WO2020058074A1 - Optische anordnung für fluoreszenzmikroskopische anwendungen - Google Patents

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    • G02B27/58—Optics for apodization or superresolution; Optical synthetic aperture systems

Definitions

  • the invention relates to an optical arrangement for fluorescence microscopic applications using non-classical light.
  • the area of application is in
  • the excitation and detection of fluorescent light takes place by means of M ulti, in particular two-photon absorption of M ultiphoton states or photon pairs for applications which can be carried out analogously to fluorescence microscopy.
  • the focus of the excitation radiation is designed as a plane - called a light sheet - perpendicular to the direction of observation.
  • the sample to be examined is laterally illuminated by a suitable optical system.
  • the light sheet can be formed by a line focus, a line image or a laterally scanning laser beam.
  • the two-photon absorption is not stimulated by high-intensity or pulsed lasers, but by photon pairs from two correlated (in space, time, impulse and / or energy) photons. These can be generated in particular by spontaneous difference frequency conversion in a nonlinear crystal outside the sample. Those with the photons can be spatially separated from one another during their movement from the photon pair source to the respective sample. If they have a different wavelength, this can be achieved with a dichroic mirror. If they have opposite polarization, they can be spatially separated by a polarization beam splitter. However, it is also possible that both photons leave a crystal with nonlinear optical properties spatially separated and are therefore spatially separated. The two photon beams are then focused crosswise into the sample.
  • the two-photon absorption can then take place in the overlap region of the photons meeting in the focus.
  • the two-photon absorption and thus the fluorescence intensity are linearly proportional to the current excitation intensity.
  • Another advantage is that the focal volume compared to that in a. described method can be smaller.
  • a disadvantage of this method is the complex experimental setup, since it must be ensured that both photons of a pair arrive at the beam overlap volume at exactly the same time and meet within the sample. This can be difficult due to the very short coherence time and possibly different but correlated wavelength of the two photons. A very precise adjustment, which is at the expense of flexibility and practicality, is therefore necessary.
  • electromagnetic radiation is directed from a radiation source onto a biological sample to form a one- or two-dimensional light sheet.
  • the sample contains at least one fluorophore.
  • the electromagnetic radiation with at least two wavelengths is selected so that it activates or photodeactivates the fluorophore (s), depending on the wavelength of the electromagnetic radiation.
  • the fluorophore (s) are / are switched from a non-fluorescent state (dark state) to a fluorescent state (bright state) by illumination with electromagnetic radiation of a specific wavelength and then photo-deactivated, in which the / the fluorophore (s) are brought from a state which can be excited to fluorescence (bright state) to a state which cannot be excited to fluorescence (dark state) by illumination with electromagnetic radiation of a different specific wavelength within the light sheet.
  • From one source of non-classical light is one or more multi-photon beams, but at least one or two photon pair beams, onto a first optical system consisting of an arrangement of at least one optical lens or a photon reflecting element or a polarizing element optical element, or an optical filter or a combination of these.
  • the multiphoton beam (s) is / are directed onto a sample in the area of the light sheet, so that the multiple photon impinging on / in the sample simultaneously excites fluorescent radiation from the fluorophore or the fluorophores by means of multiphoton absorption.
  • Fluorescence is therefore only excited when fluorescence-activating electromagnetic radiation and a multiphoton beam strike a position of a sample at the same time.
  • Fluorescence radiation obtained by excitation strikes by means of a second optical system on a detection system that is designed for spatially resolved detection of fluorescence radiation.
  • the method proposed here is based on the use of a vorzugwei se collinear source from which in particular photon pairs or also multiphoton states are emitted simultaneously on a sample and since the principle of light-sheet microscopy can be used as well as an additional formation of a light sheet with electromagnetic radiation in the range Sample.
  • a light sheet can be designed one-dimensionally as a line or two-dimensionally as an irradiated surface. The photo activation and deactivation of the fluorophores prevents fluorescence outside of the light sheet area of the multiphoton beams from being excited.
  • a source of non-classical light emits multiphoton beams, but at least one or two photon pair beams, in particular photo pairs, or else multiphoton states, preferably in collinear geometry in the region of the light sheet formed. This can be done by spontaneous difference frequency conversion / spontaneous parametric fluorescence in a nonlinear, also periodically poled optical crystal or a waveguide structure in a nonlinear crystal.
  • the multiphoton beam (s) pass through a first optical system onto a sample, so that fluorescence of the fluorophores can be excited, which can be detected with the detection system and then evaluated.
  • the light sheet or the light sheet-like form can be formed as a temporally constant line focus but also as a light beam scanned in the light sheet plane or can be put together by the time sequence of small partial light sheets.
