WO2022129040A1 - Device and method for examining deoxyribonucleic acid fragments - Google Patents

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WO2022129040A1
WO2022129040A1 PCT/EP2021/085680 EP2021085680W WO2022129040A1 WO 2022129040 A1 WO2022129040 A1 WO 2022129040A1 EP 2021085680 W EP2021085680 W EP 2021085680W WO 2022129040 A1 WO2022129040 A1 WO 2022129040A1
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WO
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dna fragments
slit
scanning
shaped apertures
areas
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Application number
PCT/EP2021/085680
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German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Kempe
Ralf Wolleschensky
Original Assignee
Carl Zeiss Ag
Carl Zeiss Microscopy Gmbh
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Publication date
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Publication of WO2022129040A1 publication Critical patent/WO2022129040A1/en

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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
    • G01N21/648Specially adapted constructive features of fluorimeters using evanescent coupling or surface plasmon coupling for the excitation of fluorescence
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • 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

Definitions

  • the present application relates to devices and methods for examining deoxyribonucleic acid (DNA) fragments.
  • DNA deoxyribonucleic acid
  • Determining genetic information encoded in DNA is required for various applications. There are numerous different technologies for this, for example for reading out an entire genetic code (ie the sequence of so-called base pairs in the DNA) of an organism or a part of it. For these technologies, the DNA must be extracted from cells of the respective organism and cut into smaller sections, so-called fragments. These fragments are then examined.
  • One application of such studies is the identification of organisms, such as viruses or bacteria, based on their genetic code.
  • a method used to identify genes or organisms is what is known as optical mapping.
  • the extracted DNA fragments are labeled at a specific sequence of bases, which is typically four to seven base pairs long, with one or more different fluorescent dyes (dye molecules 13) that bind selectively only to this sequence of bases.
  • the DNA fragments are then applied to a substrate and fixed on the substrate.
  • the orientation of the fragments on the substrate is essentially in one spatial direction, referred to as the preferred direction in the context of this application. This is illustrated in FIG.
  • a substrate 10 with DNA fragments 12 fixed thereon is shown here.
  • a section 11 from the substrate is shown enlarged. In this enlargement in particular, it can be seen that the DNA fragments 12 are essentially aligned in the preferred direction, in FIG.
  • the sequence of the dye molecules 13 is then determined by optical imaging.
  • the sequence of dye molecules 13, also known as the "barcode" of the DNA fragment is typical for a specific gene or gene segment. As shown in FIG. 1, the barcode of this DNA fragment can be determined, for example, from the distance between the dye molecules 13, which depends on the distances at which the respective specific binding sequence occurs in the DNA fragment.
  • the dye molecules are stimulated to fluoresce by illumination, and the position of the dye molecules is determined using optical imaging.
  • a stretching of the DNA fragments can be associated with the fixation on the substrate 10, as a result of which this distance can be greater by a factor of about 1.5, for example. In any case, this distance in the visible wavelength range, in which at least some of the fluorescent dyes used emit, cannot be resolved with conventional microscopy due to the diffraction limit.
  • microscopy beyond the diffraction limit are, for example, microscopy with structured illumination (SIM, Structured Illumination Microscopy), microscopy with stimulated emission depletion (STED, Stimulated Emission Depletion) or localization microscopy (PALM, Photoactivated Localization Microscopy).
  • SIM Structured Illumination Microscopy
  • STED stimulated emission depletion
  • PAM Localization microscopy
  • WO 2019/122161 A1 discloses a method and a device for super-resolution microscopy beyond the diffraction limit with a plasmonic chip, the chip being an individually addressable array of nano-apertures that illuminates an object located on the chip, allows in the near field.
  • nano-apertures are surface sections on the array whose state can be controlled in a specifically addressable manner with regard to the excitation of surface plasmons.
  • the nano-apertures on the lithographically produced plasmonic chip can reach a size of 25 nm or smaller.
  • a corresponding device 20 is shown schematically in FIG.
  • a sample 23 to be examined is provided on a substrate 24 .
  • the thickness of the substrate 24 can be in the range of 25 nm.
  • the substrate contains a plasmonic chip 29 with a multiplicity of individually controllable nano-apertures, closed nano-apertures (surface plasmons cannot be excited by incident light) being denoted by reference numeral 27 and open nano-apertures (surface plasmons can be excited by incident light) being identified by reference numeral 26 .
  • the plasmonic chip 29 rests on a glass substrate 210.
  • illumination is carried out by means of a light source from the side of the glass substrate 210, as indicated by arrows 28.
  • the nano-apertures 26, 27 can have a diameter of the order of 25 nm, for example.
  • the light wavelength of the illumination is higher and can be in the visible range, for example.
  • the functionality of the nanoscreens 26, 27 is based on the fact that the excitation of surface plasmons by the incident light in the plasmonic chip 29 is sensitively dependent on the physical properties of the environment, e.g. the temperature, which can be set by appropriate control electronics.
  • the nano shutters can be controlled from closed to open.
  • the open nano-apertures 26 allow the illumination light to reach the object 23 to be examined in accordance with the arrows 28 .
  • a light field 25 that is created for illuminating the object 23 is merely an evanescent light field that propagates only a few 100 nm into the sample 23 and has a lateral extension that is essentially determined by the size of the nano-apertures 26 , 27 is determined. This achieves a localized excitation with a spatial resolution of the order of 25 nm.
  • Fluorescence excited by the light field 25 is then detected by means of a detection device such as a detection microscope, of which a detection objective 21 is shown schematically, and can be determined with diffraction limitation.
  • a detection device such as a detection microscope, of which a detection objective 21 is shown schematically, and can be determined with diffraction limitation.
  • the high spatial resolution does not result here a high-resolution detection - this is diffraction-limited but by a corresponding spatially resolved excitation.
  • an immersion liquid 22 for example water, which surrounds the sample 23 , is located between the detection objective 21 and the substrate 24 .
  • An entire image field for example the substrate 10 of FIG. 1, can then be scanned by switching the nano-apertures 26, 27 sequentially. Because of the small size of these nano-apertures, however, a relatively long time is required here.
  • a parallelization of this scanning is possible in that for each chip area of the size of a diffraction disc of the detection optics used (detection lens 21) a nano diaphragm 26, 27 is opened and each object field of the size of the diffraction switching is scanned, but this for all such object fields in parallel happens.
  • the diffraction-limited imaging of a pixel of the detector into the object plane by means of lens 21 is to be understood as the “diffraction disc of the detection optics used”. This is the area within which no separation of different objects can be detected due to diffraction limitation. This is visualized in FIG. A large number of diffraction discs 30 are shown here.
  • the number N of images required to scan a single diffraction disc with a nanoaperture diameter b is then given by
  • a device for examining deoxyribonucleic acid, DNA fragments comprising: a plasmonic chip on which DNA fragments can be arranged, are an illumination device for illuminating the plasmonic chip from one of the side facing away from the DNA fragments, a Detection device for detecting fluorescence from the DNA fragments in response to illumination by the illumination device, and a controller which is set up to control the plasmonic chip for scanning the DNA fragments with slit-shaped apertures, the slit-shaped apertures having a width of less than 100 nm and a length that is at least that Is twice the width, and are aligned in the direction of their length substantially perpendicular to a preferred direction of the DNA fragments.
  • a plasmonic chip is a chip in which nano-apertures can be opened and closed as described in the introduction to the description, these nano-apertures forming slit-shaped aperture openings, in contrast to the prior art.
  • the fact that DNA fragments can be arranged on this plasmonic chip means in particular that the DNA fragments can be brought into contact with the plasmonic chip or at least can be brought so close to the plasmonic chip that they are in an evanescent field that is at Illumination forms at the slit-shaped apertures.
  • the DNA fragments can be arranged on a substrate that is different from the plasmonic chip.
  • substantially perpendicular here can mean in a range from 70° to 110°, for example from 80° to 100°.
  • the preferred direction of the DNA fragments is the direction in which the strands of the DNA fragments are mainly or on average arranged.
  • Slit-shaped apertures can be possible by interconnecting several nano-apertures as explained above, or the plasmonic chip can be set up to provide slit-shaped apertures.
  • the use of individual nano-apertures, which are switched together to form the slit-shaped aperture, allows greater flexibility than fixed slit-shaped apertures, but is sometimes more complex in terms of control.
  • the controller can be set up to carry out the scanning for a number of areas in parallel.
  • the areas can have the size of diffraction disks of the detection device. In this way, the throughput can be increased.
  • the length of the slit-shaped diaphragm openings can extend over several such areas.
  • the length of the slit-shaped diaphragm openings can correspond to a diameter of the areas ⁇ 20% or ⁇ 10%, ie approximately the diameter of the areas.
  • simultaneously opened slit-shaped diaphragm openings of adjacent areas can be offset from one another in the direction of the width of the slits, which can make it easier to separate signals from different areas.
  • the controller can be set up to carry out the scanning sequentially, at least within the ranges when they are used, i.e. in each range only one slit-shaped aperture is then open at a time.
  • the controller can be set up to open and close a plurality of slit-shaped diaphragm openings in parallel with different frequencies for scanning, ie to carry out a heterodyne detection method. Due to the use of the slit-shaped aperture openings, significantly fewer frequency components are required here than with conventional methods, which makes detection easier.
  • N' ⁇ N frames (in the case of sequential scanning) or frequencies (in the case of parallel heterodyne detection) are required due to the slit-shaped aperture openings, instead of N with conventional approaches. This means a shorter recording time in the case of sequential scanning or lower noise and higher detection dynamics in the case of heterodyne detection.
  • the controller can be set up to carry out the scanning with the slit-shaped diaphragm openings only in the areas in which fluorescence is present. In this way, the evaluation can be facilitated.
  • the controller can be set up to adapt an alignment of the slit-shaped apertures to the position of the respective DNA fragments. So here the general Alignment are essentially adjusted perpendicular to the preferred direction of the actually detected position.
  • the position can be determined by determining the center of gravity.
  • a method for examining DNA fragments comprising:
  • a width of the slit-shaped apertures being less than 100 nm and a length of the slit-shaped apertures being at least twice the width and extending essentially perpendicularly to a preferred direction of the DNA fragments
  • FIG. 3 shows a diagram to illustrate the parallelization of the device of FIG. 2 according to the prior art
  • FIG. 4A shows a device for analyzing DNA fragments according to an embodiment
  • 4B shows a device for examining DNA fragments according to a further exemplary embodiment
  • FIG. 6 shows a flow chart to illustrate a method according to an embodiment
  • Fig. 7 is a diagram to illustrate some embodiments.
  • FIG. 8 shows a diagram to illustrate some exemplary embodiments.
  • slit-shaped apertures are used in exemplary embodiments.
  • the devices and methods used can be configured in accordance with conventional devices and methods, for example devices and methods as explained in WO 2019/122161 A1. Therefore, these conventional parts will not be described in detail.
  • FIG. 4A shows a device 40A for examining DNA fragments 12 according to an embodiment.
  • the device 40A of FIG. 4A is based on the device for super-resolution microscopy described in the introduction to the description with reference to FIG. 2, and the same elements bear the same reference symbols and are not explained in detail again. Instead, mainly the differences to the device 20 of FIG. 2 are presented below.
  • slit-shaped apertures 42 are opened in a plasmonic chip 41 controlled by a controller 45 , which extend perpendicularly to the preferred direction 44 . Other apertures 27 remain closed.
  • the slit-shaped diaphragm openings 42 can be opened in that a plurality of nano-diaphragms of the device 20 lying in a row are controlled by the controller 45 to open them.
  • the plasmonic chip 41 is set up from the outset in such a way that the nano-apertures are slit-shaped.
  • a slit shape is understood to mean a shape that is at least twice as long, for example at least three times as long as a width in the transverse direction in a longitudinal direction, the transverse direction being visible in the cross-sectional view of FIG. 4A.
  • the width of the slit-shaped aperture can be well below the diffraction limit, for example less than 100 nm or less than 40 nm, for example about 25 nm A/NA, where A is the wavelength to be detected and NA is the numerical aperture.
