JP7048582B2 - ルミネセンス光を放射するように励起光により励起可能な、試料中の分離された分子の位置を空間的に高分解能に確定するための方法 - Google Patents
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Description
、このルミネセンス光をカメラまたは一般的には空間分解能のある検出器に結像することである。この結像の際に達成可能な空間分解能に対しては、基本的にはこのルミネセンス光の波長における回折限界が当てはまる。しかしルミネセンス光の複数の光子が空間分解能のある検出器により検出され、これらの光子が試料中の固定的位置にあるただ1つの分子から由来する場合、これらの光子の空間的分布から検出器によって分子の位置を、係数1/√nだけ改善された精度で確定することができる。ここで「n」は記録された光子の数である。したがって局在化と称されるこの方法において回折限界を下回ることは、ルミネセンス光の光子が多数あることを前提とし、これら多数の光子は分離された分子から放射され、記録される。したがって、試料中の分子の位置を所望の精度により確定する際に、および場合により確定の前に、分離された分子がブリーチングされる恐れがある。したがって、とりわけ試料中で運動する分子をトラッキングするために必要なように、分離された同じ分子の位置を繰り返し確定することは、しばしば不可能である。
STEDビームの最小値の所属の位置に割り当てられる。
励起光が、ゼロ箇所と強度上昇領域を有する強度分布をもって試料に指向され、前記強度上昇領域は前記空間方向の各々においてゼロ箇所に両側で隣接する。試料中のゼロ箇所の種々の位置の各々について、分子から放射されたルミネセンス光が記録され、試料中の分子の位置が、ゼロ箇所の種々の位置について記録されたルミネセンス光の強度から導出される。ここで分子の位置をn個の空間方向において、ゼロ箇所の種々の位置について記録されたルミネセンス光の強度から導出するために、ゼロ箇所は、試料中のn×3以下の異なる位置に配置される。
本発明の方法を、分離された分子の位置を高い空間分解能で確定するために用いることは、10nmの達成可能な精度から理解されるように、励起光およびルミネセンス光の波長における回折限界よりも格段に下の空間分解能が格段に良好に、容易に達成されることを意味する。この関連から、文言“空間分解能”とは、ここでは、試料中のそれぞれの分離された分子の位置を確定する精度に対する同義語として使用されることに注意されたい。
以下、本発明を、図面に示された好ましい実施例に基づき更に説明し記述する。
張架され、中心の位置を通る平面内において、中心の位置を中心にする円弧に等間隔に配置される。別の言い方をすれば、3つの周辺の位置は二等辺三角形の角にあり、中心の位置は三角形の中点にある。
のゼロ箇所について記録されたルミネセンス光の強度を観察することで、分子の位置が所望の精度で導出可能であることを分かる場合がある。
とは、必ずしも好ましいことではない。
所が、励起光の強度がゼロに戻る理想的なゼロ箇所ではない場合、ゼロ箇所における励起光の残留強度と結び付いた、分子からのルミネセンス光の光子の割合を無意味なノイズとみなし、差し引くことができ、それから光子の割合ないし時間的間隔を求め、それに基づいてゼロ箇所の位置がシフトされる。
2つまたは3つすべての空間方向において高分解能に確定することができる。同様に、2つの空間方向にだけ延在する強度上昇領域によって、試料中の分離された分子の位置を、これら2つだけでなく、3つ全ての空間方向においても高分解能に確定することができる。更に本発明の第3の実施形態は、(単数または複数)強度上昇領域を種々の空間方向に配向して実施される。この実施は、(単数または複数)強度上昇領域の種々の配向に対して順番に、または疑似的に同時に行うことができ、例えば、ステップ(i)と(ii)が、(単数または複数)強度上昇領域の配向の全ての空間方向に対して少なくとも一度実施された後に初めて、これらのステップを繰り返す。