  • a suitable first optical system can be an optical lens or an optical element reflecting the electromagnetic radiation.
  • the formation of a light sheet can be achieved, for example, by moving at least one optical element or an optical element that increases the beam cross-sectional area of the electromagnetic radiation. ß on which the electromagnetic radiation emitted by the radiation source is directed.
  • Radiation should be emitted from the radiation source with a wavelength that is specific to the fluorophore used for photoactivation and deactivation.
  • the radiation source can in particular be one or more laser beam sources.
  • the light sheet-forming source can also contain an optical lens or a photon reflecting element or polarization optics or an optical filter or any arrangement of several of these optical elements.
  • autofluorescent molecules or molecular fluorescent markers such as e.g. Use Green Fluorescence Protein (GFP) or DAPI.
  • GFP Green Fluorescence Protein
  • DAPI DAPI
  • a first optical system can be an optical lens or a photon reflecting element or polarization optics or an optical filter or any arrangement of several of these optical elements.
  • the second optical system can be an optical lens or a fluorescent radiation reflecting element or polarization optics or an optical filter or any arrangement of several of these optical elements.
  • a detector system should enable a spatially resolved measurement of the fluorescence radiation that has been excited within the light sheet.
  • the detector system can be a camera with sufficient sensitivity. Examples of this are a CCD, EMCCD, ICCD, CMOS camera, SPAD array. It can include an optical filter or a second optical system.
  • the second optical system and the detection system can also be designed as a unit.
  • a plurality of photon beams can also be used, so that in several light sheets or in loading range with light sheet-like shape on the sample can simultaneously stimulate fluorescence.
  • the excitation of the fluorescence can also be done explicitly by multiphoton absorption of multi-photon states, in particular of photon pairs that strike a sample at the same time.
  • Such multiphoton states can be realized, for example, by so-called N00N states, in which case N-photon absorption takes place.
  • a source of non-classical light can be, for example, a non-linear crystal pumped by a laser or a non-linear crystal or waveguide structure in a non-linear crystal pumped by a laser, or at least two identical coherently pumped quantum dots.
  • a modified variant is that the photon pair beam is split into two partial beams, which e.g. can be achieved by a dichroic mirror or a polarization beam splitter.
  • the partial beams are separated and then directed into / onto the sample by a first optical system, which is in particular an arrangement of lenses and or mirrors.
  • a first optical system which is in particular an arrangement of lenses and or mirrors.
  • several pairs of photons can be used, so that fluorescence can be excited simultaneously at several positions. It is also possible to combine these photon pair beams in order to obtain a single photon pair beam and to excite fluorescence point by point.
  • a two-dimensional area in which photon pairs can arise at each point, can be imaged on the sample in the area illuminated by the light sheet or a light sheet-like area, and thus in this area Generate two-photon absorption and thus fluorescence. This can e.g. by imaging the surface of a nonlinear crystal in which the photon pairs are generated on the sample.
  • the solution according to the invention has several advantages over the prior art for fluorescence microscopy by means of multiphoton absorption. Since the fluorescence intensity scales linearly with the current illumination intensity, the radiation dose of the sample can be reduced while the signal yield remains the same, or the signal strength and image contrast of the fluorescence radiation detected with the detection system can be increased while the radiation dose remains constant.
  • the process is as gentle as possible without unnecessary light exposure of the sample and thus allows long-term studies of photosensitive samples, since both fluorescence bleaching and phototoxicity can be minimized.
  • the structure is significantly simplified and more robust, so that a cost reduction and improvement of the axial resolution can be achieved.
  • the collinear design is compatible and can be implemented with existing light sheet and fluorescence microscope systems.
  • photon pair radiation with photons of a certain center wavelength can be focused to focal volumes, which are otherwise only achievable with laser light of half the wavelength.
  • the resolution of the detectable fluorescence radiation within the respective light sheet in which the photoactivation takes place can thus be increased. Overall, increased efficiency, increased spatial resolution and increased penetration depth are possible.
  • the linear relationship between fluorescence intensity and photon beam intensity is also advantageous for data evaluation, since there is a linear relationship between the measured variable (fluorescence signal) and excitation variable (radiation dose).
  • FIG. 1 shows how a pair of photons 2 is directed from a collinear source 1 of non-classical light to a first optical system 3.
  • the first optical system 3 can be designed as defined in the claims.
  • the photon pair beam 2 influenced by the first optical system 3 is directed onto / into the sample 4 in such a way that it strikes the sample 4 in the region of a light sheet or enters the sample 4.
  • a light sheet is formed by means of a radiation source 5, from which electromagnetic radiation 6 is directed onto the sample 4.
