 35 geleitet wird. Dieser Strahlteiler 35 reflektiert das Anregungslicht und lässt längerwelliges Fluoreszenz- bzw. Detektionslicht passieren, sodass entsprechend zwei konjugierte Zwischenbildebenen 33 erzeugt werden. Von dem Strahlteiler 35 ausgehend wird das Detektionslicht durch eine die Konfokalität herstellende Lochblende bzw. ein Pinhole 36 in der Ebene 33 hindurchgeleitet und mittels eines Strahlteilers 37 spektral auf zwei Detektoren 38 und 39 aufgeteilt. Hierbei wird der kurzwellige Anteil an dem Strahlteiler 37 reflektiert und durch einen Emissionsfilter 40 sowie eine Detektionslinse 41 auf den Detektor 38 abgebildet. Entsprechend wird der langwellige Anteil, welcher den Strahlteiler 37 durchtritt, über einen Spiegel 42 und einen Filter 43 von einer Linse 44 auf den zweiten Detektor 39 abgebildet. Zur Justage fungiert bei diesem Ausfülirungsbeispiel das Pinhole 36 als Bezugspunkt. Hierbei werden die Linsen 41 und 44 solange verschoben, bis das Pinhole 36 auf den Detektoren 38 und 39 abgebildet ist. Des weiteren wird auch die Linse 32 sowie - gegebenenfalls - der Kollimator 31 so jus- tiert, dass Laserstrahltaille und Pinhole 36 konjugiert konfokal angeordnet sind.Figure 3 is a schematic representation of an adjustment bracket according to the invention. The fluorescence fluctuation microscope shown in FIGS. 1 and 2 comprises a commercially available microscope 1, in the tube 10 of which a scanning unit 2 is arranged, to which, on the other hand, a fluorescence fluctuation measurement module 3 is connected. The fluorescence fluctuation measurement module 3 used as an example in this exemplary embodiment comprises a laser light coupling via a fiber 30, the light emanating from the fiber being focused into an intermediate image plane 33 by means of a collimator 31 and a lens 32 with an adapted aperture. For this purpose, lens 32 in particular can be shifted accordingly. The beam waist of the excitation light beam serves as the light source for the arrangement described below, the corresponding light first being passed through an excitation filter 34 to a beam splitter 35. This beam splitter 35 reflects the excitation light and allows longer-wave fluorescence or detection light to pass through, so that two conjugate intermediate image planes 33 are generated accordingly. Starting from the beam splitter 35, the detection light is passed through a pinhole 36, which produces the confocality, or a pinhole 36 in the plane 33 and is spectrally divided into two detectors 38 and 39 by means of a beam splitter 37. The short-wave component is reflected on the beam splitter 37 and imaged on the detector 38 by an emission filter 40 and a detection lens 41. Accordingly, the long-wave portion that passes through the beam splitter 37 is imaged by a lens 44 onto the second detector 39 via a mirror 42 and a filter 43. In this embodiment, the pinhole 36 acts as a reference point for adjustment. Here, the lenses 41 and 44 are shifted until the pinhole 36 is imaged on the detectors 38 and 39. Furthermore, the lens 32 and — if appropriate — the collimator 31 are also adjusted such that the laser beam waist and pinhole 36 are arranged in a conjugate confocal manner.
Bei dem in Figuren 1 und 2 dargestellten Ausfülirungsbeispiel findet ein in- verses Mikroskop 1 mit einem seitlichen optischen Ausgang 11 Anwendung, welcher an sich auch zum Anschluss von CCD-Kameras oder Dis- kiissionseinrichtungen zur Anwendung kommen kann. Bei dem vorliegend genutzt Mikroskop 1 leitet ein Stral lteilerwürfel 12 ungefähr 80 % des von einer auf einem Probenträger 14 angeordneten Probe stammenden, von einem Objektiv 13 über eine Tubuslinse 15 kommenden Lichts zum seitlichen Ausgang 11 und 20 % über einen Spiegel 16 zu einem Okular 17. Es ver- steht sich, dass für eine erfindungsgemäße Umsetzung auch andere Mikroskope sowie andere Mikroskopausgänge zur Anwendung kommen können.In the exemplary embodiment shown in FIGS. 1 and 2, an inverted microscope 1 with an optical output 11 on the side is used, which in itself can also be used for connecting CCD cameras or dissection devices. In the microscope 1 used in the present case, a beam splitter cube 12 conducts approximately 80% of the light coming from a sample arranged on a sample carrier 14 and coming from an objective 13 via a tube lens 15 to the side exit 11 and 20% via a mirror 16 to an eyepiece 17 It goes without saying that other microscopes and other microscope outputs can also be used for an implementation according to the invention.