  • A is the wavelength to be detected
  • NA is the numerical aperture.
  • the diameter of the diffraction disk can mean ⁇ 20% or ⁇ 10%, although a greater length is also possible.
  • the length in the longitudinal direction can also extend over a large number of diffraction discs or even over the entire field of view.
  • FIG. 5A and 5B each show a DNA fragment 12 with a multiplicity of fluorescent molecules 13.
  • diffraction disks are designated 30, in which a detection takes place in parallel.
  • slit-shaped diaphragm openings 42A are used, which extend perpendicularly to the preferred direction 44 over many diffraction disks, for example over the entire image field.
  • slit-shaped diaphragm openings 42B are used, the extent of which in the longitudinal direction is in the order of magnitude of the diameter of a diffraction disk and which, as shown, are offset for adjacent rows of diffraction disks in which separate detection is carried out are.
  • the staggered arrangement makes it easier to separate signals from different diffraction disks.
  • the controller 45 can also obtain an overview image, as indicated by an arrow 43, which was created using the image recording device with the detection lens 21, and from this the preferred direction 44 can be determined. In the case of individual nano-apertures, in which rows are opened to form slit-shaped apertures, the longitudinal direction of the slit-shaped apertures can then be adjusted accordingly.
  • the controller 45 can also receive the image recordings obtained during the actual measurements and evaluate them accordingly, for example in order to determine the exact position and assignment of individual detection events. In this case, the controller is also used for evaluation.
  • a separate evaluation device for example a separate computer, can also be provided, which receives the measurements (image recordings). Such a separate evaluation device can also be arranged at a distance from the devices shown and receive the image recordings, for example via a network connection.
  • FIG. 4B Before additional details of the detection of fluorescence by means of slit-shaped diaphragm openings in the case of examining DNA fragments are discussed in more detail, a variant of the embodiment of FIG. 4A is explained with reference to FIG. 4B.
  • device 40B of Figure 4B corresponds to device 40A of Figure 4A.
  • Only the illumination takes place instead of the illumination 28 of FIG. 4A as oblique illumination 28' in total reflection.
  • This means that the illumination light is totally reflected at an interface between the plasmonic chip and the glass substrate 210, whereby surface plasmons can be effectively excited at open slit-shaped apertures, as a result of which an evanescent light field 25 extends into the DNA fragments 12.
  • the activation takes place as slit-shaped diaphragm openings 42 as described for FIG. 4A or FIGS. 5A and 5B.
  • slit apertures such as slit apertures 42, 42A and 42B of Figures 4A, 4B, 5A and 5B will now be discussed.
  • a complete, high-resolution image of a sample is obtained in around 120 ms. It is preferred to scan the diffraction disks sequentially, in that the diaphragm with slit-shaped diaphragm openings scans the diffraction disks sequentially in each case.
  • FIG. 6 shows a flowchart of a method according to an embodiment
  • FIGS. 7 and 8 show diagrams for explaining the method of FIG.
  • an overview image of the sample is recorded, ie an overview image of the substrate 10 with the DNA fragments arranged thereon.
  • This overview image can be recorded by means of the detection device represented by the detection objective 21, in that all nano-apertures of the plasmonic chip 41 are opened and thus complete illumination takes place.
  • incident light illumination can also take place, for example through the detection objective 21 .
  • the overview image can be a fluorescence image in which the fluorescence molecules are excited to fluoresce, or it can be a bright field or phase contrast image, for example.
  • the preferred direction 44 is then determined from the overview image. Additionally or alternatively, the relevant areas can also be determined, ie those diffraction discs 30 within which fluorescence occurs or can occur (because fragments are located there). Even if, in the case of the overview image, this is not yet recorded with the resolution required for the final analysis, it can still be recognized on the basis of an overview image in which diffraction discs relevant areas are located at all.
  • step 62 the relevant areas are then scanned with slit-shaped apertures. This is shown in FIG. 7, where slit-shaped apertures scan only those diffraction discs 30 in which it was determined by means of the overview image in step 61 that DNA fragments are present. As previously discussed, the scanning can be performed sequentially within each diffraction disk, or all slits in the diffraction disk can be driven in parallel to open and close at different frequencies to heterodyne signals from different slits to discriminate.
  • the individual position of the individual fragments can also be estimated at 61 .
  • the position of the individual DNA fragments can be determined from a fluorescence overview image by determining the center of gravity of the diffraction-limited signals over several diffraction disks. The diffraction-limited fluorescence signals present in the overview image are then fitted, for example, with a line 80 in FIG. 8 in order to approximate the position of the corresponding DNA fragment 12 .
  • the orientation of the individual fragments can be approximated from the position of the diffraction-limited recorded signals using several diffraction disks. Determining the center of gravity allows the orientation of the fragment to be determined beyond the diffraction limit, since two fluorescent molecules perpendicular to the preferred direction cannot contribute to the signal at the same time. In other exemplary embodiments, this improved determination of position by means of determination of the center of gravity is not implemented, since as a rule the accuracy is sufficient for the method due to a "string of pearls" of diffraction discs per fragment in which fluorescence occurs.
  • the alignment of the slit-shaped aperture openings can be adapted to the respective fragment 12 by correspondingly controlling adjacent nano-apertures in the plasmonic chip, so that it runs perpendicular to the direction of the fragment.
  • This is shown in Figure 8 for slots 42D for two different DNA fragments 12.
  • the accuracy can be further increased in some exemplary embodiments.
  • an alignment perpendicular to the general preferred direction 44 as shown in FIG. 7 can already result in high accuracy with a corresponding throughput.
  • the preferred direction 44 can also be known from the sample preparation of the substrate 10 shown in FIG. 1, ie it can be defined by the type of sample preparation. In this case, for example, the substrate 10 can simply be inserted into the device 40A or 40B in a corresponding direction.
  • the lighting 28 or 28' which is used to carry out the method, has a lighting power.
  • the required lighting power depends not only on the parameters of the dye but also on the size of the image field.
  • the image field size should be as large as possible for a high throughput, but depends not only on the image field of the lens 21 but also on the size of the image sensor (camera chip) and the pixel size on the chip.
  • a wavelength of 550 nm and a numerical aperture of 1.2 are assumed.

Abstract

Devices and methods for examining DNA fragments are disclosed. In this case, DNA fragments (12) are arranged on a plasmonic chip (41) which is illuminated from a side facing away from the DNA fragments (12) and are scanned using slot-shaped apertures (42, 42A, 42B, 42D) that extend perpendicular to a preferred direction (44) of the DNA fragments (12), wherein the slot-shaped apertures (42, 42A, 42B, 42D) have a width of less than 100 nm and a length that is at least twice the width, and the slot-shaped apertures are aligned with the direction of their length substantially perpendicular to a preferred direction of the DNA fragments (12).

Description

Beschreibung description
Vorrichtung und Verfahren zur Untersuchung von Desoxyribonukleinsäure-FragmentenDevice and method for examining deoxyribonucleic acid fragments
Die vorliegende Anmeldung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Untersuchung von Desoxyri bonukleinsäure(DNS)-Fragmenten. The present application relates to devices and methods for examining deoxyribonucleic acid (DNA) fragments.
Für verschiedene Anwendungen ist ein Bestimmen von in DNS codierter genetischer Informationen erforderlich. Hierzu existieren zahlreiche verschiedene Technologien, zum Beispiel zum Auslesen eines gesamten genetischen Codes (das heißt der Sequenz von so genannten Basenpaaren in der DNS) eines Organismus oder eines Teils davon. Für diese Technologien muss die DNS aus Zellen des jeweiligen Organismus extrahiert werden und in kleinere Abschnitte, sogenannte Fragmente, zerschnitten werden. Diese Fragmente werden dann untersucht. Eine Anwendung derartiger Untersuchungen ist die Identifikation von Organismen, beispielsweise Viren oder Bakterien, anhand ihres genetischen Codes. Determining genetic information encoded in DNA is required for various applications. There are numerous different technologies for this, for example for reading out an entire genetic code (ie the sequence of so-called base pairs in the DNA) of an organism or a part of it. For these technologies, the DNA must be extracted from cells of the respective organism and cut into smaller sections, so-called fragments. These fragments are then examined. One application of such studies is the identification of organisms, such as viruses or bacteria, based on their genetic code.
Ein Verfahren, das zur Identifikation von Genen oder Organismen eingesetzt wird, ist das sogenannte Optical Mapping. Dabei werden die extrahierten DNS-Fragmente an einer spezifischen Sequenz von Basen, die typischerweise vier bis sieben Basenpaare lang ist, mit einem Fluoreszenzfarbstoff oder mehreren verschiedenen Fluoreszenzfarbstoffen (Farbstoffmoleküle 13) markiert, der selektiv nur an diese Sequenz von Basen bindet. In einer Ausprägungsform des Optical Mapping werden die DNS-Fragmente anschließend auf ein Substrat aufgebracht und auf dem Substrat fixiert. Die Orientierung der Fragmente auf dem Substrat ist dabei im Wesentlichen in einer Raumrichtung, im Rahmen dieser Anmeldung als Vorzugsrichtung bezeichnet. Dies ist in der Fig. 1 veranschaulicht. Hier ist ein Substrat 10 mit darauf fixierten DNS-Fragmenten 12 gezeigt. Ein Ausschnitt 11 aus dem Substrat ist vergrößert dargestellt. Insbesondere in dieser Vergrößerung ist ersichtlich, dass die DNS-Fragmente 12 im Wesentlichen in der Vorzugsrichtung ausgerichtet sind, in der Fig. 1 in der im Bild vertikalen Richtung. Im Wesentlichen ausgerichtet, kann dabei eine Ausrichtung in einem Winkelbereich von weniger als ± 20° oder wenigstens ± 10° für mindestens 80%, beispielsweise mindestens 90% der DNS-Fragmente bedeuten. Die DNS-Fragmente weisen wie durch einen Pfeil 14 gekennzeichnet typischerweise eine Länge im Bereich von 10 pm auf und sind mit den erwähnten Farbstoffmolekülen 13 markiert. A method used to identify genes or organisms is what is known as optical mapping. The extracted DNA fragments are labeled at a specific sequence of bases, which is typically four to seven base pairs long, with one or more different fluorescent dyes (dye molecules 13) that bind selectively only to this sequence of bases. In one form of optical mapping, the DNA fragments are then applied to a substrate and fixed on the substrate. The orientation of the fragments on the substrate is essentially in one spatial direction, referred to as the preferred direction in the context of this application. This is illustrated in FIG. A substrate 10 with DNA fragments 12 fixed thereon is shown here. A section 11 from the substrate is shown enlarged. In this enlargement in particular, it can be seen that the DNA fragments 12 are essentially aligned in the preferred direction, in FIG. 1 in the vertical direction in the image. Substantially aligned can mean alignment in an angular range of less than ±20° or at least ±10° for at least 80%, for example at least 90% of the DNA fragments. As indicated by an arrow 14, the DNA fragments typically have a length in the range of 10 μm and are marked with the dye molecules 13 mentioned.