  • the biological sample is a fluorescence sample that contains at least one fluorophore.
  • the electromagnetic Radiation 6 has a wavelength for photoactivating the fluorophore or the fluorophores and can emit a second wavelength after the fluorescence recording in order to photodeactivate the fluorescence. Fluorescence excitation of the fluorophore occurs when several photons from source 1 simultaneously hit sample 4 or penetrate sample 4. With the formation of a light sheet alone, the fluorophores within the light sheet are photoactivated or photo-deactivated after fluorescence image recording.
  • the change in the position at which the photons reach the sample 4 can be achieved by moving a element reflecting the photons, in particular by means of a pivoting movement about an axis of rotation of a reflecting element.
  • the generated fluorescence radiation 7 strikes a second optical system 8, which is also designed as defined in the claims.
  • the detector system 9 there is a spatially resolved detection of fluorescence radiation, which can be evaluated by fluorescence microscopy.

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Abstract

Bei der optischen Anordnung für fluoreszenzmikroskopische Anwendungen ist von einer Strahlungsquelle (5) elektromagnetische Strahlung (6) auf eine biologische Probe (4) in Form eines Lichtblatts gerichtet. In der Probe (4) ist ein oder mehrere Fluorophor(e) enthalten. Die Strahlung (6) photoaktiviert das/die Fluorophor(e), in dem diese von einem nicht zur Fluoreszenz anregbaren Zustand in einen zur Fluoreszenz anregbaren Zustand durch Beleuchtung mit elektromagnetischer Strahlung einer bestimmten Wellenlänge und anschließend photodeaktiviert werden. Von einer Quelle nichtklassischen Lichtes (1) wird ein oder mehrere Multiphotonenstrahlen (2) auf ein erstes optisches System (3) gerichtet und diese(n) von dort auf eine Probe (4) im Bereich des Lichtblatts zu richten, so dass mit den mehreren gleichzeitig auf/in der Probe (4) auftreffenden Mehrphotonenzuständen Fluoreszenzstrahlung des einen Fluorophors oder der Fluorophore im zur Fluoreszenz anregbaren Zustand innerhalb des Lichtblatts angeregt wird. Erhaltene Fluoreszenzstrahlung (7) trifft mittels eines zweiten optischen Systems (8) auf ein ortsauflösend messendes Detektionssystem (9) auf.

Description

OPTISCHE ANORDN UNG FÜR FLUORESZENZM I KROSKOPISCHE
ANWENDUNGEN
Die Erfindung betrifft eine Optische Anordnung für fluoreszenzmikroskopische Anwendungen mittels nichtklassischem Licht. Das Anwendungsgebiet liegt im
Bereich der Fluoreszenzmikroskopie und M ultiphotonenabsorptionsanalyse. Dies ist zum Beispiel für die mikroskopische Untersuchung von bio
chemischen Proben in den Lebenswissenschaften und der Medizin von großer Bedeutung, aber auch für chemisch-materialanalytische Untersuchungen von Stoffen.
Dabei erfolgt die Anregung und Detektion von Fluoreszenzlicht mittels M ulti-, insbesondere Zweiphotonenabsorption von M ultiphotonen-Zuständen bzw. Photonenpaaren für Anwendungen, die analog zur Fluoreszenzmikroskopie durchgeführt werden können.