Im Tubus 10 des Mikroskops 1 ist eine Zwischenebene 18 vorgesehen, die als Fokalebene für das Fluoreszenzfluktuationsmessmodul 3 bzw. für das Fluoreszenzfluktuationsscanmodul 2 genutzt wird. Es versteht sich, dass hierfür auch eine an anderer Stelle vorhandene und in geeigneter Weise nutzbare Zwischenebene des Mikroskops 1 genutzt werden kann. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Anordnung auch ohne die Nutzung einer derartigen Zwischenbildebene umgesetzt werden, wobei die Verwendung einer Zwischenbildebene dem gegenüber eine verhältnismäßig einfache Umsetzung der Erfindung, insbesondere auch bei anderen Mikroskopen, ermöglicht, da lediglich durch geeignete Anschlüsse sichergestellt werden muss, dass eine entsprechend bereit gestellte Zwischenbildebene als Fokalebene genutzt werden kann.An intermediate plane 18 is provided in the tube 10 of the microscope 1 and is used as the focal plane for the fluorescence fluctuation measurement module 3 or for the fluorescence fluctuation scan module 2. It goes without saying that an intermediate level of the microscope 1 which is present at another location and can be used in a suitable manner can also be used for this purpose. In addition, the arrangement according to the invention can also be implemented without the use of such an intermediate image plane, the use an intermediate image plane, on the other hand, enables a relatively simple implementation of the invention, in particular also with other microscopes, since it only has to be ensured by suitable connections that a correspondingly provided intermediate image plane can be used as the focal plane.
Das Fluoreszenzfluktuationsscanmodul 2 umfasst an seinem mikroskopseitigen Anschluss eine Scanlinse 20, deren Fokalebene, wenn das Scanmodul 2 an dem Mikroskop 1 angeschlossen ist, mit der Zwischenbildebene 18 zusammen fällt. Bildseitig liegt eine telezentrische Ebene 21 der Scanlinse 20 zwischen zwei Spiegeln 22, 23 eines Galvanometerscanners. Bei vorliegendem Ausfülirungsbeispiel haben sich insbesondere Drehmagnet- Galvanometerscanner als vorteilhaft erwiesen. Hierbei ist die Drehachse des Spiegels 23 um 15° aus der Horizontalen verkippt, um einen möglichst kleinen Abstand der Spiegel zu erreichen, welche auf der optischen Achse unge- fähr 23,5 mm beträgt. Diese Galvanometerscanner sind als closed-loop- Scanner ausgebildet, sodass sie eine einmal erreichte Auslenkung beibehalten können. Hierdurch kann gezielt eine Position angefahren und die Fluoreszenzfluktuation gemessen werden. Es versteht sich, dass derartige closed- loop-Scanner auch zum Verfahren des Probenhalters 14 genutzt werden können. Die Verwendung einer Scaneinheit im Lichtweg hat jedoch den Vorteil, dass wesentlich kleinere Massen bewegt werden müssen. Durch geeignete Wahl der Massen der Spiegel können die Messung verfälschende Einflüsse der Scanning-Einheit unterbunden bzw. minimiert werden. Ebenso können die bei closed-loop-Scanning-Einheiten vorhandenen Regelkreise dahingehend optimal ausgelegt werden.The fluorescence fluctuation scanning module 2 comprises a scanning lens 20 at its microscope-side connection, the focal plane of which coincides with the intermediate image plane 18 when the scanning module 2 is connected to the microscope 1. On the image side, a telecentric plane 21 of the scanning lens 20 lies between two mirrors 22, 23 of a galvanometer scanner. In the present exemplary embodiment, rotary magnet galvanometer scanners in particular have proven to be advantageous. Here, the axis of rotation of the mirror 23 is tilted 15 ° from the horizontal in order to achieve the smallest possible distance between the mirrors, which is approximately 23.5 mm on the optical axis. These galvanometer scanners are designed as closed-loop scanners so that they can maintain a deflection once they have been reached. In this way, a position can be approached in a targeted manner and the fluorescence fluctuation can be measured. It goes without saying that such closed-loop scanners can also be used to move the sample holder 14. However, the use of a scanning unit in the light path has the advantage that much smaller masses have to be moved. By suitable choice of the masses of the mirrors, the effects of the scanning unit which distort the measurement can be prevented or minimized. As well the control loops available with closed-loop scanning units can be optimally designed.
