Probe

Die Erfindung betrifft ein konfokales Laser-Scanmikroskop und ein Verfahren zum Untersuchen einer Probe.

Ein konfokales Laser-Scanmikroskop eignet sich zum Untersuchen einer mikroskopischen Probe. Dazu werden Fluoreszenzmarker in die Probe eingebracht, die mit Strukturen der Probe oder mit an Vorgängen in der Probe beteiligten Elementen Verbindungen eingehen. Die Fluoreszenzmarker können mit Hilfe von Anregungslicht derart aktiviert werden, dass sie zur Fluoreszenz anregbar sind und/oder dass sie zum Fluoreszieren angeregt werden, wodurch die Strukturen und/oder Vorgänge in der Probe sichtbar gemacht werden. Von der Probe ausgehendes Fluoreszenzlicht, das in diesem Zusammenhang auch als Detektionslicht bezeichnet werden kann, wird von dem Beleuchtungslicht getrennt und über eine Detektionslochblende auf eine Detektoreinheit gerichtet.

Eine Scaneinheit bewirkt, dass der Beleuchtungslichtstrahl die Probe optisch abtastet. Das Detektionslicht wird in Abhängigkeit von Stellungen der Scaneinheit detektiert, so dass zu jedem Zeitpunkt während der Detektion bekannt ist, aus welchem Bereich der Probe das Detektionslicht aktuell stammt, so dass nachfolgend anhand der erfassten Daten ein Bild der Probe erstellt werden kann.

Die Wellenlängenbereiche des Fluoreszenzlichts hängen von den Fluores- zenzmarkern ab. In anderen Worten leuchten unterschiedliche Fluoreszenzmarker in unterschiedlicher Farbe, wenn sie zum Fluoreszieren angeregt werden. Es ist bekannt, die einzelnen Fluoreszenzmarker und die mit ihnen verbunden Strukturen der Probe und/oder die Vorgänge in der Probe unab- hängig voneinander zu untersuchen, indem die Probe ausschließlich mit Beleuchtung slicht aus einem vorgegebenen Wellenlängenbereich beleuchtet wird, so dass nur eine bestimmte Sorte von Fluoreszenzmarkern zum Fluoreszieren angeregt wird, oder das Detektionslicht kann mit Hilfe eines Farbfilters derart gefiltert werden, dass lediglich Detektionslicht eines oder weniger Fluoreszenzmarker hin zu der Detektoreinheit gelangt.

Aus der DE 43 30 347 C2 ist eine Vorrichtung zur Selektion und Detektion mindestens zweier Spektralbereiche eines Lichtstrahls bekannt, bei der ein Lichtstrahl spektral aufgespaltet wird. Der aufgespaltete Lichtstrahl trifft auf eine Spiegelblende, die einen Teil des Lichts hin zu einer ersten Detektoreinheit durchlässt und die den Rest des Lichts hin zu einer zweiten Detektoreinheit reflektiert.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein konfokales Laser- Scanmikroskop und ein Verfahren zum Untersuchen einer Probe zu schaffen, das auf einfache Weise ermöglicht, unterschiedliche spektrale Bereiche des Detektionslichts zu untersuchen.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung betrifft gemäß einem ersten Aspekt ein konfokales Laser- Scanmikroskop zum Untersuchen einer Probe. Das Laser-Scanmikroskop hat eine Lichtquelle, die einen Beleuchtungslichtstrahl erzeugt. Eine Scaneinheit lenkt den Beleuchtungslichtstrahl so ab, dass er die Probe optisch abtastet. Ein Hauptstrahlteiler trennt den Beleuchtungslichtstrahl von von der Probe ausgehendem Detektionslicht. Das vom Beleuchtungslicht getrennte Detektionslicht tritt durch eine Detektionslochblende. Eine Detektorvorrichtung detektiert das durch die Detektionslochblende tretende Detektionslicht. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein optisches Element in Strahlrichtung zwischen der Detektionslochblende und der Detektorvorrichtung angeordnet ist und das Detektionslicht in mindestens zwei Strahlbündel trennt und innerhalb der Strahlbündel spektral aufspaltet.