Es existieren bereits verschiedene Lösungsansätze, die aber alle mit prinzipiel len Nachteilen behaftet sind. Diese bereits bekannten Lösungen lassen sich prinzipiell in drei Kategorien einteilen: a. Zweiphotonenfluoreszenzmikroskpie mit klassischem Licht, wie sie in US 5,503,613 B und US 6,020591 B offenbart sind. Dabei wird die Zweiphoto nenabsorption mittels Dauerstrichlaser mit sehr hoher Intensität oder mit gepulsten Lasern mit Pulsen im Pico- oder Femtosekundenbereich realisiert. Die Zweiphotonenabsorptionswahrscheinlichkeit und somit auch die Fluores zenzintensität hängen dabei quadratisch von der momentanen Anregungsin tensität ab. Die anregende Laserstrahlung wird zur Verbesserung der Absorp tionswahrscheinlichkeit fokussiert. In der klassischen Zweiphotonenfluores zenzmikroskopie wird der Fokus axial entlang der optischen Achse des Sys tems ausgebildet. Nur im Fokus können Fluoreszenzmoleküle per Zweiphoto nenabsorption angeregt werden und somit Fluoreszenz zeigen. Es wird jedoch der gesamte Probenbereich entlang der optischen Achse mit einer hohen Strahlungsdosis und entsprechend hoher Energie beaufschlagt. Dies führt so wohl zum Ausbleichen der Fluoreszenz, als auch zu Phototoxizität, besonders bei biologischen Proben. b. Eine alternative Lösung ist der Zweiphotonen-Lichtblattmodus. Hierbei ist der Fokus der Anregungsstrahlung als Ebene - Lichtblatt genannt - senk recht zur Beobachtungsrichtung ausgebildet. Dazu wird durch ein geeignetes optisches System die zu untersuchende Probe lateral durchleuchtet. Das Lichtblatt kann durch einen Linienfokus, eine Linienabbildung oder einen late ral scannenden Laserstrahl gebildet werden. Nur in diesem Lichtblatt können Fluoreszenzmoleküle per Zweiphotonenabsorption angeregt werden und so mit Fluoreszenz zeigen. Nachteil der Methode ist die Notwendigkeit der Be leuchtung mit sehr intensitätsstarken Dauerstrichlasern oder Lasersystemen für ultrakurze Laserpulse. In beiden Fällen wird die Probe mit Laserstrahlung hoher Intensität oder gar von Laserpulsen durchstrahlt und einer hohen Be strahlungsdosis mit hoher Energie ausgesetzt. Dies führt sowohl zum Ausblei chen der Fluoreszenz, als auch zu Phototoxizität, besonders bei biologischen Proben. Auch hier hängt die Zweiphotonenabsorptionswahrscheinlichkeit und somit auch die Fluoreszenzintensität quadratisch von der momentanen Anre- gungsintensität ab. c. Möglichkeiten zur Photonenpaarfluoreszenzmikroskopie sind auch aus US 5,796,477 B bekannt. Dabei wird die Zweiphotonenabsorption nicht durch intensitätsstarke oder gepulste Laser angeregt, sondern durch Photonenpaare aus zwei korrelierten (in Raum, Zeit, Impuls und/oder Energie) Photonen. Die se können insbesondere durch spontane Differenzfrequenzkonvertierung in einem nichtlinearen Kristall außerhalb der Probe generiert werden. Die bei den Photonen können bei ihrer Bewegung von der Photonenpaarquelle zur jeweiligen Probe voneinander räumlich getrennt werden. Haben sie eine un terschiedliche Wellenlänge kann dies mit einem dichroitischen Spiegel er reicht werden. Weisen sie entgegengesetzte Polarisation auf, können sie durch einen Polarisationsstrahlteiler räumlich getrennt werden. Es ist aber ebenso möglich, dass beide Photonen einen Kristall mit nichtlinearen opti schen Eigenschaften räumlich separiert verlassen und damit bereits räumlich getrennt sind. Anschließend werden die beiden Photonenstrahlen überkreu zend in die Probe fokussiert. Im Überlappbereich der im Fokus aufeinander treffenden Photonen kann dann die Zweiphotonenabsorption stattfinden. In diesem Szenario sind die Zweiphotonenabsorption und damit die Fluoreszenz intensität linear proportional zur momentanen Anregungsintensität. Ein wei terer Vorteil ist, dass das fokale Volumen gegenüber dem in a. beschriebenen Verfahren kleiner sein kann. Nachteilig an diesem Verfahren ist der komplexe experimentelle Aufbau, da sichergestellt sein muss, dass beide Photonen ei nes Paares exakt zur gleichen Zeit im Strahlüberlappvolumen ankommen und innerhalb der Probe aufeinandertreffen. Dies kann durch die sehr kurze Kohä renzzeit und möglicherweise unterschiedlicher aber korrelierter Wellenlänge der beiden Photonen erschwert sein. Daher ist eine sehr genaue Justage, die zu Lasten der Flexibilität und Praktikabilität geht, erforderlich.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Fluoreszenzmikro skopie anzugeben, mit denen der lokale Energieeintrag bei der Fluoreszenzan regung reduziert werden kann und bei denen ein einfacher optischer Aufbau mit reduziertem Justageaufwand einsetzbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer optischen Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist von einer Strahlungsquelle elekt romagnetische Strahlung auf eine biologische Probe zur Ausbildung eines ein- oder zweidimensionalen Lichtblatts gerichtet. In der Probe ist mindestens ein Fluorophor enthalten. Dabei ist die elektromagnetische Strahlung mit mindes tens zwei Wellenlängen so ausgewählt, dass sie das/die Fluorophor(e) photo aktiviert oder photodeaktiviert, abhängig von der Wellenlänge der elektomagnetischen Strahlung. Bei einer Photoaktivierung wird/werden das/die Fluorophor(e) von einem nicht zur Fluoreszenz anregbaren Zustand (dark state) in einen zur Fluoreszenz anregbaren Zustand (bright state) durch Beleuchtung mit elektromagnetischer Strahlung einer bestimmten Wellenlän ge und anschließend photodeaktiviert, in dem das/die Fluorophor(e) von ei nem zur Fluoreszenz anregbaren Zustand (bright state) in einen nicht zur Fluo reszenz anregbaren Zustand (dark state) durch Beleuchtung mit elektromag netischer Strahlung einer anderen bestimmten Wellenlänge innerhalb des Lichtblatts gebracht.