Bei Drehung der Scannerspiegel wandert der Fokus in der Zwischenbildebene 18 sowie in der Objektebene des Mikroskops. Eine Kollimations- bzw. Descanlinse 24 fokussiert das Licht entsprechend auf die Zwischenbildebene 33, wobei der Aperturwinkel hierbei identisch dem Aperturwinkel des am Ausgang 11 aus dem Mikroskop 1 tretenden Lichts gewählt ist. Diese Aperturanpassung erlaubt, dass Fluoreszenzfluktuationsscanmodul 2, bestehend aus Tubus 10, Scanlinse 20, Scanner 22, 23 und Descanlinse 24, zwischen dem Ausgang 11 und dem Fluoreszenzfluktuationsmessmodul 3 aus dem Strahlengang auszubauen und das Fluoreszenzfluktuationsmodul 3 direkt an den Ausgang 11 anzuschließen oder anstatt des Fluoreszenzfluktuations- messmoduls 3 eine andere konfokale Optik an das Scanmodul 2 zu montieren.When the scanner mirror rotates, the focus moves in the intermediate image plane 18 and in the object plane of the microscope. A collimation or descan lens 24 focuses the light accordingly on the intermediate image plane 33, the aperture angle being chosen to be identical to the aperture angle of the light emerging from the microscope 1 at the output 11. This aperture adjustment allows the fluorescence fluctuation scan module 2, consisting of tube 10, scan lens 20, scanner 22, 23 and descan lens 24, to be removed from the beam path between the output 11 and the fluorescence fluctuation measurement module 3 and to connect the fluorescence fluctuation module 3 directly to the output 11 or instead of the fluorescence fluctuation - Measuring module 3 to mount another confocal optics on the scan module 2.
Zur Justage ist die Descanlinse 24 insbesondere lateral bzw. senkrecht zur optischen Achse verschiebbar. Vorzugsweise ist für die Justage der Descanlinse 24 ein Hilfsgestell 50 vorgesehen, welches an der Descanlinse 24 angebracht werden kann, um diese geeignet auszurichten. Dieses Hilfsgestell ist derart ausgestaltet, dass mit ihm über geeignete Marker 51 (exemplarisch in Figur 3 beziffert) die Parallelität des die Descanlinse 24 verlassenen Lichtstrahls überprüft werden und die Descanlinse 24 geeignet nachjustiert werden kann. Hierzu weist die Justierhalterung bei vorliegendem Ausfülirungsbeispiel zwei Führungen 52 auf, an welchen ein Schirm 53 parallel ver- lagerbar angeordnet ist, welcher die entsprechenden Marker 51 trägt. Durch eine Parallelverlagerung des Scliiπns 53 kann die Parallelität des entsprechenden Lichtstrahls ohne weiteres überprüft werden.For adjustment, the descan lens 24 can be displaced, in particular, laterally or perpendicularly to the optical axis. An auxiliary frame 50 is preferably provided for the adjustment of the descan lens 24, which can be attached to the descan lens 24 in order to align it appropriately. This auxiliary frame is designed in such a way that it can be used to check the parallelism of the light beam leaving the descan lens 24 by means of suitable markers 51 (exemplarily numbered in FIG. 3), and the descan lens 24 can be suitably readjusted. For this purpose, the adjustment bracket in the present exemplary embodiment has two guides 52, on which a screen 53 is connected in parallel. is arranged, which carries the corresponding marker 51. The parallelism of the corresponding light beam can be checked easily by a parallel displacement of the slot 53.
Darüber hinaus ist an dem Fluoreszenzfluktuationsscanmodul 2 noch ein Kreuztisch 25 angeordnet, mittels dessen die optischen Achsen des Fluores- zenzfluktuationsmessmoduls 3 und des Fluoreszenzfliiktuationsscanmoduls 2 zur Deckung gebracht werden können.In addition, a cross table 25 is arranged on the fluorescence fluctuation scan module 2, by means of which the optical axes of the fluorescence fluctuation measurement module 3 and of the fluorescence fluctuation scan module 2 can be made to coincide.
