Konfokales Laser-Scanning-Mikroskop
Die Erfindung bezieht sich auf ein konfόkales Laser-Scanning-Mikroskop mit einem Anregungsstrahlengang, der Anregungsstrahlurig in mehreren in einer Objektebene gelegenen Spots bündelt, und einem Detektionsstrahlengang, der die Spots konfokal mittels Pinholeblenden auf einen Mehrkanal-Detektor abbildet, sowie mit einer Scaneinrichtung, die eine zweidimensionale Relativbewegung zwischen einem in der Objektebenen gelegenen Objekt und den Spots bewirkt.
Laser-Scanning-Mikroskopie mit gleichzeitiger Abtastung mehrer Spots ermöglicht es, ein Objekt beschleunigt abzutasten. US 6.262.423 beschreibt ein konfokales Laser-Scanning- Mikroskop der eingangs genannten Art, bei dem mit einem aufgeweiteten Laserstrahl ein auf einer Nipkowscheibe befindliches Mikrolinsenarray ausgeleuchtet wird. Die Spots der durch das Linsenarray erzeugten Teilstrahlen werden mit einem Mikrodbjektiv in die Objektebene abgebildet und von den Spots ausgehende Fluoreszenzstrahlung wird vom Mikroobjektiv aufgenommen und über einen Strahlteiler einem CCD-Empfänger zugeführt. Mit einer Umdrehung der Nipkowscheibe wird punktweise der CCD-Flächensensor ausgeleuchtet, der auf diese Weise das komplette Bildsignal aufnimmt Mit etwa hundert Einzellinsen auf der Scheibe ist eine sehr schnelle Objektabtastung möglich. Die Auflösung ist durch Pixel-Anzahl und -Größe des CCD- Flächensensors vorgegeben und nicht änderbar. Auch ist es technologisch aufwendig und damit teuer, die mit exakt positionierten Mikrolinsen belegten Nipkowscheibe zu produzieren.
Ein weiteres konfokales Laser-Scanning-Mikroskop der eingangs genannten Art ist aus der US θ.028.306 bekannt. In der dort beschriebenen Vorrichtung wird mittels einer Laserlichtquelle und einem Mikrolinsenarray eine Spotverteilung mit mehreren Spots in eine Objektebene abgebildet. Mittels einem Blendenarray werden die Spots konfokal abgebildet. Ein x/y-Strahlscanner rastert die zu untersuchende Fläche ab, wobei in einer Ausführungsform die Spots über eine Weglänge verschoben werden, die genauso groß ist, wie der Abstand benachbarter Spαts. Dadurch kann mit einer kleinen Strahlablenkung eine große Fläche abgerastert werden, da die
benachbarten Einzelspots jeweils einen kleinen Bereich überdecken und all diese Bereiche zusammen die abgerasterte Fläche füllen. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß die kleinen abgerasterten Bereiche nahtlos mit Toleranzen im Mikrometerbereich aneinanderstoßen müssen. Überstrahlungen würden bei manchen Anwendungen Bleich- und Sättigungseffekte von Fluorophoren hervorrufen, die nicht kompensiert werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laser-Scanning-Mikroskop der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem ein Objekt schnell abgetastet werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem konfokalem Laser-Scanning-Mikroskop mit einem Anregungsstrahlengang, der Anregungsstrahlung in mehreren in einer Objektebene (11) gelegenen Spots 30 bündelt, und einem Detektionsstrahlengang, der die Spots (30) konfokal mittels Pinholeblenden (14.2) auf einen Mehrkanal-Detektor (15.2) abbildet, sowie mit einer Scaneinrichtung (4, 5, 37), die eine zweidimensionale Relativbewegung zwischen einem in der Objektebenen 11 gele- genen Objekt und den Spots (30) bewirkt, dadurch gelöst, daß die Scaneinrichtung (4, 5, 37) bei der Relativbewegung die Spots (30) entlang einer ersten Richtung (32) verschiebt und dadurch mit den Spots (30) einen Streifen des Objekts (34) abtastet und. dann die Spots (30) entlang einer zweiten Richtung (33) verschiebt, um danach durch erneute Verschiebung entlang der ersten Richtung (32) einen benachbarten Streifen abzutasten.