Durch optische Bildgebung wird dann die Abfolge der Farbstoffmoleküle 13 ermittelt. Die Abfolge der Farbstoffmoleküle 13, die auch als „Barcode“ des DNS-Fragments bezeichnet werden kann, ist dabei typisch für ein bestimmtes Gen oder einen Genabschnitt. Wie in Fig. 1 gezeigt kann beispielsweise aus dem Abstand der Farbstoffmoleküle 13, der davon abhängt, in welchen Abständen die jeweilige spezifische Bindungs-Sequenz in dem DNS-Fragment auftritt, der Barcode dieses DNS-Fragments ermittelt werden. Zur Identifikation eines Organismus oder der in einer komplexen Probe, wie z.B. einem Abstrich, enthaltenen Vielzahl von Organismen oder der darin enthaltenen Spuren von Organismen, ist dabei eine Analyse sehr vieler DNS Fragmente nötig, beispielsweise je nach Länge bis zu mehrerer 100.000 Fragmente, die dann z.B. 1010 Basenpaaren entsprechen. Insbesondere für kommerzielle Anwendungen ist es daher nötig, die Detektion der Farbstoffmoleküle und somit das Auslesen dieses „Barcodes“ mit möglichst hohem Durchsatz zu ermöglichen. The sequence of the dye molecules 13 is then determined by optical imaging. The sequence of dye molecules 13, also known as the "barcode" of the DNA fragment is typical for a specific gene or gene segment. As shown in FIG. 1, the barcode of this DNA fragment can be determined, for example, from the distance between the dye molecules 13, which depends on the distances at which the respective specific binding sequence occurs in the DNA fragment. To identify an organism or the large number of organisms contained in a complex sample, such as a smear, or the traces of organisms contained therein, it is necessary to analyze a large number of DNA fragments, for example up to several 100,000 fragments depending on the length eg 10 correspond to 10 base pairs. For commercial applications in particular, it is therefore necessary to enable the detection of the dye molecules and thus the reading of this "barcode" with the highest possible throughput.
Zur Detektion der Farbstoffmoleküle werden diese durch Beleuchtung zur Fluoreszenz angeregt, und die Position der Farbstoffmoleküle wird mittels optischer Bildgebung bestimmt. Die erforderliche Auflösung hängt hierfür vom mittleren Abstand der Farbstoffmoleküle voneinander ab und kann je nach Anwendung deutlich unter diesem mittleren Abstand liegen. Sind die Farbstoffmoleküle beispielsweise sensitiv für eine spezifische Sequenz aus vier Basenpaaren, beträgt der mittlere Abstand bei statistischer Verteilung der möglichen Basenpaare 44 = 256 Basenpaare, was etwa 256 x 0,34 nm = 87 nm entspricht. Mit der Fixierung auf dem Substrat 10 kann eine Streckung der DNS-Fragmente verbunden sein, wodurch dieser Abstand z.B. um etwa das 1 ,5-fache größer sein kann. In jedem Fall kann dieser Abstand im sichtbaren Wellenlängenbereich, in welchem zumindest einige der eingesetzten Fluoreszenzfarbstoffe emittieren, mit konventioneller Mikroskopie aufgrund des Beugungslimits nicht aufgelöst werden. To detect the dye molecules, they are stimulated to fluoresce by illumination, and the position of the dye molecules is determined using optical imaging. The resolution required for this depends on the mean distance between the dye molecules and can be well below this mean distance, depending on the application. For example, if the dye molecules are sensitive to a specific sequence of four base pairs, the mean distance in a statistical distribution of the possible base pairs is 4 4 = 256 base pairs, which corresponds to about 256 x 0.34 nm = 87 nm. A stretching of the DNA fragments can be associated with the fixation on the substrate 10, as a result of which this distance can be greater by a factor of about 1.5, for example. In any case, this distance in the visible wavelength range, in which at least some of the fluorescent dyes used emit, cannot be resolved with conventional microscopy due to the diffraction limit.
Bekannte Verfahren zur Mikroskopie jenseits des Beugungslimits sind beispielsweise Mikroskopie mit strukturierter Beleuchtung (SIM, Structured Illumination Microscopy), Mikroskopie mit stimulierter Emissionsabregung (STED, Stimulated Emission Depletion) oder Lokalisierungsmikroskopie (PALM, Photoactivated Localization Microscopy). Diese Verfahren haben alle den Nachteil, dass sie keine schnelle Bildgebung in einem großen Bildfeld, was für hohen Durchsatz erforderlich ist, ermöglichen. Daher erfordert eine Analyse eines Substrats 10 mit darauf angeordneten DNS-Fragmenten 12 wie in Fig. 1 gezeigt mit derartigen Verfahren eine sehr lange Zeit. Known methods for microscopy beyond the diffraction limit are, for example, microscopy with structured illumination (SIM, Structured Illumination Microscopy), microscopy with stimulated emission depletion (STED, Stimulated Emission Depletion) or localization microscopy (PALM, Photoactivated Localization Microscopy). These methods all have the disadvantage that they do not allow rapid imaging in a large field of view, which is required for high throughput. Therefore, analysis of a substrate 10 having DNA fragments 12 arranged thereon as shown in Fig. 1 by such methods requires a very long time.
Die WO 2019/122161 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung der superauflösenden Mikroskopie jenseits des Beugungslimits mit einem plasmonischen Chip, wobei der Chip als individuell adressierbares Array von Nanoblenden eine Beleuchtung eines Objektes, das sich auf dem Chip befindet, im Nahfeld ermöglicht. Als Nanoblenden sind dabei Flächenabschnitte auf dem Array zu verstehen, deren Zustand bezüglich der Anregung von Oberflächenplasmonen gezielt adressierbar gesteuert werden kann. Die Nanoblenden auf dem lithographisch hergestellten plasmonischen Chip können dabei eine Größe von 25 nm oder kleiner erreichen. Eine entsprechende Vorrichtung 20 ist in der Fig. 2 schematisch dargestellt. WO 2019/122161 A1 discloses a method and a device for super-resolution microscopy beyond the diffraction limit with a plasmonic chip, the chip being an individually addressable array of nano-apertures that illuminates an object located on the chip, allows in the near field. In this case, nano-apertures are surface sections on the array whose state can be controlled in a specifically addressable manner with regard to the excitation of surface plasmons. The nano-apertures on the lithographically produced plasmonic chip can reach a size of 25 nm or smaller. A corresponding device 20 is shown schematically in FIG.
Bei der Vorrichtung 20 der Fig. 2 ist eine zu untersuchende Probe 23 auf einem Substrat 24 bereitgestellt. Die Dicke des Substrats 24 kann im Bereich von 25 nm liegen. Das Substrat enthält einen plasmonischen Chip 29 mit einer Vielzahl von einzeln ansteuerbaren Nanoblenden, wobei mit dem Bezugszeichen 27 geschlossene Nanoblenden (Oberflächenplasmonen können nicht durch einfallendes Licht angeregt werden) und mit dem Bezugszeichen 26 geöffnete Nanoblenden (Oberflächenplasmonen können durch einfallendes Licht angeregt werden) bezeichnet sind. Der plasmonische Chip 29 ruht auf einem Glassubstrat 210. In the device 20 of FIG. 2 , a sample 23 to be examined is provided on a substrate 24 . The thickness of the substrate 24 can be in the range of 25 nm. The substrate contains a plasmonic chip 29 with a multiplicity of individually controllable nano-apertures, closed nano-apertures (surface plasmons cannot be excited by incident light) being denoted by reference numeral 27 and open nano-apertures (surface plasmons can be excited by incident light) being identified by reference numeral 26 . The plasmonic chip 29 rests on a glass substrate 210.
Zur Messung erfolgt Beleuchtung mittels einer Lichtquelle von der Seite des Glassubstrats 210, wie durch Pfeile 28 angedeutet. Die Nanoblenden 26, 27 können beispielsweise einen Durchmesser der Größenordnung 25 nm aufweisen. Die Lichtwellenlänge der Beleuchtung liegt darüber und kann beispielsweise im sichtbaren Bereich liegen. For the measurement, illumination is carried out by means of a light source from the side of the glass substrate 210, as indicated by arrows 28. The nano-apertures 26, 27 can have a diameter of the order of 25 nm, for example. The light wavelength of the illumination is higher and can be in the visible range, for example.
Die Funktionsweise der Nanoblenden 26, 27 beruht darauf, dass die Anregung von Oberflächenplasmonen durch das einfallende Licht im plasmonischen Chip 29 sensitiv von den physikalischen Eigenschaften der Umgebung, z.B. der Temperatur, abhängig ist, die durch eine entsprechende Steuerelektronik eingestellt werden können. Somit können die Nanoblenden von geschlossen bis offen gesteuert werden. The functionality of the nanoscreens 26, 27 is based on the fact that the excitation of surface plasmons by the incident light in the plasmonic chip 29 is sensitively dependent on the physical properties of the environment, e.g. the temperature, which can be set by appropriate control electronics. Thus, the nano shutters can be controlled from closed to open.
Die geöffneten Nanoblenden 26 erlauben es, dass das Beleuchtungslicht entsprechend den Pfeilen 28 zu dem zu untersuchenden Objekt 23 gelangt. Aufgrund der Größe der Nanoblenden kleiner als die Lichtwellenlänge ist ein entstehendes Lichtfeld 25 zur Beleuchtung des Objekts 23 allerdings lediglich ein evaneszentes Lichtfeld, das nur wenige 100 nm in die Probe 23 propagiert und dabei eine laterale Ausdehnung hat, die wesentlich durch die Größe der Nanoblenden 26, 27 bestimmt wird. Hierdurch wird eine lokalisierte Anregung mit einer Ortsauflösung in der Größenordnung von 25 nm erreicht. Durch das Lichtfeld 25 angeregte Fluoreszenz wird dann mittels einer Detektionseinrichtung wie einem Detektionsmikroskops, von dem ein Detektionsobjektiv 21 schematisch dargestellt ist, detektiert und kann beugungsbegrenzt bestimmt werden. Die hohe Ortsauflösung ergibt sich hier also nicht durch eine hochaufgelöste Detektion - diese ist beugungsbegrenzt sondern durch eine entsprechend ortsaufgelöste Anregung. Zwischen dem Detektionsobjektiv 21 und dem Substrat 24 befindet sich bei manchen Anwendungsfällen eine Immersionsflüssigkeit 22, beispielsweise Wasser, welches die Probe 23 umgibt. The open nano-apertures 26 allow the illumination light to reach the object 23 to be examined in accordance with the arrows 28 . However, due to the size of the nano-apertures being smaller than the wavelength of the light, a light field 25 that is created for illuminating the object 23 is merely an evanescent light field that propagates only a few 100 nm into the sample 23 and has a lateral extension that is essentially determined by the size of the nano-apertures 26 , 27 is determined. This achieves a localized excitation with a spatial resolution of the order of 25 nm. Fluorescence excited by the light field 25 is then detected by means of a detection device such as a detection microscope, of which a detection objective 21 is shown schematically, and can be determined with diffraction limitation. The high spatial resolution does not result here a high-resolution detection - this is diffraction-limited but by a corresponding spatially resolved excitation. In some applications, an immersion liquid 22 , for example water, which surrounds the sample 23 , is located between the detection objective 21 and the substrate 24 .
Ein ganzes Bildfeld, beispielsweise das Substrat 10 der Fig. 1, kann dann durch sequenzielles Schalten der Nanoblenden 26, 27 abgetastet werden. Wegen der kleinen Größe dieser Nanoblenden wird hier jedoch auch eine relativ lange Zeit benötigt. An entire image field, for example the substrate 10 of FIG. 1, can then be scanned by switching the nano-apertures 26, 27 sequentially. Because of the small size of these nano-apertures, however, a relatively long time is required here.