Die Ausgänge der Detektoren 38 und 39 sind mit einer entsprechenden Auswerteeinrichtung, insbesondere mit einem entsprechenden Rechner ver- bunden. Dieser kann insbesondere separate Eingänge bzw. Karten aufweisen, mit welchen Einzelfunktionen ohne weiteres gesteuert werden können. Dieses kann beispielsweise eine Korrelatorkarte zur Aufnahme der Korrela- tionsfünktionen sowie eine Zählerkarte sein, wobei die Zählerkarte hierbei die für übliche Korrelatorkarten ungewöhnlich hohen Samplingraten für die Scanningmikroskopie zur Verfügung stellt. In diesen Karten kann auch die notwendigen Berechnung in ausreichendem Maße durchgefül rt werden, so dass der Rechner nicht unmittelbar eingreifen muss. Es versteht sich, dass der Rechner jedoch auch für diese Rechnungen, insbesondere unterstützend, genutzt werden kann.The outputs of the detectors 38 and 39 are connected to a corresponding evaluation device, in particular a corresponding computer. This can in particular have separate inputs or cards with which individual functions can be easily controlled. This can be, for example, a correlator card for recording the correlation functions and a counter card, the counter card providing the sampling rates which are unusually high for conventional correlator cards for scanning microscopy. The necessary calculation can also be carried out to a sufficient extent in these cards so that the computer does not have to intervene directly. It goes without saying that the computer can, however, also be used for these calculations, in particular as a support.
Im Messbetrieb wird dann zunächst das Detektorsignal der Detektoren 38, 39 im Photonenzählbetrieb, wie für auch für die bekannte Fluoreszenzfluktuationsspektroskopie üblich, integriert über Zeitintervalle Δτ von beispielsweise 10 μs für eine definierte Zeit von beispielsweise 50 ms (also 5000 In- tervalle) aufgenommen. Anschließend wird die Auto- bzw. Kreuzkorrelati- onsflinktion, je nach von Einkanal- bzw. Zweikanalbetrieb, G(τ) für τ > 0 aus diesen Daten berechnet. Die Berechung der Korrelationsfunktion aus den gemessenen Photonenimpulsen k„ i = I ...N, jeweils aufsummiert über ein Zeitintervall Δτ in N aufeinanderfolgenden Intervallen kann vorliegend wie folgt schnell durchgeführt werden:In the measuring mode, the detector signal of the detectors 38, 39 is then first integrated in the photon counting mode, as is also common for the known fluorescence fluctuation spectroscopy, over time intervals Δτ of, for example, 10 μs for a defined time of, for example, 50 ms (that is 5000 in tervalle) added. Then the auto- or cross-correlation fluctuation, depending on single-channel or two-channel operation, G (τ) for τ> 0 is calculated from this data. The calculation of the correlation function from the measured photon pulses k i = I ... N, in each case summed up over a time interval Δτ in N successive intervals, can be carried out quickly as follows:
Darüber hinaus erfolgt eine Berechnung der Amplitude G(0) aus diesen Daten, welche im Falle von Diffusion umgekehrt proportional zur Teilchenzahl im Fokus und damit umgekelirt proportional zur Konzentration ist. Die Berechnung der Amplitude G(0) aus den gezälilten Photonenimpulsen kann vorliegend wie folgt erfolgen:In addition, the amplitude G (0) is calculated from this data, which in the case of diffusion is inversely proportional to the number of particles in focus and thus inversely proportional to the concentration. The calculation of the amplitude G (0) from the counted photon pulses can be carried out as follows:
Für Diffusions-induzierte Signalfluktuationen ergibt des weiteren die Integ- ration über die Korrelationsfunktion \dτ G(τ) = c xj G(0), wobei τ^ die Korrelations- oder Zerfallszeit der Signalkorrelationen (im Falle von Diffusion die mittlere Aufenthaltsdauer der Moleküle im Fokus und umgekelirt proportional zum Difftisionskoeffizienten) ist, und die Konstante c nume- risch oder analytisch bestimmt werden kann. Die Konstante c kann aber auch mit einer einzelnen herkömmlichen FCS-Messung in der gleichen Probe bestimmt werden.For diffusion-induced signal fluctuations, the integration via the correlation function \ dτ G (τ) = c xj G (0), where τ ^ is the correlation or decay time of the signal correlations (in the case of diffusion, the mean length of stay of the Molecules in focus and inversely proportional to the diffusion coefficient), and the constant c number rically or analytically can be determined. The constant c can also be determined with a single conventional FCS measurement in the same sample.