Von einer Quelle nichtklassischen Lichtes ist/sind ein oder mehrere Multipho- tonenstrahl(en), aber mindestens ein oder zwei Photonenpaarstrahl(en), auf ein erstes optisches System bestehend aus einer Anordnung aus mindestens einer optischen Linse oder einem Photonen reflektierenden Element oder einem polarisierenden optischen Element, oder einem optischen Filter oder einer Kombination dieser gerichtet. Vom ersten optischen System ist/sind der/die Multiphotonenstrahl(en) auf eine Probe im Bereich des Lichtblatts gerichtet, so dass mit den mehreren gleichzeitig auf/in der Probe auftreffen den Mehrphotonenzuständen Fluoreszenzstrahlung des Fluorophors oder der Fluorophore mittels Mehrphotonenabsorption angeregt wird.
Fluoreszenz wird also erst dann angeregt, wenn fluoreszenzaktivierende elekt romagnetische Strahlung und ein Multiphotonenstrahl gleichzeitig auf eine Position einer Probe auftreffen.
Durch Anregung erhaltene Fluoreszenzstrahlung trifft mittels eines zweiten optischen Systems auf ein Detektionssystem auf, das zur ortsaufgelösten Er fassung von Fluoreszenzstrahlung ausgebildet ist.
Das hier vorgeschlagene Verfahren beruht auf der Nutzung einer vorzugswei se kollinearen Quelle von der insbesondere Photonenpaare oder aber auch Mehrphotonenzustände gleichzeitig auf eine Probe emittiert werden und da bei das Prinzip der Lichtblattmikroskopie anwendbar ist sowie einer zusätzli chen Ausbildung eines Lichtblatts mit elektromagnetischer Strahlung im Be reich der Probe. Dabei kann ein Lichtblatt eindimensional als Linie oder auch zweidimensional als eine bestrahlte Fläche ausgebildet werden. Hierbei ver hindert die Photoaktivierung und -deaktivierung der Fluorophore, dass Fluo reszenz außerhalb des Lichtblattbereiches der Multiphotonenstrahlen ange regt wird.
Eine Quelle nicht klassischen Lichts emittiert Multiphotonenstrahlen, aber mindestens ein oder zwei Photonenpaarstrahlen von insbesondere Photo nenpaaren oder aber auch Mehrphotonenzuständen, bevorzugt in kollinearer Geometrie in den Bereich des ausgebildeten Lichtblatts. Dies kann durch spontane Differenzfrequenzkonvertierung/spontane parametrische Fluores zenz in einem nichtlinearen, auch periodisch gepolten optischen Kristall oder einer Wellenleiterstruktur in einem nichtlinearen Kristall geschehen. Der/die Multiphotonenstrahl(en) gelangt/gelangen durch ein erstes optisches System auf eine Probe, so dass Fluoreszenz der Fluorophore angeregt werden kann, die mit dem Detektionssystem ortsausgelöst erfasst und dann ausgewertet werden kann.
Das Lichtblatt oder die lichtblattartige Form kann dabei als zeitlich konstanter Linienfokus aber auch als in der Lichtblattebene gescannter Lichtstrahl ausge bildet sein oder durch die zeitliche Abfolge kleiner Teillichtblätter zusammen setzen. Ein dazu geeignetes erstes optisches System kann eine optische Linse oder ein die elektromagnetische Strahlung reflektierendes optisches Element sein. Die Ausbildung eines Lichtblatts kann beispielsweise durch eine Bewe gung mindestens eines optischen Elements oder eines optischen Elements, das die Strahlquerschnittsfläche der elektromagnetischen Strahlung vergrö- ßert, auf das die von der Strahlungsquelle emittierte elektromagnetische Strahlung gerichtet ist, erfolgen.
Von der Strahlungsquelle sollte Strahlung mit einer Wellenlänge, die für das jeweils eingesetzte Fluorophor zur Photoaktivierung und -deaktivierung spezi fisch ist, emittiert werden. Die Strahlungsquelle kann insbesondere eine oder mehrere Laserstrahlquellen sein. Außerdem kann die lichtblattformende Quelle auch eine optische Linse oder eine Photonen reflektierendes Element oder eine Polarisationsoptik oder ein optischer Filter oder eine beliebige An ordnung mehrerer dieser optischen Elemente enthalten.
