DE202013006817U1

DE202013006817U1 - Gepulste Laserlichtquelle für die Fluoreszenzanregung

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Publication number: DE202013006817U1
Application number: DE202013006817.5U
Authority: DE
Original assignee: Deutsches Krebsforschungszentrum DKFZ
Current assignee: Deutsches Krebsforschungszentrum DKFZ
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2014-10-31
Anticipated expiration: 2023-07-31

Abstract

Optische Fluoreszenzmessanordnung mit mindestens einer kompakten Lichtquelle dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle – mikro-optisch aufgebaut ist und – mittels elektronischer Intensitätsmodulation Lichtpulse < 1 ns liefern kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gepulste Lichtquelle und deren Anordnung in einem Mikroskop. Die Lichtquelle ermöglicht die Anregung von Fluoreszenzfarbstoffen mit kurzen Lichtpulsen (z. B. für Fluoreszenzlifetimemessungen oder für die hoch auflösende STED Mikroskopie), in einem Wellenlängenbereich, der durch herkömmliche gepulste Laserdioden bislang nicht abgedeckt wird.
Aufgabenstellung:
Bei Mess- und Abbildungsapparaturen die ein Fluoreszenzprozess nutzen, muss die Wellenlänge des Anregungslichtes im Absorptionsbereich des verwendeten Fluoreszenzfarbstoffes liegen. Werden mehrere Farbstoffe gleichzeitig genutzt, so müssen sich deren Eigenschaften im Anregungs- und/oder Emissionsspektrum und/oder in deren Fluoreszenzlebensdauer ausreichend unterscheiden damit die Farbstoffe in der Messung schließlich getrennt darstellbar werden und es werden gegebenenfalls mehrere Laser mit geeigneten Wellenlängen zur Anregung der Farbstoffe benötigt.
Bei Anwendungen wie Fluoreszenzlebensdauermessungen oder in der STED-Mikroskopie müssen die verwendeten Lichtquellen zudem in der Lage sein das Anregungslicht gepulst zu liefern mit einer Pulslänge, die wesentlich kürzer als die Fluoreszenzlebensdauer von ca. 3 ns ist.
Die einfachsten und robustesten Lichtquellen für diese Zwecke stellen Diodenlaser dar. Durch Intensitätsmodulation wie z. B. im verstärkungsgeschalteten Betrieb (gain switching) werden damit Pulslängen von ca. 100 ps erreicht.
Im Wellenlängenbereich von ca. 515–635 nm gibt es jedoch bislang keine Laserdioden. Um dennoch in diesem über 100 nm breiten Wellenlängenbereich Fluoszenzfarbstoffe anregen zu können muss hier bislang auf wesentlich komplexere und teurere Lichtquellen wie gepulste Weißlichtfaserlaser oder andere aufwändigere Lasersysteme wie z. B. OPOs zurückgegriffen werden.
Im Folgenden wird ohne Einschränkung der Allgemeinheit die erfinderische Anordnung der Klarheit wegen am Beispiel des STED Mikroskops erläutert. Die erfindungsgemäße Anordnung kann jedoch in jeder Fluoreszenzanwendung, wie z. B. das RESOLFT Prinzip (Hell, S. W. (2007): "Far-Field Optical Nanoscopy". Science 316, 1153–1158) nutzenden Anordnung oder auch anderen Anwendungen, wie z. B. Fluoreszenzlifetimemessungen etc. mit den beschriebenen Vorteilen genutzt werden.
Bei Fluoreszenzmessungen insbesondere auch in der Fluoreszenzmikroskopie wird ein Fluoreszenzmolekül mit einem Anregungslicht angeregt. Die Anregungsenergie wird wenige Nanosekunden (ns) später vom Molekül mit etwas längerer Wellenlänge als Fluoreszenz wieder abgegeben.
Beim hoch auflösenden STED (Stimulated Emission Deleption Microscopy) (siehe auch WO 001995021393 A2 ) Verfahren wird ein zweiter Strahl dem Anregungsstrahl so überlagert, dass dieser die angeregten Fluoreszenzmoleküle durch Stimulation in den Grundzustand zurück befördert, bevor diese spontan ein Fluoreszenzphoton aussenden können. Die Strahlform dieses zweiten Strahls, im Folgenden STED-Strahl genannt, ist dabei typischer Weise so gewählt, dass er eine Nullstelle im oder nahe des Maximums des Anregungsstrahls aufweist. Die Strahlen weisen also im Fokus ein im Wesentlichen komplementäres Intensitätsmuster auf. Beim Abbilden können somit nur noch die Fluoreszenzmoleküle beitragen, die räumlich genau an der Nullstelle des zweiten Strahles liegen. Die effektive Größe des Abbildungspunktes kann so um ein Vielfaches kleiner als im regulären beugungsbegrenzten Mikroskop gemacht werden, was zu weit höheren Auflösungen führt als es das Abbe'sche Beugungslimit erlaubt.
Insbesondere für hohe Auflösungen ist es notwendig, dass dem kurzen Fluoreszenzanregungspuls ein kurzer Fluoreszenzabregungspuls folgt bevor die spontane Emission des Moleküls erfolgt, also vorteilhafter Weise im Subnanosekundenbereich.
