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WO2025016752A1 - Method, light microscope and computer program for locating or tracking individual emitters in a sample - Google Patents

Method, light microscope and computer program for locating or tracking individual emitters in a sample Download PDF

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Publication number
WO2025016752A1
WO2025016752A1 PCT/EP2024/069040 EP2024069040W WO2025016752A1 WO 2025016752 A1 WO2025016752 A1 WO 2025016752A1 EP 2024069040 W EP2024069040 W EP 2024069040W WO 2025016752 A1 WO2025016752 A1 WO 2025016752A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
illumination light
emitter
sample
illumination
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/069040
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Roman Schmidt
Tobias Weihs
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Abberior Instruments GmbH
Original Assignee
Abberior Instruments GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Abberior Instruments GmbH filed Critical Abberior Instruments GmbH
Publication of WO2025016752A1 publication Critical patent/WO2025016752A1/en
Pending legal-status Critical Current
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    • G02B21/0024Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
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    • G02B21/0032Optical details of illumination, e.g. light-sources, pinholes, beam splitters, slits, fibers
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    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/58Optics for apodization or superresolution; Optical synthetic aperture systems

Definitions

  • the invention relates to a method, a light microscope and a computer program for localizing or tracking individual emitters in a sample, in particular according to the MINFLUX principle.
  • MINFLUX microscopy or “MINFLUX method” refers to a family of localization and tracking methods for individual light-emitting emitters in which a light distribution of illumination light that induces or modulates light emissions from the emitter is generated at the focus in the sample, wherein the light distribution has a local minimum in at least one spatial direction, and in which the position of an individual emitter is determined by detecting light emissions from the emitter.
  • the patent application DE 10 2013 114 860 A1 describes in particular a localization method in which the sample is scanned at grid points with the local minimum of an excitation light distribution in order to localize individual fluorophores.
  • M INFLUX is used for the first time in the publication “F. Balzarotti et al., “Nanometer resolution imaging and tracking of fluorescent molecules with minimal photon fluxes”, Science 355 (6325), 606-612 (2017)”.
  • the MINFLUX principle described above is implemented in concrete terms by first pre-localizing a single fluorophore by scanning with a first Gaussian excitation light distribution and then placing a second, donut-shaped excitation light distribution at points that form a symmetrical pattern of illumination positions around the position of the fluorophore estimated in the pre-localization. From the photon numbers registered for the individual illumination positions, the position of the fluorophore is then determined to within a few nanometers using a maximum likelihood estimator.
  • the sample is illuminated in several iteration steps at illumination positions with the minimum of a donut-shaped excitation light distribution, whereby the illumination positions form a symmetrical illumination pattern centered around the position of the fluorophore estimated in the previous step, and whereby the illumination positions are placed more closely around the currently estimated position of the fluorophore in each iteration step. This allows a very high position accuracy to be achieved in just a few steps.
  • the light that induces or modulates the light emission of the particles can also be, for example, STED (stimulated emission cfep/et/on) light.
  • STED switched emission cfep/et/on
  • patent applications DE 10 2017 104 736 A1 and EP 3 372 989 A1 describe MINFLUX-like methods that are based on superimposing an excitation light distribution with a local maximum with a STED light distribution with a local minimum. The sample is scanned by shifting the STED distribution with the STED minimum and the position of the fluorophore is determined from the measured values of the fluorescence intensity at different positions of the STED intensity distribution.
  • US 2019/0195800 A1 describes an adjustment method for a laser scanning microscope in which, in particular, an offset between raster images of a sample taken with different STED intensities is determined, and based on the offset, a STED light distribution at the focus is adjusted relative to an excitation light distribution, or in which an offset is determined between raster images taken with the pinhole aperture opened to different widths in the detection beam path, wherein a position of the pinhole aperture is adjusted on the basis of the determined offset.
  • US 2015/0226950 A1 describes a STED microscopy method and a corresponding microscope with which a phase pattern displayed on a spatial light modulator is adjusted using an image quality metric in order to correct aberrations of the STED light beam and optionally of the excitation light beam.
  • the metric is based on an image sharpness parameter and an image brightness parameter.
  • individual emitters are localized with light of different wavelengths and a difference between the obtained localizations is determined, which can then be used, for example, for co-registration of the localizations in image post-processing following the measurement method.
