EP0996854A1 - Wave field microscope, method for a wave field microscope, including for dna sequencing, and calibration method for wave field microscopy - Google Patents

Wave field microscope, method for a wave field microscope, including for dna sequencing, and calibration method for wave field microscopy

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EP0996854A1
EP0996854A1 EP98967010A EP98967010A EP0996854A1 EP 0996854 A1 EP0996854 A1 EP 0996854A1 EP 98967010 A EP98967010 A EP 98967010A EP 98967010 A EP98967010 A EP 98967010A EP 0996854 A1 EP0996854 A1 EP 0996854A1
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EP
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wave field
detection
lens
wave
calibration
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Withdrawn
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EP98967010A
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Inventor
Michael Hausmann
Christoph Cremer
Joachim Bradl
Bernhard Schneider
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Universitaet Heidelberg
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Universitaet Heidelberg
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Abstract

The invention relates to two new wave field microscopes (type I and type II) characterized in that they each have a stimulation and illumination system comprising at least one real and one virtual light source and at least one lens (in the case of type II) or two lenses (in the case of type I). The light sources and lens(es) are positioned in relation to each other in such a way that they are suitable for generating one, two or three-dimensional wave fields in the object space. The calibration method provided for in the invention has been adapted to these wave field microscopes and allows for geometrical distance measurements between fluorochrome-marked object structures the distance of which can be less than the half-intensity width of the principal maximum of the effective point image function. The invention also relates to a method for DNA sequencing by wave field microscopy.

Description

Wellenfeldmikroskop, Wave field microscope,
Wellenfeldmikroskopieverfahren, auch zur DNA-Sequenzierung, und Kalibrierverfahren für die WellenfeldmikroskopieWave field microscopy methods, also for DNA sequencing, and calibration methods for wave field microscopy
B e s c h r e i b u n gDescription
Die Erfindung betrifft ein Wellenfeldmikroskop mit einem Beleuchtungs- bzw. Anregungssystem, das wenigstens eine reelle und eine virtuelle Beleuchtungsquelle und wenigstens ein Objektiv umfaßt, wobei Beleuchtungsquellen und Objektiv (e) derart zueinander angeordnet sind, daß sie zur Erzeugung eines eindimensionalen stehenden Wellenfeldes geeignet sind, mit einem Objektraum, der Halte und Manovriervorrichtung(en) für ein Objekt umfaßt, und mit einem Detektionssystem, das ein Objektiv, ein Okular und einen Detektor umfaßt, sie betrifft außerdem ein daran angepaßtes Kalibrierverfahren für geometrische Distanzmessungen zwischen fiuorochrommarkierten Objektstrukturen, deren Distanz geringer als die Halbwertsbreite des Hauptmaximums der effektiven Punktbildfunktion sein kann, und sie betrifft ein darauf aufbauendes Verfahren zur wel- lenfeldmikroskopischen DNA- S equenzierung .The invention relates to a wave field microscope with an illumination or excitation system, which comprises at least one real and a virtual illumination source and at least one objective, illumination sources and objective (s) being arranged relative to one another in such a way that they are suitable for generating a one-dimensional standing wave field, with an object space, which comprises holding and maneuvering device (s) for an object, and with a detection system, which comprises an objective, an eyepiece and a detector, it also relates to a calibration method adapted therefor for geometric distance measurements between fiuorochrome-marked object structures whose distance is less than The half-width of the main maximum of the effective point image function can be, and it relates to a method based thereon for wave field microscopic DNA sequencing.
Stand der TechnikState of the art
Durch den Einsatz hochspezifischer Marker, wie z.B. DNA-Proben oder Protein- Sonden, ist es möglich, in biologischen (Mikro-)Objekten, insbesondere in Zellen, Zellkernen, Zellorganellen oder auf Chromosomen, - im folgenden vereinfacht Objekt genannt — , nahezu beliebig kleine (Sub-)Strukturen zu markieren. Es können Strukturen in Dimensionen von einigen μm (10"6 m) bis zu wenigen zehn nm (10"9 m) spezifisch dargestellt werden. Die Marker sind üblicherweise mit Fluorochromen oder auch kolloidalen Mikro(gold-)partikel gekoppelt, um ihre optische Detektion und Abbildung zu erleichtern bzw überhaupt erst zu ermöglichen.Through the use of highly specific markers, such as DNA samples or protein probes, it is possible to use almost any small size in biological (micro) objects, especially in cells, cell nuclei, cell organelles or on chromosomes - hereinafter simply referred to as objects Mark (sub) structures. Structures in dimensions from a few μm (10 "6 m) to a few tens of nm (10 " 9 m) can be represented specifically. The markers are usually coupled with fluorochromes or colloidal micro (gold) particles in order to facilitate their optical detection and imaging, or to enable them in the first place.
Um zwei Marker innerhalb desselben Objekts separat voreinander detektieren zu können, sind die betreffenden Marker häufig mit verschiedenfarbigen Fluorochromen gekoppelt. Das zur Verfügung stehende Farbemissionsspektrum der üblicherweise verwendeten Fluorochrome reicht von tiefblau über grün, rot bis in den infraroten Spektralbereich Es können aber auch Fluorochrome verwendet werden, die sich weder in ihrem Anregungsspektrum noch in ihrem Fluoreszenzspektrum unterscheiden, sondern bei denen die Lebensdauer ihrer Fluoreszenzemission als Parameter zur Unterscheidung genutzt wird Letztere haben den Vorteil, daß wellenlangenabhangige fokale Shifts nicht auftreten Fluorochrome können auch ein unterschiedliches Emissionsspektrum haben und damit verschiedene spektrale Signatur besitzen, aber mit derselben Photonenenergie anregbar sein, z B durch Mehrphotonenprozesse Auch in diesem Fall können wellenlangenabhangige fokale Shifts in der Anregung zwischen Fluorochromen verschiedener spektraler Signatur vermieden werdenIn order to be able to detect two markers separately from one another within the same object, the markers in question are often coupled with fluorochromes of different colors. The available color emission spectrum of the commonly used ones Fluorochromes range from deep blue to green and red to the infrared spectral range.However, fluorochromes can also be used which do not differ in their excitation spectrum or in their fluorescence spectrum, but in which the lifetime of their fluorescence emission is used as a parameter to distinguish them.The latter have the advantage that wavelength-dependent focal shifts do not occur Fluorochromochromes can also have a different emission spectrum and therefore have different spectral signatures, but they can be excited with the same photon energy, e.g. by multi-photon processes
Die vorstehend genannten, an spezifische (Sub-) Strukturen in biologischen Mikroobjek- ten bindbaren bzw gebundenen Fluorochrome werden im folgenden als Fluoreszenz- marker bezeichnetThe above-mentioned fluorochromes which can be bound or bound to specific (sub) structures in biological micro-objects are referred to below as fluorescent markers
Stimmen Anregungsspektrum und/oder Emissionsspektrum und/oder die Fluoreszenzlebensdauern zweier Fluoreszenzmarker uberein, so haben diese Fluoreszenzmarker hinsichtlich des betreffenden Parameters die gleiche spektrale Signatur Unterscheiden sich die Fluoreszenzmarker in einem oder mehreren für die Messung relevanten Parametern, so habe sie unterschiedliche spektrale SignaturIf the excitation spectrum and / or emission spectrum and / or the fluorescence lifetimes of two fluorescence markers match, then these fluorescence markers have the same spectral signature with regard to the parameter in question. If the fluorescence markers differ in one or more parameters relevant to the measurement, they have a different spectral signature
Unter Fluoreszenz wird im folgenden jede Photonenwechselwirkung verstanden, bei der zwischen dem Anregungsspektrum und dem Emissionsspektrum desselben Stoffes Unterschiede auftreten, die nicht auf monochromatische Absorption oder Streuung zurückgeführt werden können Dies schließt insbesondere auch Mehrphotonenwechselwirkungen ein, bei denen die Anregungswellenlangen großer sein können als die Emis- sionswellenlangenIn the following, fluorescence is understood to mean any photon interaction in which there are differences between the excitation spectrum and the emission spectrum of the same substance, which cannot be attributed to monochromatic absorption or scattering. This includes, in particular, multi-photon interactions, in which the excitation wavelengths can be longer than the Emis ion wavelengths
Ferner wird hier der Begriff Fluoreszenz auch für die eng damit verwandten Phänomene der Lumineszenz, insbesondere die Phosphoreszenz verwendet Dies schließt insbesondere längere mittlere Fluoreszenzlebensdauern ein, z B Fluoreszenzlebensdauern im Bereich von bis zu mehreren oder vielen msec (Millisekunden) Im folgenden werden die eng verwandten Vorgange der Lumineszenz, Phosphoreszenz und Fluoreszenz als gleichermaßen erfindungsrelevant angesehenFurthermore, the term fluorescence is also used here for the closely related phenomena of luminescence, in particular phosphorescence.This includes in particular longer mean fluorescence lifetimes, for example fluorescence lifetimes in the range of up to several or many msec (milliseconds) closely related processes of luminescence, phosphorescence and fluorescence are regarded as equally relevant to the invention
Die Detektion und Abbildung von Fluoreszenzmarker in ausgedehnten biologischen Objekten und die quantitative Lokalisation bezuglich definierter Objektpunkte /Objektstrukturen (Distanz- und Winkelmessungen) wird mit lichtmikroskopischen Meßverfahren durchgeführt Hierbei spielt die sog "Punktbildfunktion" (point spread functi- on =PSF) oder "Punktantwort" des verwendeten Mikroskops oder allgemein des optischen Systems, d h dessen Fähigkeit, von einem "ideal punktformigen" Objekt ein ebenso ideal punktformiges Abbild zu erzeugen, eine entscheidende Rolle Die Punktbildfunktion ist ein charakteristisches Merkmal einer jeden abbildenden Optik und ein Maß für deren QualitätThe detection and imaging of fluorescent markers in extended biological objects and the quantitative localization with respect to defined object points / object structures (distance and angle measurements) is carried out using light microscopic measurement methods. The so-called “point spread function” (PSF) or “point response” plays here. of the microscope used or of the optical system in general, ie its ability to create an equally ideal point-like image from an "ideally point-shaped" object, the crucial role The point-image function is a characteristic feature of every imaging optic and a measure of its quality
Distanzmessungen zwischen Objektstrukturen hangen wesentlich von der effektiven — d h der lokal im markierten Objektpunkt gegebenen — Punktbildfunktion ab Diese effektive Punktbildfunktion wiederum hangt stark von der jeweiligen lokalen Brechzahl und der Absorption im Objekt, im Einbettungsmedium des Objektes, in der Immersions- flussigkeit und gegebenenfalls in den Deckglasern abDistance measurements between object structures depend essentially on the effective point image function - that is, the one given locally in the marked object point. This effective point image function in turn strongly depends on the respective local refractive index and the absorption in the object, in the embedding medium of the object, in the immersion liquid and possibly in the Cover glasses
Die effektive Punktbildfunktion unterscheidet sich im allgemeinen deutlich von der für das verwendete Mikroskop berechneten Punktbildfunktion Auch die unter technisch optimierten Randbedingungen gemessenen Punktbildfunktionen unterscheiden sich in der Regel von den unter praktischen Routinelaborbedingungen in biologischen Objekten erzielbaren effektiven PunktbildfünktionenThe effective point image function generally differs significantly from the point image function calculated for the microscope used. The point image functions measured under technically optimized boundary conditions also generally differ from the effective point image functions which can be achieved in practical routine laboratory conditions in biological objects
Da diese effektiven Punktbildfünktionen meist nicht zur Verfügung stehen, greift man zur Kalibrierung der Distanzmessungen auf ideale, berechnete Ergebnisse zurück bzw auf Kalibrierungsmessungen, die unter Standardbedingungen durchgeführt wurden, wie z B Reflexionsverfahren Beide Verfahren gehen jedoch zu Lasten der Präzision bei der dreidimensionalen Distanzmessung in biologischen Mikroobjekten, und die Folge ist eine erhebliche Unsicherheit in der Bestimmung der tatsachlichen raumlichen Distanz zwischen den Objektstrukturen, bei biologischen Objekten beinhalten solche quantitativen Großenabschatzungen Unsicherheiten von bis zu mehreren Mikrometern Bis in die jüngste Zeit herrschte in der Fachwelt die praktisch einhellige Überzeugung, daß zwei Objektstrukturen nur dann separiert werden können, wenn sie mindestens eineSince these effective point image functions are usually not available, ideal calibration results are used to calibrate the distance measurements or calibration measurements carried out under standard conditions, such as reflection methods.Both methods, however, come at the expense of precision in three-dimensional distance measurement in biological systems Micro-objects, and the result is considerable uncertainty in the determination of the actual spatial distance between the object structures. In the case of biological objects, such quantitative large estimates contain uncertainties of up to several micrometers Until recently, there was a practically unanimous belief among experts that two object structures can only be separated if they have at least one
Halbwertsbreite des Hauptmaximums der effektiven Punktbildfünktion von einander entfernt sindHalf-width of the main maximum of the effective point image function are apart
Erst 1996 gelang es den Urhebern der vorliegenden Erfindung, ein Kalibrierverfahren für die Fernfeldmikroskopie (und auch die Flußfluorometrie) bereitzustellen, mit dem es möglich ist, Distanzmessungen zwischen Objektstrukturen, deren Abstand voneinander geringer ist als das Auflösungsvermögen des betreffenden Fernfeldmikroskops, d h die weniger als die Halbwertsbreite des Hauptmaximums der effektiven Punktbildfünktion voneinander entfernt liegen, unabhängig von der Lage der betreffenden Objektstrukturen im dreidimensionalen Raum, mit hoher Genauigkeit durchzuführenIt was only in 1996 that the authors of the present invention succeeded in providing a calibration method for far-field microscopy (and also for fluorofluorometry) with which it is possible to measure distances between object structures whose distance from one another is less than the resolution of the relevant far-field microscope, i.e. less than that Half width of the main maximum of the effective point image function are apart from each other, regardless of the position of the object structures in question in three-dimensional space, with high accuracy
Dieses Verfahren umfaßt die folgenden SchritteThis procedure includes the following steps
• Vor, wahrend oder nach der Praparation des betreffenden Objekts auf bzw in einem Objekthalter, insbesondere Objekttragerplattchen, Objekttragerfaser/-kapillare oder Objekttragerflussigkeit, werden die zu untersuchenden bzw zu ortenden Strukturen (Meßstrukturen) mit Fluoreszenzfarbstoffen verschiedener und/oder gleicher spektraler Signatur markiert, d h solche zu ortende Strukturen (Meßstrukturen), die sich in unmittelbarer Nahe zueinander, nämlich innerhalb der Halbwertsbreite des Hauptmaximums ihrer effektiven Punktbildfünktion, befinden, werden mit Fluoreszenzfarbstoffen verschiedener spektraler Signatur markiert, wahrend solche Meßstrukturen, deren Abstand voneinander großer ist als die Halbwertsbreite des Hauptmaximums der effektiven Punktbildfünktion, mit Fluoreszenzfarbstoffen verschiedener oder gleicher spektraler Signatur markiert werden Zwei zu ortende Meßstrukturen dürfen immer dann mit der gleichen spektralen Signatur markiert sein, wenn sie z.B durch ihre relative Lage oder durch andere Kriterien eindeutig identifiziert werden können• Before, during or after the preparation of the object in question on or in an object holder, in particular object carrier plates, object carrier fibers / capillaries or object carrier fluids, the structures to be examined or located (measurement structures) are marked with fluorescent dyes of different and / or the same spectral signature, ie Structures to be located (measuring structures) that are in close proximity to one another, namely within the half-width of the main maximum of their effective point image function, are marked with fluorescent dyes of different spectral signatures, while those measuring structures whose distance from one another is greater than the half-width of the main maximum of the effective point image function, marked with fluorescent dyes of different or the same spectral signature. Two measuring structures to be located may always be marked with the same spectral signature if, for example, by their relat ive location or can be clearly identified by other criteria
• Mit den gleichen Fluoreszenzfarbstoffen werden Kalibriertargets definierter Große und raumlicher Anordnung markiert,• With the same fluorescent dyes, calibration targets of defined size and spatial arrangement are marked,
• die fluoreszierenden Kalibriertargets werden entweder zusammen mit den Objekten oder separat auf bzw in dem bzw einem Objekthalter (Objekttragerplattchen, Objekt- tragerfaser/-kapillare, Objekttragerflussigkeit o a ) präpariert • (Untersuchungs-)Objekt und Kalibriertargets werden unter übereinstimmenden Bedingungen, gleichzeitig oder nacheinander mikroskopisch oder flußfluorometrisch untersucht• The fluorescent calibration targets are prepared either together with the objects or separately on or in or in an object holder (slide plates, slide fiber / capillary, slide liquid or the like) • (Examination) object and calibration targets are examined under the same conditions, simultaneously or one after the other microscopically or by fluorofluorometry
• Jeweils zwei definierte Kalibriertargets verschiedener spektraler Signatur werden unter Berücksichtigung des wellenlangenabhangigen Abbildungs- und Lokalisations- verhaltens des jeweiligen optischen Systems (Mikroskop oder Flußfluorometer) vermessen, die dabei ermittelten Meßwerte gleich Ist-Werte werden mit den vorbekannten tatsachlichen Distanzwerten gleich Soll- Werten (d h den aufgrund der Geometrie berechneten Soll-Lokalisationen) verglichen, und die Differenz zwischen Ist-Werten und Soll-Werten, nämlich der Kalibrierwert, wird zur Korrektur des durch das optische System bedingten Versatzes in der Detektion unterschiedlicher E issionsloci insbesondere der Meß Strukturen verwendet• Two defined calibration targets with different spectral signatures are measured taking into account the wavelength-dependent imaging and localization behavior of the respective optical system (microscope or river fluorometer). The measured values determined in this way are equal to actual values and the known actual distance values equal to target values (ie compared to the target locations calculated on the basis of the geometry), and the difference between actual values and target values, namely the calibration value, is used to correct the offset caused by the optical system in the detection of different emission loci, in particular of the measurement structures
Mit anderen Worten Die Distanzmessung zwischen den (je nach Abstand voneinander) mit verschiedenen oder gleichen spektralen Signaturen markierten Objekt-(Sub-) Strukturen - im folgenden auch Meßstrukturen genannt - wird anhand der hochprazisen Lokalisation unabhängiger (Kalibrier-)Targets mit entsprechend spektraler Signatur und mit bekannter Große und raumlicher Anordnung, unter Berücksichtigung des wellenlangenabhangigen Abbildungs- und Lokalisationsverhaltens des jeweiligen optischen Systems durchgeführt, wobei die Kalibriermessung zwischen den (Kalibrier-) Targets und die Messung im biologischen Objekten unter gleichen System- und Randbedingungen stattfindet Diese Kalibriertargets haben dieselbe oder eine höhere Multispektralitat wie die zu messenden (Objekt-) Strukturen Sie können direkt in den biologischen Objekten angeordnet sein, oder als separate Präparate auf einem Objekthalter (Objekttragerplattchen oder Objekttragerfaser/-kapillare oder Objekttragerflussigkeit o a ) vorliegen oder Teil eines Objekthalters seinIn other words, the distance measurement between the object (sub) structures (depending on the distance from each other) marked with different or the same spectral signatures - hereinafter also called measurement structures - is based on the highly precise localization of independent (calibration) targets with a corresponding spectral signature and with a known large and spatial arrangement, taking into account the wavelength-dependent imaging and localization behavior of the respective optical system, the calibration measurement between the (calibration) targets and the measurement in biological objects taking place under the same system and boundary conditions.These calibration targets have the same or one Higher multispectrality such as the (object) structures to be measured They can be arranged directly in the biological objects, or as separate preparations on a specimen holder (specimen slide plates or specimen carrier fiber / capillary or specimen carrier liquid or the like) exist or be part of an object holder
Zwei oder mehrere fluoreszierende Meß Strukturen in intakten, dreidimensionalen biologischen Objekten, deren Abstand und Ausdehnung kleiner als die Halbwertsbreite des Hauptmaximums der effektiven Punktbildfünktion ist, können aufgrund ihrer unterschiedlichen spektralen Signatur (Fluoreszenzabsorptionswellenlangen und oder Fluores- zenzemissionswellenlangen und/oder Fluoreszenzemissionslebensdauern) diskriminiert werden, d h ihr Abstand untereinander kann bestimmt werden Die Abstandsmessung wird auf die Lokalisation der einzelnen Meßstrukturen reduziert und kann — nun auch in der optischen Fernfeldmikroskopie oder Flußfluorometrie — mit einer wesentlich höheren Genauigkeit als die Halbwertsbreite des Hauptmaximums der Punktbildfünktion durchgeführt werden Die Lokalisation des Schwerpunkts der betreffenden Meßstrukturen wird auf die Maximalintensitat ihres Fluoreszenzsignals angepaßt D h aus dem gemessenen (beugungsbegrenzten) Signals (^Intensitatskurve) eines Fluoreszenzpunktes (=fluoreszierende Meß Struktur) wird — unter Berücksichtigung der Gesamtinformation aus Haupt- und Nebenmaxima — der Schwerpunkt (das Baryzen- trum) des Signals bestimmt und damit der Ort der Meßstruktur Bei fehlerfreiem optischen System und infolgedessen idealer Symmetrie der gemessenen Intensitatsverteilung (= Verlauf der Intensitatskurve) kolokalisiert der Schwerpunkt (das Baryzentrum) der Intensitatskurve innerhalb der Lokalisationsgenauigkeit mit dem Hauptmaximum (=Maximum 0 Ordnung des Beugungsbildes) der gemessenen Intensitatsverteilung Dieses neue Kalibrierverfahren erlaubt es mittels optischer Fernfeld-Mikroskopie wie z B. der Wellenfeldmikroskopie (oder auch mittels Scanning-Flußfluorometrie,) geometrische Distanzen in biologischen Mikro-Objekten zu messen, wobei die zu bestimmenden Distanzen geringer sein können als die Halbwertsbreite des Hauptmaximums der effektiven Punktbildfünktion im Objekt Da der Informationsgehalt der damit durchgeführten Distanzbestimmungen einer bei erhöhter Auflosung gewonnenen Distanzmessung entspricht, kann (und wird im folgenden) auch abkürzend von "Auflosungsaquivalent" gesprochen werdenTwo or more fluorescent measuring structures in intact, three-dimensional biological objects, the distance and extent of which is smaller than the full width at half maximum of the main maximum of the effective point image function, can be discriminated on the basis of their different spectral signature (fluorescence absorption wavelengths and or fluorescence emission wavelengths and / or fluorescence emission lifetimes), ie their distance from each other can be determined The distance measurement is reduced to the localization of the individual measuring structures and can now - with optical far-field microscopy or river fluorometry - be carried out with a much higher accuracy than the half-width of the main maximum of the point image function.The localization of the center of gravity of the measuring structures in question is adapted to the maximum intensity of their fluorescence signal D h from the measured (diffraction-limited) signal (^ intensity curve) of a fluorescence point (= fluorescent measurement structure) - taking into account the total information from the main and secondary maxima - the center of gravity (the barycentre) of the signal is determined and thus the location of the measurement structure With an error-free optical system and consequently ideal symmetry of the measured intensity distribution (= course of the intensity curve), the center of gravity (the barycenter) of the intensity curve colocalizes with the main within the localization accuracy maximum (= maximum 0 order of the diffraction pattern) of the measured intensity distribution This new calibration method allows using optical far field microscopy such as wave field microscopy (or also using scanning flow fluorometry) to measure geometric distances in biological micro-objects determining distances can be less than the full width at half maximum of the main maximum of the effective point image function in the object. Since the information content of the distance determinations carried out in this way corresponds to a distance measurement obtained with an increased resolution, one can (and will also in the following) abbreviate "resolution equivalent"
Die multispektrale Kalibrierung erlaubt es, in situ Messungen über das Abbildungsverhalten des Systems am konkreten biologischen Objekt durchzuführen Bei Verwendung der Fluoreszenzlebensdauer als alleinigem Parametertyp und/oder bei Anregung der Fluorochrome mit derselben bzw denselben Photonenenergie(n) entfallt aufgrund der Kalibrierung die in situ Korrektur des chromatischen Versatzes in der Objektebene Für hochstauflosende Fernfeld-Mikroskoptypen wie z B das Wellenfeldmikroskop und bei Verwendung geeigneter Fluoreszenzmarker ermöglicht dieses Kalibrierverfahren dreidimensionale geometrische Distanzmessungen in biologischen Objekten bis hinunter zu molekularer Präzision (d h Auflosungsaquivalent besser 10 nm) Zur Ermittlung von Ist- und Sollwerten, zu deren Vergleich und zur Bestimmung desThe multispectral calibration makes it possible to carry out in situ measurements of the imaging behavior of the system on the specific biological object. If the fluorescence lifetime is used as the sole parameter type and / or if the fluorochromes are excited with the same or the same photon energy (s), the calibration eliminates the in situ correction of the chromatic offset in the object plane For high-resolution far-field microscope types such as the wave field microscope and when using suitable fluorescent markers, this calibration method enables three-dimensional geometric distance measurements in biological objects down to molecular precision (ie resolution equivalent better than 10 nm) To determine actual and target values, to compare them and to determine the
Korrekturwerts/Kalibrierwerts werden vorzugsweise die folgenden Verfahrensschritte durchgeführtCorrection value / calibration value, the following method steps are preferably carried out
- ein oder mehrere Kalibriertargets B mit einem Abstand großer als die Halbwertsbreite des Hauptmaximum der effektiven Punktbildfünktion vom Schwerpunkt der N Meßstrukturen wird/werden mit einer beliebigen spektralen Signatur markiert,one or more calibration targets B with a distance greater than the full width at half maximum of the main maximum of the effective point image function from the center of gravity of the N measurement structures is / are marked with any spectral signature,
- die Abstände d,k (i, k = 1 N, i ≠k ) der Schwerpunkte der spektral getrennten Beugungsfiguren der N Meßstrukturen und die Abstände d,B der N Meßstrukturen zum Kalibriertarget B werden gemessen, wobei automatisierte Verfahren der Bildanalyse angewendet werden,the distances d, k (i, k = 1 N, i ≠ k) of the centers of gravity of the spectrally separated diffraction patterns of the N measurement structures and the distances d, B of the N measurement structures from the calibration target B are measured, using automated methods of image analysis,
- für eine Meßstruktur werden die Strecken dlk und d^ jeweils in der Ebene der schmälsten Punktbildfünktion sowie alle ubπgen Distanzen gemessen werden, wozu das Objekt axialtomographisch jeweils um einen definierten Winkel φm gedreht wird,for a measuring structure, the distances d lk and d ^ are each measured in the plane of the narrowest point image function and all normal distances, for which purpose the object is rotated axially tomographically by a defined angle φ m ,
- optische Aberrationen aus den Kalibrierungsmessungen werden korrigiert, und an die korrigierten gemessenen Abstände d,k (φm ) und d,B (φm ) wird jeweils eine Cosinus- fünktion A,k cos ( φ m + θ lk) bzw A,B cos ( φ m + θ ,B) mit geeigneter Phasenverschiebung angepaßt,optical aberrations from the calibration measurements are corrected, and a cosine function A, k cos (φ m + θ lk ) or A is added to the corrected measured distances d, k (φ m ) and d, B (φ m ), B cos (φ m + θ, B ) adapted with a suitable phase shift,
- die Maxima Alk und A,B der Anpassungsfünktion von d, bzw dß werden durch den Vergroßerungsfaktor dividiert und als euklidischer Abstand D, bzw DlB der N Meßstrukturen untereinander bzw der Abstände der Meßstrukturen zum Bezugspunkt B bestimmt- The maxima A lk and A, B of the adaptation function of d or d ß are divided by the magnification factor and determined as the Euclidean distance D or D lB of the N measuring structures from one another or the distances of the measuring structures from reference point B.