Eine Parallelisierung dieser Abtastung ist dadurch möglich, dass für jede Chipfläche von der Größe eines Beugungsscheibchen der verwendeten Detektionsoptik (Detektionsobjektiv 21) jeweils eine Nanoblende 26, 27 geöffnet wird und jedes Objektfeld von der Größe des Beugungsschaltens abgetastet wird, dies aber für alle derartigen Objektfelder parallel geschieht. Als „Beugungsscheibchen der verwendeten Detektionsoptik“ ist dabei die beugungsbegrenzte Abbildung eines Pixels des Detektors mittels Objektiv 21 in die Objektebene zu verstehen. Dies ist der Bereich, innerhalb dessen aufgrund der Beugungsbegrenzung keine Trennung verschiedener Objekte detektierbar ist. Dies ist in Fig. 3 visualisiert. Hier ist eine Vielzahl von Beugungsscheibchen 30 dargestellt. Der minimale Durchmesser d jedes Beugungsscheibchens ist ungefähr gegeben durch d = A/NA, wobei A die zu detektierende Wellenlänge und NA die numerische Apertur des Objektivs (im Beispiel der Fig. 2 des Objektivs 21) ist. Die Anzahl N der Bilder, die zum Abrastern eines einzigen Beugungsscheibchens bei einem Nanoblendendurchmesser b nötig ist, ist dann gegeben durch
Figure imgf000005_0001
A parallelization of this scanning is possible in that for each chip area of the size of a diffraction disc of the detection optics used (detection lens 21) a nano diaphragm 26, 27 is opened and each object field of the size of the diffraction switching is scanned, but this for all such object fields in parallel happens. The diffraction-limited imaging of a pixel of the detector into the object plane by means of lens 21 is to be understood as the “diffraction disc of the detection optics used”. This is the area within which no separation of different objects can be detected due to diffraction limitation. This is visualized in FIG. A large number of diffraction discs 30 are shown here. The minimum diameter d of each diffraction disc is approximately given by d=λ/NA, where λ is the wavelength to be detected and NA is the numerical aperture of the objective (in the example of FIG. 2 objective 21). The number N of images required to scan a single diffraction disc with a nanoaperture diameter b is then given by
Figure imgf000005_0001
Für ein Objektiv mit NA = 1 ,2, einer Wellenlänge von 550 nm und einem Nanoblendendurchmesser b von 25 nm sind demnach ungefähr 340 Aufnahmen pro Beugungsscheibchen erforderlich. Da die Beugungsscheibchen parallel abgearbeitet werden können, sind also insgesamt 340 Aufnahmen nötig, um ein gesamtes Bildfeld abzurastern. For a lens with NA=1.2, a wavelength of 550 nm and a nanoaperture diameter b of 25 nm, approximately 340 exposures per diffraction disc are accordingly required. Since the diffraction disks can be processed in parallel, a total of 340 exposures are necessary to scan an entire image field.
Auch wenn dies eine deutliche Zeitersparnis gegenüber einem Abrastern eines gesamten Bildfeldes bedeutet, ist es dennoch wünschenswert, diese Zeit weiter zu verringern. Even if this means a significant time saving compared to scanning an entire image field, it is nevertheless desirable to further reduce this time.
Eine Möglichkeit der weiteren Parallelisierung ist es, das Schalten der Nanoblenden, das mit hohen Frequenzen im Kilohertz-Bereich erfolgen kann, für eine parallele Heterodyn-Detektion zu nutzen. Das bedeutet, dass verschiedene Blenden, die nahe beieinander (innerhalb eines Beugungsscheibchens) geöffnet werden, mit verschiedenen Frequenzen moduliert werden, so dass auch das entsprechende Fluoreszenzlicht, das durch das evaneszente Lichtfeld angeregt wird, mit einer entsprechenden Frequenz codiert ist und somit spezifisch detektierbar ist. Eine derartige Detektion erfordert allerdings in der Regel eine spezielle Kamera mit direkter Demodulation, zum Beispiel eine sogenannte Time-of-Flight-Kamera, die meist nur eine geringe Pixelzahl aufweist, was die Auflösung wiederum beschränkt. Darüber hinaus sinken der Dynamikbereich und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der Detektion stark. Innerhalb eines Beugungsscheibchens gilt bei einer derartigen Herangehensweise für N Beiträge mit verschiedenen Frequenzen bei 100 % Modulationstiefe
Figure imgf000006_0001
wobei S das gemessene Signal ist und vn die verwendeten Frequenzen sind. Dies bedeutet, dass jede Signalkomponente mit einer Amplitude von 2 willkürlichen Einheiten aus einem Untergrund mit Amplitude 2N willkürliche Einheiten herauszufiltern ist, was den Dynamikbereich der Detektion und das SNR substantiell verringert.
One possibility for further parallelization is the switching of the nano-apertures, which can take place at high frequencies in the kilohertz range, for parallel heterodyne detection to use. This means that different apertures that are opened close to each other (within a diffraction disc) are modulated with different frequencies, so that the corresponding fluorescent light, which is excited by the evanescent light field, is also coded with a corresponding frequency and can therefore be specifically detected . However, such a detection generally requires a special camera with direct demodulation, for example a so-called time-of-flight camera, which usually only has a small number of pixels, which in turn limits the resolution. In addition, the dynamic range and the signal-to-noise ratio (SNR) of the detection decrease sharply. With such an approach, within a diffraction disk, the following applies to N contributions with different frequencies at 100% modulation depth
Figure imgf000006_0001
where S is the measured signal and v n are the frequencies used. This means that any signal component with an amplitude of 2 arbitrary units has to be filtered out of a background with amplitude 2N arbitrary units, which reduces the dynamic range of detection and the SNR substantially.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Möglichkeiten bereitzustellen, die Messzeit zur optischen Vermessung von fluoreszenzmarkierten DNS-Fragmenten mit relativ geringem Aufwand möglichst gering zu erhalten. It is therefore an object of the present invention to provide options for keeping the measurement time for the optical measurement of fluorescence-labeled DNA fragments as short as possible with relatively little effort.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 11. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen. This object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 11. The subclaims define further embodiments.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Untersuchung von Desoxyribonukleinsäure, DNS-Fragmenten bereitgestellt, umfassend: einen plasmonischen Chip, auf dem DNS-Fragmente anordenbar, sind, eine Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten des plasmonischen Chips von einer der den DNS-Fragmenten abgewandten Seite, eine Detektionseinrichtung zum Detektieren von Fluoreszenz von den DNS-Fragmenten in Antwort auf eine Beleuchtung durch die Beleuchtungseinrichtung, und eine Steuerung, welche eingerichtet ist, den plasmonischen Chip zum Abrastern der DNS- Fragmente mit schlitzförmigen Blendenöffnungen anzusteuern, wobei die schlitzförmigen Blendenöffnungen eine Breite kleiner 100 nm und eine Länge, die mindestens das Doppelte der Breite ist, aufweisen und in Richtung ihrer Länge im Wesentlichen senkrecht zu einer Vorzugsrichtung der DNS-Fragmente ausgerichtet sind. According to a first aspect, a device for examining deoxyribonucleic acid, DNA fragments is provided, comprising: a plasmonic chip on which DNA fragments can be arranged, are an illumination device for illuminating the plasmonic chip from one of the side facing away from the DNA fragments, a Detection device for detecting fluorescence from the DNA fragments in response to illumination by the illumination device, and a controller which is set up to control the plasmonic chip for scanning the DNA fragments with slit-shaped apertures, the slit-shaped apertures having a width of less than 100 nm and a length that is at least that Is twice the width, and are aligned in the direction of their length substantially perpendicular to a preferred direction of the DNA fragments.
Ein plasmonischer Chip ist dabei ein Chip, in dem wie in der Beschreibungseinleitung beschrieben Nanoblenden geöffnet und geschlossen werden können, wobei diese Nanoblenden im Gegensatz zum Stand der Technik schlitzförmige Blendenöffnungen bilden. Dass DNS-Fragmente auf diesem plasmonischen Chip anordenbar sind bedeutet insbesondere, dass die DNS-Fragmente in Kontakt mit dem plasmonischen Chip gebracht werden können oder zumindest so nah an den plasmonischen Chip gebracht werden können, dass sie in einem evaneszenten Feld liegen, das sich bei Beleuchtung bei den schlitzförmigen Blendenöffnungen bildet. Die DNS-Fragmente können dabei auf einem von dem plasmonischen Chip verschiedenen Substrat angeordnet sein. A plasmonic chip is a chip in which nano-apertures can be opened and closed as described in the introduction to the description, these nano-apertures forming slit-shaped aperture openings, in contrast to the prior art. The fact that DNA fragments can be arranged on this plasmonic chip means in particular that the DNA fragments can be brought into contact with the plasmonic chip or at least can be brought so close to the plasmonic chip that they are in an evanescent field that is at Illumination forms at the slit-shaped apertures. The DNA fragments can be arranged on a substrate that is different from the plasmonic chip.
Durch die Verwendung von derartigen schlitzförmigen Blendenöffnungen ist dabei ein schnelleres Abrastern und somit eine schnellere Untersuchung einer Probe möglich. Dabei wird ausgenutzt, dass die Fragmente mit einer bekannten Orientierung vorliegen und nur die Auflösung entlang der Hauptrichtung des Fragments hoch, insbesondere jenseits des Beugungslimits, sein muss. Im Wesentlichen senkrecht kann hier in einem Bereich von 70° bis 110°, beispielsweise von 80° bis 100°, bedeuten. Die Vorzugsrichtung der DNS-Fragmente ist dabei die Richtung, in der die Stränge der DNS-Fragmente hauptsächlich oder im Mittel angeordnet sind. By using such slit-shaped diaphragm openings, faster scanning and thus faster examination of a sample is possible. This exploits the fact that the fragments are present with a known orientation and only the resolution along the main direction of the fragment has to be high, in particular beyond the diffraction limit. Substantially perpendicular here can mean in a range from 70° to 110°, for example from 80° to 100°. The preferred direction of the DNA fragments is the direction in which the strands of the DNA fragments are mainly or on average arranged.
Schlitzförmige Blendenöffnungen können durch Zusammenschalten mehrerer Nanoblenden wie oben erläutert möglich, oder der plasmonische Chip kann zur Bereitstellung schlitzförmiger Blendenöffnungen eingerichtet sein. Die Verwendung einzelner Nanoblenden, die zusammen zu der schlitzförmigen Blendenöffnung geschaltet werden, ermöglicht dabei eine größere Flexibilität als feststehende schlitzförmige Blendenöffnungen, ist jedoch hinsichtlich der Ansteuerung unter Umständen aufwendiger. Slit-shaped apertures can be possible by interconnecting several nano-apertures as explained above, or the plasmonic chip can be set up to provide slit-shaped apertures. The use of individual nano-apertures, which are switched together to form the slit-shaped aperture, allows greater flexibility than fixed slit-shaped apertures, but is sometimes more complex in terms of control.
Die Steuerung kann eingerichtet sein, das Abrastern für mehrere Bereiche parallel durchzuführen. Die Bereiche können dabei die Größe von Beugungsscheiben der Detektionseinrichtung aufweisen. Auf diese Weise kann der Durchsatz erhöht werden. The controller can be set up to carry out the scanning for a number of areas in parallel. The areas can have the size of diffraction disks of the detection device. In this way, the throughput can be increased.
Die Länge der schlitzförmigen Blendenöffnungen kann sich über mehrere derartige Bereiche erstrecken. Alternativ kann die Länge der schlitzförmigen Blendenöffnungen einem Durchmesser der Bereiche ± 20 % oder ± 10 % entsprechen, also etwa dem Durchmesser der Bereiche. Im letzteren Fall können gleichzeitig geöffnete schlitzförmige Blendenöffnungen benachbarter Bereiche zueinander in Richtung der Breite der Schlitze versetzt sein, was eine Trennung von Signalen verschiedener Bereiche erleichtern kann. The length of the slit-shaped diaphragm openings can extend over several such areas. Alternatively, the length of the slit-shaped diaphragm openings can correspond to a diameter of the areas ±20% or ±10%, ie approximately the diameter of the areas. In the latter case, simultaneously opened slit-shaped diaphragm openings of adjacent areas can be offset from one another in the direction of the width of the slits, which can make it easier to separate signals from different areas.
Die Steuerung kann eingerichtet sein das Abrastern zumindest innerhalb der Bereiche, wenn sie benutzt werden, sequenziell durchzuführen, d.h. in jedem Bereich ist dann nur eine schlitzförmige Blendenöffnung gleichzeitig geöffnet. The controller can be set up to carry out the scanning sequentially, at least within the ranges when they are used, i.e. in each range only one slit-shaped aperture is then open at a time.
