EP0807814B1

Two-photon molecular excitation in a laser scanning microscopy

Abstract

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Expired 13 November 2010, 15.9 years ago.

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22 claims: 22 independent, 0 dependent

  1. 1
    A laser scanning microscope (1) for inducing molecular excitation in a target material (20) said microscope comprising:an object plane (18);means (22) supporting a biological target material (20) at said object plane, which target material undergoes molecular excitation on absorption of a photon of a known characteristic energy and is a biological cell or a photon-activatable reagent;means (16) supplying subpicosecond coherent light pulses, said light pulses comprising photons having an energy less than said characteristic energy;focusing means (40,12) positioned to direct light towards said biological target material (20);means (36,38) directing said light pulses of photons along an optical path including said focusing means (40,12) to cause said photons to impinge on said target material (20), said focusing means (40,12) focusing said photons at a focal volume (26) within said target material so that two impinging photons of less than said characteristic energy are simultaneously absorbed and combine to produce in said focal volume sufficient energy to induce said molecular excitation in said target material. Lasermikroskop (1) zum Induzieren molekularer Anregung in einem Targetmaterial (20), wobei das Mikroskop Folgendes umfasst: eine Objektebene (18);Mittel (22), die ein biologisches Targetmaterial (20) auf dieser Objektebene tragen, wobei das Targetmaterial bei Absorption eines Photons mit einer bekannten charakteristischen Energie molekulare Anregung erfährt und eine biologische Zelle oder ein durch Photonen aktivierbares Reagens ist;Mittel (16), die kohärente Lichtimpulse im Sub-Picosekundenbereich bereitstellen, wobei die Lichtimpulse aus Photonen mit einer Energie bestehen, die geringer als die charakteristische Energie ist;Fokussiermittel (40, 12), die so positioniert sind, dass sie das Licht auf das biologische Targetmaterial (20) lenken;Mittel (36, 38), welche die Lichtimpulse aus Photonen einen optischen Weg entlang lenken, der die Fokussiermittel (40, 12) einschließt, damit die Photonen auf das Targetmaterial (20) auftreffen, wobei die Fokussiermittel (40, 12) die Photonen auf ein Brennvolumen (26) innerhalb des Targetmaterials fokussieren, so dass zwei aufeinander treffende Photonen mit weniger als der charakteristischen Energie gleichzeitig absorbiert und kombiniert werden, um in dem Brennvolumen ausreichend Energie zu erzeugen, um die molekulare Anregung im Targetmaterial zu induzieren. Microscope à balayage laser (1) destiné à induire une excitation moléculaire dans un matériau cible (20), ledit microscope comprenant : un plan d'objet (18) ;des moyens (22) soutenant un matériau cible biologique (20) au niveau dudit plan d'objet, lequel matériau cible subit une excitation moléculaire par absorption d'un photon présentant une énergie caractéristique connue et est une cellule biologique ou un réactif activable par photon ;des moyens (16) fournissant des impulsions de lumière subpicoseconde cohérentes, lesdites impulsions de lumière comprenant des photons ayant une énergie inférieure à ladite énergie caractéristique ;des moyens de mise au point (40, 12) positionnés à la lumière directe vers ledit matériau cible biologique (20) ;des moyens (36, 38) dirigeant lesdites impulsions de lumière de photon le long d'un chemin optique comprenant lesdits moyens de mise au point (40, 12) pour amener les photos à se fixer sur ledit matériau cible (20), lesdits moyens de mise au point (40, 12) mettant au point lesdits photons à un volume focal (26) dans ledit matériau cible de manière que deux photons de fixation d'une énergie inférieure à ladite énergie caractéristique sont absorbés et se combinent pour produire dans ledit volume focal suffisamment d'énergie pour induire ladite excitation moléculaire dans ledit matériau cible.
  2. 2
    A laser scanning microscope according to claim 1 wherein the focusing means focuses said two impinging photons onto a single object plane. Lasermikroskop nach Anspruch 1, worin die Fokussiermittel die beiden aufeinander treffenden Photonen auf eine einzige Objektebene fokussieren. Microscope à balayage laser selon la revendication 1 dans lequel les moyens de mise au point mettent au point lesdits deux photons de fixation sur un plan d'objet unique.