  • WO 2022/200549 A1 describes a method for highly accurate drift compensation using MINFLUX localization of a reference marker (e.g. a fluorescent or light-reflecting nanoparticle).
  • a reference marker e.g. a fluorescent or light-reflecting nanoparticle.
  • a light microscopic measurement is interrupted in order to determine the position of the reference marker using the MINFLUX method.
  • the sample is then tracked starting from the determined position in order to compensate for a drift of the sample relative to the objective of the light microscope or a drift of objects within the sample, depending on the type of reference marker used.
  • localization microscopy methods such as MINFLUX differ fundamentally from these methods in their image generation principle. There is no optical imaging of the sample, but an image of several individual emitters or a trajectory of a moving emitter (in the case of a tracking experiment) is mathematically composed from many individual localizations. Misalignments in the beam path and aberrations therefore have very different effects than in imaging microscopy, whereby the specific effect depends largely on the localization principle and the specific implementation of the localization experiment.
  • the object of the present invention is to improve localization microscopy methods such that the localization quality with regard to misalignments in the beam path and aberrations can be improved in a user-friendly manner.
  • a first aspect of the invention relates to a method for localizing or tracking individual emitters in a sample by means of a light microscope, wherein the method comprises the following steps, which do not necessarily have to be carried out one after the other in the order given: illuminating the sample with illumination light (in particular with an illumination light beam of illumination light), wherein an intensity distribution of the illumination light is formed in the sample, wherein the intensity distribution has a local intensity minimum, and wherein the illumination light induces or modulates light emissions of an individual emitter in the sample, detecting light emissions of the individual emitter (in particular a detection light beam of the light emissions) and determining position data of the individual emitter on the basis of the detected light emissions.
  • a wavefront of the illumination light is adjusted and/or a beam path of an illumination light beam of the illumination light and a beam path of a detection light beam of the light emissions of the individual emitter are adjusted relative to one another and/or a beam path of an illumination light beam of the illumination light and a beam path of another illumination light beam are adjusted relative to one another.
  • the adjustment of the wavefront or the adjustment of the beam paths can be carried out in such a way that the geometric focus of the illumination light does not shift relative to the sample due to this adjustment.
  • the adjustment of the beam paths according to the invention does not, of course, mean pure scanning of the illumination light over the sample or pure tracking of the sample, e.g. as part of a drift correction.
  • the wavefront can be adjusted, for example, by modulating the phase and/or amplitude of the illumination light.
  • the detection light beam can be formed in particular by bundling the light emissions of the emitter with an objective, in particular by means of the same objective that focuses the illumination light into the sample.
  • the beam path of the illumination light beam and the beam path of the detection light beam can be adjusted relative to one another by shifting the illumination light beam while the detection light beam remains unchanged, by shifting the detection light beam while the illumination light beam remains unchanged, or by shifting both light beams in different ways. The same applies to adjusting the beam paths of the illumination light and the additional illumination light relative to one another.
  • the term emitter refers to the unit whose position in the sample is to be determined using the localization method.
  • the light emission can therefore occur directly through the emitter itself (particularly if the emitter is a fluorescent dye molecule) or indirectly through markers coupled to the emitter (e.g. fluorescent dye molecules covalently or non-covalently bound to a protein).
  • Light emission can not only mean the active emission of light by the emitter or the markers in the sense of luminescence, but also light emission caused by (Raman/Rayleigh/Mie) scattering.
  • the emitter or the markers coupled to the emitter can be molecules of a fluorescent dye, fluorescent nanoparticles (e.g. quantum dots) or light-scattering nanoparticles such as gold nanoparticles or gold nanorods.
  • Individual emitters are those emitters that can be separated or resolved using optical means. This can mean in particular that the emitters are at a spatial distance from one another that is above the optical diffraction limit. In this sense, emitters are also individual if they can be registered one after the other, for example by registering light emanating from a first emitter at a time. at which a neighboring emitter does not emit light because it is (in the case of fluorophores) in a dark state. In this way, emitters that are at a distance below the diffraction limit but flash asynchronously can also be resolved using a light microscope.
  • emitters that are at a distance below the diffraction limit but emit light of different wavelengths using a light microscope by spectrally separating the emitted light or to excite two emitters with different excitation spectra at different wavelengths in order to optically separate the emitters.