の個々の位置に所属する、分子からのルミネセンス光が別個に記録されることが理解される。励起光の強度分布の基点の種々の位置についてルミネセンス光を疑似的に同時に記録することには、励起光の強度分布の基点の個々の位置について記録されたルミネセンス光の光子が、分子が配置された試料中の初期位置領域を所定の程度だけ狭めることを許容する場合には、励起光による試料の印加および試料からのルミネセンス光の記録を直ちに中断できるという利点がある。
置が、試料中の分子の特定の配向を示唆することができる。なぜなら、試料中の分子の位置を確定するための局在化は、分子の配向により影響を受けるが、試料中の分子の位置を本発明によって確定することは影響を受けないからである。本発明の全ての方法において、分子からそれぞれ放出される光子がどこで記録されるかは重要でない。対応してルミネセンス光を、本発明の全ての方法において、ポイント検出器により記録することもできる。
図1は、本発明の方法を実施することのできるSTED蛍光顕微鏡1を概略的に示す。本発明の方法を実施する際に、STED蛍光顕微鏡1の全ての構成部分を必ずしも使用する必要はない。しかしSTED蛍光顕微鏡1は、本発明の方法を実施するために必要な構成部分の全てを含む。STED蛍光顕微鏡1の通常の使用では、STEDビームを提供する光源2は、本発明の方法を実施するためにSTED蛍光顕微鏡1を使用する場合、励起光3を提供する。光線形成手段4により励起光3は、これが対物レンズ5の焦点において、少なくとも1つの強度上昇領域を備える強度分布を有するように形成される。本発明の方法の一構成では、励起光3は、対物レンズ5の焦点にゼロ箇所を備える強度分布を有し、このゼロ箇所には、試料6中の分離された分子の位置を確定すべき全ての空間方向において両側で強度最大値が隣接している。そして、この強度最大値の側縁は、本発明の全ての方法において使用される強度上昇領域を形成する。光線形成手段4は、もっぱら受動型コンポーネントを含むが、能動型光学系、例えば空間光変調器(SLM)を含むこともできる。STED蛍光顕微鏡1のさらなる光源7は、その通常の使用では励起光を提供するが、本発明の方法の実施の際には、試料6中の分子を隔離するために切替光8を提供することができ、試料中の分子の位置が引き続き確定される。ここで分子の隔離は、別の同種の分子が切替光8により暗状態に切り替えられ、この暗状態ではこれら分子が励起光3によってルミネセンス光を放射するように励起できないことに基づくことできる。切替光8は、励起光3の光線路に入力結合され、そのためにここでは二色性ビームスプリッタ9が設けられている。スキャナ10により励起光3の上昇領域ないしゼロ箇所が試料6中でシフトされる。試料6からスキャナ10の前方に配置された二色性ビームスプリッタ11を介して、試料6からのルミネセンス光12は励起光3の光線路から出力結合され、光学系13によりカメラ14に結像される。カメラ14は、ルミネセンス光12のための空間分解能のある検出器の一例である。これとは択一的に、二色性ビームスプリッタ15により試料6からのルミネセンス光12は、ピンホール17が前置されたポイント検出器16に供給される。試料6からのルミネセンス光12は、励起光3によりルミネセンス光の放射が励起される分離された分子から由来する。ルミネセンス光のこの放射の基礎となる過程は光ルミネセンス、とりわけ蛍光性である。試料6は、試料ホルダ18上に配置されている。試料ホルダ18により試料は、例えば付加的にz方向に、すなわち対物レンズ5の光軸の方向に移動することができ、これにより励起光3の強度上昇領域ないし強度分布のゼロ箇所を試料中でこの方向にも、とりわけゼロ箇所に、z方向でも強度最大値が隣接している場合には、移動することができる。カメラ14には試料6が、分子からのルミネセンス光12の光子の空間的分布から分離された分子の局在化がカメラ14を介して可能であるように結像される。しかし本発明の全ての方法において、少なくとも付加的に、試料6中の分子の位置は、励起光の強度上昇領域ないし強度分布のゼロ箇所が試料6中に種々異なって配置される場合、ルミネセンス光12の強度に基づいて確定される。
の強度IAが、ゼロから飽和強度ISまで、そして更に上昇する。飽和強度ISでは、励起光3により励起されたルミネセンス光12の強度ILが飽和値ISWに達し、この飽和値を超えて強度ILはそれ以上上昇しない。励起光3の強度分布19は、ゼロ箇所20に対して対称に構成されている。すなわち、強度上昇領域は互いに対称に経過する。