  3. 3
    Microscope selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel lesdits moyens de mise au point (40, 12) sont ajustables pour sélectionner des volumes focaux (26) à des profondeurs différentes dans ledit matériau cible (20). Mikroskop nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin die Fokussiermittel (40, 12) so eingestellt werden können, dass Brennvolumen (26) in unterschiedlicher Tiefe innerhalb des Targetmaterials (20) auswählbar sind. The microscope of claim 1 or claim 2, wherein said focusing means (40,12) is adjustable to select focal volumes (26) at different depths within said target material (20).
  4. 4
    Microscope selon la revendication 3, comprenant en outre des moyens formant laser (32, 34) destinés à déplacer ledit volume focal (26) par rapport audit matériau cible biologique (20). Mikroskop nach Anspruch 3, das außerdem ein Abtastmittel (32, 34) zum Bewegen des Brennvolumens (26) relativ zum biologischen Targetmaterial (20) umfasst. The microscope of claim 3, further including scanning means (32,34) to move said focal volume (26) with respect to said biological target material (20).
  5. 5
    Microscope selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la source dudit laser et le chemin optique sont adaptés pour balayer un matériau cible en réponse à ladite excitation au niveau dudit point focal pour produire une libération localisée de produits chimiques actifs biologiquement. Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Laserquelle und der Strahlengang so angepasst sind, dass sie ein Targetmaterial abtasten, das im Brennpunkt auf die Anregung so anspricht, dass eine örtlich begrenzte Freisetzung von biologisch aktiven Chemikalien herbeigeführt wird. The microscope of any one of claims 1 to 4, wherein said laser source and the optical path are adapted to scan a target material responsive to said excitation at said focal point to produce localized release of biologically active chemicals.
  6. 6
    Microscope selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans lequel ledit matériau cible réagit à ladite excitation moléculaire induite pour libérer un produit chimique actif biologiquement. Mikroskop nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin das Targetmaterial auf die induzierte molekulare Anregung so anspricht, dass eine biologisch aktive Chemikalie freigesetzt wird. The microscope of claim 1 or claim 2 wherein said target material is responsive to said induced molecular excitation to release a biologically active chemical.
  7. 7
    Microscope selon la revendication 5 dans lequel ladite excitation moléculaire induite produit une fluorescence correspondante dans ledit matériau cible, ledit microscope comprenant en outre :des moyens de balayage destinés à déplacer ledit volume focal dans ledit matériau cible ;etdes moyens formant détecteur réagissant à ladite fluorescence pour établir une carte de l'activité fluorescente dans ledit matériau cible. Mikroskop nach Anspruch 6, worin die induzierte molekulare Anregung eine entsprechende Fluoreszenz im Targetmaterial bewirkt, wobei das Mikroskop außerdem Folgendes umfasst: Abtastmittel zum Bewegen des Brennvolumens im Targetmaterial;undDetektormittel, die auf die Fluoreszenz so ansprechen, dass die Fluoreszenzaktivität im Targetmaterial aufgezeichnet wird. The microscope of claim 6 wherein said induced molecular excitation produces a corresponding fluorescence in said target material, said microscope further including: scanning means to move said focal volume in said target material;anddetector means responsive to said fluorescence to map fluorescent activity within said target material.
  8. 8
    Microscope selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel ledit matériau cible réagit à une excitation d'un photon unique par lumière ultraviolette et dans lequel lesdites impulsions de lumière sont la lumière visible. Mikroskop nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin das Targetmaterial auf Anregung durch einzelne Photonen mittels ultravioletten Lichts anspricht und worin die Lichtimpulse aus sichtbarem Licht bestehen. The microscope of claim 1 or claim 2, wherein said target material is responsive to single photon excitation by ultraviolet light and wherein said light pulses are visible light.
  9. 9
    Microscope selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens fournissant lesdites impulsions de lumière subpicoseconde comprennent au moins une source de laser. Mikroskop nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das Mittel zur Bereitstellung der Lichtimpulse im Sub-Picosekundenbereich zumindest eine Laserquelle umfasst. The microscope of any one of the above claims, wherein said means supplying said subpicosecond light pulses comprises at least one laser source.