Als Fluorophor kann man beispielsweise autofluoreszierende Moleküle oder molekulare Fluoreszenzmarker, wie z.B. Green Fluorescence Protein (GFP) oder DAPI einsetzen.
Ein erstes optisches System kann eine optische Linse oder eine Photonen re flektierendes Element oder eine Polarisationsoptik oder ein optischer Filter oder eine beliebige Anordnung mehrerer dieser optischen Elemente sein.
Nur im vom Lichtblatt oder der lichtblattartigen Form durchleuchteten Be reich der Probe mit der photoaktivierenden Wellenlänge ist eine gleichzeitige Absorption mehrerer Photonen, insbesondere von Photonenpaaren und da mit Fluoreszenzanregung möglich. Ein Teil der Fluoreszenzstrahlung wird un ter optionaler Verwendung eines zweiten optischen Systems auf ein Detekti onssystem treffen und dort detektiert werden. Das zweite optische System kann eine optische Linse oder ein Fluoreszenzstrahlung reflektierendes Ele ment oder eine Polarisationsoptik oder ein optischer Filter oder eine beliebige Anordnung mehrerer dieser optischen Elemente sein. Ein Detektorsystem sollte eine ortsaufgelöste Messung der Fluoreszenzstrahlung, die innerhalb des Lichtblatts angeregt worden ist, ermöglichen. Das Detektorsystem kann eine Kamera mit genügender Empfindlichkeit sein. Beispiele dafür sind eine CCD, EMCCD, ICCD, CMOS-Kamera, SPAD-Array. Es kann ein optischer Filter oder ein zweites optisches System enthalten. Das zweite optische System so wie das Detektionssystem können auch als Einheit ausgeführt sein.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Variante können auch mehrere Pho tonenstrahlen genutzt werden, so dass in mehreren Lichtblättern oder in Be- reichen mit lichtblattartiger Form an der Probe gleichzeitig Fluoreszenz ange regt werden kann. Die Anregung der Fluoreszenz kann explizit auch über Mul tiphotonenabsorption von Mehrphotonenzuständen, insbesondere von Pho tonenpaaren, die gleichzeitig auf eine Probe auftreffen, geschehen. Derartige Multiphotonenzustände können z.B. durch sogenannte N00N States realisiert werden, wobei dann eine N-Photonenabsorption stattfindet.
Eine Quelle nichtklassischen Lichtes kann beispielsweise ein von einem Laser gepumpter nichtlinearer Kristall oder ein von einem Laser gepumpter nichtli nearer Kristall oder Wellenleiterstruktur in einem nichtlinearen Kristall, oder mindestens zwei identische kohärent gepumpte Quantenpunkte sein.
Eine abgewandelte Variante besteht darin, dass der Photonenpaarstrahl in zwei Teilstrahlen aufgespalten wird, was z.B. durch einen dichroitischen Spie gel oder einen Polarisationsstrahlteiler erreicht werden kann. Die Teilstrahlen werden getrennt und dann durch jeweils ein erstes optisches System, das ins besondere als eine Anordnung aus Linsen und oder Spiegeln ist, sich kreuzend in/auf die Probe gerichtet. Außerdem können auch mehrere Photonenpaar strahlen genutzt werden, so dass an mehreren Positionen gleichzeitig Fluores zenz angeregt werden kann. Es ist auch möglich, diese Photonenpaarstrahlen zu kombinieren, um einen einzigen Photonenpaarstrahl zu erhalten und punktweise Fluoreszenz anzuregen. Bei einer weiteren Ausbildungsform kann im Gegensatz zur punktweisen Bildgebung, wie sie bisher beschrieben worden ist, ein zweidimensionaler Bereich, in dem an jedem Punkt Photonenpaare entstehen können, auf die Probe im vom Lichtblatt oder einem lichtblattarti gen Bereich durchleuchteten Bereich abzubilden und somit in diesem Bereich Zweiphotonenabsorption und damit Fluoreszenz zu generieren. Dies kann z.B. durch die Abbildung der Oberfläche eines nichtlinearen Kristalls, in welchem die Photonenpaare erzeugt werden, auf die Probe geschehen.