Erfindungsgemäß wird also das Objekt in Streifen abgerastert, wobei jeder Streifen dadurch erfaßt wird, daß alle Spots über ihn geführt werden. Im Gegensatz zur eingangs erwähnten US 6.028.306 wird die zu erfassenden Objektfläche also nicht in nahtlos aneinanderzufügende Einzelbereiche aufgeteilt, die jeweils von einem Spot abgefühlt werden, sondern alle Spots de- tektieren Fluoreszenzstrahlung aus dem Streifen. Durch eine nachfolgende Verschiebung der Spots in einer zweiten Richtung, die vorzugsweise orthogonal zur ersten Richtung liegt, wird der nächste Streifen des Objekts abgebildet. Die Objektfläche wird somit in Streifen unterteilt, wobei über jeden Streifen alle Spots geführt werden.
Die Erzeugung des Spotmusters wird zweckmäßigerweise mittels eines nicht für die Detektion verwendeten Mikrolinsenarrays im Anregungsstrahlengang vorgenommen, wobei das Mikrolinsenarray eine zeilenförmige oder eine rechteckige bzw. quadratische Anordnung der Spots bewirkt. Die Pinholeblenden sind natürlich an das Spotmuster angepaßt; bei einem zellenförmigen Mikrolinsenarray wird eine Blendenzeile zum Einsatz kommen, bei einem rechteckigen oder quadratischen Spotmuster ist ein entsprechendes Blendenarray vorgesehen. Vorteilhafterweise liegen die Pinholeblenden nicht im Anregungsstrahlengang, sondern sind z.B. dem Mehrkanal-Detektor vorgeordnet, da dann keine störenden Anregungsstrahjungsreflexe auftreten. Für die Erzeugung und für die Detektion der Spots sind also eigene beugungsbegrenzende
Objekte vorgesehen und auf eine zentrale Blendenheit, die Bestandteil sowohl des Anregungsais auch des Detektionsstrahlenganges ist, kann verachtet werden.
Um ein Übersprechen zwischen benachbarten Spots zu verhindern, ist es zweckmäßig, einen bezogen auf den Spotdurchmesser großen Abstand zwischen benachbarten Spots einzustellen.
Vorzugsweise sollte dieser Abstand mindestens gleich dem zehnfachen Spotdurchmesser sein.
Für die vom erfindungsgemäßen Mikroskop durchgeführte Abtastung kann ein großer Abstand zwischen benachbarten Spots besonders einfach realisiert werden, wenn das Spotmuster be- züglich der ersten Richtung so gekippt, daß die Spots senkrecht zur Richtung einen Abstand gleich oder kleiner dem Spotdurchmesser haben. Mit dieser Ausgestaltung ist zum einen sichergestellt, daß der Streifen des Objektes bei der Verschiebung entlang der ersten Richtung lückenlos abgetastet ist und daß zum anderen ein nahezu beliebig großer Abstand zwischen benachbarten Spots eingestellt werden kann.
Die Kippung bzw. Schrägstellung des Spotmusters gegenüber der ersten Richtung, mit der die Scaneinrichtung den Strahl relativ bewegt, kann bei einer optischen Scaneinrichtung dadurch erreicht werden, daß das die optischen Spots im Änregungsstrahlengang erzeugende Element, beispielsweise das erwähnte Mikrolinsenarray, ebenso wie die Pinholeblenden und der Mehr- kanal-Detektor gegenüber der ersten Richtung im Strahlengang um die optische Achse gedreht werden.
Das erfindungsgemäße Mikroskop kann besonders vorzugsweise den Weg der Verschiebung entlang der ersten Richtung deutlich größer als den Abstand benachbarter Spots wählen, so daß die bezüglich der US 6.028.306 erwähnte Problematik, daß kleine Bereiche nahtlos aneinandergefügt werden müssen, vermieden ist.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhalber noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 ein bekanntes Laser-Scanning-Mikroskop, das ein Objekt mit einem Strahl abtastet,
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Laser-Scanning-Mikroskop, das ein Objekt mit mehreren Strahlen abtastet,
Fig. 3 eine schematische Darstellung von Spotverteilung und Scanbewegung bei einer Spot- Zeile,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Lage benachbarter Spots zueinander,
Fig. 5 eine Scanbewegung bei einer quadratischen Spotverteilung,
Fig. 6 ein Laser-Scanning-Mikroskop ähnlich dem der Figur 2, jedoch mit einer Tischscanneinrichtung.