~Cを分子24に接近させるために、位置A~Cのシフトのステップおよび種々の位置A~Cについての分子24からのルミネセンス光の記録のステップを非常に多数反復して実行することができる。ここで、種々の位置A~Cについてのルミネセンス光12の記録は疑似的に同時に行われ、これにより可及的に高速に、光子の割合あるいはその時間的間隔がどのように互いに挙動するかを確定できるようにする。これは、可及的に直ちに、すなわち全部で可及的に少数の光子の後に、位置A~Cを有意義に更に初期位置領域23に入り込むようにシフトし、もって位置A~Cを分子24に接近させるためである。ここでは、各位置A~Cについて次のシフトまでに記録されるルミネセンス光の光子の数はステップごとに相関され、これにより位置A~Cを引き続き有意義にシフトできることが理解される。基本的に全ての位置A~Cを、ルミネセンス光の各記録の後にシフトする必要もない。光子の割合が特に大きい、あるいは光子の時間的間隔が特に小さい位置A~Cだけをシフトすることもできる。このことは、各位置についてある程度の数の光子が記録された場合には各位置A~Cを常にシフトし、一方、まだ記録されていない別の位置A~Cは、とりあえずまだシフトしないようにして行うことができる。本発明の第2の実施形態により、試料中の分子24の位置領域を非常に高速に、すなわち具体的には試料6中の分子24を局在化する場合よりも非常に少数の光子によって非常に強力に絞り込むことができる。位置A~Cがすでに非常に密に並んでいる場合、これらの位置により取り囲まれる位置領域を、分子の位置±達成された精度として出力することができる。しかしゼロ位置20のこの最後の位置A~Cから出発して、分子24の位置を更に正確に確定することもできる。この確定は、例えばこれらの位置A~Cについて決定されたルミネセンス光12の強度から、図7の経過26に基づいて位置を導出することによって行われる。
23を覆う。これらの位置XG1aおよびXG1bの各々について、分子からのルミネセンス光12の強度I1aおよびI1bが記録される。強度I1aおよびI1bからルミネセンス光12の強度ILの経過と共に、重心326までの間隔にわたって、試料6中の分子の位置x0が存在している、比較的に小さなさらなる位置領域324が確定される。ここで図11は、図3および4とは同じ縮尺で図示されておらず、分離された分子を可及的に低く負荷するために、上昇領域22において励起光3の可及的に小さい強度を使用する場合には、励起光3の強度分布の基点の位置xG1a,xG1bを、ゼロ箇所20の位置xN1ないしxN2よりも試料中の分子の対象位置x0から更に遠く離して配置しなければならないことに考慮すべきである。これは、励起光3のガウス状の強度分布は励起光3の波長における回折限界の半値幅を有しており、励起光3の強度が小さい領域はほぼこの半値幅だけ重心326から離れており、一方、強度上昇領域22における励起光3の小さな強度は、ゼロ箇所20を備える励起光3の強度分布においてこのゼロ箇所20に直接隣接するためである。
1 STED蛍光顕微鏡
2 光源
3 励起光
4 光線形成手段
5 対物レンズ
6 試料
7 光源
8 切替光
9 二色性ビームスプリッタ
10 スキャナ
11 二色性ビームスプリッタ
12 ルミネセンス光
13 光学系
14 カメラ
15 二色性ビームスプリッタ
16 ポイント検出器
17 ピンホール
18 試料ホルダ
19 強度分布
20 励起光3の強度分布19のゼロ箇所
21 最大値
22 強度上昇領域
23 制限された位置領域
24 分子
25 円弧
26 経過
27 経過26のゼロ箇所
28 スタート
29 分離
30 確定
31 プロシージャ
32 導出
33 ループ
34 終了
35 ループ
228 矢印
229 スタート
230 分離
231 確定
232 設定
233 プロシージャ
234 シフト
235 ループ
236 ルーティン
237 ループ
238 ループ
239 終了
324 さらなる位置領域
325 さらなる位置領域
326 励起光3の強度分布19の重心(基点)