Die erfindungsgemäße Lösung hat gegenüber dem Stand der Technik für Fluo reszenzmikroskopie mittels Multiphotonenabsoprtion einige Vorteile. Da die Fluoreszenzintensität linear mit der momentanen Beleuchtungsintensität ska liert, kann die Bestrahlungsdosis der Probe bei gleichbleibender Signalausbeu te reduziert werden oder Signalstärke und Bildkontrast der mit dem Detekti onssystem erfassten Fluoreszenzstrahlung bei gleichbleibender Bestrahlungs dosis gesteigert werden. Das Verfahren ist damit maximal schonend, ohne unnötige Lichtbelastung der Probe und erlaubt somit Langzeitstudien von photosensitiven Proben, da sowohl Fluoreszenzbleaching als auch Phototoxizi tät minimiert werden können. Im Gegensatz zur Photonenpaarfluoreszenz mikroskopie ist der Aufbau deutlich vereinfacht und robuster gestaltet, so dass eine Kostenreduktion und Verbesserung der axialen Auflösung erreicht werden kann. Der kollineare Aufbau ist kompatibel und mit bestehenden Lichtblatt- und Fluoreszenz-Mikroskopsystemen implementierbar. Außerdem kann Photonenpaarstrahlung mit Photonen einer bestimmten Mittenwellen länge zu fokalen Volumina fokussiert werden, welche sonst nur mit Laserlicht der halben Wellenlänge erreichbar sind. Damit kann die Auflösung der erfass baren Fluoreszenzstrahlung innerhalb des jeweiligen Lichtblatts, in dem die Photoaktivierung erfolgt, erhöht werden. Insgesamt sind eine erhöhte Effizi enz, erhöhte Ortsauflösung und erhöhte Eindringtiefe möglich. Ebenso ist der lineare Zusammenhang zwischen Fluoreszenzintensität und Photonenstrahlin tensität von Vorteil für die Datenauswertung, da ein linearer Zusammenhang zwischen Messgröße (Fluoreszenzsignal) und Anregungsgröße (Strahlungsdo sis) vorliegt.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
Figur 1 in schematischer Form ein Beispiel einer erfindungsgemäßen
Anordnung.
In Figur 1 ist gezeigt, wie ein Photonenpaarstrahl 2 von einer kollinearen Quel le 1 nicht klassischen Lichts auf ein erstes optisches System 3 gerichtet ist. Das erste optische System 3 kann, wie in den Ansprüchen definiert ausgebildet sein.
Der mit dem ersten optischen System 3 beeinflusste Photonenpaarstrahl 2 wird so auf/in die Probe 4 gerichtet, dass er im Bereich eines Lichtblatts auf die Probe 4 auftrifft oder in die Probe 4 eintritt. Die Ausbildung eines Licht blatts erfolgt mittels einer Strahlungsquelle 5, von der elektromagnetische Strahlung 6 auf die Probe 4 gerichtet ist. Die biologische Probe ist eine Fluo reszenzprobe, die mindestens ein Fluorophor enthält. Die elektromagnetische Strahlung 6 weist eine Wellenlänge zur Photoktivierung des Fluorophors oder der Fluorophore auf und kann nach der Fluoreszenzaufnahme eine zweite Wellenlänge aussenden, um die Fluoreszenz zu photodeaktivieren. Eine Fluo reszenzanregung des Fluorophors tritt auf, wenn mehrere Photonen von Quelle 1 gleichzeitig auf die Probe 4 auftreffen bzw. in die Probe 4 eindringen. Allein mit der Ausbildung eines Lichtblatts werden die Fluorophore innerhalb des Lichtblatts photoaktiviert bzw. nach Fluoreszenzbildaufnahme photodeak tiviert.
Die Veränderung der Position an der Photonen die Probe 4 erreichen, kann durch eine Bewegung eines die Photonen reflektierenden Elements, insbe sondere mittels einer Schwenkbewegung um eine Rotationsachse eines re flektierenden Elements erreicht werden.
Mit auf die Probe 4 auftreffenden oder in die Probe 4 eintretenden Photo nenpaaren wird eine Anregung von Fluoreszenzstrahlung 7 innerhalb des Lichtblatts erreicht.