Alternativ kann die Steuerung eingerichtet ist, zum Abrastern mehrere schlitzförmige Blendenöffnungen parallel mit verschiedenen Frequenzen zu öffnen und zu schließen, also ein Heterodyn-Detektionsverfahren durchzuführen. Aufgrund der Verwendung der schlitzförmigen Blendenöffnungen sind hier deutlich weniger Frequenzkomponenten erforderlich wie bei herkömmlichen Verfahren, was die Detektion erleichtert. Alternatively, the controller can be set up to open and close a plurality of slit-shaped diaphragm openings in parallel with different frequencies for scanning, ie to carry out a heterodyne detection method. Due to the use of the slit-shaped aperture openings, significantly fewer frequency components are required here than with conventional methods, which makes detection easier.
Genauer gesagt sind durch die schlitzförmigen Blendenöffnungen nur N' = ^N Bildaufnahmen (im Falle der sequenziellen Abrasterung) oder Frequenzen (im Falle einer parallelen Heterodyn- Detektion) erforderlich, statt N bei herkömmlichen Herangehensweisen. Dies bedeutet eine kürzere Aufnahmezeit im Fall der sequenziellen Abrasterung oder ein geringeres Rauschen und höhere Detektionsdynamik im Falle der Heterodyn-Detektion. More specifically, only N'=^N frames (in the case of sequential scanning) or frequencies (in the case of parallel heterodyne detection) are required due to the slit-shaped aperture openings, instead of N with conventional approaches. This means a shorter recording time in the case of sequential scanning or lower noise and higher detection dynamics in the case of heterodyne detection.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, vor dem Abrastern ein Übersichtsbild aufzunehmen, und zumindest eines der folgenden auf Basis des Übersichtsbildes zu bestimmen: The device can be set up to record an overview image before scanning and to determine at least one of the following on the basis of the overview image:
- die Vorzugsrichtung, - the preferred direction,
- Gebiete, in denen ein Fluoreszenzsignal von DNS-Fragmenten vorliegt, und - Areas where there is a fluorescent signal from DNA fragments, and
- eine Lage einzelner DNS-Fragmente. - a layer of individual DNA fragments.
Dies kann dazu beitragen, das nachfolgende Abrastern mit den schlitzförmigen Blendenöffnungen zu optimieren. Der Begriff „Gebiet“ wird hier verwendet, um eine Verwechslung mit den oben erwähnten Bereichen zu vermeiden. This can help to optimize the subsequent scanning with the slit-shaped apertures. The term "territory" is used here to avoid confusion with the areas mentioned above.
Die Steuerung kann eingerichtet sein, das Abrastern mit den schlitzförmigen Blendenöffnungen nur in den Bereichen, in denen Fluoreszenz vorliegt, durchzuführen. Auf diese Weise kann die Auswertung erleichtert werden. The controller can be set up to carry out the scanning with the slit-shaped diaphragm openings only in the areas in which fluorescence is present. In this way, the evaluation can be facilitated.
Die Steuerung kann eingerichtet sein, eine Ausrichtung der schlitzförmigen Blendenöffnungen an die Lage der jeweiligen DNS-Fragmente anzupassen. Hier kann also die allgemeine Ausrichtung im Wesentlichen senkrecht zu der Vorzugsrichtung der tatsächlich detektierten Lage angepasst werden. Die Lage kann dabei durch Schwerpunktsbestimmung ermittelt werden. The controller can be set up to adapt an alignment of the slit-shaped apertures to the position of the respective DNA fragments. So here the general Alignment are essentially adjusted perpendicular to the preferred direction of the actually detected position. The position can be determined by determining the center of gravity.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Untersuchung von DNS-Fragmenten bereitgestellt, umfassend: According to a second aspect there is provided a method for examining DNA fragments, comprising:
Anordnen von DNS-Fragmenten auf einem plasmonischen Chip, Arranging DNA fragments on a plasmonic chip,
Beleuchten des plasmonischen Chips von einer den DNS-Fragmenten abgewandten Seite, und Ansteuern des plasmonischen Chips, um die DNS-Fragmente mit schlitzförmigenilluminating the plasmonic chip from a side facing away from the DNA fragments, and driving the plasmonic chip to slit the DNA fragments
Blendenöffnungen abzurastern, wobei eine Breite der schlitzförmigen Blendenöffnungen kleiner als 100 nm ist und eine Länge der schlitzförmigen Blendenöffnungen mindestens das Doppelte der Breite beträgt und sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Vorzugsrichtung der DNS-Fragmente erstreckt, und to scan apertures, with a width of the slit-shaped apertures being less than 100 nm and a length of the slit-shaped apertures being at least twice the width and extending essentially perpendicularly to a preferred direction of the DNA fragments, and
Detektieren von Fluoreszenz von den DNS-Fragmenten. detecting fluorescence from the DNA fragments.
Für das Anordnen auf dem plasmonischen Chip gelten die Erläuterungen, die zur Vorrichtung gemacht wurden, entsprechend. The explanations given for the device apply accordingly to the arrangement on the plasmonic chip.
Für das Verfahren sind Variationen und zusätzliche Merkmale entsprechend den für die Vorrichtung oben erläuterten Variationen und zusätzlichen Merkmalen möglich. Variations and additional features are possible for the method corresponding to the variations and additional features explained above for the device.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings using exemplary embodiments. Show it:
Fig. 1 eine Probenpräparation von DNS-Fragmenten gemäß dem Stand der Technik, 1 shows a sample preparation of DNA fragments according to the prior art,
Fig. 2 eine Vorrichtung zur superauflösenden Mikroskopie gemäß dem Stand der Technik, 2 shows a device for super-resolution microscopy according to the prior art,
Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Parallelisierung der Vorrichtung der Fig. 2 gemäß dem Stand der Technik, 3 shows a diagram to illustrate the parallelization of the device of FIG. 2 according to the prior art,
Fig. 4A eine Vorrichtung zur Analyse von DNS-Fragmenten gemäß einem Ausführungsbeispiel, 4A shows a device for analyzing DNA fragments according to an embodiment,
Fig. 4B eine Vorrichtung zur Untersuchung von DNS-Fragmenten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, Fig. 5A und 5B Diagramme zur Veranschaulichung verschiedener Ausführungsbeispiele, 4B shows a device for examining DNA fragments according to a further exemplary embodiment, 5A and 5B diagrams to illustrate different embodiments,
Fig. 6 ein Flussdiagram zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel, 6 shows a flow chart to illustrate a method according to an embodiment,
Fig. 7 ein Diagramm zur Veranschaulichung mancher Ausführungsbeispiele, und Fig. 7 is a diagram to illustrate some embodiments, and
Fig. 8 ein Diagramm zur Veranschaulichung mancher Ausführungsbeispiele. 8 shows a diagram to illustrate some exemplary embodiments.
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sind nur als Beispiel zu verstehen und sind nicht als einschränkend auszulegen. Various exemplary embodiments are explained in detail below. These embodiments are provided by way of example only and are not to be construed as limiting.
Bei Ausführungsbeispielen werden im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren schlitzförmige Blendenöffnungen verwendet. Abgesehen von der Verwendung schlitzförmiger Blendenöffnungen und hiermit verbundener Möglichkeiten und Techniken können die verwendeten Vorrichtungen und Verfahren entsprechend herkömmlicher Vorrichtungen und Verfahren ausgestaltet sein, beispielsweise Vorrichtungen und Verfahren wie in der WO 2019/122161 A1 erläutert. Diese herkömmlichen Teile werden daher nicht detailliert beschrieben. In contrast to conventional methods, slit-shaped apertures are used in exemplary embodiments. Apart from the use of slit-shaped diaphragm openings and the possibilities and techniques associated therewith, the devices and methods used can be configured in accordance with conventional devices and methods, for example devices and methods as explained in WO 2019/122161 A1. Therefore, these conventional parts will not be described in detail.
Merkmale (Elemente, Komponenten, Verfahrensschritte und dergleichen) verschiedener Ausführungsbeispiele können kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Variationen und Abwandlungen, die für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sind auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar und werden daher nicht wiederholt beschrieben. Features (elements, components, method steps and the like) of different exemplary embodiments can be combined unless otherwise stated. Variations and modifications that are described for one of the exemplary embodiments are also applicable to other exemplary embodiments and are therefore not described repeatedly.
Gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren sind mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden daher nicht wiederholt detailliert erläutert. Identical or corresponding elements in different figures are denoted by the same reference symbols and are therefore not repeatedly explained in detail.
Die Fig. 4A zeigt eine Vorrichtung 40A zur Untersuchung von DNS-Fragmenten 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 40A der Fig. 4A beruht auf der in der Beschreibungseinleitung unter Bezugnahme auf die Fig. 2 beschriebene Vorrichtung zur superauflösenden Mikroskopie, und gleiche Elemente tragen die gleichen Bezugszeichen und werden nicht nochmals detailliert erläutert. Stattdessen werden im Folgenden hauptsächlich die Unterschiede zu der Vorrichtung 20 der Fig. 2 dargestellt. Bei der Vorrichtung 40A der Fig. 4A besteht die Probe im Gegensatz zu der allgemeinen Probe 23 der Vorrichtung 20 der Fig. 2 aus DNA-Fragmenten 12, welche in einer Vorzugsrichtung angeordnet sind, die durch einen Pfeil 44 angedeutet ist. Zur optischen Untersuchung der DNS- Fragmente 12 werden in einem plasmonischen Chip 41 gesteuert durch eine Steuerung 45 schlitzförmige Blendenöffnungen 42 geöffnet, welche sich senkrecht zu der Vorzugsrichtung 44 erstrecken. Andere Blendenöffnungen 27 bleiben geschlossen. Die schlitzförmigen Blendenöffnungen 42 können geöffnet werden, indem mehrere in Reihe liegende Nanoblenden der Vorrichtung 20 von der Steuerung 45 zur Öffnung angesteuert werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist der plasmonische Chip 41 von vornherein so eingerichtet, dass die Nanoblenden schlitzförmig sind. Unter einer Schlitzform wird dabei eine Form verstanden, die in einer Längsrichtung eine mindestens zwei Mal größere, beispielsweise mindestens drei Mal größere Länge hat als eine Breite in Querrichtung, wobei in der Querschnittsansicht der Fig. 4A die Querrichtung sichtbar ist. Die Breite der schlitzförmigen Blendenöffnung kann deutlich unterhalb des Beugungslimits liegen, beispielsweise kleiner als 100nm oder kleiner als 40 nm, beispielsweise etwa 25 nm. Die Länge kann in der Größenordnung des Durchmessers eines Beugungsscheibchens der verwendeten Detektionsoptik (Detektionsobjektiv 21) liegen, also in der Größenordnung A/NA, wobei A die zu detektierende Wellenlänge und NA die numerische Apertur ist. Beispielsweise kann für eine Wellenlänge von 550 nm und eine numerische Apertur NA von 1 ,2 wie oben als Beispiel verwendet in der Größenordnung von 450 nm liegen. In der Größenordnung des Durchmessers des Beugungsscheibchens kann dabei der Durchmesser des Beugungsscheibchens ± 20 %, oder ± 10 % bedeuten, wobei auch eine größere Länge möglich ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Länge in Längsrichtung auch über eine Vielzahl von Beugungsscheibchens oder sogar über das ganze Bildfeld gehen. 4A shows a device 40A for examining DNA fragments 12 according to an embodiment. The device 40A of FIG. 4A is based on the device for super-resolution microscopy described in the introduction to the description with reference to FIG. 2, and the same elements bear the same reference symbols and are not explained in detail again. Instead, mainly the differences to the device 20 of FIG. 2 are presented below. In the device 40A of FIG. 4A, in contrast to the general sample 23 of the device 20 of FIG. For the optical examination of the DNA fragments 12 , slit-shaped apertures 42 are opened in a plasmonic chip 41 controlled by a controller 45 , which extend perpendicularly to the preferred direction 44 . Other apertures 27 remain closed. The slit-shaped diaphragm openings 42 can be opened in that a plurality of nano-diaphragms of the device 20 lying in a row are controlled by the controller 45 to open them. In other exemplary embodiments, the plasmonic chip 41 is set up from the outset in such a way that the nano-apertures are slit-shaped. A slit shape is understood to mean a shape that is at least twice as long, for example at least three times as long as a width in the transverse direction in a longitudinal direction, the transverse direction being visible in the cross-sectional view of FIG. 4A. The width of the slit-shaped aperture can be well below the diffraction limit, for example less than 100 nm or less than 40 nm, for example about 25 nm A/NA, where A is the wavelength to be detected and NA is the numerical aperture. For example, for a wavelength of 550 nm and a numerical aperture NA of 1.2 as used as an example above, it can be of the order of 450 nm. In the order of magnitude of the diameter of the diffraction disk, the diameter of the diffraction disk can mean ±20% or ±10%, although a greater length is also possible. In other embodiments, the length in the longitudinal direction can also extend over a large number of diffraction discs or even over the entire field of view.