Für die Bestimmung der Maxima werden vorzugsweise zusatzlich die diesen entsprechenden Minima des Abstandes z,k, z& in der zu der Ebene der d,k, d,B orthogonalen Ebene herangezogen und analog ausgewertetFor the determination of the maxima, the minima corresponding to these of the distance z, k, z & in the plane orthogonal to the plane of the d, k , d, B are preferably additionally used and evaluated analogously
Die Ermittlung aller Koordinaten der N Meß Strukturen und ihrer Relativkoordinaten zum Bezugspunkt B, d h die Ermittlung der Positionen x„ y„ z, und X , y , Zk bzw der Abstände Xk - x, , yk - y, , zk - z, und xB - x, , yß - yi , zB - z, , erfolgt erfmdungsgemaß auf der Grundlage der mikroskopisch gemessenen 3D-Abstande D,k bzw D,B , vorzugsweise unter Verwednung des folgenden Gleichungssystems D2 lk = (xk - x,)2 + (yk - y,)2 + (zk - z, )2 D2,B = (xB - x,)2 + (vB - y.)2 + (zB - z, f = (XB - Xk)2 + (VB - yk)2 + (zB - zk)2 The determination of all coordinates of the N measuring structures and their relative coordinates to the reference point B, ie the determination of the positions x "y" z, and X, y, Zk and the distances Xk - x,, yk - y,, z k - z, and x B - x,, yß - yi, z B - z, takes place according to the invention on the basis of the microscopically measured 3D distances D, k or D, B , preferably using the following system of equations D 2 lk = (x k - x,) 2 + (y k - y,) 2 + (z k - z,) 2 D 2 , B = (x B - x,) 2 + (v B - y.) 2 + (z B - z , f = (XB - Xk) 2 + (VB - yk) 2 + (z B - z k ) 2
Zur Absicherung der ermittelten Meßergebnsisse sollte die vorstehend beschriebene Vorgehensweise für mehrere Kalibriertargets B und die gleichen N Meßstrukturen durchgeführt werdenTo safeguard the determined measurement results, the procedure described above should be carried out for several calibration targets B and the same N measurement structures
Die Koordinaten und Abstände der N Meßstrukturen können anhand der Schwerpunkte ermittelt werden, die sich aus Schwerpunktmittelungen der Messungen zu allen Bezugspunkten ergebenThe coordinates and distances of the N measuring structures can be determined on the basis of the centers of gravity, which result from averaging the centers of gravity of the measurements to all reference points
Insbesondere für graphische Darstellungen werden die ermittelten Positionen x,, y,, z, und XB, VB, ZB vorzugsweise mit einer Punktbildfünktion gefaltet, die eine Halbwertsbreite mit dem jeweils erreichten Auflosungsaquivalent besitztIn particular for graphic representations, the determined positions x ,, y ,, z, and X B , V B , Z B are preferably folded using a point image function which has a half-width with the resolution equivalent achieved in each case
Zur Fluorochrommarkierung von Meßstrukturen und Kalibriertargets werden vorzugsweise solche Fluorochrome verwendet, die im ultravioletten, sichtbaren und/oder infraroten Lichtwellenlangenbereich angeregt werden können und die im ultravioletten, sichtbaren und/oder infraroten Lichtwellenlangenbereich emittierenFor the fluorochrome marking of measurement structures and calibration targets, those fluorochromes are preferably used which can be excited in the ultraviolet, visible and / or infrared light wavelength range and which emit in the ultraviolet, visible and / or infrared light wavelength range
Als Kalibriertargets können entweder biologische Kalibriertargets oder nicht-biologische bzw synthetische Kalibriertargets eingesetzt werdenEither biological calibration targets or non-biological or synthetic calibration targets can be used as calibration targets
Bei den biologischen Kalibriertargets handelt es sich um markierte Regionen des biologischen Objekts mit bekannter Distanz voneinander Die Markierung(en) der betreffenden Region(en) kann(konnen) beispielsweise mit geeigneten biochemischen Sonden durchgeführt werden Die Verwendung solcher biologischer Kalibriertargets hat gegenüber der Verwendung synthetischer Kalibriertargets, beispielsweise Kalibrierkugelchen, den praktischen Vorteil, daß bei der Kalibrierung neben den optischen Randbedingungen des Objektes zusatzlich praparativ bedingte Randeffekte in die Kalibrierung einfließen, wie z B das Verhältnis aus tatsachlichen Fluoreszenzsignal zu unspezifischem Hintergrund (das durch automatische Bildanalysealgorithmen bestimmt wird)The biological calibration targets are marked regions of the biological object with a known distance from one another. The marking (s) of the region (s) in question can (can) be carried out, for example, with suitable biochemical probes. The use of such biological calibration targets is compared to the use of synthetic calibration targets , for example calibration spheres, the practical advantage that, in addition to the optical boundary conditions of the object, additional effects caused by the preparation flow into the calibration, such as the ratio of the actual fluorescence signal to the unspecific background (which is determined by automatic image analysis algorithms)
Als nicht-biologische bzw synthetische Kalibriertargets eignen sich ganz besonders Mikrokugelchen, die die gleiche oder eine höhere multispektrale Signatur als die zu ortenden Meßstrukturen aufweisen Sie werden wie die biologischen Objekte behandelt Solche Kalibriertargets sind vorzugsweise auf Objekthaltern in definierter Raumanordnung fixiert Die Fixierung kann bereits bei der Fabrikation der betreffenden Objektträger geschehen , was insbesondere für die Routinebenutzung von Vorteil ist Zur Behebung des bei allen bekannten Fernfeldmikroskopieverfahren bestehenden Problems, daß die Breite des Hauptmaximums der Punktbildfünktion und damit die Auflosungsgrenze von der relativen Lage im Raum abhangt, d h z B senkrecht zur optischen Achse (= lateral) schmaler ist als in Richtung der optischen Achse (= axial ), kann das genannte Kalibrierverfahren sehr gut mit den im Stand der Technik bekannten sog Mi- kroaxialtomographieverfahren kombiniert werden Bei diesen Mikroaxialtomographiever- fahren werden die (biologischen) Objekte in Kapillaren oder auf Glasfasern angeordnet und im bzw unter dem Mikroskop definiert um eine Achse, die normalerweise senkrecht zur optischen Achse des Mikroskops steht, gedreht werden, wobei Abstandsmessungen in derjenigen Richtung durchgeführt werden, die die schmälste Halbwertsbreite der effektiven Punktbildfünktion besitztMicrospheres with the same or a higher multispectral signature than the measurement structures to be located are particularly suitable as non-biological or synthetic calibration targets.They are treated like biological objects.These calibration targets are preferably fixed on object holders in a defined spatial arrangement The slides in question are fabricated, which is particularly advantageous for routine use To eliminate the problem existing in all known far-field microscopy methods that the width of the main maximum of the point image function and thus the resolution limit depends on the relative position in space, ie z B perpendicular to the optical axis (= lateral) is narrower than in the direction of the optical axis (= axial ), the calibration method mentioned can be combined very well with the so-called microaxial tomography methods known in the prior art. With these microaxial tomography methods, the (biological) objects are arranged in capillaries or on glass fibers and defined in or under the microscope about an axis which is normally perpendicular to the optical axis of the microscope, are rotated, distance measurements are carried out in the direction which has the narrowest half-width of the effective point image function
Ein Fernfeld-Lichtmikroskopieverfahren, das sich für die Detektion und Abbildung von insbesondere sehr kleinen, durch Fluoreszenzmarker kenntlich gemachte Substrukturen in biologischen Objekten besonders eignet, weil es gegenüber den bekannten Epifluores- zenzmikroskopieverfahren oder der konfokalen Laser- Scanning-Mikroskopie den Vorteil aufweist, daß es auch in axialer Richtung - senkrecht zu den Wellenfronten - eine Tiefendiskriminierung und damit wesentlich verbesserte Auflosung ermöglicht (ihre Dimension kann bei hoher Numerischer Apertur wesentlich geringer als die Wellenlange des zur Anregung verwendeten Lichtes sein), ist das Wellenfeldmikroskopieverfahren Bei der Wellenfeldmikroskopie, wie sie z B in der US-Patentschrift 4,621,911 beschrieben ist, werden fluoreszierende bzw lumineszierende Präparate im optischen Mikroskop mit einem stehenden Wellenfeld beleuchtet (Standing Wave Field Fluore- scence Microscopy, SWFM) Ein stehendes Wellenfeld entsteht (nur) dort, wo Licht koharenzfahig überlagert wird Die Präparate werden in einer Zone aquidistanter ebener Wellenfronten angeordnet und zur Fluoreszenz oder Phosphoreszenz angeregt Der Abstand der Wellenfronten und ihre Phase können (insbesondere zur Bilderzeugung) variiert werden Aus einzelnen optischen Schnitten kann durch Computer-Bildverarbeitung die dreidimensionale Verteilung der fluoreszenten bzw lumineszenten Objektpunkte rekonstruiert werden Die ebenen Wellenfronten sind senkrecht zur optischen Achse des detektierenden Objektives angeordnet und werden durch kohärente Überlagerung zweier Laserstrahlen unter einem definierten Winkel θ zur optischen Achse des Mikroskopsystems erzeugt, wobei der Winkel θ den Abstand der Wellenfronten untereinander bestimmt — bei gegebener Wellenlange und Brechungsindex An Stelle von zwei sich kreuzenden Laserstrahlen kann das Wellenfeld auch dadurch erzeugt werden, daß ein Laserstrahl nach geeigneter Reflexion unter einem bestimmten Winkel (z B mit einem Spiegel) mit sich selbst zur Interferenz gebracht wird Die ebenen Wellenfronten zeichnen sich dadurch aus, daß der Intensitatsverlauf in Richtung senkrecht zu den Wellenfronten (co)sinusformig ist Die Fluoreszenz bzw Lumineszenz wird entweder durch entsprechende optische Filter spektral diskriminiert und in verschiedenen Strahlengangen geführt oder konfokal detek- tiert Die erzielbare Auflosung, d h die kleinste noch meßbare Distanz zwischen zwei punktformigen Objektstrukturen, die mit Fluorochromen gleicher spektraler Signatur markiert sind, ist entweder durch das Abbe-Kriterium (= das Maximum 0 Ordnung des Beugungsbildes eines Punktobjektes ist im 1 Minimum des Beugungsbildes eines zweiten Punktobjektes lokalisiert) oder durch die Halbwertsbreite des Hauptmaximums der effektiven Punktbildfünktion gegeben Sie hangt von der jeweiligen Wellenlange, der Numerischen Apertur des verwendeten Objektivs, sowie von den lokalen Brechzahlen der Objekte, des Einbettungsmediums, der eventuell verwendeten Deckglaser und der eventuell eingesetzter Immersionsflussigkeiten abA far-field light microscopy method which is particularly suitable for the detection and imaging of, in particular, very small substructures in biological objects identified by fluorescent markers, because it has the advantage over the known epifluorescence microscopy methods or confocal laser scanning microscopy that it Also in the axial direction - perpendicular to the wave fronts - depth discrimination and thus significantly improved resolution (its dimension can be much smaller than the wavelength of the light used for excitation with a high numerical aperture) is the wave field microscopy method in wave field microscopy as it is e.g. In US Pat. No. 4,621,911, fluorescent or luminescent specimens are illuminated in the optical microscope with a standing wave field (Standing Wave Field Fluorescence Microscopy, SWFM). A standing wave field arises (only) where light k The specimens are arranged in a zone of flat, flat wavefronts and excited to fluorescence or phosphorescence.The distance between the wavefronts and their phase can be varied (especially for imaging). The three-dimensional distribution of the fluorescent or luminescent material can be made from individual optical sections using computer image processing Object points can be reconstructed The plane wave fronts are arranged perpendicular to the optical axis of the detecting lens and are generated by coherent superposition of two laser beams at a defined angle θ to the optical axis of the microscope system, the angle θ determining the spacing of the wave fronts from one another - for a given wavelength and refractive index instead of two crossing laser beams, the wave field can also be generated by causing a laser beam to interfere with itself after suitable reflection at a certain angle (e.g. with a mirror). The plane wave fronts are characterized by the fact that the intensity curve is perpendicular to the wavefronts (co) is sinusoidal. The fluorescence or luminescence is either spectrally discriminated by appropriate optical filters and guided in different beam paths or detected confocally. The achievable resolution, ie the smallest yet measurable distance z between two point-shaped object structures, which are marked with fluorochromes of the same spectral signature, is either by the Abbe criterion (= the maximum 0 order of the diffraction pattern of a point object is located in the 1 minimum of the diffraction pattern of a second point object) or by the half-width of the main maximum of the effective one Point image function given It depends on the respective wavelength, the numerical aperture of the lens used, as well as on the local refractive indices of the objects, the embedding medium, the cover glasses that may be used and the immersion fluids that may be used
Die bekannten Wellenfeldmikroskope sind im Prinzip wie folgt aufgebaut Sie umfassenThe known wave field microscopes are basically constructed as follows
(I) ein Beleuchtungs- bzw Anregungssystem, bestehend aus wenigstens einer reellen und einer virtuellen Beleuchtungsquelle und wenigstens einem Objektiv, die derart zueinander angeordnet sind, daß sie zur Erzeugung eines eindimensionalen, sinusförmigen, stehenden Wellenfeldes geeignet sind,(I) an illumination or excitation system consisting of at least one real and a virtual illumination source and at least one objective, which are arranged with respect to one another in such a way that they are suitable for generating a one-dimensional, sinusoidal, standing wave field,
(II) einen Objektraum, mit(II) an object space with
Halte und Manovriervorrichtungen für das Objekt, und (πi) ein Detektionssystem, bestehend aus wenigstens einem Objektiv, wenigstens einem Okular und wenigstens einem Detektor, wobei es sich häufig um eine Kamera, insbesondere eine CCD-Kamera handelt, die so positioniert ist, daß der CCD-Chip in der Zwischenbildebene liegtHolding and maneuvering devices for the object, and (πi) a detection system consisting of at least one objective, at least one eyepiece and at least one detector, which is often a camera, in particular a CCD camera, which is positioned such that the CCD chip lies in the intermediate image plane
Ein Nachteil dieses Wellenfeldmikroskops nach dem Stand der Technik, im folgenden "eindimensionales Wellenfeldmikroskop" ("SWFM") genannt, bzw der damit durchführbaren Wellenfeldmikroskopieverfahren besteht darin, daß das periodisch erzeugte Wellenfeld (bei epifluoreszenter Detektion in Verbindung mit Verfahren des Optical Sectioning) zu einer Mehrdeutigkeit in der Aufnahme bzw Abbildung einer Objektstruktur führt, deren Ausdehnung in Richtung senkrecht zu den Wellenfronten wesentlich großer als λ/2n ist (λ=Wellenlange der Anregung, n= effektiver Brechungsindex) Diese Mehrdeutigkeit erschwert zunächst eine effektive Nutzung der durch das Interferenzmuster erzielten AuflosungsverbesserungA disadvantage of this prior art wave field microscope, hereinafter referred to as "one-dimensional wave field microscope" ("SWFM"), or the wave field microscopy method that can be carried out with it, is that the periodically generated wave field (with epifluorescent detection in conjunction with optical sectioning methods) becomes one Ambiguity in the recording or imaging of an object structure leads, the extent of which in the direction perpendicular to the wavefronts is substantially greater than λ / 2n (λ = wavelength of the excitation, n = effective refractive index) This ambiguity initially makes effective use of the resolution improvement achieved by the interference pattern difficult
Zur Durchführung von Distanzmessungen und anderen Untersuchungen der raumlichen Verhaltnisse von dreidimensionalen Objekten können die bekannten Fernfeldmikroskopieverfahren einschließlich der eindimensionalen Wellenfeldmikroskopie mit Axialtomographie kombiniert werden Hierzu werden die zu untersuchenden biologischen Objekte, ggf nach Ausrüstung mit Kalibriertargets, in oder auf einer Mikrokapillare oder Glasfaser als Objekthalter bzw Objektträger präpariert Die Kapillare/Faser hat einen exakt definierten Durchmesser, wobei verschiedene Durchmesser möglich sind Zur Festlegung dieser Kapillare/Faser auf dem Mikroskoptisch dient eine spezielle Halterung vorgeschlagen, die aus einem starren, vorzugsweise dorsiventral abgeplatteten Rahmen besteht, an bzw auf dem wenigstens eine Lagerbuchse montiert ist, in der eine Mikrokapillare oder Glasfaser um ihre Langsachse rotierfahig (vorzugsweise mit der Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse des Mikroskops) gelagert werden kann (Die Lagerbuchse(n) sollten so angeordnet sein, daß die Rotationsachse der Kapillare/Faser senkrecht zur optischen Achse des Mikroskops verlauft ) Die Drehung der Untersuchungsobjekte in oder an der Kapillare/Faser erfolgt durch Drehung der Kapillare/Faser direkt, vorzugsweise vermittels eines Drehmotors Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wellenfeldmikroskop der bekannten Art derart weiter zu bilden, daß es zur Erzeugung von ebenen Wellenfeldern in mehr als einer Dimension bei hoher Variabilität der Abstände der Interferenzmaxima geeignet ist, und das vorgenannte Kalibrierverfahren derart weiter zu entwickeln, daß es in Kombination mit einem solchen Wellenfeldmikroskop einsetzbar ist Darüber hinaus soll ein Verfahren zur wellenfeldmikroskopischen DNA- Sequenzierung geschaffen werden.To carry out distance measurements and other investigations of the spatial relationships of three-dimensional objects, the known far-field microscopy methods, including one-dimensional wave field microscopy, can be combined with axial tomography.For this purpose, the biological objects to be examined, if necessary after being equipped with calibration targets, in or on a microcapillary or glass fiber as object holder or object holder prepared The capillary / fiber has a precisely defined diameter, with different diameters being possible. To fix this capillary / fiber on the microscope stage, a special holder is proposed, which consists of a rigid, preferably dorsiventrally flattened frame, mounted on or on which at least one bearing bush is in which a microcapillary or glass fiber can be rotated about its longitudinal axis (preferably with the axis of rotation perpendicular to the optical axis of the microscope) (Die Bearing bushing (s) should be arranged so that the axis of rotation of the capillary / fiber runs perpendicular to the optical axis of the microscope) The objects to be examined in or on the capillary / fiber are rotated by rotating the capillary / fiber directly, preferably by means of a rotary motor The present invention has for its object to develop a wave field microscope of the known type such that it is suitable for generating plane wave fields in more than one dimension with high variability in the distances of the interference maxima, and to develop the aforementioned calibration method in such a way that it can be used in combination with such a wave field microscope. Furthermore, a method for wave field microscopic DNA sequencing is to be created.