Durch die numerische Integration von G(τ) ist somit auch τ</ bekannt. Sie kann beispielsweise wie folgt erfolgen:Due to the numerical integration of G (τ), τ < / is also known. For example, it can be done as follows:
Insofern kann anhand der vorstehend über die Zeit summierten bzw. integrierten Werte xj als Korrelationszeit durch entsprechende Mittel, beispielsweise durch eine Bildschirmvisualisierung, insbesondere auch nahezu in „Echtzeit", dargestellt werden. Die Berechnungen sind auf heutigen Computern sehr schnell und können parallel zur punktweisen Datennahme erfolgen. Mit dem bestehenden Aufbau lassen sich somit Punkte bzw. Ort für kurze Zeiten (z.B. 50 ms) nacheinander rasternd anfahren, so dass dann punktweise eine Datennahme durchgeführt werden kann.In this respect, the values xj summed or integrated above over time can be used to represent the correlation time by appropriate means, for example by means of a screen visualization, in particular also almost in "real time". The calculations are very fast on today's computers and can be carried out in parallel with the point-by-point data acquisition With the existing structure, points or locations can be approached in succession for short times (eg 50 ms), so that data can then be taken point by point.
Es können somit auf diese Weise sehr schnell Bilder mit der Intensitätsverteilung, mit der Konzentration, als über die Zeit integrierten Korrelationsfunktion, und mit der Korrelationszeit als Kontrast-gebendem Signal erstellt werden, ohne dass weiteren Aufwand hinsichtlich einer Datenanalyse oder ähnlichem notwendig wäre. In this way, images with the intensity distribution, with the concentration, as a correlation function integrated over time, and with the correlation time as a contrast-giving signal can be created very quickly, without additional effort in terms of data analysis or the like being necessary.

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Fluoreszenzfluktuationsmikroskop, bei welchem Anregungslicht und Detektionslicht über einen gemeinsamen Strahlengang, vorzugsweise konfokal, in ein Mikroskop (1) eingekoppelt bzw. aus diesem ausge- koppelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine closed-loop-1. Fluorescence fluctuation microscope, in which excitation light and detection light are coupled into or out of a microscope (1) via a common beam path, preferably confocal, characterized in that a closed-loop
Scanning-Einheit (22, 23) vorgesehen ist.Scanning unit (22, 23) is provided.
2. Fluoreszenzfluktuationsinikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scanning-Einlieit (22, 23) in dem gemeinsamen Strahlengang vorgesehen ist.2. Fluorescence fluctuation microscope according to claim 1, characterized in that the scanning inlet (22, 23) is provided in the common beam path.
3. Fluoreszenzfluktuationsmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, umfassen ein Mikroskop (1), ein Fluoreszenzfluktuationsmessmodul (3) sowie ein Fluoreszenzfluktuationsscanmodul (2).3. Fluorescence fluctuation microscope according to claim 1 or 2, comprise a microscope (1), a fluorescence fluctuation measurement module (3) and a fluorescence fluctuation scan module (2).
4. Fluoreszenzfluktuationsmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Descanlinse (24) zwischen der Scanning- Einheit (22, 23) und einem Strahlteiler (35) für das Anregungslicht und das Detektionslicht.4. Fluorescence fluctuation microscope according to one of claims 1 to 3, characterized by a descan lens (24) between the scanning unit (22, 23) and a beam splitter (35) for the excitation light and the detection light.
5. Fluoreszenzfluktuationsmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Scanning-Einlieit (22, 23) senkrecht zu ihrer optischen Achse bezüglich der optischen Achse einer Detektoranordnung (38, 41, 36; 39, 44, 36) und/oder bezüglich der optischen Achse einer Anregungslichtquelle (31, 32) justierbar ist. 5. Fluorescence fluctuation microscope according to one of claims 1 to 4, characterized in that the scanning inlet (22, 23) perpendicular to its optical axis with respect to the optical axis of a detector arrangement (38, 41, 36; 39, 44, 36) and / or is adjustable with respect to the optical axis of an excitation light source (31, 32).
6. Fluoreszenzfluktuationsmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , gekennzeichnet durch Mitteln zur ortsaufgelösten Erfassung der gemessenen Fluoreszenzintensität, mit Mitteln zur ortsaufgelösten Erfassung einer über die Zeit integrierten Korrelationsfunktion und mit Mitteln zur Darstellung einer Korrelationszeit.6. Fluorescence fluctuation microscope according to one of claims 1 to 5, characterized by means for spatially resolved detection of the measured fluorescence intensity, with means for spatially resolved detection of a correlation function integrated over time and with means for displaying a correlation time.