Beispiele hierfür sind in den Fig. 5A und 5B dargestellt. Die Fig. 5A und 5B zeigen jeweils ein DNS-Fragment 12 mit einer Vielzahl von Fluoreszenzmolekülen 13. Mit 30 sind wie in der Fig. 3 Beugungsscheibchen bezeichnet, in denen parallel eine Detektion stattfindet. Examples of this are shown in Figures 5A and 5B. 5A and 5B each show a DNA fragment 12 with a multiplicity of fluorescent molecules 13. As in FIG. 3, diffraction disks are designated 30, in which a detection takes place in parallel.
In der Fig. 5A werden schlitzförmige Blendenöffnungen 42A verwendet, welche sich senkrecht zu der Vorzugsrichtung 44 über viele Beugungsscheibchen, beispielsweise über das gesamte Bildfeld, erstrecken. Im Falle der Fig. 5B werden schlitzförmige Blendenöffnungen 42B verwendet, deren Ausdehnung in Längsrichtung jeweils in der Größenordnung des Durchmessers einer Beugungsscheibe liegt und die für benachbarte Reihen von Beugungsscheibchen, in denen separat detektiert wird, wie dargestellt versetzt angeordnet sind. Durch die versetzte Anordnung kann eine Trennung von Signalen von verschiedenen Beugungsscheibchen erleichtert werden. In FIG. 5A, slit-shaped diaphragm openings 42A are used, which extend perpendicularly to the preferred direction 44 over many diffraction disks, for example over the entire image field. In the case of FIG. 5B, slit-shaped diaphragm openings 42B are used, the extent of which in the longitudinal direction is in the order of magnitude of the diameter of a diffraction disk and which, as shown, are offset for adjacent rows of diffraction disks in which separate detection is carried out are. The staggered arrangement makes it easier to separate signals from different diffraction disks.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann, wie später näher erläutert werden wird, die Steuerung 45 wie durch einen Pfeil 43 angedeutet auch ein Übersichtsbild, welches mittels der Bildaufnahmeeinrichtung mit dem Detektionsobjektiv 21 erstellt wurde, erhalten, und daraus kann die Vorzugsrichtung 44 bestimmt werden. Im Falle einzelner Nanoblenden, bei denen Reihen zu schlitzförmigen Blendenöffnungen geöffnet werden, kann dann die Längsrichtung der schlitzförmigen Blendenöffnungen entsprechend angepasst werden. Zudem kann die Steuerung 45 auch die während der eigentlichen Messungen erhaltenen Bildaufnahmen erhalten und entsprechend auswerten, beispielsweise um die genaue Lage und Zuordnung von einzelnen Detektionsereignissen zu bestimmen. In diesem Fall dient die Steuerung gleichzeitig der Auswertung. Es kann aber auch eine separate Auswertungseinrichtung, beispielsweise ein separater Computer, bereitgestellt sein, der die Messungen (Bildaufnahmen) erhält. Eine derartige se parate Auswertungseinrichtung kann auch entfernt zu den dargestellten Vorrichtungen angeordnet sein und die Bildaufnahmen beispielsweise über eine Netzwerkverbindung erhalten. In some exemplary embodiments, as will be explained in more detail later, the controller 45 can also obtain an overview image, as indicated by an arrow 43, which was created using the image recording device with the detection lens 21, and from this the preferred direction 44 can be determined. In the case of individual nano-apertures, in which rows are opened to form slit-shaped apertures, the longitudinal direction of the slit-shaped apertures can then be adjusted accordingly. In addition, the controller 45 can also receive the image recordings obtained during the actual measurements and evaluate them accordingly, for example in order to determine the exact position and assignment of individual detection events. In this case, the controller is also used for evaluation. However, a separate evaluation device, for example a separate computer, can also be provided, which receives the measurements (image recordings). Such a separate evaluation device can also be arranged at a distance from the devices shown and receive the image recordings, for example via a network connection.
Bevor zusätzliche Details der Detektion von Fluoreszenz mittels schlitzförmiger Blendenöffnungen im Falle der Untersuchung von DNS-Fragmenten noch genauer erörtert wird, wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4B eine Variante des Ausführungsbeispiels der Fig. 4A erläutert. Größtenteils entspricht eine Vorrichtung 40B der Fig. 4B der Vorrichtung 40A der Fig. 4A. Lediglich die Beleuchtung erfolgt anstelle der Beleuchtung 28 der Fig. 4A als schräge Beleuchtung 28' in Totalreflektion. Das heißt, das Beleuchtungslicht wird an einer Grenzfläche zwischen dem plasmonischen Chip und dem Glassubstrat 210 total reflektiert, wobei dadurch an geöffneten schlitzförmigen Blendenöffnungen Oberflächenplasmonen effektiv angeregt werden können, wodurch sich ein evaneszentes Lichtfeld 25 in die DNS-Fragmente 12 erstreckt. Ansonsten erfolgt die Ansteuerung als schlitzförmige Blendenöffnungen 42 wie für die Fig. 4A bzw. die Fig. 5A und 5B beschrieben. Before additional details of the detection of fluorescence by means of slit-shaped diaphragm openings in the case of examining DNA fragments are discussed in more detail, a variant of the embodiment of FIG. 4A is explained with reference to FIG. 4B. For the most part, device 40B of Figure 4B corresponds to device 40A of Figure 4A. Only the illumination takes place instead of the illumination 28 of FIG. 4A as oblique illumination 28' in total reflection. This means that the illumination light is totally reflected at an interface between the plasmonic chip and the glass substrate 210, whereby surface plasmons can be effectively excited at open slit-shaped apertures, as a result of which an evanescent light field 25 extends into the DNA fragments 12. Otherwise, the activation takes place as slit-shaped diaphragm openings 42 as described for FIG. 4A or FIGS. 5A and 5B.
Die Effekte von schlitzförmigen Blendenöffnungen wie den schlitzförmigen Blendenöffnungen 42, 42A und 42B der Fig. 4A, 4B, 5A und 5B werden nunmehr erläutert. The effects of slit apertures such as slit apertures 42, 42A and 42B of Figures 4A, 4B, 5A and 5B will now be discussed.
Zunächst ist zu bemerken, dass durch die Verwendung von schlitzförmigen Blendenöffnungen mit entsprechender Ausdehnung in Längsrichtung neben dem evaneszenten Lichtfeld auch ein propagierendes Lichtfeld entstehen kann. Für ein Objekt, welches eine Dicke von mehr als einigen Mikrometern aufweist, würde dadurch eine Auflösung jenseits des Beugungslimits verloren gehen. Bei der vorliegenden Anwendung auf DNS-Fragmente spielt dies jedoch keine Rolle, da DNS-Fragmente nur wenige Nanometer dick sind, so dass das propagierende Feld keinen Einfluss auf die Bildgebung hat. First of all, it should be noted that the use of slit-shaped diaphragm openings with a corresponding extension in the longitudinal direction can also result in a propagating light field in addition to the evanescent light field. For an object that has a thickness of more than a few microns, resolution beyond the diffraction limit would be lost. However, in the present application to DNA fragments, this does not matter because DNA fragments are only a few nanometers thick, so the propagating field has no effect on imaging.
Bei der Anwendung der schlitzförmigen Blendenöffnungen auf DNS-Fragmente wird auch ausgenutzt, dass bei der Probenpräparation wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 in der Beschreibungseinleitung erläutert, der Abstand der einzelnen DNS-Fragmente zueinander senkrecht zu der Vorzugsrichtung relativ groß ist und mit hoher Wahrscheinlichkeit über dem Beugungslimit liegt. Dies bedeutet, dass mit zumindest sehr hoher Wahrscheinlichkeit durch ein Beugungsscheibchen 30, das heißt einen Detektionsbereich, nur ein DNS-Fragment verläuft und es sehr unwahrscheinlich ist, dass zwei DNS-Fragmente durch das gleiche Beugungsscheibchen 30 verlaufen. Daher ist eine hohe Auflösung nur in der Vorzugsrichtung 44 notwendig, da hier einzelne Farbstoffmoleküle je nach Anordnung der Basen auf dem DNS- Fragment eben auch sehr nahe beieinanderliegen können und dies aufgelöst werden muss, um die Fragmente entsprechend analysieren zu können. When using the slit-shaped apertures on DNA fragments, use is also made of the fact that during sample preparation, as explained in the introduction to the description with reference to FIG. 1, the distance between the individual DNA fragments perpendicular to the preferred direction is relatively large and with a high probability lies at the diffraction limit. This means that there is at least a very high probability that only one DNA fragment runs through a diffraction disk 30 , ie a detection area, and it is very unlikely that two DNA fragments will run through the same diffraction disk 30 . A high resolution is therefore only necessary in the preferred direction 44, since individual dye molecules can also be very close together here, depending on the arrangement of the bases on the DNA fragment, and this must be resolved in order to be able to analyze the fragments accordingly.
Durch die schlitzförmigen Blendenöffnungen muss ein Abrastern der Beugungsscheibchen nur noch in einer Richtung erfolgen. Hierdurch wird die Zahl von N Bildaufnahmen, die in der Beschreibungseinleitung verwendet wurde, auf N ->/N reduziert. Gleiches gilt auch für die angesprochenen Heterodynverfahren, wo statt N Frequenzen nur noch N' = ^N verschiedene Frequenzen nötig sind. Um eine simultane, demodulierte Detektion zu realisieren, genügen also N' Frequenzen, was mit typischen Bildaufnahmezeiten praktisch realisierbar ist. Bei einer typischen Fluoreszenzmarkierung an einer Vier-Basenpaare-Sequenz kann beispielsweise eine Blendengröße (Breite der schlitzförmigen Blendenöffnungen in Querrichtung) von 80 nm verwendet werden, wodurch man mit den sonstigen Parametern N' = 550/(1 ,2 x 80) ~ 6 erhält. Bei 50 Bildaufnahmen (Frames) pro Sekunde als Bildrate erhält man dann ein vollständiges, hochaufgelöstes Bild einer Probe in ungefähr 120 ms. Bevorzugt ist es, die Beugungsscheibchen sequenziell abzutasten, indem die Blende mit schlitzförmigen Blendenöffnungen die Beugungsscheibchen jeweils sequenziell abrastert. Due to the slit-shaped diaphragm openings, the diffraction disks only have to be scanned in one direction. As a result, the number of N image recordings used in the introduction to the description is reduced to N ->/N. The same also applies to the heterodyne methods mentioned, where instead of N frequencies, only N'=^N different frequencies are necessary. In order to implement a simultaneous, demodulated detection, N' frequencies are sufficient, which can be implemented in practice with typical image recording times. For example, for a typical fluorescent label on a four base pair sequence, an aperture size (width of the slit-shaped apertures in the transverse direction) of 80 nm can be used, giving with the other parameters N' = 550/(1.2 x 80) ~ 6 . With a frame rate of 50 images per second, a complete, high-resolution image of a sample is obtained in around 120 ms. It is preferred to scan the diffraction disks sequentially, in that the diaphragm with slit-shaped diaphragm openings scans the diffraction disks sequentially in each case.
Zusätzliche mögliche Merkmale und Abwandlungen werden nunmehr unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 8 beschrieben. Additional possible features and modifications will now be described with reference to Figures 6-8.