Figur 1 zeigt ein herkömmliches Laser-Scanning-Mikroskop mit einem optischen Strahlscanner, wobei ein Objekt mit einem Strahl abgetastet wird. Die Strahlung eines Lasers 1 wird mit einer optischen Anordnung 2 hinsichtlich der Strahlparameter wie Taillenlage und Strahlquerschnitt an die Erfordernisse des Mikroskops angepaßt. Über einen Teiler 3 wird die Anregungs- oder Beieuchtungsstrahlung in den allgemeinen Strahlengang eingekoppelt und auf Strahlscanner 4 und 5 geleitet Die Strahlscanner sind eng benachbart und in unmittelbarer Nähe einer Pupille des Strahlengangs angeordnet Sie haben wie in der Figur dargestellt, senkrecht aufeinander stehende Drehachsen und können separat voneinander angesteuert werden.
Eine nachgeordnete Scanoptik 6 generiert bei allen von den Scannern erzeugten unterschiedlichen Strahlauslenkungen in einer Bildebene 7 ein Spotbild. Eine Tubuslinse 8 sammelt die Strahlung in einer Aperturebene 9, von der aus ein Objektiv 10 in einer Objektebene 11 ein verkleinertes Spotbild erzeugt.
Im Falle einer Fluoreszenzanregung senden Probenteile am Spot Fluoreszenzstrahlung mit gegenüber der Anregungsstrahlung längerwelliger verschobener Strahlung aus, die durch das Objektiv 10 wieder aufgesammelt wird und die durch die geschilderte Anordnung den gleichen Weg zurück läuft.
Aufgrund der zweimaligen Passage durch die Strahlscanner 4 und 5 wird die Strahlbewegung nach dem Scanner aufgehoben und man erhält wieder einen ruhenden Strahl.
Der Strahlteiler 3 bewirkt eine Separation der Fluoreszenzstrahlung in einen Detektionsstrah- lengang. Ein Interferenzfilter 12 trennt dabei im Strahlengang noch vorhandene Anteile der kurzwelligeren Anregungsstrahlung ab.
Eine Linse 13 erzeugt von dem gerade beleuchteten bzw. fluoreszierenden Objektpunkt in der Objektebene 11 ein Spotbild in einer Pinholeebene 13. Ein dieser nachgeordneter Detektor 15, in diesem Falle ein Einpunktempfänger, liefert ein strahlungsintensitätsabhängiges Videosignal, das von einer angeschlossenen Auswerteeinheit zu einem Bildsignal umgewandelt wird. Bei Anordnungen zur Strukturuntersυchung wird die von dem Objekt 11 reflektierte Strahlung auf- genommen und der Teiler 3 ist kein welleπlängenselektiver, dichroitischer Strahlteiler, sondern ein einfacher neutraler Strahlteiler. Das Emissionsfilter 12 entfällt dann. Mit der Größe der Pinholeblende, kann die Größe der zu detektierenden Objektstruktur eingestellt werden und es wird mit kleiner werdenden Blendendurchmessern auch eine höhere Tiefendiskrimination in der
Objektebene eingestellt, d. h. es wird der Tiefenbereich eingestellt, aus der Strahlung zur Bildentstehung genommen wird. Damit können störende Strahlanteile aus anderen Tiefenbereichen eliminiert werden. Das ist der entscheidende Vorteil der Laser-Scanning-Mikroskopie gegenüber üblicher Lichtmikroskopie.