7. Fluoreszenzfluktuationsmikroskop nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur ortsaufgelösten Erfassung der gemessenen Fluoreszenzintensität und/oder die Mittel zur ortsaufgelösten Erfassung der über die Zeitachse integrierten Korrelationsfunktion in einer von einem Auswerterechner gesonderten Einheit vorgesehen sind.7. Fluorescence fluctuation microscope according to claim 6, characterized in that the means for spatially resolved detection of the measured fluorescence intensity and / or the means for spatially resolved detection of the correlation function integrated via the time axis are provided in a separate unit from an evaluation computer.
8. Fluoreszenzfluktuationsmessmodul (3) mit einem mikroskopseitigen Anschluss, gekennzeichnet durch eine Descanlinse (24) an dem Anschluss.8. Fluorescence fluctuation measurement module (3) with a microscope-side connection, characterized by a descan lens (24) on the connection.
9. Fluoreszenzfluktuationsscanmodul (2) mit einem einem Mikroskop abgewandten Anschluss, gekennzeichnet durch eine Descanlinse (24) an dem Anschluss.9. Fluorescence fluctuation scan module (2) with a connection facing away from a microscope, characterized by a descan lens (24) on the connection.
10. Fluoreszenzfluktuationsscanmodul nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch zwei Anschlüsse, einen ersten für ein Mikroskop (1) und einen zweiten für ein Messmodul (3), wobei die beiden Anschlüsse komplementär zu einander ausgebildet sind. 10. Fluorescence fluctuation scan module according to claim 9, characterized by two connections, a first for a microscope (1) and a second for a measuring module (3), the two connections being complementary to one another.
11. Fluoreszenzfluktuationsmessmodul nach Anspruch 8 bzw. Fluores- zenzfluktuationsscanmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Descanlinse bezüglich einer optischen Anordnung, insbesondere bezüglich eines Pinholes (36), justierbar ist.11. Fluorescence fluctuation measuring module according to claim 8 or fluorescence fluctuation scanning module according to claim 9, characterized in that the descan lens is adjustable with respect to an optical arrangement, in particular with respect to a pinhole (36).
12. Fluoreszenzfluktuationsmessmodul bzw. Fluoreszenzfluktuationsscan- modul nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss bezüglich des restlichen Moduls justierbar, insbesondere senkrecht zur optischen Achse justierbar, ist.12. Fluorescence fluctuation measurement module or fluorescence fluctuation scan module according to one of claims 8 to 11, characterized in that the connection is adjustable with respect to the rest of the module, in particular adjustable perpendicular to the optical axis.
13. Verfaliren zur Fluoreszenzfluktuationsmessung, bei welchem eine clo- sed-loop-Scanning-Einheit (22, 23) Anregungslicht auf eine Probe an einem bestimmten Ort fokussiert und an diesem Ort eine Fluoreszenzfluktuationsmessung durchgeführt wird sowie bei welchem anschließend die closed-loop-Scanning-Einheit (22, 23) das Anregungslicht auf der Probe an einem anderen Ort fokussiert und an diesem anderen Ort ebenfalls eine Fluoreszenzfluktuationsmessung durchgeführt wird.13. For fluorescence fluctuation measurement, in which a closed-loop scanning unit (22, 23) focuses excitation light onto a sample at a specific location and a fluorescence fluctuation measurement is carried out at this location, and in which the closed-loop scanning then takes place Unit (22, 23) focuses the excitation light on the sample at another location and a fluorescence fluctuation measurement is also carried out at this other location.
14. Verfaliren zur Justage eines Fluoreszenzfluktuationsmikroskops nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Anregungslichtweg sowie Detektionslichtweg und anschließend eine Descanlinse (24) justiert werden.14. The procedure for adjusting a fluorescence fluctuation microscope according to one of claims 1 to 8, characterized in that first an excitation light path and a detection light path and then a descan lens (24) are adjusted.
15. Verfaliren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Justage der Descanlinse (24) die Scanning-Einlieit (22, 23) justiert wird. 15. Verfaliren according to claim 14, characterized in that after the adjustment of the descan lens (24), the scanning inlet (22, 23) is adjusted.
6. Vorrichtung zur Justage eines Fluoreszenzfluktuationsmikroskops (24), gekennzeichnet durch eine mit der Descanlinse (24) verbundene und abnehmbare Justierhalterung (50) mit einem parallel zur optischen Achse verlagerbaren Marker (51). 6. Device for adjusting a fluorescence fluctuation microscope (24), characterized by an adjustable holder (50) connected to the descan lens (24) and removable with a marker (51) that can be displaced parallel to the optical axis.
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