Die Fig. 6 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel, und die Fig. 7 und 8 zeigen Diagramme zur Erläuterung des Verfahrens der Fig. 6. In Schritt 60 der Fig. 6 wird ein Übersichtsbild der Probe aufgenommen, das heißt ein Übersichtsbild des Substrats 10 mit den darauf angeordneten DNS-Fragmenten. Dieses Übersichtsbild kann mittels der durch das Detektionsobjektiv 21 repräsentierten Detektionseinrichtung aufgenommen werden, indem sämtliche Nanoblenden des plasmonischen Chips 41 geöffnet werden und somit eine vollständige Beleuchtung erfolgt. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann auch eine Auflichtbeleuchtung, beispielsweise durch das Detektionsobjektiv 21 hindurch, erfolgen. Das Übersichtsbild kann ein Fluoreszenzbild sein, bei dem die Fluoreszenzmoleküle zur Fluoreszenz angeregt werden, oder es kann beispielsweise ein Hellfeld - oder Phasenkontrastbild sein. Aus dem Übersichtsbild wird dann in Schritt 61 die Vorzugsrichtung 44 bestimmt. Zusätzlich oder alternativ können auch die relevanten Gebiete bestimmt werden, das heißt diejenigen Beugungsscheibchen 30, innerhalb derer überhaupt eine Fluoreszenz auftritt oder auftreten kann (weil sich dort Fragmente befinden). Auch wenn diese im Falle des Übersichtsbilds noch nicht mit der zur letztendlichen Analyse notwendigen Auflösung aufgenommen wird, kann doch anhand eines Übersichtsbildes erkannt werden, in welchen Beugungsscheibchen sich überhaupt relevante Gebiete befinden. FIG. 6 shows a flowchart of a method according to an embodiment, and FIGS. 7 and 8 show diagrams for explaining the method of FIG. In step 60 of FIG. 6, an overview image of the sample is recorded, ie an overview image of the substrate 10 with the DNA fragments arranged thereon. This overview image can be recorded by means of the detection device represented by the detection objective 21, in that all nano-apertures of the plasmonic chip 41 are opened and thus complete illumination takes place. In other exemplary embodiments, incident light illumination can also take place, for example through the detection objective 21 . The overview image can be a fluorescence image in which the fluorescence molecules are excited to fluoresce, or it can be a bright field or phase contrast image, for example. In step 61, the preferred direction 44 is then determined from the overview image. Additionally or alternatively, the relevant areas can also be determined, ie those diffraction discs 30 within which fluorescence occurs or can occur (because fragments are located there). Even if, in the case of the overview image, this is not yet recorded with the resolution required for the final analysis, it can still be recognized on the basis of an overview image in which diffraction discs relevant areas are located at all.
In Schritt 62 werden dann die relevanten Gebiete mit schlitzförmigen Blendenöffnungen abgerastert. Dies ist in Fig. 7 dargestellt, wo schlitzförmigen Blendenöffnungen nur diejenigen Beugungsscheibchen 30 abrastern, in welchen mittels des Übersichtsbildes in Schritt 61 bestimmt wurde, dass DNS-Fragmente vorhanden sind. Wie bereits erläutert kann das Abrastern sequenziell innerhalb jedes Beugungsscheibchens vorgenommen werden, oder alle schlitzförmigen Blendenöffnungen in dem Beugungsscheibchen können parallel mit verschiedenen Frequenzen zum Öffnen und Schließen angesteuert werden, um mittels eines Heterodynverfahrens Signale von verschiedenen schlitzförmigen Blendenöffnungen zu unterscheiden. In step 62, the relevant areas are then scanned with slit-shaped apertures. This is shown in FIG. 7, where slit-shaped apertures scan only those diffraction discs 30 in which it was determined by means of the overview image in step 61 that DNA fragments are present. As previously discussed, the scanning can be performed sequentially within each diffraction disk, or all slits in the diffraction disk can be driven in parallel to open and close at different frequencies to heterodyne signals from different slits to discriminate.
Das Beschränken des Abrasterns auf diejenigen Beugungsscheiben 30, in denen tatsächlich Signal vorhanden ist, kann für die Eindeutigkeit und Zuverlässigkeit der Auswertung vorteilhaft sein, da so Signale von verschiedenen DNS-Fragmenten noch besser getrennt sein können. Restricting the scanning to those diffraction disks 30 in which there is actually a signal can be advantageous for the unambiguity and reliability of the evaluation, since signals from different DNA fragments can be separated even better in this way.
Bei der Fig. 7 sind alle schlitzförmigen Blendenöffnungen senkrecht zu der Vorzugsrichtung 44 ausgerichtet. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann zudem bei 61 die individuelle Lage der einzelnen Fragmente abgeschätzt werden. Hierzu kann die Bestimmung der Lage der einzelnen DNS-Fragmente aus einem Fluoreszenzübersichtsbild durch Schwerpunktbestimmung der beugungsbegrenzten Signale über mehrere Beugungsscheiben erfolgen. Dabei werden die beugungsbegrenzt in dem Übersichtsbild vorhandenen Fluoreszenzsignale dann beispielsweise mit einer Linie 80 der Fig. 8 gefittet, um die Lage des entsprechenden DNS-Fragments 12 zu approximieren. Auch ohne die Bestimmung des Schwerpunkts kann die Orientierung der einzelnen Fragmente aus der Lage der beugungsbegrenzt aufgenommenen Signale über mehrere Beugungsscheiben approximiert werden. Die Schwerpunktbestimmung erlaubt es jenseits des Beugungslimits die Orientierung des Fragments zu bestimmen, da senkrecht zur Vorzugsrichtung nicht zwei Fluoreszenzmoleküle gleichzeitig zum Signal beitragen können. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist diese verbesserte Lagebestimmung mittels Schwerpunktbestimmung nicht realisiert, da im Regelfall die Genauigkeit durch eine „Perlenkette“ von Beugungsscheiben pro Fragment, in denen Fluoreszenz auftritt, für das Verfahren ausreichen ist. In FIG. 7, all of the slit-shaped diaphragm openings are aligned perpendicularly to the preferred direction 44. In other exemplary embodiments, the individual position of the individual fragments can also be estimated at 61 . For this purpose, the position of the individual DNA fragments can be determined from a fluorescence overview image by determining the center of gravity of the diffraction-limited signals over several diffraction disks. The diffraction-limited fluorescence signals present in the overview image are then fitted, for example, with a line 80 in FIG. 8 in order to approximate the position of the corresponding DNA fragment 12 . Even without determining the center of gravity, the orientation of the individual fragments can be approximated from the position of the diffraction-limited recorded signals using several diffraction disks. Determining the center of gravity allows the orientation of the fragment to be determined beyond the diffraction limit, since two fluorescent molecules perpendicular to the preferred direction cannot contribute to the signal at the same time. In other exemplary embodiments, this improved determination of position by means of determination of the center of gravity is not implemented, since as a rule the accuracy is sufficient for the method due to a "string of pearls" of diffraction discs per fragment in which fluorescence occurs.
Ist somit die Lage der einzelnen Fragmente bekannt, kann durch entsprechende Ansteuerung nebeneinanderliegender Nanoblenden in dem plasmonischen Chip die Ausrichtung der schlitzförmigen Blendenöffnungen dem jeweiligen Fragment 12 angepasst werden, so dass sie senkrecht zur Richtung des Fragments verläuft. Dies ist in der Fig. 8 für Schlitze 42D für zwei verschiedene DNS-Fragmente 12 gezeigt. Auf diese Weise kann die Genauigkeit bei manchen Ausführungsbeispielen noch erhöht werden. Es ist jedoch zu bemerken, dass auch eine Ausrichtung senkrecht zur allgemeinen Vorzugsrichtung 44 wie in Fig. 7 gezeigt bereits eine hohe Genauigkeit bei entsprechendem Durchsatz mit sich bringen kann. If the position of the individual fragments is known, the alignment of the slit-shaped aperture openings can be adapted to the respective fragment 12 by correspondingly controlling adjacent nano-apertures in the plasmonic chip, so that it runs perpendicular to the direction of the fragment. This is shown in Figure 8 for slots 42D for two different DNA fragments 12. In this way, the accuracy can be further increased in some exemplary embodiments. However, it should be noted that an alignment perpendicular to the general preferred direction 44 as shown in FIG. 7 can already result in high accuracy with a corresponding throughput.
Auch wenn bei dem Verfahren in Fig. 6 die Vorzugsrichtung der DNS-Fragmente durch ein Übersichtsbild bestimmt wird, ist dies bei anderen Ausführungsbeispielen nicht nötig. Beispielsweise kann die Vorzugsrichtung 44 auch aus der Probenpräparation des in Fig. 1 dargestellten Substrats 10 bekannt sein, das heißt durch die Art der Probenpräparation festgelegt sein. In diesem Fall kann beispielsweise das Substrat 10 einfach in einer entsprechenden Richtung in die Vorrichtung 40A oder 40B eingelegt werden. Even if the preferred direction of the DNA fragments is determined by an overview image in the method in FIG. 6, this is not necessary in other exemplary embodiments. For example, the preferred direction 44 can also be known from the sample preparation of the substrate 10 shown in FIG. 1, ie it can be defined by the type of sample preparation. In this case, for example, the substrate 10 can simply be inserted into the device 40A or 40B in a corresponding direction.