Eine Losung dieser Aufgabe besteht einerseits in der Bereitstellung der nachstehend beschriebenen sog "mehrdimensionalen Wellenfeldmikroskope", andererseits in der Bereitstellung des ebenfalls nachstehend beschriebenen, an die Anwendung eines mehrdimensionalen Wellenfeldmikroskops angepaßten Kalibπerverfahrens Darüber hinaus wird ein Verfahren zur "Fluoreszenz-DNA-Sequenzierung" bereit gestelltOne solution to this problem is, on the one hand, to provide the so-called "multidimensional wave field microscopes" described below, and on the other hand to provide the calibrating method that is also described below and is adapted to the use of a multidimensional wave field microscope. Furthermore, a method for "fluorescence DNA sequencing" is provided
Bei dem einen erfindungsgemaßen "mehrdimensionalen Wellenfeldmikroskop" (Typ I) handelt es sich um ein Wellenfeldmikroskop der eingangs genannten Art, das durch die nachfolgend aufgelisteten Merkmale gekennzeichnet istThe "multidimensional wave field microscope" (type I) according to the invention is a wave field microscope of the type mentioned at the outset, which is characterized by the features listed below
(1) Das Beleuchtungs- bzw Anregungssystem umfaßt in zwei oder allen drei Raumrichtungen wenigstens eine reelle oder virtuelle Beleuchtungsquelle für koharenzfahige Lichtstrahlen und wenigstens einen Reflektor oder Strahlteiler zur Auskopplung von Teilstrahlen oder eine weitere Beleuchtungsquelle für koharenzfahige Lichtstrahlen, denen jeweils wenigstens ein Objektiv zugeordnet ist, und die jeweils zur Erzeugung von Lichtwellenzugen geeignet sind, wobei die Lichtwellenzuge der einen Beleuchtungsquelle antiparallel oder in variabel einstellbaren Winkeln zu den Lichtwellenzugen des Reflektors bzw der anderen Beleuchtungsquelle ausgerichteten sind, und zwar derart, daß die von der einen Beleuchtungsquelle ausgesendeten Lichtwellenzuge mit denen des Reflektors bzw der anderen Beleuchtungsquelle zu einem stehenden Wellenfeld mit ebenen Wellenfronten interferieren(1) The lighting or excitation system comprises in two or all three spatial directions at least one real or virtual lighting source for coherent light beams and at least one reflector or beam splitter for coupling out partial beams or a further lighting source for coherent light beams, each of which is assigned at least one objective, and which are each suitable for generating light wave trains, the light wave trains of the one illumination source being aligned antiparallel or at variably adjustable angles to the light wave trains of the reflector or the other illumination source, in such a way that the light wave trains emitted by the one illumination source match those of the reflector or the other lighting source to interfere with a standing wave field with flat wave fronts
(2) Das Detektionssystem umfaßt wenigstens ein zur epifluoreszenten Detektion geeignetes und/oder wenigstens ein zur rasternden Punktdetektion geeignetes Detekti- onsobjektiv vorzugsweise hoher numerischer Apertur, welches mit seiner optischen Achse senkrecht zu den Wellenfronten eines der interferierenden Wellenfelder angeordnet ist und welches mit einem Objektiv des Anregungssystems identisch sein kann. Dem zur epifluoreszenten Detektion geeigneten Detektionsobjektiv ist ein flachiger (zweidimensionaler) Detektor, z B. eine Kamera vorgeordnet, wahrend dem zur rasternden Punktdetektion geeigneten Detektionsobjektiv wenigstens eine feststehende konfokale Detektionsringblende und/oder -lochblende und/oder wenigstens ein feststehender Detektionsschlitz vorgeordnet und ein Punktdetektor, insbesondere ein Photomultiplier, eine Photodiode oder eine Diodenarray nachgeordnet ist Unter "hoher" numerischer Apertur ist hier eine numerische Apertur > 1 und unter "niedriger" numerischer Apertur eine numerische Apertur < 1 zu verstehen.(2) The detection system comprises at least one detection lens suitable for epifluorescent detection and / or at least one detection lens suitable for scanning point detection, preferably a high numerical aperture, which with its optical Axis is arranged perpendicular to the wave fronts of one of the interfering wave fields and which can be identical to a lens of the excitation system. The detection lens suitable for epifluorescent detection is preceded by a flat (two-dimensional) detector, e.g. a camera, while the detection lens suitable for scanning point detection is preceded by at least one fixed confocal detection ring diaphragm and / or pinhole diaphragm and / or at least one fixed detection slit and a point detector, in particular, a photomultiplier, a photodiode or a diode array is arranged downstream. “High” numerical aperture is understood here to mean a numerical aperture> 1 and “low” numerical aperture means a numerical aperture <1.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform dieses Wellenfeldmikroskops (Typ I) ist in wenigstens einer Raumrichtung einem Objektiv hoher numerischer Apertur ein Objektiv niedriger numerischer Apertur oder ein Reflektor zugeordnet, und in einer oder beiden anderen Raumrichtung(en) sind entweder zwei Objektive niedriger numerischer Apertur oder ein Objektiv niedriger numerischer Apertur und ein Reflektor einander zugeordnet.In a particularly preferred embodiment of this wave field microscope (type I), a lens with a high numerical aperture is assigned a lens with a high numerical aperture or a reflector in at least one spatial direction, and either two lenses with a low numerical aperture or one are associated in one or both other spatial directions Objective low numerical aperture and a reflector assigned to each other.
Bei dem anderen erfindungsgemäßen "mehrdimensionalen Wellenfeldmikroskop" (TypIn the other "multidimensional wave field microscope" according to the invention (type
II) handelt es sich um ein Wellenfeldmikroskop der eingangs genannten Art, das durch die folgenden Merkmale charakterisiert ist.II) it is a wave field microscope of the type mentioned, which is characterized by the following features.
(1) Das Beleuchtungs- bzw Anregungssystem umfaßt in wenigstens einer der drei Raumrichtungen wenigstens eine reelle oder virtuelle Beleuchtungsquelle für koharenzfahige Lichtstrahlen und wenigstens einen Strahlteiler zur Auskopplung von wenigstens einem Teilstrahl, denen ein gemeinsames Objektiv zugeordnet ist, in das die Lichttrahlen bzw. Lichtwellenzuge der Beleuchtungsquelle(n) und des/der Strahlteiler(s) derart eingekoppelt werden können, daß sie auf der hinteren (dem Objektraum abgewandten) Fokalebene zwei voneinander beabstandete Fokuspunkte erzeugen und in dem Raum zwischen den beiden Fokalebenen in variabel einstellbarem Winkel zueinander verlaufen und zu einem eindimensionalen stehenden Wellenfeld interferieren. (2) Das Detektionssystem umfaßt wenigstens ein zur epifluoreszenten Detektion geeignetes und/oder wenigstens ein zur rasternden Punktdetektion geeignetes Detektionsobjektiv vorzugsweise hoher numerischer Apertur, das auch mit einem Objektiv des Anregungssystems identisch sein kann. Dem zur epifluoreszenten Detektion geeigneten Detektionsobjektiv ist ein flächiger (zweidimensionaler) Detektor, z.B. eine Kamera vorgeordnet, während dem zur rasternden Punktdetektion geeigneten Detektionsobjektiv wenigstens eine feststehende konfokale Detektionsringblende und/oder -lochblende und/oder wenigstens ein feststehender Detektionsschlitz vorgeordnet und ein Punktdetektor, insbesondere ein Photomultiplier, eine Photodiode oder eine Diodenarray nachgeordnet ist.(1) In at least one of the three spatial directions, the lighting or excitation system comprises at least one real or virtual lighting source for coherent light beams and at least one beam splitter for coupling out at least one partial beam, to which a common lens is assigned, into which the light beams or light wave trains of Illumination source (s) and the beam splitter (s) can be coupled in such a way that they generate two spaced focal points on the rear focal plane (facing away from the object space) and run in the space between the two focal planes at a variably adjustable angle to one another and to one one-dimensional standing wave field. (2) The detection system comprises at least one detection lens suitable for epifluorescent detection and / or at least one detection lens suitable for scanning point detection, preferably a high numerical aperture, which can also be identical to a lens of the excitation system. The detection lens suitable for epifluorescent detection is preceded by a flat (two-dimensional) detector, for example a camera, while the detection lens suitable for scanning point detection is preceded by at least one fixed confocal detection ring diaphragm and / or pinhole diaphragm and / or at least one fixed detection slot and a point detector, in particular a Photomultiplier, a photodiode or a diode array is arranged downstream.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieses Wellenfeldmikroskops (Typ II) weist das Beleuchtungs- bzw. Anregungssystem in derselben oder einer oder beiden anderen Raumrichtung(en) jeweils wenigstens eine weitere reelle oder virtuelle Beleuchtungsquelle für kohärenzfähige Lichtstrahlen und/oder wenigstens einen Strahlteiler zur Auskopplung von wenigstens einem Teilstrahl auf, dem/denen jeweils ein weiteres Objektiv zugeordnet ist, durch das der/die Lichtstrahlen (Lichtwellenzüge) in den Objektraum gelenkt und derart ausgerichtet sind, daß sie mit den Lichtstrahlen aus derselben oder aus der /den beiden anderen Raumrichtung(en) bzw. dem von diesen gebildeten ein- oder zweidimensionalen Wellenfeld zu einem zwei- bzw. dreidimensionalen Wellenfeld interferieren.In a preferred embodiment of this wave field microscope (type II), the illumination or excitation system in the same or one or both other spatial direction (s) each has at least one further real or virtual illumination source for coherent light beams and / or at least one beam splitter for coupling out at least one Partial beam, to which a further lens is assigned, through which the light rays (light wave trains) are directed into the object space and aligned in such a way that they can be combined with the light rays from the same or from the other two spatial direction (s) or interfere with the one- or two-dimensional wave field formed by them to form a two- or three-dimensional wave field.
Eine weitere, sehr vorteilhaften Weiterbildung sämtlicher vorstehend genannten erfindungsgemäßen Wellenfeldmikroskope (Typ I und Typ II) zeichnet sich dadurch aus, daß der Objektraum eine Objekthalterung umfaßt, in bzw. an der das Objekt mit den Meßstrukturen und/oder gegebenenfalls den/die Kalibriertarget(s) um eine oder zwei orthogonal zueinander verlaufende Achsen drehbar in dem Wellenfeld gelagert ist, wobei für wenigstens eine Achse eine Drehbarkeit um 360-Grad (2π) bevorzugt ist. Mit diesen erfindungsgemaßen mehrdimensionalen Wellenfeldmikroskopen Typ I und Typ II ist es möglich, eine zeitlich sequentielle und/oder simultane Detektion mehrerer Objektebenen durch eine, zwei und/oder drei Objektive (bzw zu deren orthogonalen Achsen) durchzuführen Prazisionsdistanzmessungen von Punktobjekten gleicher oder verschiedener spektraler Signatur, deren Abstände kleiner als die Halbwertsbreiten der Hauptmaxima der effektiven Punktbildfünktionen sind, können in (allen) Raumrichtungen vorgenommen werdenA further, very advantageous further development of all the above-mentioned wave field microscopes according to the invention (type I and type II) is characterized in that the object space comprises an object holder in or on which the object with the measurement structures and / or possibly the calibration target (see ) is rotatably mounted about one or two axes running orthogonally to one another in the shaft field, with a rotatability through 360 degrees (2π) being preferred for at least one axis. With these multidimensional type I and type II wave field microscopes according to the invention, it is possible to carry out a temporally sequential and / or simultaneous detection of several object planes by one, two and / or three objectives (or their orthogonal axes). Precision distance measurements of point objects of the same or different spectral signature, whose distances are smaller than the half-widths of the main maxima of the effective point image functions can be carried out in (all) spatial directions
Die feststehende(n) konfokale(n) Detektionsringblende(n), -lochblende und/oder der/die feststehende(n) Detektionsschlitz(e) in Kombination mit wenigstens einem geeigneten Lichtintensitatsdetektor bietet/bieten die vorteilhafte Möglichkeit, daß das Objekt in x-, y- und z-Richtung durch das Wellenfeld gerastert werden kann (Objekt- oder Stage- scanning)The fixed confocal detection ring diaphragm, pinhole aperture and / or the fixed detection slit (s) in combination with at least one suitable light intensity detector offers the advantageous possibility that the object in x- , y and z directions can be scanned by the wave field (object or stage scanning)
Das erfindungsgemaße Wellenfeldmikroskop Typ II und die damit durchführbaren Wel- lenfeldmikroskopie hat — insbesondere gegenüber der bekannten eindimensionalen Wellenfeldmikroskopie — überdies den Vorteil, daß sowohl die laterale Auflosung (d h senkrecht zur optischen Achse) als auch die axiale Auflosung wesentlich verbessert ist Es ist erstmals eine Diskriminierung von flachenhaften Objekten in axialer Richtung ohne den Einsatz von konfokalen Systemen möglich Außerdem besteht die vorteilhafte Möglichkeit, daß man das Objekt wahrend der Untersuchung bzw zur Aufnahme / Datenregistrierung in lateraler Richtung verschieben kann Mit Hilfe von Bildverarbeitungs- und Rekonstruktionsverfahren laßt sich dann aus den somit erhaltenen Mehrfachaufhahmen eine höhere laterale Auflosung gewinnen Der erfindungsgemaße Aufbau Typ II mit einem Objektiv eignet sich außerdem auch zur Erzeugung eines eindimensionalen Wellenfeldes senkrecht zur optischen Achse eines Epifluoreszenzmikroskops und damit zur lateralen Auflosungsverbesserung desselbenThe type II wave field microscope according to the invention and the wave field microscopy that can be carried out therewith - in particular compared to the known one-dimensional wave field microscopy - also have the advantage that both the lateral resolution (ie perpendicular to the optical axis) and the axial resolution are significantly improved. For the first time there is discrimination of flat objects in the axial direction possible without the use of confocal systems. There is also the advantageous possibility that the object can be moved in the lateral direction during the examination or for recording / data registration. With the help of image processing and reconstruction methods, it can then be obtained from the thus obtained Multiple acquisitions gain a higher lateral resolution The type II structure according to the invention with an objective is also suitable for generating a one-dimensional wave field perpendicular to the optical axis of an epifluorescence microscope s and thus to improve the lateral resolution of the same
Bei einer weiteren Ausführungsvariante dieser "Mehrdimensionalen Wellenfeldmikroskope" (Typ I und/oder Typ II) sind die das mehrdimensionale Wellenfeld erzeugende^) Beleuchtungsquelle(n) und/oder der/die Reflektor(en) und/oder der/die Strahlteiler und/oder das/die Objektiv(e) und damit das mehrdimensionale Wellenfeld um eine oder zwei orthogonal zueinander verlaufende Achsen drehbar angeordnet bzw montiertIn a further embodiment variant of these “multidimensional wave field microscopes” (type I and / or type II), the illumination source (s) generating the multidimensional wave field and / or the reflector (s) and / or the beam splitter and / or the lens (s) and thus the multidimensional wave field around one or two axially orthogonal axes rotatably arranged or mounted
Zur Abbildung der lateralen Objektbereiche eines im zwei- oder dreidimensionalen Wellenfeld feststehenden Objekts auf die Detektorringblende, -lochblende bzw den Detektorschlitz kann jedes erfindungsgemaße Wellenfeldmikroskop (Typ I und/oder Typ II) mit einem Scannerspiegel ausgerüstet sein, der derart angeordnet ist, daß er die betreffenden lateralen Objektbereiche mit der gewünschten, meist maximalen, Fluoreszenzin- tensitat abbildetIn order to image the lateral object areas of an object fixed in the two- or three-dimensional wave field onto the detector ring diaphragm, aperture diaphragm or the detector slit, each wave field microscope according to the invention (type I and / or type II) can be equipped with a scanner mirror which is arranged in such a way that it detects the maps the relevant lateral object areas with the desired, usually maximum, fluorescence intensity
Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemaßen mehrdimensionalen Wellenfeldmikroskope (Typ I und/oder Typ II), die für Zwei- oder Mehr-Photonen- Fluoreszenzanregungen geeignet ist, den sog "Wellenfeldmikroskopen mit kombinierter Mehr-Photonen-Fluoreszenzanregung", umfaßt das jeweilige Beleuchtungssystem in wenigstens einer der drei Raumrichtungen eine reelle Beleuchtungsquellen für die Zweioder Mehrphotonenanregung und in einer oder beiden anderen Raumrichtung(en) eine reelle und/oder virtuelle Beleuchtungsquelle für die Zwei- oder Mehrphotonenanregung Die damit erzeugten stehenden Wellenfelder (WFi ,WF2, , WF,) weisen voneinander verschiedene Wellenlangen (λi, λ2 , λ, ) auf, und die Distanzen (dl5 d2, , d,) zwischen ihren jeweiligen Wellenmaxima bzw Wellenminima betragen 2n cosθi bzw d2 = λ2/ 2n cosθ2 bzw d, = λ,/ 2n cosθ, (mit n = Brechungsindex im Objektraum, θi, θ2 , θ, = Kreuzungswinkel des Lichtwellenzugs der Wellenlange λi, λ2 ,λ, mit der optischen Achse) Diese Wellenfelder WFι,WF2 W, sind erfindungsgemaß derart zueinander ausgerichtet, daß sich mindestens ein Maximum zweier oder aller stehenden Wellen an derselben Stelle, nämlich dem Ort einer Mehrphototonenanregung, befindetIn a particularly advantageous development of the multi-dimensional wave field microscope (type I and / or type II) according to the invention, which is suitable for two- or more-photon fluorescence excitations, the so-called "wave field microscopes with combined multi-photon fluorescence excitation", the respective illumination system comprises in at least one of the three spatial directions has a real illumination source for the two- or multi-photon excitation and in one or both other spatial directions a real and / or virtual illumination source for the two- or multi-photon excitation. The standing wave fields generated thereby (WFi, WF 2 ,, WF,) have mutually different wavelengths (λi, λ 2 , λ,), and the distances (d l5 d 2 ,, d,) between their respective wave maxima or wave minima 2n cosθi or d 2 = λ 2 / 2n cosθ 2 or d, = λ, / 2n cosθ, (with n = refractive index in the object space, θi, θ 2 , θ, = crossing angle of the light wave train of wavelength λi, λ 2 , λ, with the optical axis) These wave fields WFι, WF 2 W, are aligned with each other according to the invention in such a way that at least a maximum of two or all standing waves is at the same point, namely the location of a multi-photon excitation