Die Figur 2 zeigt ein konfokales Mehrkanal-Laser-Scanning-Mikroskop, das bis auf die nachfolgend beschriebenen Abweichungen, der Bauart gemäß Figur 1 entspricht. Die Anordnung ist für Mehrkanalbetrieb ausgerüstet. Zu diesem Zwecke wird ein kollimierter Laserstrahl durch ein Teleskop 2.2 entsprechend aufgeweitet, so daß er ein Linsenarray 16 möglichst vollständig und gleichförmig ausleuchtet Das zu wählende Linsenarray 16 richtet sich in der Geometrie und in der Anzahl und der Verteilung der Kanäle nach dem eingesetzten Detektorarray, z. B. den entsprechenden Multianode Photomultiplter Tubes der Firma Hamamatsu, beispielweise dem Typ H7546 mit 8 x 8 Einzelempfängern oder H7260 einem linear angeordnetem Detektorarray mit 1 x 32 Einzelempfängern. Im ersten Falle ist ein Linsenarray (Quadrat-Anordnung) mit 8 x 8 Mi- krolinsen, im zweiten Falle ein lineares Array (Zeile) mit 32 Mikrolinsen in einer Reihe erforderlich. Die Einzellinsen des Linsenarrays 16 haben genügend einheitliche Brennweite, was z.B. bei einer Herstellung nach lithographischen Verfahren erfüllt ist.
Für die Ausleuchtung des jeweiligen Linsenarrays 16 ist die Aufweitungsoptik 2.2 für den Laser- Strahles entsprechend dimensioniert. Hierbei ist die Homogenität der Ausleuchtung zu beachten. Alternativ können auch entsprechende holographisch optische Elemente (HOE) zur Verbesserung der Ausleuchtung eingesetzt werden.
Der aufgeweitete und kollimierte Strahl wird durch das Linsenarray 16 in mehrere Teilstrahlen zerlegt. Ein Linsensystem 17 und 18, dessen Funktion auch durch eine Einzellinse realisiert werden kann, transformiert die so gebildeten einzelnen Spots in ein gemeinsames Aperturbild, das vorteilhafterweise zwischen den eng benachbarten Strahlscannern 4 und 5 liegen kann. Vom Aperturbild gehen fächerförmig kollimierte Strahlbündel aus, für jeden Spot ein Bündel. Die Scanner sind in ihrer Spiegelgröße so dimensioniert, daß sie auch im voll ausgelenkten Zustand alle Strahlenbündel erfassen. Eine Scanoptik erfaßt die Strahlenbündei und erzeugt in einer Bildebene 7 eine Spotverteilung, d.h. eine Anordnung aus mehreren Einzelspots, die mit der Scannerbewegung wandert. Vorzugsweise ist in der Bildebene 7 eine feste oder verstellbare Blendenanordnung 7 angebracht, die genau das zu scannende Gebiet markiert, damit Spots, die durch das Meßregime bedingt, außerhalb des gewünschten Bildbereichs liegen, nicht das Objektfeld erreichen und dort Fluoreszenzbleichung, -Sättigung oder andere irreversible Probenveränderungen hervorrufen können.
Über eine Tubuslinse 8 und ein Objektiv 10 wird die Spotverteilung verkleinert in die Objektebene 11 abgebildet. Die in der Objektebene befindliche fluoreszierende Struktur oder Probe wird durch die wandernde Spotverteilung zur Emission von in der Regel längerwelliger Fluoreszenzstrahlung angeregt. Diese nimmt bis zum Hauptfarbteiler durch die optische Anordnung zurück den gleichen Weg wie die Anregungsstrahlung. Durch die zweimalige Passage über die Scanner wird die Strahlbewegung descannt, d. h. aufgehoben, so daß ein ruhender Strahl in dem Abschnitt zwischen Scanner 4 und Detektor, der nun als Detektorarray 15.2 ausgebildet ist, entsteht.
Der dichroitische Strahlteiler 3 separiert den Detektionsstrahlengang vom Anregungsstrahlengang, wobei ein Emissionsfilter 12 reflektierte Reste des Anregungslichtes abblockt. Ein Linsensystem 18 und 13 erzeugt eine Fokussierung in eine weitere Bildebene unmittelbar vor dem Detektorarray 15.2 gelegen. In dieser Bildebene liegt ein konfokales Pinholearray 14.2. Es ist zur Lage der durch das Linsenarray 16 erzeugten Spotverteilung justiert und wirkt analog der Pinholeblende 14 und separiert Licht aus unterschiedlichen Tiefenebenen der Probe angebracht auf der Objektebene 11. Die Einzelkanäle des Detektorarrays 15.2 liefern simultan jedem Spot zugeordnet, mit der Scannerbewegung gekoppelt Zeitsignale, die in einer elektronischen Auswertung zu einem Bild zusammengesetzt werden.