Die generierte Fluoreszenzstrahlung 7 trifft auf ein zweites optisches System 8 auf, das ebenfalls so ausgebildet ist, wie in den Ansprüchen definiert. Mit dem Detektorsystem 9 erfolgt eine ortsaufgelöste Erfassung von Fluoreszenzstrah lung, die fluoreszenzmikroskopisch ausgewertet werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Optische Anordnung für fluoreszenzmikroskopische Anwendungen, bei der von einer Strahlungsquelle (5) elektromagnetische Strahlung (6) auf eine biologische Probe (4) in Form eines Lichtblatts gerichtet ist und in der Probe (4) ein oder mehrere Fluorophor(e) enthalten ist/sind, wobei die elektromagnetische Strahlung (6) das/die Fluoro phore) photoaktiviert, in dem diese von einem nicht zur Fluoreszenz anregbaren Zustand in einen zur Fluoreszenz anregbaren Zustand durch Beleuchtung mit elektromagnetischer Strahlung einer bestimm ten Wellenlänge und anschließend photodeaktiviert werden von ei nem zur Fluoreszenz anregbaren Zustand in einen nicht zur Fluores zenz anregbaren Zustand durch Beleuchtung mit elektromagnetischer Strahlung einer anderen bestimmten Wellenlänge gebracht werden und von einer Quelle nichtklassischen Lichtes (1) ein oder mehrere Multi photonenstrahlen, aber mindestens ein oder zwei Photonenpaarstrah len (2), auf ein erstes optisches System (3) bestehend aus einer Anord nung aus mindestens einer optischen Linse oder einem Photonen re flektierenden Element oder einem polarisierenden optischen Element, oder einem optischen Filter oder einer Kombination dieser gerichtet ist und von dort auf eine Probe (4) im Bereich des Lichtblatts zu richten, so dass mit den mehreren gleichzeitig auf/in der Probe (4) auftreffenden Mehrphotonenzuständen Fluoreszenzstrahlung des einen Fluorophors oder der Fluorophore im zur Fluoreszenz anregbaren Zustand mittels Mehrphotonenabsorption innerhalb des Lichtblatts angeregt wird und durch Anregung erhaltene Fluoreszenzstrahlung (7) mittels eines zwei ten optischen Systems (8) auf ein Detektionssystem (9) auftrifft, das zur ortsaufgelösten Erfassung von Fluoreszenzstrahlung ausgebildet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle nichtklassischen Lichtes (1) ein von einem Laser gepumpter nichtlinea rer Kristall oder Wellenleiterstruktur in einem nichtlinearen Kristall, oder mindestens zwei identische kohärent gepumpte Quantenpunkte sind.
3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass ein oder mehrere Multiphotonenstrahlen, aber mindestens ein oder mehrere Photonenpaarstrahlen (2) bevorzugt in kollinearer Geometrie, auf das erste optische System (3) gerichtet sind.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass mit zwei Photonen in Form eines Photonenpaares Fluoreszenzstrahlung anregbar ist.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (5) mindestens zwei verschie dener Wellenlängen, mindestens eine zur Photoaktivierung und min destens eine zur Photodeaktivierung, des jeweiligen Fluorophors oder der jeweiligen Fluorophore emittiert.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (5) ein optisches System be stehend aus einer Anordnung aus mindestens einer optischen Linse oder einem Photonen reflektierenden Element oder einem polarisie renden optischen Element, oder einem optischen Filter oder einer Kombination dieser besteht.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Ausbildung eines Lichtblatts durch eine Bewe gung mindestens eines optischen Elements oder eines optischen Ele ments, das die Strahlquerschnittsfläche der elektromagnetischen Strahlung (6) vergrößert, auf das die von der Strahlungsquelle (5) emit tierte elektromagnetische Strahlung (6) gerichtet ist, erfolgt.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass mit dem ersten optischen System (3) die Position des Auftreffens des mindestens einen Multiphotonenstrahls auf/in die Probe (4) linienförmig zu verändern, so dass ein entsprechender linien förmiger Bereich mindestens einer Linie mindestens einmal bestrahlt wird.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass ein von der Quelle (1) emittierter Multiphotonen strahl (2) in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt und die Teilstrahlen zur Anregung von Fluoreszenz im Bereich des Lichtblatts mittels mindes tens eines ersten optischen Systems (3) auf/in die Probe (4) gerichtet sind.
10. Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass mehrere Teilstrahlen sich auf/in der Probe (4) kreuzend auf die Probe (4) gerichtet sind.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass mit mehreren Photonenpaarstrahlen an mehreren Positionen gleichzeitig Fluoreszenz anregbar oder mit mehreren mitei nander kombinierten Photonenpaarstrahlen einen einzigen Photonen paarstrahl zu erhalten und damit punktweise Fluoreszenz anregbar ist.
12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass zur ortsaufgelösten Abbildung der Probe (4) eine ein- oder zwei- oder dreidimensionale Bewegung der Probe (4) erfolgt.
13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass ein erstes optisches System (3) und/oder ein zwei tes optisches System (8) mit einem nichtlinearen optischen Kristall, ei ner optischen Linse, einem Photonen reflektierenden Element, einer Polarisationsoptik, einem optischen Filter oder eine Anordnung meh rerer dieser optischen Elemente ist.
14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Detektorsystem (9) eine CCD-, eine EMCCD-, eine ICCD- oder eine CMOS-Kamera oder ein SPAD-Array ist.
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