Geeignete Beleuchtungsquellen für die Zwei- oder Mehrphotonenanregung sind im Stand der Technik bekannt und z B in der Druckschrift von W Denk, J H Strickler, W W Webb, "Two-Photon Laser Scanning Fluorescence Microscopy", Science, Vol 248, pp 73-76 (6 April 1990) beschrieben, auf deren Inhalt hier ausdrucklich Bezug genom- men wird Diese Beleuchtungsquellen produzieren entweder Photonen unterschiedlicherSuitable illumination sources for two- or multi-photon excitation are known in the prior art and are described, for example, in the publication by W Denk, JH Strickler, WW Webb, "Two-Photon Laser Scanning Fluorescence Microscopy", Science, Vol 248, pp 73-76 ( 6 April 1990), the content of which is expressly referred to here. These lighting sources either produce different photons
Wellenlangen oder kohärente Photonen gleicher WellenlangeWavelengths or coherent photons of the same wavelength
Ein besonderer Vorteil der Kombination aus Ein- und Zwei- oder Mehrphotonenanregung besteht in der gleichzeitigen Anregung von Fluoreszenzmarkern verschiedener spektraler Signatur Hierdurch können Fehler der Distanzmessung aufgrund der chromatischen Aberration im Objekt eliminiert werden Bei der Zwei-Photonen-Anregung wird ein Fluorochrommolekul dann angeregt, wenn zwei Photonen simultan die Energie für die Anregung eines Moleküls liefern Dabei können die zwei an der Anregung des Moleküls beteiligten Photonen dieselbe oder unterschiedliche Wellenlangen bzw Energeien besitzen Für eine koinzidente Anregung mit unterschiedlichen Wellenlangen (λi, λ2) müssen bei der sog " Zwei-Photonen- Wellenfeldmikroskopie" in jeder jeweiligen Raumrichtung jeweils zwei Wellenfelder mit den Wellenlangen λi und λ installiert sein Die Wellenmaxima bzw Wellenminima der beiden stehenden Wellenfelder (WF1, WF2) haben dabei die Distanzen di = λi/ 2n cosθi bzw d2 = λ2/ 2n cosθ2 (wobei gilt n = Brechungsindex im Objektraum, θi, θ2 = Kreuzungswinkel des Laserstrahls der Wellenlange λi, λ2 mit der optischen Achse) Da im allgemeinen die Distanzen di und d2 verschieden sind, werden die beiden Wellenfelder pro Raumrichtung so ausgerichtet, daß ein Hauptmaximum beider stehender Wellen sich an derselben Stelle befindet Mehrphotonen-Effekte können dann nur dort auftreten, wo beide Wellenfelder sich überlagern Damit werden nur noch einzelne ι Streifen'" des Wellenfeldes einer Raumrichtung zur Mehrphotonenanregung genutzt Vieldeutigkeiten bei Objekten der Dimension großer d treten erst bei Dimensionen mit der Bedingung kιdχ = k2d2 (ki, k2 sind ganze Zahlen) auf Durch eine Mehrphotonenanregung der fluoreszenzmarkierten Meßstrukturen und Kalibriertargets wird somit eine Eindeutigkeit der dreidimensionalen Abbildung erreicht Die Verwendung von Zwei- oder Mehrphotonenfluoreszenzanregungsverfahren ermöglicht ein schnelleres Abscannen bzw Abrastern des Objekts, d h der Objektpunkte, -linien und - ebenen und damit eine bessere Abbildungsqualitat insbesondere auch bei sich bewegenden Objekten Eine ebenfalls sehr vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemaßen mehrdimensionalen Wellenfeldmikroskops zeichnet sich dadurch aus, daß eine Anordnung aus Lichtquelle, Objektiv und einem elektrisch leitenden Spiegel, die zur Erzeugung eines eindimensionalen, elektrischen Wellenfeldes geeignet ist, relativ zur Objekttragerhalterung vorgesehen ist, und zwar derart, daß die in dem Objekt befindlichen Meßstrukturen und/oder Kalibriertargets im Bedarfsfall (z B wenn sich diese an bzw in Molekulketten befinden) durch Anlegen des elektrischen Feldes — vor oder wahrend des mikroskopischen Meßvorgangs — ausgerichtet werden können (Die auf diese Weise raumlich ausgerichteten Molekulketten können dann anschließend noch mit immobilisierenden Substanzen fixiert werden ) Diese Variante des erfindungsgemaßen Wellenfeldmikroskops ist vor allem für die wellenmikroskopische DNA-Sequenzierung geeignet, wobei das eindimensionale elektrische Wellenfeld zur Kalibrierung bei der DNA- Sequenzierung dientA particular advantage of the combination of one and two or multiple photon excitation is the simultaneous excitation of fluorescent markers with different spectral signatures.This enables distance measurement errors due to the chromatic aberration in the object to be eliminated.With two-photon excitation, a fluorochrome molecule is excited when two photons simultaneously deliver the energy for the excitation of a molecule. The two photons involved in the excitation of the molecule can have the same or different wavelengths or energies. For a coincident excitation with different wavelengths (λi, λ 2 ), the so-called "two-photons - Wave field microscopy "two wave fields with the wavelengths λi and λ must be installed in each respective spatial direction. The wave maxima or wave minima of the two standing wave fields (WF1, WF2) have the distances di = λi / 2n cosθi or d 2 = λ 2 / 2n cosθ 2 (where n = Refractive index in the object space, θi, θ 2 = angle of intersection of the laser beam of the wavelength λi, λ 2 with the optical axis) Since the distances di and d 2 are generally different, the two wave fields are aligned per spatial direction so that a main maximum of both standing waves in the same place is multiphoton effects can occur only where both wave fields overlap thus be only individual ι strip '' of the wave field one spatial direction used for multiphoton excitation ambiguities with objects of dimension great d occur only in dimensions with the condition kιdχ = k 2 d 2 (ki, k 2 are integers) on A multi-photon excitation of the fluorescence-marked measurement structures and calibration targets thus makes the three-dimensional image unambiguous. The use of two- or multi-photon fluorescence excitation methods enables the object to be scanned or scanned more quickly, ie Object points, lines and planes and thus a better image quality, especially with moving objects Another very advantageous development of the multi-dimensional wave field microscope according to the invention is characterized in that an arrangement of light source, lens and an electrically conductive mirror, which is suitable for generating a one-dimensional, electrical wave field, is provided relative to the object holder holder, in such a way that the Measurement structures and / or calibration targets located in the object can be aligned if necessary (e.g. if they are located on or in molecular chains) by applying the electric field - before or during the microscopic measurement process (the molecular chains that are spatially aligned in this way can then be aligned are still fixed with immobilizing substances) This variant of the wave field microscope according to the invention is particularly suitable for wave microscopic DNA sequencing, the one-dimensional electric wave field being used for calibration in the DNA sequence serving serves
Zur Detektion des Lumineszenzlichtes wird vorzugsweise eine CCD-Kamera(s) in bekannter Weise eingesetzt Diese kann hinter der Detektorringblende oder -lochblende oder dem Detektorschlitz sitzen Anstelle der CCD-Kamera bzw des CCD-Chips kann das erfindungsgemaße mehrdimensionale Wellenfeldmikroskop aber auch mit einer elektronischen Bildaufnahmevorrichtung ausgerüstet sein, wie sie beispielsweise von Konfokalen Laser-Scan-Miksroskopen (CLSM) im Stand der Technik bekannt ist Erfindungs- gemaß kann prinzipiell jedes lichtempfindliche Detektionsgerate, insbesondere Photodi- ode(n), Photomultiplier, CCD-Kameras/ -Chips, CCD-Arrays, Avalanche Dioden, (Avalanche) Dioden Arrays, zweidimensionale (Avalanche) Dioden Matrizes hinter der hinter der Detektorringblende oder -lochblende oder dem Detektorschlitz angeordnet sein, um die Fluoreszenz zu detektieren und zu dokumentieren, wobei auch Fluoreszenzlebensdauermessungen vorgenommen werden könnenFor the detection of the luminescent light, a CCD camera (s) is preferably used in a known manner. This can sit behind the detector ring diaphragm or aperture plate or the detector slot. Instead of the CCD camera or the CCD chip, the multidimensional wave field microscope according to the invention can also be used with an electronic image recording device be equipped in the state of the art, for example of confocal laser scan microscopes (CLSM). In principle, any light-sensitive detection device, in particular photodiode (s), photomultiplier, CCD cameras / chips, CCD, Arrays, avalanche diodes, (avalanche) diode arrays, two-dimensional (avalanche) diode matrices are arranged behind which behind the detector ring diaphragm or aperture plate or the detector slot in order to detect and document the fluorescence, and fluorescence lifetime measurements can also be carried out
Bei dem erfindungsgemaßen Kalibrierverfahren handelt es sich um ein Kalibrierverfahren der vorstehend genannten Art, das durch die folgenden Maßnahmen gekennzeichnet ist (1) Das biologische Objekt mit den fluorochrommarkierten Meßstrukturen und/oder den/die fluorochrommarkierten Kalibriertargets wird sequentiell oder simultan mit einzelnen (separaten), in zwei oder drei Raumrichtungen orthogonal zueinander verlaufenden, stehenden und zu einem zwei- oder dreidimensionalen Wellenfeld miteinander interferierenden Wellenfeldern beleuchtet, wobei die Fluorochrome zur Fluoreszenzemission angeregt werdenThe calibration method according to the invention is a calibration method of the aforementioned type, which is characterized by the following measures (1) The biological object with the fluorochrome-marked measurement structures and / or the fluorochrome-labeled calibration targets is sequentially or simultaneously with individual (separate), standing in two or three spatial directions orthogonal to each other and interfering to a two- or three-dimensional wave field interfering with each other, the fluorochromes are excited to fluorescence emission
(2) Zur Detektion der Fluoreszenzintensitat wird/werden eine Kamera und/oder eine oder mehrere zweidimensionale Anordnung(en) aus Einzeldetektoren mit jeweils kreis-, ring- oder schlitzförmiger Blende oder eine Anordnung von mehreren kreis-, ring- oder schlitzförmigen Blenden verwendet(2) To detect the fluorescence intensity, a camera and / or one or more two-dimensional arrangement (s) made up of individual detectors, each with a circular, ring or slot-shaped diaphragm or an arrangement of several circular, ring or slot-shaped diaphragms, are used
(3) Entweder das Objekt mit den Meßstrukturen und/oder die/den Kalibriertargets oder das ein- bzw zweidimensionale Wellenfeld oder beides wird wahrend des Meßvorgangs schrittweise um eine oder zwei orthogonal zueinander verlaufende Achsen gedreht, wobei die fluorochrommarkierten Meßstrukturen und/oder Kalibriertargets sequentiell oder simultan mit einem oder zwei einzelnen, orthogonal zueinander stehenden Wellenfeldern beleuchtet werden(3) Either the object with the measurement structures and / or the calibration target (s) or the one- or two-dimensional wave field or both is gradually rotated around one or two axes orthogonal to one another during the measurement process, the fluorochrome-marked measurement structures and / or calibration targets being sequential or are simultaneously illuminated with one or two individual, orthogonal wave fields
Bei der simultanen Beleuchtung wird das Mikroobjekt mit den Meßstrukturen und den bzw die Kalibriertargets starr oder um eine Achse drehbar gelagert Zwei oder drei orthogonal zueinander verlaufende, stehende, ebene Wellenfelder werden zur Interferenz gebracht und beleuchten das Mikroobjekt simultan Bei zwei Wellenfeldern entstehen Ebenen mit einem zweidimensionalen symmetrischen Gitter aus Punkten maximaler und minimaler Intensität Bei der Verwendung von drei Wellenfeldern entsteht ein dreidimensionales Raumgitter aus symmetrisch regelmäßig angeordneten Punkten maximaler und minimaler Intensität Zwischen den Intensitatsma- xima und -minima liegt ein kontinuierlicher Intensitatsverlauf vor Bei der sequentiellen Beleuchtung wird das Mikroobjekt im Wellenfeld um zwei Achsen gedreht Wahrend oder nach der Detektion kann die Lage des Wellenfeldes relativ zum Objekt verändert werden Bei Verwendung geeigneter Fluoreszenzmarker erlaubt die Erfindung somit, dreidimensionale (3D), geometrische Distanzmessungen zwischen Fluoreszenztargets gleicher bzw verschiedener spektraler Signatur mit molekularer Präzision, d h mit einem 3D Auflosungsaquivalent bis zu besser als 10 nm und mit einer 3D Lokalisationsgenauigkeit bis zu besser als 1 nm Im Gegensatz zur Elektronenmikroskopie bzw zur optischen und nicht- optischen Nahfeldmikroskopie bleibt die dreidimensionale Struktur des zu untersuchenden Objektes intakt, da auf mechanische Schnitte verzichtet wird Damit können in dreidimensional konservierten Mikroobjekten 3D-Distanzmessungen in einem Bereich kleiner als die Halbwertsbreite der Hauptmaxima der effektiven Punktbildfünktionen vorgenommen werden Insbesondere eröffnet das Verfahren die Möglichkeit, dreidimensionale Distanzmessungen auch unter vitalen Bedingungen des biologischen Objektes durchzuführen Bei der DNA-Sequenzierung kann die Herstellung von Gelen und die elektropho- retische Auftrennung der DNA- Stucke entfallen Ebenso kann auf eine Autoradiographie verzichtet werden, da keine radioaktive Markierung durchgeführt wird Und auch lange DNA-Sequenzen (z B > 1 kbp) können ohne weiteres analysiert werden Diese erfindungsgemaße Verfahrensvariante erlaubt außerdem eine wesentlich verbesserte Bestimmung auch morphologischer Großen (z B Volumen, Oberflachen), sofern die multispektralen Fluoreszenzmarker in geeigneter Weise z B auf der Oberflache des Objektes, verteilt werden Beispielsweise kann auf diese Weise das Volumen eines sphärischen Mikroobjektes mit einem Radius von einigen 100 nm erheblich besser bestimmt werden als das mit herkömmlichen mit morphologischen Segmentierungstechniken, wie z B Cavalieri- und Voronoi Verfahren, oder auch Methoden des Volumenkonservierenden Gradual Thresholding möglich istIn the case of simultaneous illumination, the micro-object with the measurement structures and the calibration target (s) is mounted rigidly or rotatable about an axis. Two or three standing, plane wave fields that run orthogonally to one another are brought to interference and illuminate the micro-object simultaneously. Two wave fields create planes with a two-dimensional one symmetrical grid of points of maximum and minimum intensity When using three wave fields, a three-dimensional spatial grid of symmetrically regularly arranged points of maximum and minimum intensity is created. Between the intensity maxima and minima there is a continuous intensity curve. With sequential illumination, the micro object is moved around in the wave field two axes rotated During or after the detection, the position of the wave field relative to the object can be changed. When using suitable fluorescent markers, the invention thus allows three-dimensional (3D) geometris distance measurements between fluorescence targets of the same or different spectral signature with molecular precision, ie with a 3D resolution equivalent up to better than 10 nm and with a 3D localization accuracy up to better than 1 nm In contrast to electron microscopy or optical and non- optical near-field microscopy, the three-dimensional structure of the object to be examined remains intact, since mechanical cuts are omitted.Thus, in three-dimensionally preserved micro-objects, 3D distance measurements can be carried out in a range smaller than the half-width of the main maxima of the effective point image functions can also be carried out under vital conditions of the biological object. In DNA sequencing, the production of gels and the electrophoretic separation of the DNA pieces can be omitted. Likewise, autoradiography can be dispensed with, since no radioactive labeling is carried out, and long DNA sequences ( eg> 1 kbp) can be easily analyzed. This method variant according to the invention also allows a significantly improved determination of morphological sizes (eg volume, surfaces), provided that the multis spectral fluorescence markers can be distributed in a suitable manner, for example on the surface of the object. For example, the volume of a spherical micro-object with a radius of a few 100 nm can be determined considerably better than that with conventional ones using morphological segmentation techniques, such as Cavalieri and Voronoi procedure, or methods of volume preserving gradual thresholding is possible
Mit dem bzw den erfindungsgemaßen mehrdimensionalen Wellenfeldmikroskopen (Typ I und/oder Typ II) und dem erfindungsgemaßen Kalibrierverfahren ist es möglich eine mikroskopische DNA-Sequenzierung durchzuführen Hierfür wird erfindungsgemaß das nachfolgen beschriebene "Wellenfeldmikroskopieverfahren zur DNA-Sequenzierung" vorgeschlagenWith the multidimensional wave field microscope (type I and / or type II) and the calibration method according to the invention, it is possible to carry out microscopic DNA sequencing. For this, the "wave field microscopy method for DNA sequencing" described below is proposed
(1) Es werden alle komplementären Subsequenzen der zu analysierenden DNA- Sequenz derart hergestellt, daß alle Subsequenzen am selben Nukleotid der zu analysierenden Sequenz beginnen.(1) All complementary sub-sequences of the DNA sequence to be analyzed are produced in such a way that all sub-sequences begin at the same nucleotide of the sequence to be analyzed.
