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Zwischenbild- Zwischenbild-ebenen

Im Dokument Zellkern Nukleolus Nukleolus (Seite 64-70)

Abbildung3.14: Das Prinzip des konfokalen Laserscanningmikroskops: Zwischen die

kon-fokale Optik und das Mikroskop sind apertur- und brennweitenangepasst ein Kollimator,

Galvanometerscanner mit Spiegeln undeine F-Theta-Linse eingefugt.Diesewandelt einen

Verkipp des Strahls in einen lateralen Versatz in der Zwischenbildebene des Mikroskops

um, dessen Optik in einen Versatz in der Probe. Aus Grunden der Anschaulichkeit ist

der Detektionsstrahlengang weggelassen, und die Scannerachsen sind beide senkrecht zur

Bildebene dargestellt.

Der in Abschnitt 3.1.1 skizzierte Aufbau zur konfokalen Fluoreszenzanregung und

-detektion ist zur Aufnahme von Bildern um eine Scanvorrichtung zu erweitern, wie in

Abb. 3.14 gezeigt und in [144 ] vorgeschlagen: Der anregende Laserstrahl undder

Detek-tionsstrahlengang werden mit Hilfe eines dichroitischenSpiegels zusammengefuhrt { dies

gewahrleistet bereits Konfokalitat { unddahinter kollimiert.Der jetzt parallele

Strahlen-gang wird



uber zwei Spiegel geleitet, die um zwei senkrecht zueinander stehende Achsen

durch Galvanometerscanner gedreht und zum zweidimensionalen Positionieren und

Ra-stern verwendet werden konnen. Die Achsen benden sich idealerweise in telezentrischer

Anordnung zu einem F-Theta-Objektiv, das den verkippten Strahl in einen in der

Zwi-schenbildebenedesMikroskopssenkrechtzuroptischenAchseverschobenenFokusabbildet.

AbbildungsmastabundVergoerungdesSystemsausKollimator-undF-Theta-Linsesind

imIdealfalleins.DasMikroskop



ubertragtdannentsprechendderAbbildungseigenschaften

dielaterale Verschiebunginder Zwischenbildebenein dieObjektebene.

Telezentrischer Strahlengang

Die telezentrische Beleuchtung eineridealen Linsemitparallelen Lichtstrahlen unterdem

WinkelzuroptischenAchsezeigt Abb.3.15a.WennderzentraleStrahldeskollimierten

Lichts stets durch den Brennpunkt lauft (Brennpunkt als

"

Drehpunkt\), steht die

Sym-metrieachse des konvergenten Strahlenbundels immer senkrecht auf der Fokalebene, der

zugehorige



Onungswinkelistkonstant undderFokuspunktsymmetrisch beleuchtet.

Θ

y

F 1 F 2

Θ

y

F 1 F 2

(a) (b)

Abbildung3.15:TelezentrischeBeleuchtung(a)eineridealenLinseund(b)eines

F-Theta-Objektivs. Die einfallenden Strahlen verlaufen durch den gegenstandsseitigen Brennpunkt

F

1

und werden in derbildseitigen Fokalache F

2

fokussiert.

F-Theta-Objektiv

EineLinse derBrennweite f wandeltdie Schwenkung einesparallelen Strahlbundelsin

eine Versetzung y des zugehorigen konvergenten um:

y=ftan: (3.128)

Spharische Fehler typischer Linsen fuhren fur groere Auslenkungen oft noch zu einer

gekrummtenFokalache.

Elektromechanisch lassen sich besonders einfach Drehbewegungen erzeugen. Um die

Drehbewegungeneines Lichtstrahlsineine lineareBewegung umzuwandeln,benotigt man

mindestenseineLinse.DamitmaneinenzumSchwenkwinkelproportionalenVersatzerhalt,

sindsogenannte F-Theta-Objektiveentwickeltworden(Abb.3.15b),dieeinesolchelineare

Beziehung

y=f (3.129)

(daher derName)undeinesehr ebeneFokalache kennzeichnet. Bendetdiesesichinder

ZwischenbildebeneeinesMikroskops,wirdderStrahlversatzineinendem

Abbildungsma-stabentsprechenden Versatzinder Fokalebene desObjektivstransformiert.