Desweiteren ist hier eine genaue Synchronisation der Laserpulse erforderlich. Hier haben sich in der Vergangenheit insbesondere gepulste Laserdioden bewährt, da diese beliebig Pulse nach Bedarf liefern.
STED-Mikroskope basieren in der Regel auf konfokalen Laserscanning Mikroskopen. Der diesbezügliche Stand der Technik dieser Mikroskope ist in fast allen technischen Aspekten sehr gut in der Literatur, zusammenfassend insbesondere bei James B. Pawley: „Handbook of Biological Confocal Microscopy" 3rd Edition, Springerverlag, ISBN 10. 0-387-25921-X, ISBN 13: 987-0387-25921-5, beschrieben und somit dem Fachmann bekannt und wird im Folgenden vorausgesetzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es hier kompakte, robuste und kostengünstigere Lichtquellen in einer Fluoreszenzapparatur zur Verfügung zu stellen für den Wellenlängenbereich in dem es keine Laserdioden gibt.
Stand der Technik/Lösung alt:
Im Bereich von 375–515 nm sind heute Diodenlaser verfügbar, die mit geeigneter Kurzpulselektronik Anregungslichtpulse im Bereich von ca. 100 ps liefern. Ebenso sind Diodenlaser ab 635 nm bis in den nahen Infrarotbereich verfügbar. Die bislang für Laserdioden verfügbaren Materialien erlauben jedoch keine Laserwellenlängen zwischen bei 515–635 nm. Hier müssen bislang wesentlich komplexere und teurere > 50 k€ Lasersysteme wie Weißlichfaserlaser, OPOs etc. eingesetzt werden.
Nur bei 532 nm war bislang ein halbleiterbasiertes System verfügbar, bei dem ein gepulster Diodenlaser mit einen tapered Amplifier verstärkt und dann mit eine SHG-Modul verdoppelt wurde. Durch den makroskopischen Aufbau ist dieses System jedoch teuer > 25 k€ und nicht langzeitstabil. Der Größe wegen ist die Integration in ein Mikroskopsystem auch deutlich aufwendiger. Im gleichen Preisbereich liegen derzeit auch andere faserbasierte gepulste Lasersysteme wie z. B. der LDH-P-FA-530 Laser von PicoQuant. Ein weitere gepulstes Hochleistungslasersystem ist bekannt von MPB in Kanada. Dieses System liegt jedoch auch bei über 50 k€ und ist für die Fluoreszenzanregung preislich wie mechanisch völlig überdimensioniert.
Erfindung/Lösung neu:
Erfindungsgemäß werden für die Frequenzlücke mikrooptisch verstärkte Diodenlaser im Nahinfraroten dessen Strahl mittels eines als Wellenleiter ausgebildeten Frequenzverdopplers in den sichtbaren Bereich der Lücke verdoppelt wird eingesetzt. Solche mikrooptisch integrierte Module sind nur unwesentlich größer und teuerer als herkömmliche Laserdioden und sie sind in der Lage die Anregungsfrequenzlücke von 515–635 nm mit den Wellenlängen z. B. 532 nm, 561 nm und 594 nm gleichmäßig etwa alle 30 nm aufzufüllen und somit nahezu alle Farbstoffe in diesem Bereich insbesondere für Mehrfarbanwendungen effektiv einsetzbar zu machen.
In der Zeichnung 1 ist der grundsätzliche Aufbau eines STED Mikroskops dargestellt. Durch weglassen des STED Lasers degeneriert dieses zu einem herkömmlichen, optional konfokalen Mikroskop. Wenn das Detektionssystem eine zeitliche Auflösung der ankommenden Photonen ausweist kann damit auch die Fluoreszenzlebensdauer gemessen und genutzt werden. Natürlich kann ein aufwendigeres System auch mehrere Anregungslaser und oder auch mehrere STED Laser aufweisen und das Detektionslicht kann optionaler Weise auch durch eine Reihe von Detektoren anstatt einem einzigen nachgewiesen werden.
In Zeichnung 2 ist der mikro-optische Aufbau des Lasers skizziert. Der mikro-optische monolithische Aufbau ist nur wenige mm groß und justierstabil.
Die in Zeichnung 1 angedeutete Synchronisations- und Steuerelektronik sorgt sowohl für die geeignete Pulsfolge von Anregung und Abregung im STED Mikroskop als auch für die zeitgenaue Registrierung der gemessenen Fluoreszenzphotonen für die Fluoreszenzlifetimemessung, Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie, Koinzidenzmessungen oder andere Verfahren.
Nutzen:
Der bislang für Kurzpulsexperimente wie Fluoreszenzlebensdauer, STED, FCS, Koinzidenzmessungen etc. nur aufwändig erreichbare Wellenlängenbereich zwischen 515 und 635 nm wird durch die Nutzung der neuen Laser mit bereits derzeit nur noch 30 nm breiten Lücken erschlossen. Viele Farbstoffe mit Absorptionsmaxima in diesem Bereich konnten bislang nur ineffizient oder aufwändig genutzt werden.
Durch die neuen verfügbaren Wellenlängen kann insbesondere auch bei STED Mikroskopen, die das EasySTED Prinzip mit segmentierten Wellenplatten verwenden (Patentfamilie PCT/EP2010/056987 ) die Anregungswellenlänge näher an der Wellenlänge gewählt werden, wo die Verzögerung der Segmente ein ganzzahliges vielfaches beträgt (konstruktiver Punkt). Dies erlaubt die effektivste Anregung bei minimalem Bleichen der Probe.