Das Anordnen des optischen Elements in Detektionsstrahlrichtung hinter der Detektionslochblende ermöglicht eine Detektion von zwei oder mehr Wellenlängenbereichen des Detektionslichts in Form von zwei bzw. mehr Strahlbündeln. Dies ermöglicht, die zu detektierenden Wellenlängenbereiche besonders präzise voneinander zu trennen, zu bestimmen und/oder zu detek- tieren. Dabei können die Wellenlängen der Strahlbündel und damit die zu detektierenden Spektralbereiche des Detektionslichts frei gewählt und/oder automatisch ausgewählt werden. Weitere Vorteile ergeben sich durch die Möglichkeit eines besonders robusten Aufbaus des Laser-Scanmikroskops und durch gute Transmissionswerte. Darüber hinaus eignet sich das derart ausgestaltete Laser-Scanmikroskop auch bei FLIM-Anwendungen (Fluorescence Live Time Microscopy), bei FCS-Anwendungen (Fluoreszenz Korrelationsspektroskopie) und FRET-Anwendungen (Fluoreszenz Resonanz Energie Transfer).

Bei einer Ausführungsform weist das optische Element mindestens zwei unterschiedliche Oberflächen auf, an denen jeweils einer der Strahlbündel aus dem optischen Element tritt. Dies kann auf einfache Weise dazu beitragen, das Detektionslicht in unterschiedliche Strahlbündel aufzuspalten. Dass die Oberflächen unterschiedlich sind, bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Oberflächen beispielsweise durch eine Kante oder einen Knick voneinander getrennt sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das optische Element eine Prismenanordnung. Die Prismenanordnung kann zwei, drei oder mehr unterschiedliche Prismen aufweisen. Beispielsweise kann die Prismenanordnung zu jedem Strahlbündel ein Prisma aufweisen.

Eine Weiterbildung sieht vor, das bereits in Strahlbündel zerlegte Detekti- onslicht spektral zu begrenzen, indem die Wellenlängenbereiche der einzelnen Strahlbündel begrenzt werden. Dies erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von spektral begrenzenden Elementen, die beispielsweise Blenden und/oder Lichtleitfasern umfassen. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Ausschnitt eines der Strahlbündel, der dem spektral begrenzten Wellenlängenbereich entspricht, bezüglich seiner Wellenlängen variabel ist. In anderen Worten soll die Möglichkeit gegeben sein, innerhalb der Strahlbündel kleinere Ausschnitte des Detektionslichts variabel auszuwählen und diese gezielt zu detektieren. Die Variabilität der Ausschnitte bezüglich ihrer Wellenlängen kann beispielsweise durch eine Verschiebbarkeit des spektral begrenzenden Elements, durch das Vorsehen von beweglichen Spiegeln und/oder durch ein Drehen oder Verschieben des optischen Elements sichergestellt sein.

Die Erfindung betrifft gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren zum Untersuchen der Probe, bei dem der Beleuchtungslichtstrahl erzeugt und so abgelenkt wird, dass er die Probe optisch abtastet. Der Beleuchtungslichtstrahl wird von dem von der Probe ausgehenden Detektionslicht getrennt. Ein Querschnitt des Detektionslichts wird mit Hilfe einer Detektionslochblende begrenzt. Das begrenzte Detektionslicht wird mit Hilfe von Detektoreinheiten detektiert. In Strahlrichtung zwischen der Detektionslochblende und den Detektoreinheiten wird das Detektionslicht in mindestens zwei Strahlbündel getrennt und innerhalb der Strahlbündel spektral aufspaltet. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein konfokales Laser-Scanmikroskop,

Figur 2 eine erste Ausführungsform einer Detektorvorrichtung des Laser-Scanmikroskops,