(2) Die zu analysierenden Bruchstucke werden alle am 3'-Ende mit einem Bezugsfluoro- chrommarker α und am 5'-Ende und/oder an definierten Zwischenstellen mit einem Fluorochrommarker a, g, c,oder t — je nachdem ob das Nukleotid die Base Adenin (Marker a), Guanin (Marker g), Cytosin (Marker c) oder Thymin (Marker t) tragt — markiert, wobei die Fluorochrommarker a, g, c, t und α verschiedene spektrale Signatur aufweisen, und jeweils ein oder mehrere Fluorochrommolekule enthalten(2) The fragments to be analyzed are all labeled at the 3 'end with a reference fluorochrome marker α and at the 5' end and / or at defined intermediate points with a fluorochrome marker a, g, c, or t - depending on whether the nucleotide has the Base adenine (Marker a), guanine (marker g), cytosine (marker c) or thymine (marker t) carries - marked, wherein the fluorochrome markers a, g, c, t and α have different spectral signature, and each contain one or more fluorochrome molecules
(3) Die markierten DNA-Subsequenzen werden derart auf Trager fixiert, daß sie als lineare Sequenz vorliegen, und in ein ein- oder mehrdimensionales Wellenfeldmikroskop eingebracht(3) The labeled DNA sub-sequences are fixed on supports in such a way that they are present as a linear sequence and introduced into a one- or multi-dimensional wave field microscope
(4) Die linearen DNA-Subsequenzen werden so zu den stehenden Wellenfronten orientiert, daß eine exakte Abstandsmessung (Genauigkeit <1*10'10 m) zwischen α und a bzw g, c oder t — nach Bestimmung der Intensitatsbaryzentren und Kalibrierung der Abbildungseingenschaften — durchgeführt werden kann, indem(4) The linear DNA sub-sequences are oriented to the standing wave fronts in such a way that an exact distance measurement (accuracy <1 * 10 '10 m) between α and a or g, c or t - after determining the intensity bary centers and calibration of the imaging properties - can be done by
(5) die Signale der Fluorochrommarker schrittweise, spektral getrennt voneinander registriert werden, und(5) the signals of the fluorochrome markers are recorded step by step, spectrally separated from one another, and
(6) aus den Abstanden der fluoreszenten Markern und ihrer spektralen Signatur die DNA-Basensequenz des zu analysierenden DNA-Stuckes bestimmt wird(6) the DNA base sequence of the DNA piece to be analyzed is determined from the distances between the fluorescent markers and their spectral signature
Mit diesem im Stand der Technik völlig neuartigen Verfahren können DNA-Fragmente in ihrer Lange nukleotidgenau vermessen werden, und auch ihre Basensequenz kann exakt bestimmt werden Gelelektrophorese und nachfolgende Bandenauswertung kann entfallenWith this method, which is completely new in the prior art, the length of DNA fragments can be measured with nucleotide precision, and their base sequence can also be determined exactly. Gel electrophoresis and subsequent band evaluation can be omitted
Ausführungs- und Vergleichsbeispiele zur näheren Erläuterung der Erfindung :Exemplary and comparative examples for a more detailed explanation of the invention:
BEISPIEL 1: Aufbau eines mehrdimensionalen Wellenfeldmikroskops Typ I mit drehbar gelagertem ObjektEXAMPLE 1: Construction of a multidimensional type I wave field microscope with a rotatably mounted object
Die Basis stellt ein herkömmliches "eindimensionales" Wellenfeldmikroskop dar, das z B mit zwei sich gegenüber liegenden Objektiven hoher Numerischer Apertur oder mit einem Objektiv hoher gegenüber einem Objektiv niedriger numerischer Apertur oder mit einem Objektiv für zwei interferierende Laserstrahlen aufgebaut wird Durch die Objektive werden zwei Teilstrahlen eines Lasers so zur Interferenz gebracht, daß ein eindimen- sionales stehendes Wellenfeld entsteht Über ein oder zwei Objektiv(e) hoher Numerischer Apertur wird die Fluoreszenz detektiert Jeweils in einer oder in beiden orthogonalen Richtungen zur optischen Achse des Detektionsobjektivs werden jeweils zwei weitere Teilstrahlen des Lasers über Objektive niedrigerer Numerischer Apertur und/oder Fo- kussierlinsensysteme in geeignetem Abstand eingekoppelt und so miteinander und mit dem eindimensionalen stehenden Wellenfeld zur Interferenz gebracht, daß ein zwei- oder dreidimensionales symmetrisches Intensitatsmuster aus Intensitatsmaxima und -minima entstehtThe basis is a conventional "one-dimensional" wave field microscope, which is constructed, for example, with two opposing high numerical aperture lenses or with a high lens with a low numerical aperture lens or with a lens for two interfering laser beams. The lenses make two partial beams of a laser so that a one-dimensional sional standing wave field is generated. The fluorescence is detected via one or two objective (s) with a high numerical aperture. In each case in one or in both orthogonal directions to the optical axis of the detection objective, two further partial beams of the laser are obtained via objectives with a lower numerical aperture and / or focusing lens systems coupled in at a suitable distance and brought into interference with one another and with the one-dimensional standing wave field in such a way that a two- or three-dimensional symmetrical intensity pattern consisting of intensity maxima and minima arises
In dieses "mehrdimensionale" Wellenfeldmikroskop wird zur Objektlagerung ein Mi- kroaxialtomograph eingebautA microaxial tomograph is installed in this "multidimensional" wave field microscope for object storage
Bei der Axialtomographie wird anstelle des Glas-Objekttragers eine Mikrokapillare oder eine Glasfasern eingesetzt, die drehbar gelagert ist und das (biologische) Objekt in sich aufnimmt (Kapillare) oder an dem das (biologische) Objekt geeignet aufgebracht ist (Kapillare/Faser) Manuell oder mit einem computergesteuerten Schrittmotor kann die Kapillare/Faser, die üblicherweise senkrecht zur optischen Achse des Detektionsobjektivs angeordnet wird, um die Faserachse um einen definierten Winkel gedreht werden Eine Drehung um einen Winkel von 360 Grad (2π) ist möglich Der Tragerhalter für die Kapillare/Faser ist auf einem Halbkreis drehbar gelagert Die Drehachse verlauft dabei senkrecht zur optischen Achse des DetektionsobjektivsIn axial tomography, a microcapillary or a glass fiber is used instead of the glass slide, which is rotatably mounted and accommodates the (biological) object (capillary) or to which the (biological) object is appropriately applied (capillary / fiber) manually or With a computer-controlled stepper motor, the capillary / fiber, which is usually arranged perpendicular to the optical axis of the detection objective, can be rotated around the fiber axis by a defined angle. Rotation through an angle of 360 degrees (2π) is possible. The carrier holder for the capillary / fiber is rotatably supported on a semicircle The axis of rotation is perpendicular to the optical axis of the detection objective
Die Detektion der raumlichen Anordnung der Mikrotargets und ihrer Distanz erfolgt mittels des erfindungsgemaßen Kalibrierverfahrens und digitaler Bildanalyse Mehrdeutigkeiten von Intensitatsverlaufen, d h z B Intensitatshaupt- und -nebenmaxima von fluoreszenten "Punkt" -targets, können mit Hilfe geeigneter Computeralgorithmen statistisch ausgewertet werden und damit zu einer Erhöhung der Lokalisationsprazision beitragen Bei ausgedehnten Objekten können Mehrdeutigkeiten durch Zwei- oder Mehr- Photonen Anregung mit Photonen verschiedener Wellenlange reduziert werden BEISPIEL 2: Distanzmessung zwischen Genabschnitten von Chromosomen in einem Zellkern mittels mehrdimensionaler Wellenfeldmikroskopie, erfindungsgemäßem Kalibrierverfahren und ggf. AxialtomographieThe spatial arrangement of the microtargets and their distance are detected by means of the calibration method according to the invention and digital image analysis. Ambiguities in intensity profiles, ie, for example intensity main and secondary maxima of fluorescent “point” targets, can be statistically evaluated with the aid of suitable computer algorithms and thus increase contribute to localization precision In the case of extended objects, ambiguities can be reduced by excitation with two or more photons with photons of different wavelengths EXAMPLE 2: Distance measurement between gene sections of chromosomes in a cell nucleus by means of multidimensional wave field microscopy, calibration method according to the invention and, if necessary, axial tomography
(I) In einem Zellkern nimmt das Chromatin der einzelnen Chromsomen definierte Teilregionen ein Innerhalb einer oder mehrerer solcher chromosomalenTeilregionen werden die zu ortenden Strukturen , d h die Meßstrukturen, z B kleine Chromosomenabschnitte wie Gene oder Teilstucke von Genen, mit einer im Stand der Technik bekannten Methode der Fluoreszenz in situ Hybridisierung spezifisch markiert, und zwar mit Fluorochromen verschiedener bestimmter spektraler Signaturen Mi, M2, M3, Die Abstände zwischen den Markierungsorten (den markierten Meßstrukturen) liegen unter der klassischen Auflosung, d h sie sind kleiner als die Halbwertsbreite des Hauptmaximum der effektiven Punktbildfünktion Die Markierung der (Objekt-) Strukturen (Meß Strukturen) erfolgt derart, daß die spektralen Signaturen an den zu ortenden Strukturen (Meßstrukturen) mit nahezu der gleichen Dynamik vertreten sind(I) In a cell nucleus, the chromatin of the individual chromosomes occupies defined regions. Within one or more such chromosomal regions, the structures to be located, ie the measurement structures, e.g. small chromosome sections such as genes or parts of genes, are determined using a method known in the art the fluorescence in situ hybridization specifically marked, namely with fluorochromes of various specific spectral signatures Mi, M 2 , M 3 , the distances between the marking locations (the marked measuring structures) are below the classic resolution, i.e. they are smaller than the half-width of the main maximum of effective point image function The (object) structures (measurement structures) are marked in such a way that the spectral signatures on the structures (measurement structures) to be located are represented with almost the same dynamics
Das biologische Objekt wird auf einer Glasfaser exakt definierten Durchmessers oder in einer runden oder rechteckigen Kapillare definierter Dimensionen präpariertThe biological object is prepared on a glass fiber with a precisely defined diameter or in a round or rectangular capillary of defined dimensions
(II) Um die Distanzen zu bestimmen, werden mikroskopierbare Präparate mit Kalibriertargets hergestellt, und zwar unter den gleichen physikalischen und chemischen Versuchsbedingungen wie das Objekt bzw die zu ortenden Objektstrukturen(II) In order to determine the distances, microscopic specimens with calibration targets are produced under the same physical and chemical test conditions as the object or the object structures to be located
(= Meßstrukturen)(= Measuring structures)
Als Kalibriertargets bzw als Präparate mit Kalibriertargets dienen beispielsweise a mikroinjizierbare Kugelchen einer spektralen Signatur (monochromatisch) Die Kugelchen sind nach bekannten Verfahren mit jeweils einem Fluorochrom, d h monochromatisch markiert und aufgrund ihrer Große von den auszumessenden (zu ortenden) Strukturen im Objekt (den Meßstrukturen) unterscheidbar Man injiziert solche Kalibrierkugelchen, die die im Objekt vorhandenen spektralen Signaturen der Meßstrukturen repräsentieren, ansonsten aber vorzugsweise identisch sind (hinsichtlich Große, Geometrie, Materialbeschaffenheit etc ) Mit anderen Worten Die spektralen Signaturen der Meßstrukturen sowie der Kalibriertargets werden so gewählt, daß unter den gegebenen Untersuchungsbedingungen die von ihnen emittierten Fluoreszenzemissionen getrennt voneinander analysiert werden können Die Injizierung und Fixierung der monochromatischen Kalibrierkugelchen erfolgt derart, daß sich die einzelnen Kugelchen verschiedener spektraler Signatur in Clustern direkt an der Glasfaser-Oberflache oder Kapillarwand anordnen, vorzugsweise in einer Querschnittsebene der Faser bzw Kapillare Bei Verwendung von Prazisionsfasern und/oder -kapillaren liegen die Kugelchen folglich in definierten Abstände voneinander bzw von einer Bezugsebene, Bezugsachse oder BezugslinieA microinjectable spheres of a spectral signature (monochromatic) are used as calibration targets or as preparations with calibration targets. The spheres are labeled with a fluorochrome, ie monochromatically, according to known methods, and because of their size they are marked by the structures in the object (the measurement structures) to be measured (to be located). distinguishable Such calibration spheres are injected, which represent the spectral signatures of the measurement structures present in the object, but are otherwise preferably identical (in terms of size, geometry, material properties, etc.) In other words, the spectral signatures The measuring structures and the calibration targets are selected so that the fluorescence emissions they emit can be analyzed separately from one another under the given examination conditions.The monochromatic calibration spheres are injected and fixed in such a way that the individual spheres of different spectral signature are clustered directly on the glass fiber surface Arrange or capillary wall, preferably in a cross-sectional plane of the fiber or capillary When using precision fibers and / or capillaries, the spheres are consequently at defined distances from one another or from a reference plane, reference axis or reference line
b) mikroinjizierbare Testkugelchen multispektraler Signatur (polychromatisch) und gleicher spektraler Dynamikb) micro-injectable test balls with multispectral signature (polychromatic) and the same spectral dynamics
Die Kugelchen sind nach bekannten Verfahren mit jeweils allen bei den markierten (Objekt-) Strukturen (Meßstrukturen) vorkommenden spektralen Signaturen markiert Infolgedessen können sie an beliebige Stellen im zu vermessenden biologischen Objekt (hier Kern) injiziert werden Eine Sollgeometrie wie bei a) ist nicht erforderlich, da für jede Signatur die chromatischen Schwerpunkte an derselben Stelle lokalisiert sein sollen Zur Unterscheidung von den markierten (Objekt-)Strukturen (Meß Strukturen) können die Kugelchen entweder einer anderen Größenklasse angehören oder aber eine zusatzliche spektrale Signatur tragen, die bei den zu messenden Strukturen d h den Meßstrukturen (gemäß Praparationsprotokoll) nicht vorkommtThe spheres are marked according to known methods with all spectral signatures occurring in the marked (object) structures (measuring structures) .As a result, they can be injected into any place in the biological object to be measured (here nucleus). A target geometry as in a) is not necessary , since the chromatic focal points should be located at the same point for each signature. In order to distinguish them from the marked (object) structures (measuring structures), the spheres can either belong to a different size class or have an additional spectral signature that is associated with the structures to be measured ie the measuring structures (according to the preparation protocol) do not occur
c) simultan markierte Chromosomenregionen bekannter Distanz an einem anderen Chromosom als demjenigen, das die zu ortenden Strukturen (Meßstrukturen) tragt Die Kalibriertargets, d h hier die Chromosomenregionen mit bekanntem Abstand voneinander, sind mit Hilfe einer Probenkombination von DNA-Sequenzen, die die verschiedenen spektralen Signaturen tragt, unterschiedlich markiert Eine Unterscheidung der chromosomalen Kalibriertargets von den zu ortenden (Chromosomen-) Strukturen (Meßstrukturen) kann beispielsweise durch unterschiedliche Fluoreszenzintensitat erfolgen oder durch ein unterschiedliches Intensitatsverhaltnis zwischen Fluorochromen verschiedener spektraler Signatur oder durch Verwendung eines zusatzlichen Fluorochroms mit abweichender spektraler Signatur, das bei der Fluoreszenzmarkierung der Meßtargets nicht verwendet wurdec) Simultaneously marked chromosome regions of known distance on a chromosome other than the one that carries the structures to be located (measuring structures). The calibration targets, i.e. here the chromosome regions with a known distance from one another, are made with the aid of a sample combination of DNA sequences that contain the different spectral signatures carries, marked differently A differentiation of the chromosomal calibration targets from the (chromosome) structures (measurement structures) to be located can be made, for example, by different fluorescence intensity or by a different intensity ratio between fluorochromes with different spectral signatures or by using an additional fluorochrome with a different spectral signature, which was not used in the fluorescent labeling of the measurement targets
Es ist auch möglich, daß die Kalibriertargets einer anderen Größenklasse angehören als die zur ortenden MeßstrukturenIt is also possible for the calibration targets to belong to a different size class than the measurement structures to be located
(III) Die Distanzmessungen werden mit einem erfindungsgemaßen mehrdimensionalen Wellenfeldmikroskop, kombiniert mit Photomultiplier und/oder Kamera und Datenverarbeitungsanlage, durchgeführt Von dem biologische Mikroobjekt, hier im Beispiel einem Zellkern, wird eine Serie optischer Schnitte aufgenommen Die Meßstrukturen Mi, M2, M3, Mi besitzen / = 1,2, JL spektrale Signaturen Die spektrale Signatur der Kalibriertargets Ui, U2, U3, ,Uι unterscheiden sich von derjenigen der Meßstrukturen z B in Volumen, Durchmesser, Intensität oder in der Zahl der spektralen Signaturen (/ = 1,2, JL + ) Die Bilder der optischen Schnitte werden für jede spektrale Signatur getrennt aufgenommen und gegebenenfalls noch der Untergrund korrigiert Zur Auswertung werden zum einen die Kalibriertargets identifiziert und der chromatische Versatz bestimmt Dazu werden die Kalibriertargets unter jeder spektralen Signatur lokalisiert und die Abstände zwischen den Kalibriertargets mit Fluorochrommarkierungen verschiedener spektraler Signatur gemessen Die gemessenen Lokalisationen ( d h die gemessenen Targetabstande) werden mit den aufgrund der Geometrie berechneten Soll- Lokalisationen ( d h den tatsachlichen Targetabstanden) verglichen und daraus der spektral bedingte Versatz (Shift) bestimmt(III) The distance measurements are carried out with a multi-dimensional wave field microscope according to the invention, combined with a photomultiplier and / or camera and data processing system. A series of optical sections is taken from the biological micro-object, here a cell nucleus in the example. The measurement structures Mi, M 2 , M 3 , Mi have / = 1,2, JL spectral signatures The spectral signature of the calibration targets Ui, U 2 , U 3 ,, Uι differ from that of the measuring structures eg in volume, diameter, intensity or in the number of spectral signatures (/ = 1,2, JL +) The images of the optical sections are recorded separately for each spectral signature and, if necessary, the background is corrected. For evaluation, the calibration targets are identified and the chromatic offset is determined. For this purpose, the calibration targets are located under each spectral signature and the distances between the calibration targets with fluorochrome marking measured against different spectral signatures The measured locations (ie the measured target distances) are compared with the target locations calculated on the basis of the geometry (ie the actual target distances) and the spectral shift (shift) is determined therefrom
Dieser Versatz (Shift) ist der Kalibrierwert für die gemessenen Distanzwerte zwischen den zu ortenden (Objekt-) Strukturen (Meßstrukturen)This shift is the calibration value for the measured distance values between the (object) structures to be located (measurement structures)
Da dieser Versatz von den optischen Eigenschaften des Präparates abhangt (z B Brechzahlen in den Kernen und dem Praparationsmedium), sollte die Kalibrierung in situ erfolgen Das heißt im vorliegenden Beispiel, daß sich die Kalibriertargets neben den zu untersuchenden und markierten (chromosomalen) Strukturen (Meßstrukturen) im Kern befinden solltenSince this offset depends on the optical properties of the preparation (e.g. refractive indices in the cores and the preparation medium), the calibration should be carried out in situ.This means in the present example that the calibration targets are next to the (chromosomal) structures to be examined and marked (measuring structures) ) should be at the core
Zum anderen werden die Abstände zwischen den zu ortenden (Objekt-) Strukturen (Meßstrukturen) lokalisiert Man bestimmt dabei in jeder spektralen Signatur zunächst unabhängig voneinander die Position der Schwerpunkte der gemessenen Intensitatssigna- le, d.h es werden die Abstände zwischen den verschiedenen Farbsignalen bzw Farbpunkten der betreffenden Meßstrukturen, z B zwischen dem rotfluoreszierenden und dem grunfluoreszierenden Farbpunkt (von Intensitatsmaximum zu Intensitatsmaximum oder von Schwerpunkt/Baryzentrum zu Schwerpunkt/Baryzentrum) gemessen, und dieser Meßwert wird um den mit den Kalibriertargets ermittelten (durch die verschiedene spektrale Signatur bedingten) Versatz in hochpräziser Weise korrigiert Die korrigierten Positionen der Meßstrukturen werden in Bezug auf einen Vergleichspunkt angegeben. Dieser Vergleichspunkt kann z.B. ein beliebig ausgezeichneter fester Punkt im Objekt oder der Schwerpunkt eines Kalibriertargets (z B. eine markierte Chro- mosomenregionen) oder eines sonstwie ausgezeichneten Chromosomenterritoriums sein Es kann aber auch die Schwerpunktskoordinate aller Meßstrukturen innerhalb eines Chromosomenterritoriums seinOn the other hand, the distances between the (object) structures (measurement structures) to be located are localized. In each spectral signature, the position of the centers of gravity of the measured intensity signals is first determined independently of one another. le, i.e. the distances between the different color signals or color points of the measurement structures in question, e.g. between the red fluorescent and the green fluorescent color point (from intensity maximum to intensity maximum or from center of gravity / bary center to center of gravity / bary center) are measured, and this measured value is measured with the the calibration targets determined (due to the different spectral signature) corrected in a highly precise manner. The corrected positions of the measurement structures are given in relation to a comparison point. This comparison point can, for example, be any fixed point in the object or the center of gravity of a calibration target (eg a marked chromosome region) or an otherwise marked chromosome territory. It can also be the center of gravity coordinate of all measurement structures within a chromosome territory
Bei Kalibriertargets in Gestalt von mikroinjizierbaren Testkugelchen mit multispektraler Signatur (polychromatisch) wird der chromatische Versatz aus dem Lokalisa- tionsunterschied der Schwerpunkte für jede Signatur bestimmt. Die dafür erforderliche Identifizierung der zu einem Kalibriertarget gehörenden Fluoreszenzemission kann beispielsweise durch volumenerhaltende Schwell wert verfahren oder durch Mittelung der Segmentierungsergebnisse bei Schwell wertvariation erfolgen.In the case of calibration targets in the form of microinjectable test spheres with a multispectral signature (polychromatic), the chromatic offset is determined from the difference in the location of the focal points for each signature. The necessary identification of the fluorescence emission belonging to a calibration target can be carried out, for example, by volume-preserving threshold values or by averaging the segmentation results with threshold value variation.
Bei Kalibriertargets in Gestalt von fluorochrommarkierten Objektregionen mit multispektraler Signatur (polychromatisch) wird der chromatische Versatz genauso bestimmt.In the case of calibration targets in the form of fluorochrome-marked object regions with a multispectral signature (polychromatic), the chromatic offset is determined in the same way.