Beschreibung der Zeichnungen:
In Zeichnung 1 ist ein erfindungsgemäßes Fluoreszenzmessgerät skizziert. Mindestens eine mikrooptisch aufgebaute Laserlichtquelle (1, 6) beleuchtet dabei eine fluoreszenzfähige Probe. Die Lichtstrahlführung kann dabei über in Mikroskopapparturen übliche Strahlenteiler/-vereiniger (3, 5) und Fokussierelemente (8) etc. nach Bedarf gestaltet werden. Das in der Probe (9) erzeugte Fluoreszenzlicht wird schließlich mittels mindestens eines Detektors (4) nachgewiesen werden. In einem STED Mikroskop werden zudem wie oben beschrieben Wellenfrontveränderungsmittel (7) eingesetzt, die den Abschaltstrahl z. B. ringförmig gestalten um die effektive Größe des sonst beugungsbegrenzten Abbildungsflecks zu verkleinern. Sind die dabei eingesetzten Laser (2, 10) gepulst, dann müssen die Pulse zeitlich so aufeinander synchronisiert werden, dass der Anregungspuls dem Abschaltpuls im Wesentlichen vorausgeht. Die Synchronisierung wird dazu mit einer ausreichend schnellen Elektronik (1) erreicht. Bevorzugter Weise werden dafür FPGA (Field Programmable Gate Arrays) basierte Schaltkreise eingesetzt die bereits programmierbare Zeitverzögerungselement enthalten, die eine Synchronisierung mit einer Genauigkeit < 1 ns erlauben. Dies kann den Systemaufbau wesentlich vereinfachen. Gleichzeitig kann eine solche elektronische Architektur zusätzlich in vorteilhafter Weise auch die Detektion zeitlich synchronisieren. Ein oder mehrere mit den Laserpulsen synchronisierte Detektionszeitfenster erlauben dann zusätzlich die Abtrennung von unerwünschtem Fremdlicht wie Streulicht, Raman, Autofluoreszenzlicht etc. sowie den Dunkelstrom (dark counts) des Detektors vom gewünschten Nutzlicht aus der Probe. Zudem erlaubt eine solche Steuereinheit (1) weiterhin die Anwendung verschiedenster Detektionsverfahren wie z. B. Fluoreszenzlebensdauermessungen, Korrelationsverfahren wie FCS, Koinzidenzmessungen, Antibunching etc. Mit der erfindungsgemäßen Apparatur können solche Messprinzipien nun auch effektiv im sonst nur sehr viel aufwändiger erreichbaren grün/gelb/orangenen Wellenlängenbereich durchgeführt werden. In biomedizinischen Anwendungen ist es zudem häufig notwendig gleichzeitig mehrere Fluoreszenzfarbstoffe in einer Probe anzuwenden um die strukturellen oder dynamischen Beziehungen verschiedenster Stoffe zu einander nachzuweisen. In solchen Fällen ist es besonders hilfreich den besagten Wellenlängenbereich für weitere sonst nur schwerer adressierbare Farbstoffe verfügbar machen zu können. Die Farbstoffe können dabei durch verschiedene Laser (2, 6 etc.) selektiv angeregt werden und/oder in der Detektion in üblicher Weise spektral oder über unterschiedliche Fluoreszenzlebensdauern durch die Steuereinheit (1) unterschieden werden.
In der Zeichnung 2 ist eine Lasereinheit skizziert, die in der erfindungsgemäßen Fluoreszenzapparatur verwendet wird. Die Lasereinheit ist mikrooptisch ausgeführt und enthält mindestens einen Seedlaser (11) (typischerweise eine Laserdiode) eine Lichtverstärkungseinheit (12) sowie eine optisch nichtlineare Frequenzwandeleinheit (13), die den verstärkten zunächst nahinfraroten Lichtstrahl in den sichtbaren besagten Wellenlängenbereich konvertiert. Die Frequenzwandeleinheit ist dabei vorzugsweise als Lichtwellenleiter ausgebildet.
Derzeit sind für die erfindungsgemäße Apparatur Laser bei z. B. 532 nm, 561 nm und 594 nm verfügbar, die gegebenen Falls mit weiteren Lasern im blauen und/oder roten Spektralbereich kombinierbar sind. Diese Laser decken die Frequenzlücke von herkömmlichen Diodenlasern für Fluoreszenzmessungen hervorragend ab und sind besonders nützlich für Anwendungen wie die STED Mikroskopie wo typischer Weise mehrere Laser mit verschiedensten Wellenlängen zum Einsatz kommen. Die Steuereinheit (1) kann dabei optional die mikrooptischen Untereinheiten getrennt und bedarfsgerecht synchronisiert mit den notwendigen Signalen und Strömen versorgen, sowie gegebenfalls Temperaturen kontrollieren. Da diese Laser praktisch beliebig elektronisch modulierbar und triggerbar gestaltet werden können, sind diese mit geringem Aufwand mit weiteren Lasern kombinierbar und synchronisierbar. Dabei werden dann ohne wesentlichen Mehraufwand auch weitere nicht trigger- oder synchronisierbarer der Laser (wie z. B. TiSa Laser) im System nutzbar.
Bezugszeichenliste