Galvanometerscanner

Diebesondershaugundauchhierverwendeten Galvanometerscanner [94 ]sindfurkleine

Spiegel,kleineWinkelundhoheGeschwindigkeitenmiteinerDrehspuleaufgebaut,odersie

besitzeneinendrehbarenEisenkernalsRotorfurgroeSpiegel,groeWinkelundmittlere

Geschwindigkeiten. Die Scanner sindi.a.tordiert undpermanentmagnetisch vorgespannt

undgedampft.DeutlichunterhalbderResonanzverhaltsichderScanneranalog-linear,d.h.

die Spiegelposition folgt beliebigem Eingangssignal bezuglich Frequenz, Amplitude und

Kurvenform. Eine Positions-Ruckmeldung erfolgt i.a. kapazitiv mit geeignet zum Rotor

angeordneten Elektroden.

Im Idealfallbenden sich die Achsen beider Scannertelezentrisch im Brennpunkt des

Objektivs.Nebenderspeziellen Konstruktionvon mechanischgekoppeltenScannernoder

derVerwendungvon Zwischenoptikenkann mansich aber auch behelfen,indemman eine

Achseetwas vorunddieandere etwashinterdem Brennpunktpositioniert.Der Fehlerist

beigeeigneterKonstruktion vernachlassigbar[144].

Das konfokale

Fluoreszenzuktuationsmikroskop

In denersten FCS-Experimenten wurdeder erforderliche konfokale Strahlengang mit

op-tischen Elementen wie Parabolspiegeln und einfachen Linsen aufgebaut [81 , 82 ], jedoch

sind in einer solchen Geometrie aufgrund des groen Fokusvolumens bei hohem

Unter-grunddieTeilchenzahluktuationensehrklein.InfolgedessenhatsichdieVerwendungvon

kommerziell erhaltlichen Labormikroskopen durchgesetzt, die auch fur konfokale

Laser-scanningmikroskopie verwendet werden undsich durch ein wesentlich kleineres

Beobach-tungsvolumenundbessereStreulichtunterdruckungauszeichnen.

Insbesondere fur in vivo-Messungen sindinverse Mikroskope mit auf unendlich

korri-giertenObjektivenbesondersgeeignet,dadieProbevonuntenbeobachtetwird.

Bauartbe-dingt minimiertdieinverse Geometrieauerdem die RelativbewegungdesObjektivs zum

Objektdurchauere Erschutterungen imLaborbetrieb.

InzahlreichenMikroskop-basiertenFCS-ExperimentenwirddieFluoreszenzlampedurch

eine Lasereinkopplung mit Anpassungsoptik ersetzt und teilweise die Filter und

Strahl-teiler, die fur Epiuoreszenzmikroskopie benotigt werden, auch jetzt zur Trennung des

Anregungs-vom Fluoreszenzlicht verwendet. Raumlich weit getrennt davon benden sich

dieDetektoren,dieauerhalbeinesKameraausgangs positioniertsind[137,15 ,166 ]. Auch

daserstekommerziellerhaltliche FCS-Gerat Confocor1 derFirmenZeiss, Jena,und

Evo-tec,Hamburg, beruhte aufdiesem Konzept.

AufgrundderraumlichenTrennung der Zwischenbildebenenvon Beleuchtung und

De-tektion gestalten sich die konfokale Justage und deren Stabilitat schwierig, daher hat es

sichalserfolgreichherausgestellt,Beleuchtungs-undDetektionsstrahlengang



ubereinen

ge-meinsamenEinganginsbzw.ausdemMikroskopzufuhren[17 ],wieesauchbeim

kommer-ziellenNachfolgemodellConfocor2 realisiertwurde.Auerdem kann dasGerat gleichzeitig

im Epiuoreszenzbetrieb z.B. zur Orientierung in Zellen genutzt werden. Der

bestehen-de Aufbau, der im Rahmen dieser Arbeit erweitert wurde, basiert ebenfalls auf diesem

Konzept.