Als fluorochrommarkierte Kalibrierregionen eignen sich insbesondere auch Zentromer- regionen, die mit einer Probenkombination von solchen DNA-Sequenzen hybridisiert werden, die alle an dieselben chromosomalen DNA-Abschnitte binden, jedoch mit Fluorochromen unterschiedlichen spektraler Signatur markiert wird. Erfolgt die Hybridisierung unter hoch stringenten Bedingungen, liegen pro Zellkern zwei Markierungsregionen vor; bei nieder-stringenten Bedingungen werden aufgrund zusatzlicher Nebenbindungsregionen zusatzliche Zentromerregionen markiert, so daß die Zahl der Kalibrierungsregionen ansteigt Das ist u U sehr von Vorteil (IV) Die beschriebenen Meßverfahren können auch in Kombination mit Axialtomographie durchgeführt werden Hierfür wird das biologische Mikroobjekt, z B ein Zellkern, in dem die zu ortenden Meßstrukturen bereits mit Fluorochromen markiert sind und das auch bereits Kalibriertargets enthalt (zur Praparation siehe Beispiel 1), auf einer Glasfaser oder in der Mikrokapillare angeordnet Mit dem Axialtomograph wird das Objekt Schritt für Schritt um einen definierten Winkel gedreht unter ggf automatischer Refo- kussierung Von jedem Winkelschritt wird ein kompletter 2D oder 3D-Bildstapel aufgenommenCentromere regions which are hybridized with a sample combination of such DNA sequences which all bind to the same chromosomal DNA sections but are labeled with fluorochrome with different spectral signature are also particularly suitable as fluorochrome-marked calibration regions. If the hybridization takes place under highly stringent conditions, there are two labeling regions per cell nucleus; in the case of low-stringent conditions, additional centromer regions are marked due to additional binding regions, so that the number of calibration regions increases. This can be very advantageous (IV) The measurement methods described can also be carried out in combination with axial tomography. For this purpose, the biological micro-object, for example a cell nucleus, in which the measurement structures to be located are already marked with fluorochromes and which also already contain calibration targets (for preparation see Example 1), arranged on a glass fiber or in the microcapillary With the axial tomograph, the object is rotated step by step through a defined angle with automatic refocusing if necessary. A complete 2D or 3D image stack is recorded for each angular step
Die Drehung erfolgt in der Art, daß jeweils ein Abstand zwischen zwei Meßstrukturen bzw Kalibriertargets (d h zwischen deren Fluoreszenzintensitatsschwerpunkten) maximal wird Der maximale gemessene Abstand entspricht dem tatsachlichen AbstandThe rotation takes place in such a way that a distance between two measurement structures or calibration targets (ie between their fluorescence intensity focal points) becomes maximum. The maximum measured distance corresponds to the actual distance
Ist man nur an den Abstanden zwischen den Meßstrukturen bzw Kalibriertargets, d h nicht an ihrer absoluten raumlichen Anordnung interessiert, kann man nun von einer der bekannten Meßstrukturen bzw Kalibriertargets aus fortfahren, den Abstand zu einer dritten Meßstruktur bzw einem dritten Kalibriertarget zu maximieren und zu bestimmen Sind die Abstände zwischen den Meßstrukturen bzw Kalibriertargets großer als die Halbwertsbreite des Hauptmaximums der Punktbildfünktion, so genügt eine einzige spektrale Signatur, sind die Abstände dagegen kleiner, müssen die Meßstrukturen bzw Kalibriertargets durch multispektrale Signatur unterschieden werden Die Schwerpunkte (Maxima) der Signale dienen der Lokalisierung Sofern die untersuchten Meßstrukturen einen Durchmesser haben, der kleiner als die Halbwertsbreite des Hauptmaximums der effektiven Punktbildfünktion ist, werden alle Beugungsbilder der Meß Strukturen bzw Kalibriertargets durch eine scharfe Punktbildfünktion bestimmt, so daß die Maxima optimal bestimmt werden könnenIf you are only interested in the distances between the measurement structures or calibration targets, i.e. not in their absolute spatial arrangement, you can now proceed from one of the known measurement structures or calibration targets to maximize and determine the distance to a third measurement structure or a third calibration target the distances between the measurement structures or calibration targets are greater than the full width at half maximum of the main maximum of the point image function, so a single spectral signature is sufficient; if the distances are smaller, the measurement structures or calibration targets must be differentiated by means of a multispectral signature. The focal points (maxima) of the signals are used for localization if the investigated measurement structures have a diameter that is smaller than the half-width of the main maximum of the effective point image function, all diffraction images of the measurement structures or calibration targets are determined by a sharp point image function, so that ate the maxima can be determined optimally
Ist man an der absoluten Anordnung der Meßstrukturen bzw Kalibriertargets im Raum interessiert, so müssen die jeweiligen Schwerpunkte (sog "Baryzentren") präzise bestimmt werden Durch mehrmaliges Wiederholen der gesamten Meßprozedur und statistische Auswertung kann die absolute Lokalisierung der Meßstrukturen bzw Kalibriertargets, d h die Winkelmessung, verbessert werden Anstatt wie vorstehend beschrieben die Kalibrierung und die Distanzmessung zwischen den zu ortenden Strukturen, d h Meß Strukturen, in demselben biologischen Objekt durchzuführen, kann man auch die Kalibrierung unabhängig von den Meß Strukturen an gleichartigen biologischen Objekten durchführen Bei dieser Verfahrensvariante ist die Unterscheidung zwischen den Fluoreszenzsignalen der Kalibriertargets und denjenigen der Meßstrukturen erleichtert Anhand der mit den Kalibriertargets ermittelten Werte des optischen Versatzes kann man Eichkurven für die Distanzmessungen zwischen den Meßstrukturen erstellen Derartige Eichkurven machen z B Angaben über den spektralen Versatz als Funktion von Brechungsindex und Absorption des verwendeten Immersionsmediums, der verwendeten Optik, Filter und Detektionseinheiten, der verwendeten Auswertealgorithmen, der verwendeten biologischen Objekte, der Lokalisation der Meßstrukturen bzw Kalibriertargets in ihnen etc Die Verwendung der Information aus diesen speziellen Eichkurven zur erfindungsgemaßen Distanzmessung bietet sich insbesondere in solchen Fallen an , bei denen einer größere Prazisionstoleranz verwendet erlaubt istIf you are interested in the absolute arrangement of the measurement structures or calibration targets in space, the respective focal points (so-called "bary centers") must be precisely determined. Repeating the entire measurement procedure and statistical evaluation several times can result in the absolute localization of the measurement structures or calibration targets, ie the angle measurement, be improved Instead of performing the calibration and the distance measurement between the structures to be located, ie measurement structures, in the same biological object as described above, one can also carry out the calibration independently of the measurement structures on biological objects of the same type. In this method variant, the distinction between the fluorescence signals is Calibration targets and those of the measurement structures easier Using the values of the optical offset determined with the calibration targets, calibration curves can be created for the distance measurements between the measurement structures. Such calibration curves provide, for example, information about the spectral offset as a function of the refractive index and absorption of the immersion medium used, the optics used, Filters and detection units, the evaluation algorithms used, the biological objects used, the location of the measurement structures or calibration targets in them, etc. The use of the information from These special calibration curves for distance measurement according to the invention are particularly suitable in cases in which a greater precision tolerance is permitted
BEISPIEL 3: Untersuchung und Darstellung von dreidimensional ausgedehnten Objekten mittels mehrdimensionaler Wellenfeldmikroskopie, erfindungsgemäßem Kalibrierverfahren und simultaner BildaufnahmeEXAMPLE 3: Examination and representation of three-dimensionally extended objects by means of multidimensional wave field microscopy, calibration method according to the invention and simultaneous image acquisition
Üblicherweise wird von einem biologischen Mikroobjekt ein 3 D-Datensatz durch sequentielle Registrierung gewonnen, z B in der konfokalen Laserscanningmikroskopie durch punktweises oder linienweises Abscannen des 3D-Objektvolumens, ein zweites Verfahren beruht auf der Registrierung der Fluoreszenzemission aus der Objektebene durch Positionierung eines Detektorarrays in der zu der Objektebene konjugierten Zwischenbildebene üblicherweise ist die Position dieser Zwischenbildebene fixiert, um SD- Informationen über das biologische Objekt zu erhalten, wird dieses sequentiell durch die zu der festen Zwischenbildebene konjugierte Objektebene hindurch bewegt, jedesmal wird ein 2D-Bilddatensatz der betreffenden Fluoreszenzemission registriert, und/oder das Objekt wird mit Hilfe axialtomographischer Verfahren um verschiedene Drehwinkel gedreht, wobei jedesmal 2D-Datensatze der zu der festen Zwischenbildebene konjugierten Objektebene registriert werdenA 3-D data record is usually obtained from a biological micro-object by sequential registration, e.g. in confocal laser scanning microscopy by point-by-point or line-by-line scanning of the 3D object volume; a second method is based on the registration of the fluorescence emission from the object plane by positioning a detector array in the to the object plane conjugated intermediate image plane, the position of this intermediate image plane is usually fixed, in order to obtain SD information about the biological object, it is moved sequentially through the object plane conjugated to the fixed intermediate image plane, each time a 2D image data record of the fluorescence emission in question is registered, and / or the object is rotated by means of axial tomographic methods through different angles of rotation, each time 2D data sets of the conjugate to the fixed intermediate image plane Object level can be registered
Diese sequentielle Registrierung von Objektpunkten, Objekt nien oder Objektebenen hat verschiedene Nachteile Z B kann ein Ausbleichen der Registrierung des 3D-Datensatzes zu einer Verschiebung der erfindungsgemaß bestimmten 3D-Schwerpunkte der Fluoreszenzverteilung von markierten Objektpunkten einer bestimmten spektralen Signatur führen Ein anderer Nachteil besteht darin, daß die 3D-Datenaufhahme nicht schnell genug erfolgt, um auch bei nicht permanent stabil, d h sich bewegenden Objekten, insbesondere bei in vivo Markierungen wie z B bei fluoreszenzmarkierten Chromosomenregionen in Kernen lebender Zellen, die sich unter physiologischen Bedingungen mit Geschwindigkeiten bis zu einigen nm/sec (mittlere Verschiebung) bewegen können, eine befriedigende Bildqualitat zu gewährleistenThis sequential registration of object points, object lines or object planes has various disadvantages.For example, bleaching the registration of the 3D data record can lead to a shift in the 3D focal points of the fluorescence distribution of marked object points of a certain spectral signature determined according to the invention. Another disadvantage is that the 3D data acquisition is not fast enough to ensure that even with non-permanently stable, ie moving objects, in particular with in vivo markings such as fluorescence-labeled chromosome regions in nuclei of living cells, which move under physiological conditions at speeds of up to a few nm / sec ( medium shift) can ensure a satisfactory image quality
Um auch bei sich bewegenden Objekten eine befriedigende Abbildungsqualltat zu erhalten, sieht die vorliegende Erfindung eine simultane Aufnahme des 3D-Datensatzes eines fluoreszenzmarkierten Objektes vor Hierzu wird das vom Objekt emittierte Fluoreszenzlicht einer gegebenen spektralen Signatur durch optische Elemente, z B Teilerspiegel, aufgespalten in N Teilstrahlen und auf N Detektorarrays abgebildet, die sich in N verschiedenen Zwischenbildebenen befinden, die zu N verschiedenen Objektebenen konjugiert sind Eine einfache Abschätzung aufgrund der Abbildungsgleichung ergibt, daß die Abstände der Zwischenbildebenen (Detektorebenen) bei simultaner Registrierung eines Objektbereiches mit 10 μm axialer Ausdehnung und eines Objektivs von konventioneller Bildweite und hoher numerischer Apertur z B um einen Bereich in der Größenordnung < 20 cm variiert werden müssen (abhangig vom verwendeten Objektiv) Durch weitere N Zwischenoptiken können die für Hochprazisionsdistanzmessungen in relevanten Objektbereichen zu registrierenden N Objektebenen auch auf verschiedene Bereiche desselben, geeignet groß dimensionierten Detektorarrays (bzw auf L < N Detektorarrays) abgebildet werden In diesem Falle entspricht einem bestimmten Ausschnitt des/der L Detektorarrays eine der N konjugierten Objektebenen Beispielsweise wird ein kleiner Objektbereich von wenigen μm Ausdehnung zur Vermessung in der Wellenfeldmikroskopie zunächst so grob positioniert, daß sein Schwerpunkt etwa im Zentrum des durch die Detektionspunktbildf nktion für eine bestimmte (Zwischen)Bildebene B0 gegebenen Beobachtungsvolumens des zur Registrierung verwendeten Mikroskopobjektivs liegt, das vom 3D-Objekt ausgehende Fluoreszenzlicht wird nach seinen spektralen Signaturen getrennt und in N Teilstrahlen aufgespalten, die auf N Detektorarrays (von z B je 8 x 8, 16 x 16 oder 64 x 64 Pixelgroße) abgebildet werden, deren Positionierung die Registrierung der Fluoreszenzemission aus N konjugierten Objektebenen um das Maximum der Detektionspunktbildfünktion (bezogen auf die Bildebene B0 ) gestattet Beispielsweise sind bei simultaner Aufnahme von Objekten mit einem Abstand von jeweils 20 nm nach einer einfachen Abschätzung unter obigen Annahmen Verschiebungen der konjugierten Zwischenbildebenen um jeweils wenige 100 μm (in der Nahe des Maximums der Punktbildfünktion) erforderlich, bzw entsprechend kleine optische individuelle Korrekturen sind bei simultaner Detektion der relevanten Objektausschnitte auf einem einzigen (oder L < N) Detektorarray(s) entsprechender Pixelzahlen auszuführen Bei einer Teilung der Fluoreszenzemission z B in N=20 Teilstrahlen gleicher Intensität vermindert sich die Anzahl der von jedem der N=20 Detektorarray(s) (bzw - Ausschnitte) pro Zeiteinheit registrierten Photonenzahl um etwa den gleichen Faktor Die Lokalisationsgenauigkeit eines fluoreszenzmarkierten Objektes vermindert sich dann aufgrund der verschlechterten Photonenstatistik um schätzungsweise einen Faktor 20 Dieser Nachteil kann durch eine Erhöhung der Registrierungszeit um den Faktor N (z.B N=20) beseitigt werden In diesem Falle dauert die simultane Registrierung des Objektes etwa ebensolange wie bei sequentieller Registrierung Bei Objekten mit Ausbleichverhalten besteht der Vorteil der simultanen dreidimensionalen Registrierung jedoch in einer für alle Targets (einer gegebenen spektralen Signatur) des Beobachtungsvolumens ahnlichen (bzw ahnlicherem) Ausbleichverhalten, durch Ausbleichen verursachte Verschiebungen des Schwerpunktes des Fluoreszenzemissionsbildes werden hierdurch vermindert Bei Objekten mit zeitlich dynamischer Struktur (z B markierte Zellen in vivo) wird bei einer gegenüber der sequentiellen Registrierung um den Faktor N verkürzten Aufhahme- zeit (z B 1 sec statt 20 sec) die Lokalisationsgenauigkeit der einzelnen Objektpunkte um schätzungsweise den Faktor \N (bei N=20 z B 4 5) vermindertIn order to obtain a satisfactory image quality even with moving objects, the present invention provides for a simultaneous recording of the 3D data record of a fluorescence-marked object.For this purpose, the fluorescent light emitted by the object of a given spectral signature is split into N partial beams by optical elements, e.g. splitter mirrors and mapped onto N detector arrays, which are located in N different intermediate image planes that are conjugated to N different object planes.A simple estimate based on the mapping equation shows that the distances between the intermediate image planes (detector planes) with simultaneous registration of an object area with 10 μm axial extension and a lens of conventional image width and high numerical aperture, for example, have to be varied by an area in the order of magnitude <20 cm (depending on the lens used). With N additional intermediate optics, those for high-precision distance measurements in r N object planes to be registered are also mapped to different areas of the same, suitably dimensioned detector array (or to L <N detector arrays). In this case, a specific section of the L detector array (s) corresponds to one of the N conjugated object planes. For example, a small object area becomes a few μm extension for measurement in wave field microscopy initially positioned so roughly that its center of gravity lies approximately in the center of the observation volume of the microscope objective used for registration given by the detection point image function for a specific (intermediate) image plane B 0 , The fluorescent light emanating from the 3D object is separated according to its spectral signatures and split into N partial beams, which are imaged on N detector arrays (eg 8 x 8, 16 x 16 or 64 x 64 pixel size), the positioning of which registers the fluorescence emission from N conjugated object planes around the maximum of the detection point image function (based on the image plane B 0 ) is permitted.For example, with simultaneous recording of objects with a distance of 20 nm each, according to the above assumptions, a shift of the conjugated intermediate image planes by a few 100 μm (in close to the maximum of the point image function) or correspondingly small optical individual corrections are to be carried out with simultaneous detection of the relevant object sections on a single (or L <N) detector array (s) of corresponding pixel numbers With a division of the fluorescence emission, for example, into N = 20 partial beams same intensity the number of photons counted by each of the N = 20 detector array (s) (or - excerpts) per unit of time is reduced by approximately the same factor an increase in the registration time by a factor of N (e.g. N = 20) can be eliminated In this case, the simultaneous registration of the object takes approximately the same time as with sequential registration. For objects with bleaching behavior, however, the advantage of simultaneous three-dimensional registration is one for all targets (one given spectral signature) of the observation volume similar (or similar) bleaching behavior, shifts in the center of gravity of the fluorescence emission image caused by fading are thereby reduced. For objects with a temporally dynamic structure (eg marked cells in viv o) if the acquisition time is reduced by a factor of N compared to sequential registration (eg 1 sec instead of 20 sec), the localization accuracy of the individual object points is estimated to be reduced by the factor \ N (for N = 20 z B 4 5)
Beispielsweise ergibt sich bei einer 3D Lokalisationsgenauigkeit im Wellenfeldmikroskop von ca ± 3 nm, erhalten mit sequentiellen Aufnahmezeiten von 1 sec pro Bildebene, unter den genannten Bedingungen bei simultaner Registrierung ( 1 sec) eine Verminderung auf eine Lokalisationsgenauigkeit auf schätzungsweise ± 4 5 • 3 nm « 14 nm bei simulta- ner Aufnahme von 20 Objektebenen unter sonst gleichen Bedingungen Bei einer (als Beispiel) angenommenen Objektbewegung (mittlere Verschiebung) von 5 nm/sec wäre die tatsachliche Lokalisationsungenauigkeit bei einer sequentiellen Aufnahme mit einer Gesamtregistrierungszeit von 20 sec bereits ohne Berücksichtigung von Ausbleicheffekten jedoch erheblich großer Erfindungsgemaß ist hier die beschriebene simultane Registrierung von Objektebenen nicht nur hinsichtlich einer optischen Achse, sondern auch hinsichtlich zwei und drei orthogonalen optischen AchsenFor example, with a 3D localization accuracy in the wave field microscope of approx. ± 3 nm, obtained with sequential acquisition times of 1 sec per image plane, under the conditions mentioned with simultaneous registration (1 sec), the localization accuracy is reduced to an estimated ± 4 5 • 3 nm « 14 nm with simulta- ner recording of 20 object planes under otherwise identical conditions With an assumed (for example) object movement (mean shift) of 5 nm / sec, the actual localization inaccuracy would be considerably great with sequential recording with a total registration time of 20 seconds even without taking bleaching effects into account here the described simultaneous registration of object planes not only with respect to an optical axis, but also with regard to two and three orthogonal optical axes
Bei Bedarf kann diese erfindungsgemaße simultane Bildaufnahme ohne weiteres mit einer herkömmlichen sequentiellen Bildaufhahme kombiniert werdenIf necessary, this simultaneous image recording according to the invention can be easily combined with a conventional sequential image recording
BEISPIEL 4 : DNA-Sequenzierung mittels mehrdimensionaler WellenfeldmikroskopieEXAMPLE 4: DNA sequencing using multidimensional wave field microscopy
Mittels bekannter Verfahren wie z B der Polymerase-Kettenreaktion werden alle komplementären Subsequenzen der zu analysierenden DNA-Sequenz herstellt Die Subsequenzen beginnen alle am selben Nukleotid der zu analysierenden Sequenz Die zu analysierenden Bruchstucke werden alle am 3' Ende mit einem Bezugsfluorochrommarker α markiert Am anderen Ende, dem 5'-Ende, bzw an definierten Zwischenstellen werden sie jeweils mit einem Fluorochrommarker a, g, c, t verschiedener spektraler Signatur markiert, je nachdem ob das Nukleotid die Base Adenin (Marker a), Guamn (Marker g), Cytosin (Marker c) oder Thymin (Marker t) tragtUsing known methods, such as the polymerase chain reaction, all complementary sub-sequences of the DNA sequence to be analyzed are produced. The sub-sequences all begin at the same nucleotide of the sequence to be analyzed. The fragments to be analyzed are all marked at the 3 'end with a reference fluorochrome marker α at the other end , the 5 'end, or at defined intermediate positions, they are each marked with a fluorochrome marker a, g, c, t of different spectral signature, depending on whether the nucleotide contains the base adenine (marker a), guamn (marker g), cytosine ( Marker c) or thymine (marker t) carries
Alle Typen der verwendeten Fluorochrommarker unterscheiden sich in ihrer spektralen Signatur derart, daß die Fluorochrommarker α, a, g, c, t (ggf noch weitere) getrennt voneinander detektiert werden können, ein bestimmter Fluorochrommarker kann erfindungsgemaß von einem bis vielen Fluorochrommolekulen des gleichen oder verschiedenen Typs gebildet werden, wobei die Lange und Zusammensetzung der Fluorochrommarker erfindungsgemaß so gewählt wird, daß Distanzmessungen zwischen den Schwerpunkten der Intensitatsverteilungen von anfangsstandigem Fluorochrommarker α und endstandigen Fluoreszenzmarkern (entweder a, oder g, oder c, oder t, oder ggf weitere für weitere Basen) mit dem Verfahren der mehrdimensionalen Wellenfeldmikroskopie möglich ist, d h Linkermolekule für Fluoreszenzmarker müssen dabei beispielsweise kurzer als 1/2 Nukleotiddurchmesser sein Erfindungsgemaß ist auch die Verwendung von längeren Linkermolekulen möglich, sofern diese eine Konfiguration von so hoher Steifigkeit besitzen, daß die durch sie verursachte Distanzvariation genügend klein ist, beispielsweise < 1/2 Nukleotiddurchmesser betragtAll types of the fluorochrome markers used differ in their spectral signature in such a way that the fluorochrome markers α, a, g, c, t (if necessary, even more) can be detected separately from one another; according to the invention, a specific fluorochrome marker can be used by one to many fluorochrome molecules of the same or different ones Type are formed, the length and composition of the fluorochrome markers being selected according to the invention such that distance measurements between the centers of gravity of the intensity distributions of the initial fluorochrome marker α and terminal fluorescence markers (either a, or g, or c, or t, or, if appropriate, further bases) is possible with the method of multidimensional wave field microscopy, ie linker molecules for fluorescent markers, for example be shorter than 1/2 nucleotide diameter According to the invention, the use of longer linker molecules is also possible, provided that they have a configuration of such a high stiffness that the distance variation caused by them is sufficiently small, for example <1/2 nucleotide diameter
Diese so markierten Subsequenzen repräsentieren die zu analysierende DNA-Sequenz vollständig Die Fluoreszenzmarker a, g, c, t bzw das Bezugsfluorochrom α können jeweils ein oder mehrere Fluorochrommolekule enthalten Die DNA-Subsequenzen werden alle so auf geeignete Trager fixiert, daß sie als lineare Sequenz vorliegenThese sub-sequences marked in this way fully represent the DNA sequence to be analyzed. The fluorescent markers a, g, c, t or the reference fluorochrome α can each contain one or more fluorochrome molecules. The DNA sub-sequences are all fixed on suitable supports so that they are present as a linear sequence
Die fluorochrommarkierten DNA-Stucke werden mit Hilfe von DNA-Combing- Techniken linear ausgerichtet Im Unterschied zum herkömmlichen "eindimensionalen" Wellenfeldmikroskop ist bei dem erfindungsgemaßen mehrdimensionalen Wellenfeldmikroskop eine zusatzliche präzise Ausrichtung der DNA-Strange in Richtung der optischen Achse des Systems nicht mehr notwendig Die DNA-Sequenzen werden vorzugsweise auf eine viereckige Glasfaser aufgebracht, deren Brechungsindex sich von demjenigen des umgebenden Mediums in minimaler Weise unterscheidet, wobei die Ausrichtung in einem bestimmten Winkel, insbesondere orthogonal zur Achse der Glasfaser erfolgt, und wobei der mittlere Abstand der Schwerpunkte der DNA-Sequenzen voneinander großer ist als die maximale Halbwertsbreite der zur Registrierung der Fluoreszenzsignale verwendeten Punktbildfünktionen Ein weiteres Verfahren bindet das 3' Ende an ein Mikrokugelchen der spektralen Signatur αund streckt anschließend den DNA-Faden mit dem Werkzeug der optischen Pinzette, wobei der "Pinzettenlaser" in seiner Wellenlange geeignet gewählt werden mußThe fluorochrome-marked DNA pieces are aligned linearly with the aid of DNA combining techniques. In contrast to the conventional "one-dimensional" wave field microscope, in the multi-dimensional wave field microscope according to the invention an additional precise alignment of the DNA strand in the direction of the optical axis of the system is no longer necessary. The DNA Sequences are preferably applied to a square glass fiber, the refractive index of which differs minimally from that of the surrounding medium, the alignment taking place at a certain angle, in particular orthogonal to the axis of the glass fiber, and the mean distance between the centers of gravity of the DNA sequences is greater than the maximum full width at half maximum of the point image functions used to register the fluorescence signals. Another method binds the 3 'end to a microsphere with the spectral signature α and then stretches the DNA thread with the tool of optical tweezers, the "tweezer laser" must be selected in its wavelength