1: Steuereinheit
2: Laserlichtquellen
3: Strahlvereiniger
4: Detektor
5: Strahlteiler
6: Laserrastereinrichtung
7: Wellenfrontveränderungsmittel
8: Fokussieroptik
9: Fluoreszenzprobe
10: STED Laser
11: Seedlaser
12: Verstärker
13: Frequenzverdoppler

Legenden der Zeichnungen:
Zeichnung 1: Fluoreszenzmessgerät
Zeichnung 2: Mikro-optischer Laseraufbau.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 001995021393 A2 [0008]
EP 2010/056987 [0020]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Hell, S. W. (2007): ”Far-Field Optical Nanoscopy”. Science 316, 1153–1158 [0006]
James B. Pawley: „Handbook of Biological Confocal Microscopy” 3rd Edition, Springerverlag, ISBN 10. 0-387-25921-X, ISBN 13: 987-0387-25921-5 [0011]

Claims

Optische Fluoreszenzmessanordnung mit mindestens einer kompakten Lichtquelle dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle – mikro-optisch aufgebaut ist und – mittels elektronischer Intensitätsmodulation Lichtpulse < 1 ns liefern kann.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle in der Fluoreszenzmessanordnung mit mindestens einer weiteren Lichtquelle synchronisierbar/triggerbar ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluoreszenzmessanordnung ein Laserrastermikroskop ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluoreszenzmessanordnung ein STED-Mikroskop ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsmodulation der Lichtquelle durch „gain switching” (Verstärkungschaltung in der Laserdiode) erreicht wird.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Lichtquelle nahe des konstruktiven Punktes einer Easy-STED Wellenplatte liegt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fluoreszenzmessanordnung ein zeitlicher Bezug zwischen den Laserpulsen und der gemessenen Photonen hergestellt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluoreszenzmessanordnung die Fluoreszenz mehrerer verschiedener Farbstoffe detektiert.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei verschiedene Farbstoffe anhand ihrer Fluoreszenzlebensdauer unterschieden werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle im Wellenlängenbereich zwischen 515 nm und 635 nm emittiert.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine Wellenleiterstruktur zur Frequenzverdoppelung aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle einen optischen Verstärker aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle einen Quantenpunktlaser als Seedquelle aufweist.