Figur 3 eine zweite Ausführungsform der Detektorvorrichtung,

Figur 4 eine dritte Ausführungsform der Detektorvorrichtung und

Figur 5 eine vierte Ausführungsform der Detektorvorrichtung.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Figur 1 zeigt ein konfokales Laser-Scanmikroskop 20. Das Laser- Scanmikroskop 20 weist eine Lichtquelle 22 auf, die einen Beleuchtungslichtstrahl 24 erzeugt. Die Lichtquelle 22 umfasst mindestens einen Laser, der Licht einer konkreten Wellenlänge, eines kleinen Wellenlängenbereichs oder eines großen Wellenlängenbereichs erzeugt. Beispielsweise kann die Lichtquelle 22 einen Weißlichtlaser umfassen, der breitbandiges Laserlicht erzeugt, das auch als Weißlicht bezeichnet wird. Alternativ dazu können auch zwei oder mehr Laser vorgesehen sein. Das Laser-Scanmikroskop 20 eignet sich zu vielen Anwendungen im Bereich der Fluoreszenzmikroskopie und insbesondere zum Detektieren von Fluoreszenzlicht. Insbesondere eignet sich das Laser-Scanmikroskop 20 zum separaten Detektieren von Fluoreszenzlicht unterschiedlicher Fluoreszenz-Marker. Des Weiteren eignet sich das Laser-Scanmikroskop 20 zum Durchführen von FLIM-, FCS- und FRET-Anwendungen.

Der Beleuchtungslichtstrahl 24 tritt aus der Laserlichtquelle 22 aus und wird über einen Umlenkspiegel 26 und einen Filter 28 auf eine erste Linse 30 gelenkt. Nach Durchlaufen der ersten Linse 30 tritt der Beleuchtungslichtstrahl 24 durch eine Beleuchtungslochblende 32 und trifft auf einen Hauptstrahlteiler 34. Der Hauptstrahlteiler 34 lenkt den Beleuchtungslichtstrahl 24 über eine zweite Linse 36 auf eine Scaneinheit 38. Die Scaneinheit 38 weist vorzugsweise einen oder mehrere Spiegel auf, die derart mit Stellelementen gekoppelt sind, dass sie in Reaktion auf ein Steuersignal beispielsweise in eine Bewegungsrichtung 40 verstellbar sind. Die Scaneinheit 38 lenkt den Beleuchtung slichtstrahl 24 über eine dritte Linse 42 und eine vierte Linse 44, die ein Objektiv bilden, auf eine Probe 46, die aufgrund der Ablenkung des Beleuchtungslichtstrahls 24 durch die Scaneinheit 38 mit Hilfe des Beleuchtungslichtstrahls 24 optisch abgetastet wird.