  10. 10
    Microscope selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel lesdits moyens fournissant des impulsions de lumière subpicoseconde cohérentes produisent des impulsions d'au moins deux longueurs d'ondes différentes, chaque longueur d'ondes comprenant des photons d'une énergie inférieure à ladite énergie caractéristique connue. Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin das Mittel zur Bereitstellung kohärenter Lichtimpulse im Sub-Picosekundenbereich Impulse mit zumindest zwei verschiedenen Wellenlängen erzeugt, wobei jede Wellenlänge Photonen mit weniger als der bekannten charakteristischen Energie umfasst. The microscope of any one of claim 1 to 9, wherein said means supplying, subpicosecond, coherent light pulses produces pulses of at least two different wavelengths, each wavelength including photons of less than said known characteristic energy.
  11. 11
    Microscope selon la revendication 10 dépendant de la revendication 2, dans lequel lesdits moyens fournissant des impulsions de lumière subpicoseconde cohérentes comprennent deux sources de laser différentes, la sortie des sources de laser étant dirigée coaxialement dans le chemin optique du microscope. Mikroskop nach Anspruch 10 in Abhängigkeit von Anspruch 2, worin das Mittel zur Bereitstellung kohärenter Lichtimpulse im Sub-Picosekundenbereich zwei unterschiedliche Laserquellen umfasst, wobei der Output der Laserquellen koaxial in den Strahlengang des Mikroskops gerichtet ist. The microscope of claim 10 when dependent on claim 2, wherein said means supplying subpicosecond, coherent light pulses includes two different laser sources, the output of the laser sources being directed coaxially into the optical path of the microscope.
  12. 12
    Microscope selon la revendication 1 ou la revendication 7, dans lequel ledit matériau cible est un matériau actif biologiquement. Mikroskop nach Anspruch 1 oder Anspruch 7, worin das Targetmaterial ein biologisch aktives Material ist. The microscope of claim 1 or claim 7, wherein said target material is a biologically active material.
  13. 13
    Microscope selon la revendication 1 ou la revendication 7, comprenant des moyens destinés à déplacer ledit volume focal dans ledit matériau cible pour induire une excitation moléculaire résolue sur le plan spatial dudit matériau cible. Mikroskop nach Anspruch 1 oder Anspruch 7, das außerdem Mittel zum Bewegen des Brennvolumens im Targetmaterial umfasst, um räumlich aufgelöste molekulare Anregung des Targetmaterials zu induzieren. The microscope of claim 1 or claim 7, further including means for moving said focal volume within said target material to induce spatially resolved molecular excitation of said target material.
  14. 14
    A method of causing molecular excitation of a target material (20) in a laser scanning microscope, the target material containing molecules which absorb and are excitable by a photon of a known characteristic energy, and being a biological cell or a photon-activatable reagent; by the steps of    illuminating said material (20) with a beam of intense, subpicosecond pulses of laser light comprising photons of an energy less than said characteristic energy; and    focusing said illumination to a small focal volume (26) within said material (20) to produce an illumination intensity sufficiently high only at said focal volume to produce said molecular excitation by simultaneous absorption of two of said incident illuminating photons. Procédé destiné à provoquer une excitation moléculaire d'un matériau cible (20) dans un microscope à balayage laser, le matériau cible contenant des molécules qui absorbent et sont excitables par un photon d'une énergie caractéristique connue, et étant une cellule biologique ou un réactif activable par photon, comprenant les étapes consistant à :illuminer ledit matériau (20) avec un rayon d'impulsions subpicoseconde intenses de lumière laser comprenant des photons d'une énergie inférieure à ladite énergie caractéristique ;etmettre au point ladite illumination à un volume focal faible (26) dans ledit matériau (20) pour produire une intensité de lumière suffisamment élevée uniquement au niveau dudit volume focal pour produire ladite excitation moléculaire par absorption simultanée de deux desdits photons scintillants incidents. Verfahren zum Herbeiführen von molekularer Anregung eines Targetmaterials (20) in einem Lasermikroskop, wobei das Targetmaterial Moleküle enthält, die ein Photon mit einer bekannten charakteristischen Energie absorbieren und dadurch anregbar sind, und eine biologische Zelle oder ein durch Photonen aktivierbares Reagens ist;mit folgenden Schritten: Beleuchten des Materials (20) mit einem Strahl aus intensiven Laserlichtimpulsen im Sub-Picosekundenbereich, die Photonen mit einer Energie umfassen, die geringer als die charakteristische Energie ist;unddas Fokussieren der Beleuchtung auf ein kleines Brennvolumen (26) innerhalb des Materials (20), um eine Beleuchtungsintensität zu erzeugen, die nur im Brennvolumen ausreichend hoch ist, um die molekulare Anregung durch gleichzeitige Absorption von zwei der auftreffenden Beleuchtungs-Photonen herbeizuführen.