328 スタート
329 確定
330 設定
331 ステップ
332 確定
333 検査
334 終了
335 分離
336 ルーティン
337 検査
338 待機
IA 励起光3の強度
IL ルミネセンス光12の強度
IS 励起光3の飽和強度
ISW ルミネセンス光12の強度ILの飽和値
a 間隔
A ゼロ箇所20の位置
B ゼロ箇所20の位置
C ゼロ箇所20の位置
D ゼロ箇所20の位置
aA 分子24からのゼロ箇所20の位置Aの間隔
aB 分子24からのゼロ箇所20の位置Bの間隔
aC 分子24からのゼロ箇所20の位置Cの間隔
aD 分子24からのゼロ箇所20の位置Dの間隔
IA ゼロ箇所20の位置Aにおけるルミネセンス光12の強度
IB ゼロ箇所20の位置Bにおけるルミネセンス光12の強度
IC ゼロ箇所20の位置Cにおけるルミネセンス光12の強度
ID ゼロ箇所20の位置Dにおけるルミネセンス光12の強度
x0 試料6中の分子24の位置
xN1 励起光3の強度分布19のゼロ箇所の位置
xN2 励起光3の強度分布19のゼロ箇所の位置
xG1a 励起光3の強度分布19の重心326の位置
xG1b 励起光3の強度分布19の重心326の位置
Claims (40)
- 試料(6)中の1つまたは複数の空間方向において分離された分子(24)の位置を高い空間分解能で確定するための方法であって、前記分離された分子(24)は、励起光(3)によりルミネセンス光(12)を放射するように励起可能であり、
前記励起光(3)は、ゼロ箇所(20)および強度上昇領域(22)を有する強度分布(19)をもって前記試料(6)に指向され、前記強度上昇領域(22)は各空間方向において前記ゼロ箇所(20)に両側で隣接し、
前記試料(6)中の前記ゼロ箇所(20)の種々の位置(A~D)の各々について、前記分離された分子(24)から放射される前記ルミネセンス光(12)が記録され、
前記試料(6)中の前記分離された分子(24)の位置が、前記ゼロ箇所(20)の種々の位置(A~D)について記録された前記ルミネセンス光(12)の強度(IA~ID)から導出される、
方法において、
前記分離された分子(24)の位置を、n個の空間方向において前記ゼロ箇所(20)の種々の位置(A~D)について記録された前記ルミネセンス光(12)の強度(IA~ID)から導出するために、前記ゼロ箇所(20)は、前記試料(6)中のn×3以下の異なる位置(A~D)に配置され、
前記ゼロ箇所(20)が前記試料(6)中に配置される前記種々の位置(A~D)は、前記試料(6)中の前記分離された分子(24)の位置が確定される各空間方向において、前記試料(6)中に前記分離された分子(24)が配置された制限された位置領域(23)の中心の両側に各1つの位置(A~C)を含む、ことを特徴とする方法。 - 前記分離された分子(24)の位置を、n個の空間方向において前記ゼロ箇所(20)の種々の位置(A~D)について記録された前記ルミネセンス光(12)の強度(IA~ID)から導出するために、前記ゼロ箇所(20)は、前記試料(6)中の(n×2)+1以下の異なる位置(A~D)に配置される、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記分離された分子(24)の位置を、n個の空間方向において前記ゼロ箇所(20)の種々の位置(A~D)について記録された前記ルミネセンス光(12)の強度(IA~ID)から導出するために、前記ゼロ箇所(20)は、前記試料(6)中のn+2以下の異なる位置(A~D)に配置される、ことを特徴とする請求項2に記載の方法。
- 前記ゼロ箇所(20)が前記試料(6)中に配置される前記種々の位置(A~D)は、前記試料(6)中の前記分離された分子(24)の位置が確定される各空間方向において、制限された位置領域(23)の中心の両側にある2つの位置(A~C)の他に、制限された位置領域(23)の中心にある1つの位置(D)を含む、ことを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 前記ゼロ箇所(20)が前記試料(6)中に配置される前記種々の位置(A~D)は、前記分離された分子(24)の位置が2つの空間方向で確定される場合、1つの中心位置(D)と3つの周辺位置(A~C)であり、