Von der Probe 46 ausgehendes Detektionslicht 48 gelangt über die dritte und vierte Linse 42, 44, die Scaneinheit 38 und die zweite Linse 36 hin zu dem Hauptstrahlteiler 34, der das Detektionslicht 48 über eine Detektionsloch- blende 50 hin zu einer Detektorvorrichtung 60 durchlässt. Bei dem Detektionslicht 48 handelt es sich vorzugsweise um Fluoreszenzlicht. Alternativ dazu kann das Detektionslicht 48 jedoch auch von der Probe 46 reflektiertes Licht oder im Falle einer Durchlichtbeleuchtung auch transmittiertes Licht umfassen. Das Detektionslicht 48 wird in Abhängigkeit von Stellungen der Scaneinheit 38 detektiert, so dass zu jedem Zeitpunkt während der Detektion bekannt ist, aus welchem Bereich der Probe 46 das Detektionslicht 48 stammt, was nachfolgend das Erstellen eines Bildes der Probe 46 ermöglicht. Figur 2 zeigt eine erste Ausführung sform der Detektorvorrichtung 60. Die Detektorvorrichtung 60 umfasst ein optisches Element 62, das vorzugsweise als Prismenanordnung ausgebildet ist. Das optische Element 62 umfasst ein erstes Prisma 64, ein zweites Prisma 66 und ein drittes Prisma 68. Das optische Element 62 spaltet das Detektionslicht 48 in mehrere Strahlbündel 70, 72, 74 auf. Insbesondere tritt ein erstes Strahlbündel 70 aus einer ersten Oberfläche 71 des ersten Prismas 64 aus. Ein zweites Strahlbündel 72 tritt aus einer zweiten Oberfläche 73 des zweiten Prismas 66 aus. Ein drittes Strahlbündel 74 tritt aus einer dritten Oberfläche 75 des dritten Prismas 68 aus. Das erste Strahlbündel 70 umfasst Licht mit Wellenlängen eines ersten Wellenlängenbereichs 80, das Detektionslicht 48 des zweiten Strahlbündels 72 umfasst Detektionslicht 48 eines zweiten Wellenlängenbereichs 82 und das Detektionslicht 48 des dritten Strahlbündels 74 umfasst Detektionslicht 48 eines dritten Wellenlängenbereichs 84. Das optische Element 62 kann beispielsweise gemäß einer in US 4,084, 180 AI gezeigten Prismenanordnung ausgebildet sein.

Mit Hilfe einer ersten Stellblende 86 wird ein erster spektraler Ausschnitt 92 aus dem ersten Strahlbündel 70 ausgeschnitten. Mit Hilfe einer zweiten Stellblende 88 wird ein zweiter spektraler Ausschnitt 94 des Detektionslichts 48 aus dem zweiten Strahlbündel 72 ausgeschnitten. Mit Hilfe einer dritten Stellblende 90 wird ein dritter spektraler Ausschnitt 96 des Detektionslichts 48 aus dem dritten Strahlbündel 74 ausgeschnitten. Die Ausschnitte 92, 94, 96 können auch als Bandbreitenabschnitte der entsprechenden Strahlbündel 70, 72, 74 bezeichnet werden. Die Ausschnitte 92, 94, 96 umfassen somit Licht kleiner Wellenlängenabschnitte, die aus den entsprechenden Wellenlängenbereichen 80, 82, 84 der Strahlbündel 70, 72, 74 ausgeschnitten sind, wobei die Strahlbündel 70, 72, 74 dem spektral aufgetrennten Detektionslicht 48 entsprechen. In anderen Worten erfolgt eine grobe Trennung des Detektionslichts 48 in die Strahlbündel 70, 72, 74 mit Hilfe der Prismenano- rdnung und innerhalb der Strahlbündel 70, 72, 74 erfolgt eine besonders feine und präzise Aufspaltung des Detektionslichts 48 in die Ausschnitte 92, 94, 96. Ein Verschieben der Stellblenden 86, 88, 90 entlang entsprechender Blendenstellrichtungen 98 ermöglicht ein Variieren der Wellenlängen der Ausschnitte 92, 94, 96. Die Variation der Wellenlängen der Ausschnitte 92, 94, 96 ermöglicht ein Anpassen des zu detektierenden Detektionslichts 48 an unterschiedliche Fluoreszenzmaxima der in der Probe 46 verwendeten Fluo- reszenzmarker.

Das in Form der Ausschnitte 92, 94, 96 restliche Detektionslicht 48 wird über Fokussierlinsen 100 auf entsprechende Detektoreinheiten 102, 104, 106 gelenkt, insbesondere auf eine erste Detektoreinheit 102, die dem ersten Strahlbündel 70 zugeordnet ist, eine zweite Detektoreinheit 104, die dem zweiten Strahlbündel 72 zugeordnet ist und eine dritte Detektoreinheit 106, die dem dritten Strahlbündel 74 zugeordnet ist. Die Detektoreinheiten 102, 104, 106 umfassen beispielsweise PMT's, APD 's oder Fotodioden, die das detektierte Detektionslicht 48 in elektrische Signale umsetzen und einer nicht dargestellten Steuereinheit zur Verfügung stellen.

Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Detektorvorrichtung 60. Die zweite Ausführungsform entspricht hinsichtlich des optischen Elements 62 und der Aufspaltung des Detektionslichts 48 in die Strahlbündel 70, 72, 74 sowie im Hinblick auf die den Strahlbündeln 70, 72, 74 zugeordneten Detektoreinheiten 102, 104, und 106 dem in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel werden jedoch die Strahlbündel 70, 72, 74 spektral begrenzt, indem anstatt der Stellblenden 86, 88, 90 Lichtleiter 110, 112, 114 vorgesehen sind. Als Lichtleiter 110, 112, 114 können Lichtleitfasern, beispielsweise Glasfasern verwendet werden. Insbesondere wird der erste Strahlbündel 70 in einen ersten Lichtleiter 110, der zweite Strahlbündel 72 in einen zweiten Lichtleiter 112 und der dritte Strahlbündel 74 in einen dritten Lichtleiter 114 eingekoppelt. Ein Querschnitt der Lichtleiter 110, 112, 114 ist kleiner als der Querschnitt der entsprechenden Strahlbündel 70, 72, 74, was das spektrale Begrenzen des Detektionslichts 48 der Strahlbündel 70, 72, 74 bewirkt. Die aus den Lichtleitern 110, 112, 114 austretenden Ausschnitte 92, 94, 96 des Detektionslichts 48 treffen auf die entsprechenden Detektoreinheiten 102, 104, 106. Die Ausschnitte 92, 94, 96 und insbesondere die Wellenlängen, die diese Ausschnitte 92, 94, 96 umfassen, können variiert werden, indem die Lichtleiter 110, 112, 114 entlang von Lichtleiterstellrichtungen 116 bewegt werden. Dazu sind die Lichtleiter 110, 112, 114 mit entsprechenden Stellvorrichtungen gekoppelt.

Figur 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Detektorvorrichtung, das bezüglich der Form der Prismenanordnung 62 und dem Vorsehen der Lichtleiter 110, 112, 114 dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 entspricht. Der Übersichtlichkeit halber wurde in Figur 4 auf das Darstellen der Detektoreinheiten 102, 104, 106 und der Ausschnitte 92, 94, 96 verzichtet. Im Unterschied zu dem zweiten Ausführungsbeispiel der Detektorvorrichtung 60 sind bei dem dritten Ausführungsbeispiel nicht die Lichtleiter 110, 112, 114 beweglich angeordnet sondern die Prismenanordnung ist drehbar angeordnet. Insbesondere kann das optische Element 62, insbesondere die Prismenanordnung, so gedreht werden, dass deren dem Detektionslichtstrahl 48 zugewandte Seite zunächst parallel zu einer Referenzlinie 118 ist und dann nach dem Drehen der Prismenanordnung einen Winkel Cloder -Clmit der Referenzlinie 118 einschließt. Das Drehen der Prismenanordnung bewirkt, dass die Strahlbündel 70, 72, 74 in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt werden. Aufgrund der spektraler Aufspaltung der Strahlbündel 70, 72, 74 treten abhängig vom Drehwinkel unterschiedliche Wellenlängenbereiche der Strahlbündel 70, 72, 74 in die Lichtleiter 110, 112, 114 ein, wodurch die Wellenlängen der in dieser Figur nicht dargestellten Ausschnitte 92, 94, 96 variiert werden.