  15. 15
    A method according to claim 14 wherein the small focal volume is located at a single object plane. Procédé selon la revendication 14, dans lequel ledit volume focal faible est situé au niveau d'un plan d'objet unique. Verfahren nach Anspruch 14, worin das kleine Brennvolumen auf einer einzigen Objektebene liegt.
  16. 16
    Procédé selon la revendication 14, dans lequel les photons incidents présentent une énergie d'au moins la moitié de ladite énergie caractéristique. The method according to claim 14, wherein the incident photons are at least half said characteristic energy. Verfahren nach Anspruch 14, worin die auftreffenden Photonen nur eine halb so hohe Energie wie die charakteristische Energie aufweisen.
  17. 17
    Procédé selon l'une quelconque des revendications 14, 15 ou 16, dans lequel le matériau (20) comprend des molécules actives biologiquement bloquées, ladite intensité de lumière dans ledit volume focal (26) étant suffisante pour libérer les composés actifs biologiquement bloqués par absorption simultanée de photons incidents. The method of any one of claims 14, 15 or 16, wherein the material (20) includes caged biologically active molecules, said illumination intensity within said focal volume (26) being sufficient to release caged biologically active compounds by simultaneous absorption of incident photons. Verfahren nach einem der Ansprüche 14, 15 oder 16, worin das Material (20) biologisch aktive Moleküle in einem Käfig umfasst, wobei die Beleuchtungsintensität im Brennvolumen (26) ausreicht, um biologisch aktive Verbindungen im Käfig durch gleichzeitige Absorption von auftreffenden Photonen freizusetzen.
  18. 18
    Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, dans lequel le matériau cible comprend une cellule biologique réactive à l'excitation pour produire une fluorescence et comprenant en outre la mesure de ladite fluorescence. The method of any one of claims 14 to 16, wherein the target material includes a biological cell responsive to the excitation to produce fluorescence, and further including measuring said fluorescence. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, worin das Targetmaterial eine biologische Zelle umfasst, die auf die Anregung unter Erzeugung von Fluoreszenz anspricht, und das außerdem das Messen der Fluoreszenz beinhaltet.
  19. 19
    Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 18, dans lequel ladite illumination dudit matériau provient d'un faisceau unique d'impulsions de lumière subpicoseconde cohérentes. The method of any one of claims 14 to 18, wherein said illumination of said material comes from a single beam of subpicosecond, coherent light pulses. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, worin die Beleuchtung des Materials von einem einzigen Strahl aus kohärenten Lichtimpulsen im Sub-Picosekundenbereich herrührt.
  20. 20
    Lasermikroskop (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, worin die molekulare Anregung durch einen einzigen Strahl aus kohärenten Lichtimpulsen im Sub-Picosekundenbereich induziert wird. Microscope à balayage laser (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel ladite excitation moléculaire est induite par un faisceau unique d'impulsions de lumière subpicoseconde cohérentes. The laser scanning microscope (1) of any one of claims 1 to 13, wherein said molecular excitation is induced by a single beam of subpicosecond, coherent light pulses.
  21. 21
    Procédé selon la revendication 19 dans lequel la lumière laser est monochrome. The method of claim 19 wherein the laser light is monochromatic. Verfahren nach Anspruch 19, worin das Laserlicht monochromatisch ist.
  22. 22
    Lasermikroskop nach Anspruch 20, worin das Laserlicht monochromatisch ist. Microscope à balayage laser selon la revendication 20 dans lequel la lumière laser est monochrome. The laser scanning microscope of claim 20 wherein the laser light is monochromatic.
Independent claims22