前記周辺位置(A~C)は、2つの空間方向により張架され、前記中心位置を通って延在する平面内において、前記中心位置を中心にする円弧(25)上に等間隔に配置される、ことを特徴とする請求項4に記載の方法。 - 前記ゼロ箇所(20)が前記試料(6)中に配置される前記種々の位置は、前記分離された分子(24)の位置が3つの空間方向で確定される場合、1つの中心位置と4つの周辺位置であり、
前記周辺位置は、前記中心位置を中心にして配置された球殻上に等間隔に配置される、ことを特徴とする請求項4に記載の方法。 - 前記励起光(3)の最大強度は、前記ゼロ箇所(20)の各位置(A~D)から、前記試料(6)中の前記ゼロ箇所(20)の(複数)位置(A~D)の間の各点までの最大間隔が、間隔(a)の方向での各強度上昇領域(22)の広がり以下であるように調節され、前記広がりにわたって前記励起光(3)の強度は、前記励起光(3)の飽和強度(IS)の90%まで上昇する、ことを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ゼロ箇所(20)に隣接する前記強度上昇領域(22)は、前記ゼロ箇所(20)を中心にして回転対称に構成される、ことを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ルミネセンス光(12)は、前記ゼロ箇所(20)を位置(A~D)の間で反復してシフトすることにより、前記ゼロ箇所(20)の位置(A~D)について疑似的に同時に記録される、ことを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ルミネセンス光(12)は前記ゼロ箇所(20)の位置(A~D)について、前記ゼロ箇所(20)の位置(A~D)について記録される前記ルミネセンス光(12)の強度(IA~ID)が十分な精度で検出されるまで記録され、前記分離された分子(24)の位置は所定の精度で確定可能であり、
前記所定の精度は、0.5から20nmの間の範囲にある、ことを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。 - 請求項1から10のいずれか一項に記載の方法を、前記試料(6)中の前記ゼロ箇所(20)の位置(A~D)の間隔を小さくしながら反復して実施する方法であって、
前記試料(6)中の前記ゼロ箇所(20)の位置(A~D)が、本方法の各反復の際に、本方法の先行の実施の際に前記ルミネセンス光(12)の記録された強度(IA~ID)から導出された、前記試料(6)中の前記分離された分子(24)の位置の周囲に配置される、反復して実施する方法。 - 試料(6)中の複数の空間方向において分離された分子(24)の位置を高い空間分解能で確定(31)するための方法であって、前記分離された分子(24)は、励起光(3)によりルミネセンス光(12)を放射するように励起可能であり、
前記励起光(3)は、ゼロ箇所(20)および強度上昇領域(22)を有する強度分布(19)をもって前記試料(6)に指向され、前記強度上昇領域(22)は前記分離された分子(24)の位置が確定される各空間方向において前記ゼロ箇所(20)に両側で隣接し、
前記ゼロ箇所(20)は、前記分離された分子(24)の位置が確定される各空間方向において前記試料(6)中でシフトされ、前記試料(6)中の前記ゼロ箇所(20)の各位置(A~D)について、前記分離された分子(24)から放射される前記ルミネセンス光(12)が記録される、方法において、
前記分離された分子(24)が配置された前記試料(6)中の初期位置領域(23)が決定され、
前記分離された分子(24)の位置が確定される各空間方向において前記ゼロ箇所(20)の少なくとも1つの初期位置(A,B,C)が、前記初期位置がそれぞれの空間方向において前記初期位置領域(23)の片側に来るように設定され、
前記ルミネセンス光(12)は、前記ゼロ箇所(20)を前記初期位置(A,B,C)の間で反復してシフトすることにより、前記分離された分子(24)の位置が確定される全ての空間方向に割り当てられた前記ゼロ箇所(20)の前記初期位置(A,B,C)について疑似的に同時に記録され、