Figur 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Detektorvorrichtung 60, das im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4, also dem dritten Ausführungsbeispiel, entspricht. Auf das Darstellen der Ausschnitte 92, 94, 96 und der Detektoreinheiten 102, 104, 106 wurde in Figur 5 verzichtet. Im Unterschied zu der Drehbarkeit der Prismenanordnung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ist die Prismenanordnung fest. Jedoch sind in Strahlrichtung der Strahlbündel 70, 72, 74 zwischen der Prismenanordnung und den Lichtleitern 110, 112, 114 ein erster Spiegel 120, ein zweiter Spiegel 122 bzw. ein dritter Spiegel 124 angeordnet. Die Spiegel 120, 122, 124 sind entlang von Spiegelstellrichtungen 126 bewegbar und/oder alternativ dazu drehbar angeordnet, so dass abhängig von Stellungen der Spiegel 120, 122, 124 unterschiedliche spektrale Bereiche der Strahlbündel 70, 72, 74 in die Lichtleiter 110, 112, 114 einkoppelbar sind, was sich auf die Wellenlängen der in dieser Figur nicht gezeigten Ausschnitte 92, 94, 96 auswirkt. Darüber hinaus bewirkt eine Drehung der Spiegel 120, 122, 124 ein Strecken oder Stauchen des Lichtspektrums der Ausschnitte 92, 94, 96, wodurch eine Bandbreite des zu detektierenden Lichts einstellbar ist.

Die gezeigten Ausführungsbeispiele der Detektorvorrichtung 60 ermöglichen eine spektral separierte Detektion des Detektionslichts 48 in Form der Strahlbündel 70, 72, 74 hinter der Detektionslochblende 50. Dies liefert einem Anwender die Möglichkeit, die zu detektierenden Wellenlängenbereiche des Detektionslichts 48 noch feiner in Form der Ausschnitte 92, 94, 96 zu separieren und zu detektieren, wobei bei einer nicht gezeigten Ausführungsform auch auf die weitere Separation in Form der Ausschnitte 92, 94, 96 verzichtet werden kann und die gesamten Strahlbündel 70, 72, 74 detek- tiert werden können. Ferner kann alternativ dazu die Separation der Aus- schnitte 92, 94, 96 durch ein Einschränken der sensiblen Sensorflächen der Detektoreinheiten 102, 104, 106 erfolgen. Insbesondere können die sensiblen Sensorflächen kleiner sein als die Querschnitte der Strahlbündel 70, 72, 74, so dass lediglich Ausschnitte 92, 94, 96 der Strahlbündel 70, 72, 74 delektiert werden. Kombiniert man dies mit der drehbaren Prismenanordnung, so sind die Wellenlängen der Ausschnitte 92, 94, 96 auf besonders einfache Weise variierbar. Ferner können die gezeigten Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden.

Bezugszeichenliste :

20 Laser-Scanmikroskop

22 Lichtquelle

24 Beleuchtungslichtstrahl

26 Umlenkspiegel

28 Filter

30 erste Linse

32 B eleuchtung slochblende

34 Hauptstrahlteiler

36 zweite Linse

38 Scaneinheit

40 B e wegung srichtung

42 dritte Linse

44 vierte Linse

46 Probe

48 Detektionslicht

50 Detektionslochblende

60 Detektorvorrichtung

62 optisches Element

64 erstes Prisma

66 zweites Prisma

68 drittes Prisma

70 erstes Strahlbündel

71 erste Oberfläche

72 zweites Strahlbündel

73 zweite Oberfläche

74 drittes Strahlbündel

75 dritte Oberfläche

80 erster Wellenlängenbereich 82 zweiter Wellenlängenbereich

84 dritter Wellenlängenbereich

86 erste Stellblende

88 zweite Stellblende

90 dritte Stellblende

92 erster Ausschnitt

94 zweiter Ausschnitt

96 dritter Ausschnitt

98 Blendenstellrichtung

100 Fokussierlinse

102 erste Detektoreinheit

104 zweite Detektoreinheit

106 dritte Detektoreinheit

110 erster Lichtleiter

112 zweiter Lichtleiter

114 dritter Lichtleiter

116 Lichtlleiterstellrichtung

118 Referenzlinie

120 erster Detektorspiegel

122 zweiter Detektorspiegel

124 dritter Detektorspiegel

126 Spiegelstellrichtung