Nach Linearisierung bzw Orientierung der DNA-Sequenzen wird das so hergestellte Präparat fixiert und die molekulare Bewegung z B durch Temperaturerniedrigung reduziert Alternativ können die DNA-Enden auch in eine kristallin geordnete Festkorper- struktur eingebettet werden Für die Messung wurden zu Zwecken der Kalibrierung weitere, insbesondere polychromatische Mikroobjekte auf die Glasfaser, den DNA- Objekttrager oder in den Fixierungsfestkorper der DNA-Enden eingebracht Die Kalibrierungsobjekte enthalten zusatzlich eine spektrale Signatur, die nicht a, t, c oder g ist Die Linearisierung der DNA-Strange kann entfallen, wenn alle Nukleotiden bei der Syn- these des zu analysierenden DNA-Komplementarstranges geeignet fluoreszenzmarkiert werdenAfter linearization or orientation of the DNA sequences, the preparation prepared in this way is fixed and the molecular movement is reduced, for example by lowering the temperature. Alternatively, the DNA ends can also be embedded in a crystalline solid structure. For the purposes of calibration, further, in particular, were used for calibration purposes polychromatic micro-objects placed on the glass fiber, the DNA slide or in the fixation solid of the DNA ends. The calibration objects additionally contain a spectral signature that is not a, t, c or g. The linearization of the DNA strand can be omitted if all nucleotides are at the syn thesis of the DNA complementary strand to be analyzed are suitably fluorescence-labeled
Die fixierten DNA-Sequenzen werden in ein mehrdimensionales Wellenfeldmikroskop eingebracht, wobei die linearen DNA-Subsequenzen so zu den stehenden Wellenfronten orientiert werden, daß eine exakte Abstandsmessung (Genauigkeit <1«10"10 m) zwischen oc und a bzw g, c oder t — nach Bestimmung der Intensitatsbaryzentren und Kalibrierung der Abbildungseingenschaften — möglich istThe fixed DNA sequences are introduced into a multidimensional wave field microscope, the linear DNA sub-sequences being oriented to the standing wave fronts in such a way that an exact distance measurement (accuracy <1 "10 " 10 m) between oc and a or g, c or t - after determining the intensity barary centers and calibrating the imaging properties - is possible
Die Messung erfolgt bei in situ Kalibrierung unter Anwendung des erfindungsgemaßen Kalibrierverfahrens Die Signale der Fluorochrommarker werden im Wellenfeldmikroskop mit geeignet angepaßten Schrittweiten spektral getrennt voneinander registriert (bevorzugt in digitaler Weise) Aus den Abstanden der fluoreszenten Markern und ihrer spektralen Signatur laßt sich die DNA-Basensequenz des zu analysierenden DNA- Stuckes bestimmenThe measurement is carried out in in-situ calibration using the calibration method according to the invention. The signals of the fluorochrome markers are recorded spectrally separated from one another in the wave field microscope with suitably adapted step sizes (preferably in a digital manner). The DNA base sequence of the Determine the DNA piece to be analyzed
Statt einer spektralen Trennung oder zusatzlich zu ihr können auch Fluoreszenzlebensdauerparameter analysiert werden In einer ersten Phase der Auswertung wird eine Grobbestimmung der Schwerpunkte der Fluorochrommarker- Signale vorgenommen und auf der Grundlage dieser Information die zu einer DNA-Sequenz gehörenden Signale nach den oben genannten Distanzkriterien von den zu einer anderen DNA-Sequenz gehörenden Signalen getrennt, in einer zweiten Phase der Auswertung werden die spektral getrennt registrierten, modulierten Signale der Fluorochrommarker mit Hilfe von geeignet angepaßten Funktionen analysiert, hieraus werden die Abstände z B der Schwerpunkte der anfangs- und endstandigen Fluorochrommarker-Signale einer DNA-Sequenz voneinander mit molekularer Präzision bestimmt, wobei die an den Kalibrierungsobjekten vorgenommenen Messungen für eine Korrektur von Distanzaberrationen, z B chromatischer Verschiebungen, herangezogen werden, in einer dritten Phase der Auswertung werden die den Langen der DNA-Sequenzen entsprechenden Abstände der Fluorochrommarker-Signale nach zunehmender Lange getrennt nach Typus des endstandigen Fluorochrommarkers (z B a, g, c, t) geordnet, die so erreichte Anordnung entspricht dem bei einem herkömmlichen Verfahren erzielten Muster, dem dann nach bekannten Methoden die gewünschte Sequenzinformation entnommen werden kann Bei Makromolekülen linearer Sequenz bzw bekannter geordneter Struktur geht man analog vor, wobei die Zahl und Art der Fluorochrommarker von Zahl und Art der Mole- kulbausteine abhangtInstead of a spectral separation or in addition to it, fluorescence lifetime parameters can also be analyzed. In a first phase of the evaluation, a rough determination of the focal points of the fluorochrome marker signals is carried out and, based on this information, the signals belonging to a DNA sequence according to the above-mentioned distance criteria signals belonging to another DNA sequence are separated, in a second phase of the evaluation the spectrally separated, modulated signals of the fluorochrome markers are analyzed with the aid of suitably adapted functions, from this the distances e.g. the focal points of the initial and terminal fluorochrome marker signals are analyzed a DNA sequence is determined from one another with molecular precision, the measurements made on the calibration objects being used to correct distance aberrations, for example chromatic shifts, in a third phase of the evaluation di e The distances of the fluorochrome marker signals corresponding to the lengths of the DNA sequences are sorted according to the length by the type of the terminal fluorochrome marker (e.g. B a, g, c, t), the arrangement achieved in this way corresponds to the pattern achieved in a conventional method, the then the desired sequence information can be obtained by known methods. Macromolecules with a linear sequence or known ordered structure are used analogously, the number and type of fluorochrome markers depending on the number and type of molecular building blocks
Falls die Vermessung einzelner DNA-Strange deren Ausrichtung in Richtung der optischen Achse erforderlich macht, kann erfindungsgemaß wie folgt verfahren werden Das bekannte Ende der DNA-Kette wird zusatzlich zu einem Fluoreszenzmarker der spektralen Signatur α mit einem chemischen "Marker" markiert Der Rest der DNA- Kettenpraparation, insbesondere die Markierung der endstandigen Fluoreszenzmarker a, c, g und t (Stopnukleoüde) wird wie anfangs beschrieben durchgeführt Die endstandigen Basen und/oder die Marker der Stopnukleoüde und ggf weitere Basen der auszurichtenden DNA-Ketten tragen eine elektrische Ladung (z B negativ)If the measurement of individual DNA strands necessitates their alignment in the direction of the optical axis, the procedure according to the invention can be followed as follows. The known end of the DNA chain is marked with a chemical "marker" in addition to a fluorescent marker of the spectral signature α. The rest of the DNA - Chain preparation, in particular the labeling of the terminal fluorescent markers a, c, g and t (stop nucleus) is carried out as described at the beginning. The terminal bases and / or the markers of the stop nucleotide and possibly further bases of the DNA chains to be aligned carry an electrical charge (e.g. negative)
Die Ausrichtung der DNA-Ketten kann vor oder wahrend der Mikroskopie erfolgen, zunächst wird das Verfahren der Ausrichtung vor der Mikroskopie beschriebenThe alignment of the DNA chains can take place before or during microscopy, first the method of alignment before microscopy is described
Die präparierten DNA-Ketten werden in Losung in einem Puffer niedriger Ionenstarke auf einen speziell beschichteten Objektträger (oder Deckglas, was im folgenden auch als Objektträger bezeichnet werden soll) aufgebracht, der das chemisch markierte 3' Ende jeder DNA-Kette binden ("ankleben") kann Der Losung wird nun eine immobilisierende Komponente zugegeben, die nach einer bestimmten Zeit eine Aushärtung der DNA- Ketten in Losung bewirkt Der Objektträger wird mit einem (unbeschichteten) Deckglas abgedeckt und versiegelt, wobei der Abstand von Objektträger zum Deckglas mit einem geeigneten "Spacer" (z B einer dünnen Membran) auf einen wohldefinierten Wert eingestellt werden kann Der so versiegelte Objektträger wird einem geeigneten homogenen, statischen elektrischen Feld ausgesetzt, welches die elektrisch geladenen Basen ausrichtet Die Polung des elektrischen Feldes (beispielsweise des eines Kondensators) muß hierbei so angelegt sein, daß bei negativ (positiv) geladenen Basen die Kathode (Anode) bei dem beschichteten Objektträger (mit den "angeklebten" 3' Enden) und die Anode (Kathode) bei dem unbeschichteten Deckglas liegt Die elektrischen Feldlinien verlaufen senkrecht zur Objekttrageroberflache und die Starke des elektrischen Feldes wird ausreichend hoch gewählt, um eine Ausrichtung der DNA-Ketten in der Losung zu bewirken Nachdem die so ausgerichteten DNA-Ketten in dem Zwischenraum Objektträger - Deckglas immobilisiert sind, werden sie mit dem mehrdimensionalen Wellenfeldmikroskop wie vorstehend beschrieben aufgenommen bzw vermessenThe prepared DNA chains are applied in solution in a buffer of low ionic strength to a specially coated slide (or cover glass, which will also be referred to below as a slide), which bind ("glue") the chemically labeled 3 'end of each DNA chain ) An immobilizing component is now added to the solution, which causes the DNA chains in solution to harden after a certain time. The slide is covered and sealed with an (uncoated) cover glass, the distance from the slide to the cover glass being covered with a suitable spacer "(eg a thin membrane) can be set to a well-defined value. The slide sealed in this way is exposed to a suitable homogeneous, static electrical field which aligns the electrically charged bases. The polarity of the electrical field (for example that of a capacitor) must be applied in this way be that with negatively (positively) charged bases the cathode (anode) is on the coated slide (with the "glued" 3 'ends) and the anode (cathode) is on the uncoated cover glass. The electric field lines are perpendicular to the slide surface and the strength of the electric field is chosen to be high enough to be a Align the DNA chains in the solution After the DNA chains aligned in this way have been immobilized in the intermediate space between slide and cover glass, they are recorded or measured with the multidimensional wave field microscope as described above
Soll die Orientierung der DNA-Ketten wahrend der mikroskopischen Aufnahme erfolgen, wird das oben beschriebenen elektrische Feld erfindungsgemaß nach dem folgenden Verfahren aufgebaut.If the orientation of the DNA chains is to take place during the microscopic image, the electrical field described above is constructed according to the invention by the following method.
Der beschichtete Objektträger ist ein elektrisch leitender Spiegel hinreichender Planitat Die Losung der DNA-Ketten (niedrige Ionenstarke) ist geeignet viskos und es werden keine immobilisierenden Komponenten der Lösung zugegeben Auch hier wird wieder (ggf unter Verwendung eines geeigneten Spacers) ein Deckglas aufgebracht und versiegelt. Das Wellenfeld wird nun mit nur einem Objektiv in Verbindung mit dem Spiegel erzeugt, wobei das aus dem Objektiv austretende Anregungslicht vom Spiegel reflektiert wird und sich ein eindimensionales Wellenfeld (parallel zur Fokalebene oder zur Spiegeloberfläche) ausbildet. Das Anlegen einer positiven (negativen) Spannung bei der Verwendung von negativ (positiv) geladenen Basen bewirkt ebenfalls eine Ausrichtung der DNA-Ketten senkrecht zur Oberflache des Spiegels, also entlang der optischen Achse des Mikroskops und die nun wie vorstehend beschrieben sequenziert werden können Auch bei diesem Verfahren muß die Starke des elektrischen Feldes groß genug sein, um die Ausrichtung der DNA-Ketten zu bewirken; thermische Bewegungen der Moleküle können z.B. durch Temperaturerniedrigung reduziert werden.The coated slide is an electrically conductive mirror of sufficient flatness. The solution of the DNA chains (low ionic strength) is suitably viscous and no immobilizing components are added to the solution. Here too, a cover glass is applied (if necessary using a suitable spacer) and sealed. The wave field is now generated with only one lens in conjunction with the mirror, the excitation light emerging from the lens being reflected by the mirror and a one-dimensional wave field (parallel to the focal plane or to the mirror surface) being formed. The application of a positive (negative) voltage when using negatively (positively) charged bases also brings about an alignment of the DNA chains perpendicular to the surface of the mirror, i.e. along the optical axis of the microscope and which can now be sequenced as described above In this process, the strength of the electric field must be large enough to cause the alignment of the DNA chains; thermal movements of the molecules can e.g. can be reduced by lowering the temperature.
Analog diesem Beispiel kann mit beliebigen anderen linearisierten Makromolekülen verfahren werden.The same procedure can be used with any other linearized macromolecule.
BEISPIEL 5: Mehrdimensionales Wellenfeldmikroskop Typ H mit lateraler räumlich modulierter FluoreszenzanregungEXAMPLE 5: Multi-dimensional type H wave field microscope with lateral spatially modulated fluorescence excitation
Das mehrdimensionale Wellenfeldmikroskop Typ II umfaßt in der Raumrichtungen x eine reelle Beleuchtungsquelle für koharenzfahige Lichtstrahlen, einen Strahlteiler zur Auskopplung von Teilstrahlen als virtuelle Beleuchtungsquelle, und ein erstes Objektiv, das diesen beiden Beleuchtungsquellen zugeordnet ist In dieses erste Objektiv werden die Lichtstrahlen bzw Lichtwellenzuge der Beleuchtungsquellen derart eingekoppelt, daß sie auf der hinteren, dem Objektraum abgewandten Fokalebene (diese Ebene wird auch "back focal plane" genannt ) zwei voneinander beabstandete Fokuspunkte erzeugen bzw aufweisen und in dem Raum zwischen den beiden Fokalebenen in einem bestimmten Winkel aufeinander zu verlaufen und zu einem eindimensionalen stehenden Wellenfeld interferierenThe multi-dimensional wave field microscope type II comprises in the spatial directions x a real illumination source for coherent light beams, a beam splitter for coupling out partial beams as a virtual illumination source, and a first lens that is assigned to these two illumination sources In this first objective, the light beams or light wave trains of the illumination sources are coupled in such a way that they generate or have two spaced apart focal points on the rear focal plane facing away from the object space (this plane is also called "back focal plane") and in the space between the two focal planes run at a certain angle to each other and interfere with a one-dimensional standing wave field
Fokussiert man einen Lichtstrahl (Lichtwellenzug) mit einem geeigneten Abstand zur optischen Achse in diese Fokalebene, (die optische Achse steht senkrecht auf der Fokalebene und verlauft durch deren Mittelpunkt) so verlaßt im Objektraum ein paralleles Lichtbundel mit ebenen Wellenfronten das Objektiv, und zwar unter einem bestimmten Winkel zur optischen Achse Dieser Winkel ist variabel einstellbar, je nach dem, mit welchem Abstand zu optischer Achse die Lichtstrahlen in das Objektiv eingekoppelt werden und um welche Art von Objektiv es sich handeltIf you focus a light beam (light wave train) with a suitable distance to the optical axis in this focal plane (the optical axis is perpendicular to the focal plane and runs through its center), a parallel bundle of light with flat wavefronts leaves the lens in the object space, namely under one Specific angle to the optical axis This angle can be set variably, depending on the distance from the optical axis and the light rays are coupled into the lens and what type of lens it is
Koppelt man den zweiten Lichtstrahlen (Lichtwellenzuge) unter einem solchen Winkel zu dem ersten und zur optischen Achse in dasselbe Objektiv ein, daß sein Fokuspunkt auf der hinteren Fokalebene diametral gegenüber dem Fokuspunkt des ersten Lichtstrahls liegt, daß also Fokuspunkt 1 — optische Achse — Fokuspunkt 2 eine Linie auf der hinteren Fokalebene bilden, entsteht in dem Raum zwischen den beiden Fokalebenen ein zweites paralleles Lichtbundel mit ebenen Wellenfronten, das in einem bestimmten Winkel zu dem ersten verlauft und mit diesem im Objektraum zu einem eindimensionalen stehenden Wellenfeld mit Streifen maximaler Lichtintensitat interferiertIf the second light beam (light wave train) is coupled into the same lens at such an angle to the first and to the optical axis that its focus point on the rear focal plane lies diametrically opposite the focus point of the first light beam, i.e. focus point 1 - optical axis - focus point 2 form a line on the rear focal plane, a second parallel bundle of light with plane wavefronts is created in the space between the two focal planes, which runs at a certain angle to the first and interferes with it in the object space to form a one-dimensional standing wave field with stripes of maximum light intensity
Dem ersten Objektiv ist ein zweites Objektiv mit Abstand spiegelbildlich gegenüber angeordnet, so daß diese beiden Objektive auf zwei gegenüber liegenden Seiten des dreidimensionalen Objektraums liegen Diesem zweiten Objektiv ist eine dritte und eine vierte (reelle oder virtuelle) Beleuchtungsquelle für koharenzfahige Lichtstrahlen so zugeordnet, daß man die Lichtstrahlen beider Beleuchtungsquellen — wie für das erste Objektiv beschrieben — auf die hintere, d h dem Objektraum abgewandte Fokalebene dieses zweiten Objektives fokussieren kann, in dem Raum zwischen den beiden Fokalebenen dieses zweiten Objektives zu einem eindimensionalen stehenden Wellenfeld inter- ferieren lassen kann, und im Objektraum mit dem eindimensionalen stehenden Wellenfeld des ersten Objektives so zur Interferenz bringen kann, so daß ein dreidimensionales Wellenfeld entsteht, mit Punkten maximaler Intensität, die sich im dreidimensionalen Raum fortsetzenThe first lens has a second lens with a mirror image at a distance from it, so that these two lenses are on two opposite sides of the three-dimensional object space.This second lens is assigned a third and a fourth (real or virtual) illumination source for coherent light beams in such a way that As described for the first lens, the light beams from both illumination sources can focus on the rear focal plane of this second lens, ie, facing away from the object space, in the space between the two focal planes of this second lens to form a one-dimensional standing wave field. can ferieren, and in the object space with the one-dimensional standing wave field of the first lens to interference so that a three-dimensional wave field arises with points of maximum intensity that continue in three-dimensional space
Für die Erzeugung eines zweidimensionalen Wellenfeldes (d h Punkte maximaler Intensität in einer Ebene), wird der beschriebene Aufbau insoweit abgewandelt, daß man entweder erstes und zweites Objektiv einsetzt, eines davon aber nur mit einer Beleuchtungsquelle kombiniert, oder man setzt nur ein einziges Objektiv ein und kombiniert dieses mit einer dritten Beleuchtungsquelle, deren koharenzfahige Lichtstrahlen man derart zu den Lichtstrahlen der beiden anderen Beleuchtungsquellen in dieses einzige Objektiv einkoppelt, daß die korrespondierenden drei Fokuspunkte auf der Fokalebene ein gleichschenkliges Dreieck bilden, durch dessen Mittelpunkt die optische Achse verlauft Im Objektraum verlassen alle drei Lichtstrahlen das Mikroskopobjektiv mit dem gleichen Winkel zur optischen Achse aber jeder in eine andere RichtungFor the generation of a two-dimensional wave field (i.e. points of maximum intensity in one plane), the structure described is modified to the extent that either the first and second lenses are used, but one is only combined with an illumination source, or only a single lens is used and combines this with a third illumination source, whose coherent light rays are coupled to the light rays of the other two illumination sources in this single objective in such a way that the corresponding three focus points on the focal plane form an isosceles triangle, through the center of which the optical axis runs. All three leave the object space The microscope lens beams light at the same angle to the optical axis but each in a different direction
Diese Variante des erfindungsgemaßen Wellenfeldmikroskops Typ II zur Erzeugung eines mehrdimensionalen Wellenfeldmikroskops unter Verwendung eines einzigen Objektivs kann auch zur Erzeugung eines dreidimensionalen Wellenfelds eingesetzt werden Dazu lenkt man vier Lichtstrahlen in dasselbe Objektiv und zwar derart, daß die dazu korrespondierenden vier Fokuspunkte in der hinteren Fokalebene ein gleichseitiges Viereck bilden This variant of the type II wave field microscope according to the invention for generating a multidimensional wave field microscope using a single objective can also be used for generating a three-dimensional wave field. For this purpose, four light beams are directed into the same objective and in such a way that the corresponding four focal points in the rear focal plane are equilateral Form a square

Claims

A n s p r ü c h eExpectations
Wellenfeldmikroskop mit einem Beleuchtungs- bzw Anregungssystem, das eine Beleuchtungsquelle, ein erstes Objektiv und ein zweites Objektiv oder einen Reflektor umfaßt, wobei erstes Objektiv und zweites Objektiv oder Reflektor derart zueinander angeordnet sind, daß sie zur Erzeugung eines eindimensionalen stehenden Wellenfeldes geeignet sind, mit einem Objektraum, der Halte und Manovriervorrichtung(en) für ein Objekt umfaßt, und mit einem Detektionssystem, das ein Objektiv, ein Okular und einen Detektor umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungs- bzw Anregungssystem in zwei oder allen drei Raumrichtungen wenigstens eine reelle oder virtuelle Beleuchtungsquelle für koharenzfahige Lichtstrahlen und wenigstens einen Reflektor oder Strahlteiler zur Auskopplung von Teilstrahlen oder eine weitere Beleuchtungsquelle für koharenzfahige Lichtstrahlen umfaßt, denen jeweils wenigstens ein Objektiv zugeordnet ist, und die jeweils zur Erzeugung von Lichtwellenzugen geeignet sind, wobei die Lichtwellenzuge der einen Beleuchtungsquelle antiparallel oder in variabel einstellbaren Winkeln zu den Lichtwellenzugen des Reflektors bzw der anderen Beleuchtungsquelle ausgerichteten sind, derart, daß die von der einen Beleuchtungsquelle ausgesendeten Lichtwellenzuge mit denen des Reflektors bzw der anderen Beleuchtungsquelle zu einem stehenden Wellenfeld mit ebenen Wellenfronten interferieren, und daß das Detektionssystem wenigstens ein zur epifluoreszenten Detektion geeignetes und/oder wenigstens ein zur rasternden Punktdetektion geeignetes Detektionsobjektiv vorzugsweise hoher numerischer Apertur, welches mit seiner optischen Achse senkrecht zu den Wellenfronten eines der interferierenden Wellenfelder angeordnet ist, umfaßt, das auch mit einem Objektiv des Anregungssystems identisch sein kann, wobei dem zur epifluoreszenten Detektion geeigneten Detektionsobjektiv ein flachiger (zweidimensionaler) Detektor, z B eine Kamera vorgeordnet ist, und dem zur rasternden Punktdetektion geeigneten Detektionsobjektiv wenigstens eine feststehende konfokale Detektionsringblende und/oder -lochblende und/oder wenigstens ein feststehender Detektionsschlitz vorgeordnet und ein Punktdetektor, insbesondere ein Photomultiplier, eine Photodiode oder eine Diodenarray nachgeordnet ist Wellenfeldmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einer Raumrichtung einem Objektiv hoher numerischer Apertur ein Objektiv niedriger numerischer Apertur oder ein Reflektor zugeordnet ist, und in einer oder beiden anderen Raumrichtung(en) entweder zwei Objektive niedriger numerischer Apertur oder ein Objektiv niedriger numerischer Apertur und ein Reflektor einander zugeordnet sind.Wave field microscope with an illumination or excitation system, which comprises an illumination source, a first lens and a second lens or a reflector, the first lens and second lens or reflector being arranged in relation to one another in such a way that they are suitable for generating a one-dimensional standing wave field, with a Object space, which comprises holding and maneuvering device (s) for an object, and with a detection system, which comprises an objective, an eyepiece and a detector, characterized in that the lighting or excitation system in two or all three spatial directions at least one real or virtual Illumination source for coherent light beams and at least one reflector or beam splitter for coupling out partial beams or a further illumination source for coherent light beams, each of which is assigned at least one lens and which are each suitable for generating light wave trains, wherein the light wave trains of one illumination source are aligned antiparallel or at variably adjustable angles to the light wave trains of the reflector or the other illumination source, such that the light wave trains emitted by the one illumination source interfere with those of the reflector or the other illumination source to form a standing wave field with flat wave fronts , and that the detection system comprises at least one detection lens suitable for epifluorescent detection and / or at least one suitable for scanning point detection, preferably a high numerical aperture, which is arranged with its optical axis perpendicular to the wave fronts of one of the interfering wave fields, which also includes a lens of the Excitation system can be identical, the detection lens suitable for epifluorescent detection being preceded by a flat (two-dimensional) detector, for example a camera, and the point to be rasterized Detection suitable detection lens at least one fixed confocal detection ring diaphragm and / or pinhole and / or at least one fixed detection slot and a point detector, in particular a photomultiplier, a photodiode or a diode array is arranged Wave field microscope according to claim 1, characterized in that a lens with a high numerical aperture is assigned a lens with a low numerical aperture or a reflector in at least one spatial direction, and either two lenses with a low numerical aperture or a lens with a low numerical aperture are assigned in one or both other spatial directions Aperture and a reflector are assigned to each other.