前記ゼロ箇所(20)の前記初期位置(A,B,C)は、各初期位置(A,B,C)について記録された前記ルミネセンス光(12)の光子に依存して、前記初期位置領域(23)に漸次入るようにシフトされることにより、前記ゼロ箇所(20)の前記初期位置(A,B,C)は、前記試料(6)中の前記分離された分子(24)の実際の位置に近似され、これにより、前記初期位置領域(23)と比較して縮小された位置領域に制限され、前記縮小された位置領域の寸法は、前記分離された分子(24)の位置を確定する精度に相当することを特徴とする方法。 - 前記ゼロ箇所(20)の前記初期位置(A,B,C)は、各初期位置(A,B,C)について記録された前記ルミネセンス光(12)の光子に依存して、前記初期位置領域(23)に漸次入るようにシフトされる、ことを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 前記ゼロ箇所(20)の前記初期位置(A,B,C)の数は、nから2nの間であり、nは、前記分離された分子(24)が局在化される空間方向の数である、ことを特徴とする請求項12または13に記載の方法。
- 空間方向の少なくとも1つにおいて、前記試料(6)中の前記分離された分子(24)の位置は、
それぞれの空間方向に割り当てられた前記ゼロ箇所(20)の前記初期位置(A,B,C)であって、前記ゼロ箇所(20)について記録される前記ルミネセンス光(12)の光子の割合が最小化されている当該位置と同一であるとされ、または
それぞれの空間方向の少なくとも1つに割り当てられた前記ゼロ箇所(20)の前記初期位置(A,B,C)について記録される前記ルミネセンス光(12)の光子の割合若しくは時間的間隔から導出される、ことを特徴とする請求項12から14のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ゼロ箇所(20)の前記初期位置(A,B,C)は、各空間方向について、それぞれの空間方向で前記初期位置領域(23)の両側にある2つの位置を含み、
全ての空間方向に割り当てられた前記ゼロ箇所(20)の前記初期位置(A,B,C)を、前記ルミネセンス光(12)の光子の、全ての位置を確定するための割合または時間的間隔に依存して漸次シフトすることにより、前記ゼロ箇所(20)の前記初期位置(A,B,C)の間に残った前記分離された分子(24)の位置領域が漸次狭められる、ことを特徴とする請求項12から15のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ゼロ箇所(20)の前記初期位置(A,B,C)の間に残った前記分離された分子(24)の位置領域は、その寸法が所定の精度以下になるまで漸次狭められ、
前記所定の精度は、0.5から20nmの間の範囲または1nmから10nmの範囲にある、ことを特徴とする請求項16に記載の方法。 - 各空間方向において前記ゼロ箇所(20)に隣接する前記強度上昇領域(22)は、前記ゼロ箇所(20)に対して回転対称に構成される、ことを特徴とする請求項12から17のいずれか一項に記載の方法。
- 全て空間方向に割り当てられた前記ゼロ箇所(20)の前記初期位置(A,B,C)の少なくとも1つは、これまでの位置において前記ルミネセンス光(12)の平均でp個の光子が記録されると直ちにシフトされ、ここでpは30,20,10または5以下である、ことを特徴とする請求項12から18のいずれか一項に記載の方法。
- 全ての空間方向に割り当てられた前記ゼロ箇所(20)の前記初期位置(A,B,C)の少なくとも1つは、これまでの位置において全部でn×q個の前記ルミネセンス光(12)の光子が記録されると直ちにシフトされ、ここでnは、前記試料(6)中の前記分離された分子(24)の位置が確定される空間方向の数であり、qは50,25、または5以下である、ことを特徴とする請求項12から19のいずれか一項に記載の方法。
- 各ゼロ箇所(20)の前記初期位置(A,B,C)は、これまでの位置において前記ルミネセンス光(12)のm個の光子が記録されると直ちにシフトされ、ここでmは30,20,10、5または3以下である、ことを特徴とする請求項12から20のいずれか一項に記載の方法。