DieIntegrationeinerLaserscanningeinheitindenauchfurFCSgenutztenStrahlengang

istdanndernachsteSchritt,umFCSmitkonfokalerFluoreszenzmikroskopiezuverbinden

undinsbesondereeinehohe raumliche Auosung furintrazellulareMessungen zu erm

ogli-chen[11,10 , 46].

ZahlreicheMessungendieserArbeitsindmitdembestehendenFCS-Modulin

Kombina-tion miteinemSchrittmotor-getriebenenProbentischundeiner Epiuoreszenzeinrichtung

durchgefuhrt worden. Dabei haben sich die zuverlassige Positionierung des Lasers in der

ZelleunddieZuordnungdesDiusionsverhaltenszuintrazellularenStrukturenals

 auerst

schwierigundaufwandigherausgestellt.ImRahmen dieserArbeit istderbestehende

Auf-bau mit einer integrierten, Galvanometer-getriebenen Scanningeinheit erweitert worden,

um FCS und CLSM zu vereinen undintrazellulare Diusionsmessungen deutlich zu

ver-bessernundzu vereinfachen.

4.1 Anforderungsprol

Der bestehende Aufbau zur FCS-Messung wurde von Michael Tewes im Rahmen seiner

Dissertationkonzipiert,entworfenundgebaut[152].ErrealisiertdasinAbb.3.1skizzierte

konfokale Prinzipund die dort angedeutete Modularitat: Ein kompaktes Modul, dasalle

erforderlichen Komponenten enthalt, wird seitlich am Kameraausgang eines Mikroskops

montiert. EserfulltfolgendeAnforderungen:

gleichzeitigeMessungderAuto- bzw.Kreuzkorrelationsfunktionen zweiermit

unter-schiedlichenFluorophoren markiertenSpezies,

Nachweisgrenzefureinfach markierteMolekulevon wenigerals 1pM,

Messungenvon inPuergelosten Probenebensowie inlebendenZellen,

Kombination mitEpiuoreszenzmikroskopie,

beugungsbegrenzterFokus,

mechanische Langzeitstabilitat, so dass eine Nachjustage weder durch T

emperatur-schwankungen noch durch im Laborbetrieb unvermeidliche Erschutterungen

erfor-derlichwerden,

Modularitat, die einfaches Wechseln von Laserlinien, Filtern und Detektoren oder

desgesamten Modulserlaubt.

Ziel der Erweiterung des Moduls um eine Scanningeinheit ist eine Verbesserung von

An-wendungen in vivo, insbesonderewirdfolgendes angestrebt:

exakte,schnelle undreproduzierbare raumlichePositionierbarkeitinZellen,

Automatisierungvon FCS-Messungen inZellen,

Moglichkeit zurAufnahme von konfokalen Fluoreszenzbildernin mitkommerziellen

Geraten vergleichbarer Qualitat,

Erweiterbarkeit auf weitere Methoden in vivo und in vitro (PCH, scanning FCS,

FRAP/FLIP, FRET bzw. uorescence resonant energy transfer an einzelnen

Mo-lekulen,siehe Abschnitt3.5),

Bewahrung der Modularitat, insbesondere einfacher Umbau zwischen

konventionel-4.2 Konzeption des optischen Strahlengangs

Diegesamte konfokaleOptikist bereitsindasFCS-Modulintegriert, sodass zwischendas

Modul unddas Mikroskop eine Scanningeinheit eingepasstwerden konnte(Abb. 4.2), die

diefurein CLSMerforderlichenundinAbb.3.14 skizziertenKomponentenaufnimmt.

Abb.4.1zeigtschematischdenStrahlengangvonMikroskop,Scanningeinheitund

FCS-Modul.DashierverwendeteinverseMikroskopIX70derFirmaOlympus,Hamburg,besitzt

einenseitlichenoptischenAusgangAzumAnschlussvonCCD-Kameras oder

Diskussions-einrichtungen,derauchhierverwendetwird.DerStrahlteilerwurfelSWleitet80%desvom

ObjektivOBuberdieTubuslinseTLkommenden LichtszumseitlichenAusgangund20%



uberdenSpiegel SOzum OkularOK.