Die Beleuchtung 28 bzw. 28', die zur Durchführung des Verfahrens verwendet wird, weist dabei eine Beleuchtungsleistung auf. Die benötigte Beleuchtungsleistung ist neben Parametern des Farbstoffs auch von der Bildfeldgröße abhängig. Die Bildfeldgröße sollte für einen hohen Durchsatz so groß wie möglich sein, hängt aber neben dem Bildfeld des Objektivs 21 auch von der Größe des Bildsensors (Kamerachips) und der Pixelgröße auf dem Chip ab. Für typische, hochwertige Kameras mit 2000 x 2000 Pixeln und einer Beugungsscheibe 30 mit einem Durchmesser 550 nm/1 ,2 -450 nm ergibt sich ein Bildfeld von (0,45 pm x 2000)2 = (920 pm)2. Dabei werden wiederum eine Wellenlänge von 550 nm und eine numerische Apertur von 1 ,2 angenommen. Dies erfordert bei einer Objektivvergrößerung von 20 x eine Zwischenbildgröße von 18 mm und eine Gesamtvergrößerung von ca. 6 pm/0,45 pm = 13 x bei typischen 6 pm großen Kamerapixeln. Um ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis von mindestens 10 in jedemThe lighting 28 or 28', which is used to carry out the method, has a lighting power. The required lighting power depends not only on the parameters of the dye but also on the size of the image field. The image field size should be as large as possible for a high throughput, but depends not only on the image field of the lens 21 but also on the size of the image sensor (camera chip) and the pixel size on the chip. For typical, high-quality cameras with 2000 x 2000 pixels and a diffraction disk 30 with a Diameter 550 nm/1.2-450 nm results in an image field of (0.45 μm×2000) 2 =(920 μm) 2 . Again, a wavelength of 550 nm and a numerical aperture of 1.2 are assumed. With a lens magnification of 20x, this requires an intermediate image size of 18mm and a total magnification of approx. 6pm/0.45pm = 13x with typical 6pm camera pixels. To have a signal to noise ratio of at least 10 in each
Beugungsscheibchen zu erreichen, benötigt man ca. 100 emittierte Photonen während einer jeweiligen Messzeit. Bei 50 Bildern (Frames) pro Sekunde kann eine Messzeit von ca. 10 ms angenommen werden, was 104 emittierten Photonen/s bedeutet. Unter Vernachlässigung von Enhancement-Effekten beträgt die dafür benötigte einfallende Lichtintensität für typische Fluoreszenzmoleküle ca. 104 x 10'19W/(10'16 cm2), also ungefähr 10 W/cm2. Bei einer Chipfläche von 1 mm2 bedeutet das eine benötigte Lichtleistung von etwa 100 mW. Diese kann mit entsprechenden Lichtquellen wie cw-(continuous wave, Dauerstrich-) Lasern gut erreicht werden. Wie aus den obigen Erläuterungen ersichtlich sind verschiedene Variationen möglich. Daher sind die dargestellten Ausführungsbeispiele nicht als einschränkend auszulegen. To reach diffraction disks, one needs about 100 emitted photons during a respective measuring time. With 50 images (frames) per second, a measurement time of approx. 10 ms can be assumed, which means 10 4 emitted photons/s. Neglecting enhancement effects, the incident light intensity required for this for typical fluorescent molecules is approximately 10 4 ×10′ 19 W/(10′ 16 cm 2 ), ie approximately 10 W/cm 2 . With a chip area of 1 mm 2 this means a required light output of around 100 mW. This can easily be achieved with appropriate light sources such as cw (continuous wave) lasers. As can be seen from the explanations above, various variations are possible. Therefore, the illustrated embodiments are not to be construed as limiting.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Vorrichtung (40A, 40B) zur Untersuchung von Desoxyribonukleinsäure, DNS, -Fragmenten1. Device (40A, 40B) for examining deoxyribonucleic acid, DNA, fragments
(12), umfassend: einen plasmonischen Chip (41), auf dem DNS-Fragmente (12) anordenbar sind, eine Beleuchtungseinrichtung (28, 28') zum Beleuchten des plasmonischen Chips (41) von einer der den DNS-Fragmenten (12) abgewandten Seite, eine Detektionseinrichtung (21) zum Detektieren von Fluoreszenz von den DNS-Fragmenten (12) in Antwort auf eine Beleuchtung durch die Beleuchtungseinrichtung (28, 28'), und eine Steuerung (45), welche eingerichtet ist, den plasmonischen Chip (41) zum Abrastern der DNS-Fragmente (12) mit schlitzförmigen Blendenöffnungen (42, 42A, 42B, 42D) anzusteuern, wobei die schlitzförmigen Blendenöffnungen (42, 42A, 42B, 42D) eine Breite kleiner 100 nm und eine Länge, die mindestens das Doppelte der Breite ist, aufweisen und in Richtung ihrer Länge im Wesentlichen senkrecht zu einer Vorzugsrichtung der DNS-Fragmente (12) ausgerichtet sind. (12), comprising: a plasmonic chip (41) on which DNA fragments (12) can be arranged, an illumination device (28, 28') for illuminating the plasmonic chip (41) from one of the DNA fragments (12) side facing away, a detection device (21) for detecting fluorescence from the DNA fragments (12) in response to illumination by the illumination device (28, 28'), and a controller (45) which is set up to control the plasmonic chip ( 41) to scan the DNA fragments (12) with slit-shaped apertures (42, 42A, 42B, 42D), wherein the slit-shaped apertures (42, 42A, 42B, 42D) have a width of less than 100 nm and a length that is at least Is twice the width, and are aligned in the direction of their length substantially perpendicular to a preferred direction of the DNA fragments (12).
2. Vorrichtung (40A, 40B) nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (45) eingerichtet ist, das2. Device (40A, 40B) according to claim 1, wherein the controller (45) is set up that
Abrastern für mehrere Bereiche (30) parallel durchzuführen. To carry out scanning for several areas (30) in parallel.
3. Vorrichtung (40A, 40B) nach Anspruch 1, wobei die Bereiche (30) die Größe von3. Device (40A, 40B) according to claim 1, wherein the areas (30) the size of
Beugungsscheiben der Detektionseinrichtung (21) aufweisen. Have diffraction discs of the detection device (21).
4. Vorrichtung (40A, 40B) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Länge der schlitzförmigen4. Device (40A, 40B) according to claim 2 or 3, wherein the length of the slit-shaped
Blendenöffnungen (42, 42A, 42B, 42D) sich über mehrere Bereiche (30) erstreckt. Aperture openings (42, 42A, 42B, 42D) extends over several areas (30).
5. Vorrichtung (40A, 40B) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Länge der schlitzförmigen5. Device (40A, 40B) according to claim 2 or 3, wherein the length of the slit-shaped
Blendenöffnungen (42, 42A, 42B, 42D) einem Durchmesser der Bereiche (30) ± 20 % entspricht. Aperture openings (42, 42A, 42B, 42D) correspond to a diameter of the areas (30) ± 20%.
6. Vorrichtung (40A, 40B) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuerung (45) eingerichtet ist, das Abrastern sequenziell durchzuführen. 6. Device (40A, 40B) according to one of claims 1 to 5, wherein the controller (45) is set up to carry out the scanning sequentially.
7. Vorrichtung (40A, 40B) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuerung (45) eingerichtet ist, zum Abrastern mehrere schlitzförmige Blendenöffnungen (42, 42A, 42B, 42D) parallel mit verschiedenen Frequenzen zu öffnen und zu schließen. 7. The device (40A, 40B) according to any one of claims 1 to 5, wherein the controller (45) is set up to open and close a plurality of slit-shaped apertures (42, 42A, 42B, 42D) in parallel with different frequencies for scanning.
8. Vorrichtung (40A, 40B) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Vorrichtung (40A, 40B) eingerichtet ist, vor dem Abrastern ein Übersichtsbild aufzunehmen, und zumindest eines der folgenden auf Basis des Übersichtsbildes zu bestimmen: 8. The device (40A, 40B) according to any one of claims 1 to 7, wherein the device (40A, 40B) is set up to record an overview image before the scanning and to determine at least one of the following on the basis of the overview image:
- die Vorzugsrichtung (44), - the preferred direction (44),
- Gebiete, in denen ein Fluoreszenzsignal von DNS-Fragmenten (12) vorliegt, und- Areas where there is a fluorescent signal from DNA fragments (12), and
- eine Lage einzelner DNS-Fragmente (12). - a layer of individual DNA fragments (12).
9. Vorrichtung (40A, 40B) nach Anspruch 8, wobei die Steuerung (45) eingerichtet ist, das9. Device (40A, 40B) according to claim 8, wherein the controller (45) is set up that
Abrastern mit den schlitzförmigen Blendenöffnungen (42, 42A, 42B, 42D) nur in den Gebieten, in denen Fluoreszenz vorliegt, durchzuführen. Perform scanning with the slit-shaped apertures (42, 42A, 42B, 42D) only in the areas where fluorescence is present.
10. Vorrichtung (40A, 40B) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Steuerung (45) eingerichtet ist, eine Ausrichtung der schlitzförmigen Blendenöffnungen (42, 42A, 42B, 42D) an die Lage der jeweiligen DNS-Fragmente (12) anzupassen. 10. Device (40A, 40B) according to claim 8 or 9, wherein the controller (45) is set up to adjust an alignment of the slit-shaped apertures (42, 42A, 42B, 42D) to the position of the respective DNA fragments (12).
11. Verfahren zur Untersuchung von DNS-Fragmenten (12), umfassend: 11. A method for examining DNA fragments (12), comprising:
Anordnen von DNS-Fragmenten (12) auf einem plasmonischen Chip (41), Arranging DNA fragments (12) on a plasmonic chip (41),
Beleuchten des plasmonischen Chips (41) von einer den DNS-Fragmenten (12) abgewandten Seite, und illuminating the plasmonic chip (41) from a side facing away from the DNA fragments (12), and
Ansteuern des plasmonischen Chips (41), um die DNS-Fragmente (12) mit schlitzförmigen Blendenöffnungen (42, 42A, 42B, 42D) abzurastern, wobei eine Breite der schlitzförmigen Blendenöffnungen (42, 42A, 42B, 42D) kleiner als 100 nm ist und eine Länge der schlitzförmigen Blendenöffnungen (42, 42A, 42B, 42D) mindestens das Doppelte der Breite beträgt und sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Vorzugsrichtung (44) der DNS-Fragmente (12) erstreckt, und Driving the plasmonic chip (41) to scan the DNA fragments (12) with slit-shaped apertures (42, 42A, 42B, 42D), a width of the slit-shaped apertures (42, 42A, 42B, 42D) being less than 100 nm and a length of the slit-shaped apertures (42, 42A, 42B, 42D) is at least twice the width and extends essentially perpendicular to a preferred direction (44) of the DNA fragments (12), and
Detektieren von Fluoreszenz von den DNS-Fragmenten (12). detecting fluorescence from the DNA fragments (12).
12. Verfahren (40A, 40B) nach Anspruch 11, wobei das Abrastern für mehrere Bereiche (30) parallel durchgeführt wird. 12. The method (40A, 40B) according to claim 11, wherein the scanning for a plurality of regions (30) is performed in parallel.
13. Verfahren (40A, 40B) nach Anspruch 11 , wobei die Bereiche (30) die Größe von13. The method (40A, 40B) according to claim 11, wherein the areas (30) the size of
Beugungsscheiben einer zum Detektieren verwendeten Detektionseinrichtung (21) aufweisen. Having diffraction disks of a detection device (21) used for detection.
14. Verfahren (40A, 40B) nach Anspruch 12 oder 13, wobei eine Länge der schlitzförmigen Blendenöffnungen (42, 42A, 42B, 42D) sich über mehrere Bereiche (30) erstreckt. 14. The method (40A, 40B) according to claim 12 or 13, wherein a length of the slit-shaped apertures (42, 42A, 42B, 42D) extends over a plurality of regions (30).
15. Verfahren (40A, 40B) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Länge der schlitzförmigen15. The method (40A, 40B) according to claim 12 or 13, wherein the length of the slit-shaped
Blendenöffnungen (42, 42A, 42B, 42D) einem Durchmesser der Bereiche (30) ± 20 % entspricht. Aperture openings (42, 42A, 42B, 42D) correspond to a diameter of the areas (30) ± 20%.
16. Verfahren (40A, 40B) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das Abrastern sequenziell erfolgt. 16. The method (40A, 40B) according to any one of claims 11 to 15, wherein the scanning is sequential.
17. Verfahren (40A, 40B) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei zum Abrastern mehrere schlitzförmige Blendenöffnungen (42, 42A, 42B, 42D) parallel mit verschiedenen Frequenzen geöffnet und geschlossen werden. 17. The method (40A, 40B) according to any one of claims 11 to 15, wherein a plurality of slit-shaped apertures (42, 42A, 42B, 42D) are opened and closed in parallel with different frequencies for scanning.
18. Verfahren (40A, 40B) nach einem der Ansprüche 11 bis 17, weiter umfassend: A method (40A, 40B) according to any one of claims 11 to 17, further comprising:
Aufnehmen eines Übersichtsbildes vor dem Abrastern , und Acquiring an overview image before scanning , and
Bestimmen zumindest eines der folgenden auf Basis des Übersichtsbildes: Determine at least one of the following based on the overview image:
- die Vorzugsrichtung (44), - the preferred direction (44),
- Gebiete, in denen ein Fluoreszenzsignal von DNS-Fragmenten (12) vorliegt, und- Areas where there is a fluorescent signal from DNA fragments (12), and
- eine Lage einzelner DNS-Fragmente (12). - a layer of individual DNA fragments (12).
19. Verfahren (40A, 40B) nach Anspruch 18, wobei das Abrastern mit den schlitzförmigen19. The method (40A, 40B) according to claim 18, wherein the scanning with the slit-shaped
Blendenöffnungen (42, 42A, 42B, 42D) nur in den Gebieten, in denen Fluoreszenz vorliegt, durchgeführt wird. apertures (42, 42A, 42B, 42D) only in the areas where fluorescence is present.
20. Verfahren (40A, 40B) nach Anspruch 18 oder 19, weiter umfassend: The method (40A, 40B) of claim 18 or 19, further comprising:
Anpassen einer Ausrichtung der schlitzförmigen Blendenöffnungen (42, 42A, 42B, 42D) an die Lage der jeweiligen DNS-Fragmente (12). Adapting an alignment of the slit-shaped apertures (42, 42A, 42B, 42D) to the position of the respective DNA fragments (12).
- 18 - - 18 -
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