- 前記励起光(3)の最大強度(IA)は、前記初期位置領域(23)が前記ゼロ箇所(20)の各位置を基準にして、前記励起光(3)の飽和強度(IS)の90%以下の領域に存在するように調整される、ことを特徴とする請求項12から21のいずれか一項に記載の方法。
- 前記励起光(3)の絶対強度(IA)は、前記ゼロ箇所(20)の前記初期位置(A,B,C)のシフト(234)によって漸次高められる、ことを特徴とする請求項22に記載の方法。
- 前記励起光(3)の絶対強度(IA)は、前記ゼロ箇所(20)のそれぞれ全ての前記初期位置(A,B,C)について記録された光子の割合が、少なくとも一次的に同じに留まるように高められる、ことを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 前記励起光(3)の絶対強度(IA)は、全体で少なくとも50%だけ高められる、ことを特徴とする請求項23または24に記載の方法。
- 試料(6)中の1つまたは複数の空間方向において分離された分子(24)の位置を高い空間分解能で確定するための方法であって、前記分離された分子(24)は、励起光(3)によりルミネセンス光(12)を放射するように励起可能であり、
前記励起光(3)が強度分布(19)をもって前記試料(6)に指向され、前記強度分布は、前記分離された分子(24)の位置が確定される各空間方向において、前記強度分布(19)の基点(20,326)までの間隔にわたって前記励起光(3)の強度(IA)が既知の厳密に単調に経過する少なくとも1つの強度上昇領域(22)を有し、
前記強度分布(19)の前記基点(20,326)は、前記分離された分子(24)の位置が確定される各空間方向において前記試料(6)中の種々異なる位置に配置され、
前記試料(6)中の前記強度分布(19)の前記基点(20,326)の各位置について、前記分離された分子(24)から放射される前記ルミネセンス光(12)が記録され、
前記試料(6)中の前記分離された分子(24)の位置(x 0 )が、記録された前記ルミネセンス光(12)の強度から導出される、
方法において、
前記試料(6)中の前記分離された分子(24)が配置された初期位置領域(23)が決定され、
(i)空間方向の各々において前記強度分布(19)の前記基点(20,326)の少なくとも1つの位置が、少なくとも1つの前記強度上昇領域(22)が前記分離された分子(24)の位置が確定される各空間方向において前記初期位置領域(23)にわたって伸長するように設定され、
(ii)前記分離された分子(24)の位置が確定される各空間方向について2つの強度値(I1,ISWないしI1a,I1b)を含み、これら強度値の一方(I1ないしI1a)が前記強度分布(19)の基点の少なくとも1つの位置について記録された前記ルミネセンス光(12)の強度を指示する、前記ルミネセンス光(12)の強度値(I1,ISW,I1a,I1b)から、前記分離された分子(24)が配置されており、かつ前記初期位置領域(23)よりも小さい、前記試料(6)中のさらなる位置領域(324,325)が決定され、
前記分離された分子(24)の位置が確定されるそれぞれの空間方向についての第2の強度値は、
前記強度分布(19)の基点の第2の位置について記録された前記ルミネセンス光(12)の強度(I1b)であり、前記第2の位置は、それぞれの空間方向において、前記強度分布(19)の基点の少なくとも1つの位置と同じ側の別の箇所にあるか、または前記強度分布(19)の基点の少なくとも1つの位置に対向する、前記初期位置領域(23)の側にあり、
前記励起光(3)により励起される際の前記分離された分子(24)の前記ルミネセンス光(12)の強度(IL)の飽和値(ISW)であり、
前記ステップ(i)と(ii)は、前記さらなる位置領域を新たな開始位置領域(23)として使用して、少なくとも一度繰り返される、ことを特徴とする方法。 - 前記基点は、前記強度分布(19)のゼロ箇所(20)であり、前記ゼロ箇所(20)には、空間方向の各々において片側に少なくとも1つの強度上昇領域(22)が続いており、対向する側にさらなる強度上昇領域(22)が続いている、ことを特徴とする請求項26に記載の方法。