Figur 3 zeigt die Spotverteilung bei linearer (Zei!en-)Anordnung von Linsenarray 16, Detektorarray 15.2 und Pinholearray 14.2. Dabei ist der Scanvorgang über ein zu scannendes Gebiet 34 dargestellt. Ausgangspunkt für den Scanvorgang ist beispielsweise eine Lage einer geneigten Spotreihe rechts neben einem Gebiet 34. Mit dem Scanstart bewegt der erste Scanner die Spotreihe in einer Richtung 32 und verschiebt die Spots 30 über einen Streifen des Objektfel- des. Danach tritt der zweite Sanner in Aktion und verschiebt alle Spots 30 in Richtung 33. Anschließend wandert der erste Scanner wieder in Richtung 32 zurück und ein zweiter benachbarter Streifen wird abgebildet. Dies setzt sich fort, um das gesamte Gebiet abzuscannen. Jeder Spot 30 läuft so auf einer Bahn 31 und alle Bahnen 31 überdecken gemeinsam einen Streifen. Die Scanlänge in Richtung 32 wird durch die Länge des Gebiets 34 bestimmt, vergrößert um die Länge der Spotverteilung entlang Richtung 32. Zur Verdeutlichung ist die Spotreihe wesentlich länger dargestellt als die entsprechenden Abmaße des Gebiets 34.
Unter der Annahme eines Spotdurchmessers von 1 μm und 10 Einzelspots beträgt die Länge der Spotreihe, wenn der Spotabstand 10-mal so groß wie der Durchmesser ist, 100 μm. Mit einer Blende 7 in der Bildebene können Seitenbereiche neben dem Gebiets 34 vor einer Beleuchtung geschützt werden.
Wie in Figur 4 genauer dargestellt ist, liegen die Spots 30 bezüglich der Richtung 32 bzw. den Bahnen 31 auf einer geneigten Gerade 34. Der Spotradius 35 ist passend zur Auflösung des Objektivs 10 dimensioniert. Diese wird bei vorgegebener Wellenlänge und beugungsbegrenz- tem Optikdesign nur durch die reziproke numerische Apertur bestimmt. Um die Auflösung durch den Scanvorgang voll zu nutzen, weisen die Spots 30 in der Projektion senkrecht zur Scanrichtung 32 bzw. Bahn 31 mindestens einen Abstand 36 in Größe eines Spotradius 35 auf. Der Abstand 36 wird durch das Übersprechen zwischen benachbarten Spots 30 bestimmt und berechnet sich nach der Bildfunktion (point spread function PSF). Der nach Figur 3 einzustellende Neigungswinkel 34 entspricht arctan (Spotradius/Spotabstand). Bei einem Spotabstand gleich 10 x Spotdurchmesser gilt arctan (1/20)=2.86°. Um diesen Winkel ist das Linsenarray 16 zur Richtung 32 bzw. Bahn 31 geneigt aufgestellt.
In Figur 5 sind Scanbewegungen 32.5 und 33.5 bei einem quadratischen Spotarray dargestellt. Das Spotarray 30.5 ist auf der Darstellung nicht im einzelnen ausgeführt. Es ist hier ebenfalls die zwischen den einzelnen Spots die angegebene Neigung eingestellt, die sich nun als Array- neigung ausdrückt, und das geneigte Bild wird über das Probengebiet 34 gescannt.
Figur 6 zeigt eine Anordnung mit x/y- Tischscanner. Der optische Aufbau ist hier analog einem. Lichtmikroskop. Das Bild der Spotverteilung entsteht in der vor dem Empfänger 15.2 gelegenen Bildebene, in der das konfokale Pinholearray 14.2 angeordnet ist. Die Probe wird mit dem x/y- Scanningtisch in den angegebenen Richtungen, analog 32 und 33 bzw. 32.5 und 33.5 in den Figuren 3 und 5 verschoben. Bei hohen Spotzahlen, bei denen aufgrund der begrenzten, zur Verfügung stehenden, Lichtleistung mit geringen Geschwindigkeiten zu scannen ist, ist eine solche Anordnung vorteilhaft, um auch größere Probengebiete 34 schnell zu erfassen.