Wellenfeldmikroskop mit einem Beleuchtungs- bzw Anregungssystem, das eine Beleuchtungsquelle und ein Objektiv umfaßt, die derart zueinander angeordnet sind, daß sie zur Erzeugung eines stehenden Wellenfeldes geeignet sind, mit einem Objektraum, der Halte- und Manovriervorrichtung(en) für ein Objekt umfaßt, und mit einem Detektionssystem, das ein Objektiv, ein Okular und einen Detektor umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungs- bzw Anregungssystem in wenigstens einer der drei Raumrichtungen wenigstens eine reelle oder virtuelle Beleuchtungsquelle für koharenzfahige Lichtstrahlen und wenigstens einen Strahlteiler zur Auskopplung von wenigstens einem Teilstrahl aufweist, denen ein gemeinsames Objektiv zugeordnet ist, in das die Lichtstrahlen bzw Lichtwellenzuge der Beleuchtungsquelle(n) und des/der Strahlteiler(s) derart einkoppelbar sind, daß sie auf der hinteren (dem Objektraum abgewandten) Fokalebene zwei voneinander beabstandete Fokuspunkte aufweisen und in dem Raum zwischen den beiden Fokalebenen in variabel einstellbarem Winkel zueinander verlaufen und zu einem eindimensionalen stehenden Wellenfeld interferieren, und daß das Detektionssystem wenigstens ein zur epifluoreszenten Detektion geeignetes und/oder wenigstens ein zur rasternden Punktdetektion geeignetes Detektionsobjektiv vorzugsweise hoher numerischer Apertur umfaßt, das auch mit einem Objektiv des Anregungssystems identisch sein kann, wobei dem zur epifluoreszenten Detektion geeigneten Detektionsobjektiv ein flachiger (zweidimensionaler) Detektor, z.B eine Kamera vorgeordnet ist, und dem zur rasternden Punktdetektion geeigneten Detektionsobjektiv wenigstens eine feststehende konfokale Detektionsringblende und/oder -lochblende und/oder wenigstens ein feststehender Detektionsschlitz vorgeordnet und ein Punktdetektor, insbesondere ein Photomultiplier, eine Photodiode oder eine Diodenarray nachgeordnet ist Wellenfeldmikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungs- bzw Anregungssystem in derselben oder einer oder beiden anderen Raumrichtung(en) jeweils wenigstens eine weitere reelle oder virtuelle Beleuchtungsquelle für koharenzfahige Lichtstrahlen und/oder wenigstens einen Strahlteiler zur Auskopplung von wenigstens einem Teilstrahl aufweist, dem/denen jeweils ein weiteres Objektiv zugeordnet ist, durch das der/die Lichtstrahlen (Lichtwellenzuge) in den Objektraum gelenkt und derart ausgerichtet sind, daß sie mit den Lichtstrahlen aus derselben oder aus der /den beiden anderen Raumrichtung(en) bzw. dem von diesen gebildeten ein- oder zweidimensionalen Wellenfeld zu einem zwei- bzw. dreidimensionalen Wellenfeld interferieren.A wave field microscope with an illumination or excitation system, which comprises an illumination source and a lens, which are arranged with respect to one another in such a way that they are suitable for generating a standing wave field, with an object space which comprises holding and maneuvering device (s) for an object, and with a detection system comprising an objective, an eyepiece and a detector, characterized in that the illumination or excitation system has at least one real or virtual illumination source for coherent light beams and at least one beam splitter for coupling out at least one partial beam in at least one of the three spatial directions , to which a common lens is assigned, into which the light beams or light wave trains of the illumination source (s) and the beam splitter (s) can be coupled in such a way that they have two focal planes spaced apart on the rear focal plane (facing away from the object space) and in which room run between the two focal planes at a variably adjustable angle to one another and interfere with a one-dimensional standing wave field, and that the detection system comprises at least one detection lens suitable for epifluorescent detection and / or at least one detection lens suitable for scanning point detection, preferably a high numerical aperture, which can also be used with a lens of the Excitation system can be identical, the detection objective suitable for epifluorescent detection being preceded by a flat (two-dimensional) detector, for example a camera, and the detection objective suitable for scanning point detection being preceded by at least one fixed confocal detection ring aperture and / or pinhole aperture and / or at least one fixed detection slit and a point detector, in particular a photomultiplier, a photodiode or a diode array, is arranged downstream Wave field microscope according to claim 3, characterized in that the illumination or excitation system in the same or one or both other spatial direction (s) each has at least one further real or virtual illumination source for coherent light beams and / or at least one beam splitter for coupling out at least one partial beam, which is each assigned a further lens through which the light beam (light wave train) is directed into the object space and aligned in such a way that it can be combined with the light beam from the same or from the other two spatial direction (s) or from interfere with this one- or two-dimensional wave field to a two- or three-dimensional wave field.
Wellenfeldmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Objektraum eine Objekthalt erung umfaßt, in bzw. an der das Objekt mit den Meßstrukturen und/oder gegebenenfalls Kalibriertarget(s) um eine oder zwei orthogonal zueinander verlaufende Achsen drehbar in dem Wellenfeld gelagert ist, wobei für wenigstens eine Achse eine Drehbarkeit um 360-Grad (2π) bevorzugt ist.Wave field microscope according to one of claims 1 to 4, characterized in that the object space comprises an object holder, in or on which the object with the measurement structures and / or optionally calibration target (s) can be rotated in the wave field about one or two orthogonal axes is mounted, with a rotatability through 360 degrees (2π) being preferred for at least one axis.
Wellenfeldmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die das mehrdimensionale Wellenfeld erzeugende(n) Beleuchtungsquellen und/oder der/die Reflektoren und/oder der/die Strahlteiler und/oder das/die Objektiv(e) und damit das mehrdimensionale Wellenfeld um eine oder zwei orthogonal zueinander verlaufende Achsen drehbar ist/sind.Wave field microscope according to one of claims 1 to 5, characterized in that the illumination source (s) generating the multidimensional wave field and / or the reflector (s) and / or the beam splitter and / or the objective (s) and thus the multidimensional one The wave field is / are rotatable about one or two orthogonal axes.
Wellenfeldmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Detektionssystem ein Scanner Spiegel vorgesehen und derart angeordnet ist, daß er zur Abbildung der lateralen Objektbereiche mit der gewünschten, vorzugsweise maximalen Fluoreszenzintensitat geeignet ist. Wellenfeldmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungssystem in wenigstens einer der drei Raumrichtungen eine reelle Beleuchtungsquelle für die Zwei- oder Mehrphotonenanregung und in einer oder beiden anderen Raumrichtung(en) eine reelle und/oder virtuelle Beleuchtungsquelle für die Zwei- oder Mehrphotonenanregung umfaßt, und daß die damit erzeugten stehenden Wellenfelder (WFi ,WF2, , WF,) voneinander verschiedene Wellenlangen (λi, λ2 λ, ) und Distanzen (di, d2, , d,) zwischen den jeweiligen Wellenmaxima bzw Wel- lenminima von di = λi/ 2n cosθi bzw d2 = λ2/ 2n cosθ2 bzw d, = λ 2n cosθ, aufweisen (mit n = Brechungsindex im Objektraum, θi, θ2 , θ, = Kreuzungswinkel des Lichtwellenzugs der Wellenlange λi, λ ,λ, mit der optischen Achse), und wobei die Wellenfelder WFι,WF2 W, derart zueinander ausgerichtet sind, daß sich mindestens ein Maximum zweier oder aller stehenden Wellen an derselben Stelle (nämlich dem Ort einer Mehrphototonenanregung) befindetWave field microscope according to one of claims 1 to 6, characterized in that a scanner mirror is provided in the detection system and is arranged such that it is suitable for imaging the lateral object areas with the desired, preferably maximum, fluorescence intensity. Wave field microscope according to one of claims 1 to 7, characterized in that the illumination system in at least one of the three spatial directions a real illumination source for the two or multi-photon excitation and in one or both other spatial direction (s) a real and / or virtual illumination source for the two - or multi - photon excitation, and that the standing wave fields (WFi, WF 2 ,, WF,) generated with it differ from each other different wavelengths (λi, λ 2 λ,) and distances (di, d 2 ,, d,) between the respective wave maxima or Have wave minima of di = λi / 2n cosθi or d 2 = λ 2 / 2n cosθ 2 or d, = λ 2n cosθ, (with n = refractive index in the object space, θi, θ 2 , θ, = crossing angle of the light wave train of the wavelength λi, λ, λ, with the optical axis), and wherein the wave fields WFι, WF 2 W, are aligned with each other in such a way that at least a maximum of two or all standing waves at the same point (namely the Or t of a multi-photon excitation)
Wellenfeldmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung aus Beleuchtungsquelle, Objektiv und einem elektrisch leitenden Spiegel, die zur Erzeugung eines eindimensionalen, elektrischen Wellenfeldes geeignet ist, relativ zur Objekttragerhalt erung vorgesehen ist, und zwar derart, daß die in dem Objekt befindlichen Meßstrukturen und/oder Kalibriertargets durch Anlegen des elektrischen Feldes — vor oder wahrend des mikroskopischen Meßvorgangs — ausrichtbar sindWave field microscope according to one of claims 1 to 8, characterized in that an arrangement of illumination source, lens and an electrically conductive mirror, which is suitable for generating a one-dimensional, electrical wave field, is provided relative to the object support preservation, in such a way that the in measurement structures and / or calibration targets located on the object can be aligned by applying the electrical field - before or during the microscopic measurement process
Wellenfeldmikroskopieverfahren zur DNA-Sequenzierung unter Verwendung eines Wellenfeldmikroskops nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte es werden alle komplementären Subsequenzen der zu analysierenden DNA-Sequenz derart hergestellt, daß alle Subsequenzen am selben Nukleotid der zu analysierenden Sequenz beginnen, die zu analysierenden Bruchstucke werden alle am 3'-Ende mit einem Bezugsfluorochrommarker α und am 5'-Ende und/oder an definierten Zwischenstellen mit einem Fluorochrommarker a, g, c,oder t — je nachdem ob das Nukleotid die Base Adenin (Marker a), Guanin (Marker g), Cytosin (Marker c) oder Thymin (Marker t) tragt — markiert, wobei die Fluorochrommarker a, g, c, t und α verschiedene spektrale Signatur aufweisen, und jeweils ein oder mehrere Fluorochrommolekule enthalten, die markierten DNA-Subsequenzen werden derart auf Trager fixiert, daß sie als lineare Sequenz vorliegen, und in ein mehrdimensionales Wellenfeldmikroskop eingebracht, wobei die linearen DNA-Subsequenzen so zu den stehenden Wellenfronten orientiert werden, daß eine exakte Abstandsmessung (Genauigkeit <1«10"10 m) zwischen α und a bzw g, c oder t nach Bestimmung der Intensitatsbaryzentren und Kalibrierung der Abbildungseingenschaften durchführbar ist, indem die Signale der Fluorochrommarker schrittweise, spektral getrennt voneinander registriert werden, und aus den Abstanden der fluoreszenten Markern und ihrer spektralen Signatur die DNA-Basensequenz des zu analysierenden DNA-Stuckes bestimmt wirdWave field microscopy method for DNA sequencing using a wave field microscope according to one of claims 1 to 9, characterized by the following process steps, all complementary sub-sequences of the DNA sequence to be analyzed are produced in such a way that all sub-sequences begin on the same nucleotide of the sequence to be analyzed, the ones to be analyzed Fragments are all at the 3 'end with a reference fluorochrome marker α and at the 5' end and / or at defined intermediate points with a fluorochrome marker a, g, c, or t - depending on whether the nucleotide is the base adenine (Marker a), guanine (marker g), cytosine (marker c) or thymine (marker t) carries - marked, wherein the fluorochrome markers a, g, c, t and α have different spectral signature, and each contain one or more fluorochrome molecules , The labeled DNA sub-sequences are fixed on supports in such a way that they are present as a linear sequence and introduced into a multidimensional wave field microscope, the linear DNA sub-sequences being oriented in relation to the standing wave fronts in such a way that an exact distance measurement (accuracy <1 <10 "10 m) between α and a or g, c or t after determining the intensity bary centers and calibrating the imaging properties can be carried out by recording the signals of the fluorochrome markers step by step, spectrally separated from each other, and from the distances between the fluorescent markers and their spectral signature DNA base sequence of the DNA piece to be analyzed is determined
Kalibrierverfahren für die mehrdimensionale Wellenfeldmikroskopie nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem vor, wahrend oder nach der Praparation des betreffenden Objekts auf einem bzw in einem Objekthalter, insbesondere Objekttragerplattchen, Objekttragerfaser, Objekt- tragerkapillare oder Objekttragerflussigkeit, die zu untersuchenden bzw zu ortenden Objektstrukturen — ist gleich Meßstrukturen — mit Fluoreszenzfarbstoffen verschiedener oder gleicher spektraler Signatur markiert werden, wobei zumindest solche zu ortenden Meßstrukturen, deren Abstand voneinander geringer ist als die Halbwertsbreite des Hauptmaximums der effektiven Punktbildfünktion, mit Fluoreszenzfarbstoffen verschiedener spektraler Signatur markiert werden, mit den gleichen Fluoreszenzfarbstoffen Kalibriertargets definierter Große und raumlicher Anordnung markiert werden, die fluoreszierenden Kalibriertargets entweder zusammen mit den Objekten bzw Meßstrukturen oder separat auf bzw in dem/ einem Objekthalter präpariert werden,Calibration method for multidimensional wave field microscopy according to one of Claims 1 to 10, in which the object structures to be examined or located are located before, during or after the preparation of the object in question on or in an object holder, in particular object carrier plates, object carrier fibers, object carrier capillaries or object carrier fluids - is the same as measuring structures - are marked with fluorescent dyes of different or the same spectral signature, whereby at least those measuring structures to be located whose distance from one another is less than the half-value width of the main maximum of the effective point image function are marked with fluorescent dyes of different spectral signature, using the same fluorescent dyes to define calibration targets Large and spatial arrangement are marked, the fluorescent calibration targets either together with the objects or measurement structures or separately on or in the / an object be prepared
Meßstrukturen und Kalibriertargets unter übereinstimmenden Bedingungen, gleichzeitig oder nacheinander mikroskopisch untersucht werden, und bei dem jeweils zwei definierte Kalibriertargets verschiedener spektraler Signatur unter Berücksichtigung des wellenlangenabhangigen Abbildungs- und Lokalisa- tionsverhaltens des jeweiligen optischen Systems vermessen werden, die dabei ermittelten Messwerte — gleich Ist-Werte — mit den vorbekannten tatsachlichen Distanzwerten — gleich Soll- Werten — verglichen werden, und aus der Differenz zwischen Ist-Werten und Soll- Werten ein Korrekturwert — ist gleich Kalibrierwert — bestimmt wird, mit dem der durch das optische System bedingte Versatz in der Detektion unterschiedlicher Emissionsloci, insbesondere der Meßstrukturen, korrigiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das biologische Objekt mit den fluorochrommarkierten Meßstrukturen und/oder fluorochrommarkierten Kalibriertarget(s) sequentiell oder simultan mit einzelnen (separaten), in zwei oder drei Raumrichtungen orthogonal zueinander verlaufenden, stehenden und zu einem zwei- oder dreidimensionalen Wellenfeld miteinander interferierenden Wellenfeldern beleuchtet wird, wobei die Fluorochrome zur Fluoreszenzemission angeregt werden, daß zur Detektion der Fluoreszenzintensitat eine Kamera und/oder eine oder mehrere zweidimensionale Anordnung(en) aus Einzeldetektoren mit jeweils kreis-, ring- oder schlitzförmiger Blende oder eine Anordnung von mehreren kreis-, ring- oder schlitzförmigen Blenden verwendet wird/werden, daß entweder das Objekt mit den Meßstrukturen und/oder Kalibriertarget(s) oder das ein- bzw zweidimensionale Wellenfeld oder beides wahrend des Meßvorgangs schrittweise um eine oder zwei orthogonal zueinander verlaufende Achsen gedreht wird, wobei die fluorochrommarkierten Meßstrukturen und/oder Kalibriertargets sequentiell oder simultan mit einem oder zwei einzelnen, orthogonal zueinander stehenden Wellenfeldern beleuchtet werden Measurement structures and calibration targets are examined microscopically under the same conditions, simultaneously or one after the other, and in each case two defined calibration targets with different spectral signatures taking into account the wavelength-dependent imaging and localization. behavior of the respective optical system are measured, the measured values determined - equal to actual values - are compared with the known actual distance values - equal to target values - and a correction value from the difference between the actual values and target values - is equal to the calibration value - Is determined with which the offset caused by the optical system in the detection of different emission loci, in particular the measurement structures, is corrected, characterized in that the biological object with the fluorochrome-marked measurement structures and / or fluorochrome-labeled calibration target (s) sequentially or simultaneously with individual ones (Separate), standing in two or three spatial directions orthogonal to each other and interfering to a two- or three-dimensional wave field interfering with each other, the fluorochromes are excited to fluorescence emission, that to detect the fluorescence intensity a camera and / or one or more two-dimensional arrangement (s) of individual detectors, each with a circular, ring-shaped or slit-shaped diaphragm, or an arrangement of several circular, ring-shaped or slit-shaped diaphragms, is used that either the object with the measuring structures and / or calibration target (s) or the one- or two-dimensional wave field or both is rotated step by step around one or two axes running orthogonally to one another during the measurement process, the fluorochrome-marked measurement structures and / or calibration targets being sequential or simultaneous with one or two individual, orthogonal to one another standing wave fields are illuminated
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