Die ZwischenbildebeneZ1liegt im Tubusvordem Ausgang Aundfalltmitder F

okal-ebenederScanlinseSLzusammen.BildseitigliegtdietelezentrischeEbeneTEderScanlinse

zwischenden Spiegeln der Galvanometerscanner SCX undSCY. Der leichteVerkipp von

SCY minimiert dabei die Entfernung der beiden Scannerspiegel voneinander und damit

ihren jeweiligen Abstand von der telezentrischen Ebene. Bei Drehung der Scannerspiegel

wandertderFokusinderZwischenbildebeneZ1sowieinderObjektebenedesMikroskops.

DieKollimations-oderDescanlinseDLfokussiertdasLicht aufdie ZwischenbildebeneZ2,

der Aperturwinkel ist dabei der gleiche wie der des bei A aus dem Mikroskop tretenden

Lichts. DieseAperturanpassungerlaubt,dieScanningeinheit,bestehend ausTubus,

Scan-linse,ScannernundDescanlinse,zwischenAundBausdemStrahlengangauszubauenund

dasFCS-Modul direkt an denAusgang A anzuschlieenoderbeiB eine anderekonfokale

Optikandie Scanningeinheitzu montieren.

ImFCS-ModulmussendurchdendichroitischenStrahlteilerST1zweikonjugierte

Zwi-schenbildebenenZ2erzeugtwerden,dasichLichtquelleundDetektornichtraumlich

uber-lagernkonnen.ST1reektiertdasAnregungslicht undlasst daslangerwellige

Fluoreszenz-licht passieren. Das Licht des Lasers, das



uber die Faser F eingekoppelt wird, wird mit

HilfedesKollimatorsKundderLinseL1mitangepassterAperturindie

Zwischenbildebe-neZ2fokussiertunddurchdenAnregungslterF1geleitet.Die StrahltailleinZ2dient als

Lichtquelle. DasFluoreszenzlichtwird durch diedieKonfokalitat herstellendeLochblende

(Pinhole) P in derEbene Z2 hindurchgeleitetund mit dem Strahlteiler ST2 spektral auf

die beiden Detektoren D1 und D2 aufgeteilt. Der kurzwellige Anteil wird reektiert und

durchdenEmissionslterF2unddieDetektionslinseL2auf D1abgebildet.Derlangwellige

Anteilwirduber denSpiegelS unddenFilterF3von derLinseL3 auf D2abgebildet.

Die lichtempndlicheFlache derDetektorenhattypischerweiseeinenDurchmesservon

200m, so dass die Linsen L2 und L3 lateral justierbar sind, um die richtige Abbildung

derLochblende einstellenzu konnen. Damit deniert dieraumlich feste Blendeeinen

Be-zugspunkt fur die Justage. Die Linse L1 wird axial und lateral so verschoben, dass

La-serstrahltailleundLochblendekonjugiert konfokal angeordnet sind.Auchdie Descanlinse

DL ist lateral justierbar, damit der dahinter parallele Strahl auch parallel zur und auf

deroptischenAchse verlauft. Das gesamte FCS-Modulist mitdem KreuztischKTlateral

bezuglichderScanningeinheitverstellbar,umdiebeidenoptischenAchsenzurDeckung zu

bringen.

Abbildung4.1: (a) Schematischer Strahlengang von

Mikro-skop, Scanningeinheit und FCS-Modul (Modul nach [152 ])

in Seitenansicht und (b) in Frontalansicht; (c) linearisierte

mastabliche Darstellung, die Strahldurchmesser in

Klam-mern sind zweifach



uberhoht im Vergleich zur axialen

Posi-tion(Maein mm,soweitnichtanders angegeben). Weitere

Erlauterungen im Text.

Im Dokument Zellkern Nukleolus Nukleolus (Seite 64-70)