- 少なくとも1つの前記強度上昇領域(22)とさらなる前記強度上昇領域(22)は、前記ゼロ箇所(20)に対して対称に構成されている、ことを特徴とする請求項27に記載の方法。
- 前記ステップ(i)の各実施の際に設定される位置の数は、n+1から2nの間であり、nは、前記分離された分子(24)が局在化される空間方向の数である、ことを特徴とする請求項26から28のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ルミネセンス光(12)は、前記強度分布(19)の基点に位置について、前記基点(20,326)を(複数)位置の間で反復してシフトすることにより、疑似的に同時に記録される、ことを特徴とする請求項26から29のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ルミネセンス光(12)は、前記強度分布(19)の前記基点(20,326)の位置について、当該位置について記録される前記ルミネセンス光(12)の強度が十分な精度で検出されるまで記録され、前記さらなる位置領域(324,325)は、所定の値だけ前記初期位置領域(23)よりも小さく決定可能である、ことを特徴とする請求項26から30のいずれか一項に記載の方法。
- 前記さらなる位置領域(324,325)をそれぞれの空間方向において前記初期位置領域(23)よりも小さく決定可能な前記所定の値は、5%から75%の範囲にある、ことを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 前記励起光(3)の最大強度は、前記初期位置領域(23)が前記強度分布(19)の前記基点(20,326)の各位置を基準にして、前記励起光(3)の飽和強度(IS)の90%以下の領域に存在するように調整される、ことを特徴とする請求項26から32のいずれか一項に記載の方法。
- 前記励起光(3)の最大強度は、前記ステップ(i)と(ii)の少なくとも一回の反復で高められ、
前記励起光(3)の最大強度は、前記ステップ(i)と(ii)の全ての反復にわたって少なくとも50%だけ高められる、ことを特徴とする請求項33に記載の方法。 - ステップ(i)と(ii)は、前記さらなる位置領域(324,325)が所定の精度よりも大きくならなくなるまで繰り返され、
前記所定の精度は、0.5から20nmの間の範囲にある、ことを特徴とする請求項26から34のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ルミネセンス光(12)は空間分解能により記録され、付加的に、記録された前記ルミネセンス光(12)全体の空間的分布が、前記試料(6)中の前記分離された分子(24)の位置に関して評価される、ことを特徴とする請求項1から35のいずれか一項に記載の方法。
- 前記試料(6)には前記分離された分子(24)の位置確定の前に切替信号が印加され、該切替信号は、隣接する同種の分子が隔離後には、前記分離された分子(24)とは異なり、前記励起光(3)により前記ルミネセンス光(12)を放射するように励起することができないことによって、前記分離された分子(24)を隣接する同種の分子から隔離する、ことを特徴とする請求項1から36のいずれか一項に記載の方法。
- 順次隔離され、前記励起光(3)により前記ルミネセンス光(12)の放射が励起可能な複数の前記分離された分子(24)であって、前記試料(6)中の対象構造をマーキングする分子の位置を確定するための、請求項1から37のいずれか一項に記載の方法を反復して実施する方法。
- 前記試料(6)中で運動する前記分離された分子(24)を追跡するための、請求項1から37のいずれか一項に記載の方法を反復して実施する方法。
- STEDラスタ蛍光顕微鏡(1)により提供されるSTEDビームを前記励起光(3)として使用する、請求項1から39のいずれか一項に記載の方法を実施するためのSTEDラスタ蛍光顕微鏡(1)の使用。
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