  • emitters that have different emission lifetimes can be differentiated from one another by measuring the lifetime (e.g. by time-resolved single photon counting) and thus detected separately. All of these embodiments fall under the term “individual emitters”.
  • the sample is illuminated with the illumination light, particularly in the vicinity of a suspected position of the individual emitter.
  • the illumination light can in particular be excitation light, which excites the emitter(s) to fluoresce or is scattered by the emitter(s), thus inducing light emission.
  • the illumination light can also modulate, in particular inhibit, the light emission. Examples of this are STED light, which extinguishes the excited state of fluorophores through stimulated emission, or switching light, which can, for example, convert fluorophores from a fluorescent state to a dark state, such as a triplet state.
  • Illumination light that modulates light emission is used in particular in combination with excitation light.
  • a point detector such as an Avalanche photodiode, APD, a photomultiplier or a hybrid detector
  • a spatially resolving area detector e.g. a camera or an APD array
  • the position data of the emitter are determined from the light emission, whereby the position can be determined in particular on the basis of light emissions registered at several illumination positions of the illumination light.
  • the registered light emissions of the emitter can be individual photons registered one after the other (e.g. with an APD). However, the light emissions can also be registered as groups of several photons (as is sometimes the case with so-called hybrid detectors).
  • the emitter can be localized in particular by a method according to the MINFLUX principle, ie the emitter is illuminated at several illumination positions arranged around the previously determined position of the emitter with an intensity distribution of excitation light having a local intensity minimum, the position of the emitter being estimated from the light emissions assigned to the illumination positions.
  • the illumination light is therefore excitation light.
  • the Less light emissions can be expected the closer the intensity minimum of the illumination light (excitation light) is to the actual position of the emitter, which makes the method particularly photon efficient.
  • the emitter can also be localized in particular according to a STED-MINFLUX principle, i.e. the emitter is illuminated at several illumination positions arranged around the previously determined position of the emitter with a superposition of an intensity distribution of excitation light having a local intensity maximum with an intensity distribution of prevention light (e.g. STED light) having a local intensity minimum, whereby the position of the emitter is estimated from the light emissions assigned to the illumination positions.
  • the illumination light is the prevention light.
  • the illumination positions are arranged at discrete positions around the emitter. These positions can be freely selected, whereby the number of illumination positions can be reduced to a minimum. Alternatively, the positions can also be arranged regularly, i.e. on a grid, whereby the grid only covers a close range of in particular at most 1 pm, further in particular at most 500 nm and even further in particular at most 100 nm, around the emitter.
  • the illumination positions are not arranged at discrete points around the emitter, but the illumination occurs continuously along an illumination trajectory that encloses the emitter.
  • the assignment of the detected light emissions to an illumination position can be carried out in a similar way to continuous scanning in scanning microscopy, e.g. by defining corresponding time intervals (so-called dwell times) and assigning the light emissions to an average illumination position during the corresponding time interval.
  • the assignment of light emission to illumination position can also be carried out by conversely registering the current illumination position as soon as a photon of the light emission is detected.
  • a sequence of lighting positions can be run through either once or multiple times. Alternatively, a variable sequence of lighting positions is also possible. It is particularly advantageous to recalculate the lighting positions based on a localization of the emitter, especially iteratively, and to arrange them successively closer to the (actual) position of the emitter.
  • To determine the position data of the emitter the light emissions of the emitter are detected at the illumination positions, and the position of the emitter is finally determined from the light emissions detected at the illumination positions.
  • position estimators are used in particular, such as those known from the state of the art for the MINFLUX method (see e.g. “F. Balzarotti et al., “Nanometer resolution imaging and tracking of fluorescent molecules with minimal photon fluxes”, Science 355 (6325), 606-612 (2017)”).
  • the position data can indicate a position in one, two or three spatial directions.
  • the local intensity minimum can be point-shaped, linear or formed as a surface. Ideally, it is an intensity zero, zero line or zero surface.
  • the local minimum can also be a global minimum of the intensity, in particular if the intensity at the local minimum is zero. Otherwise, however, it is also possible that the intensity distribution has further local minima whose intensity is lower than the intensity of the local minimum.
  • the intensity minimum can be a central minimum that forms a geometric center of a symmetrical light distribution. This center can be located in particular at the geometric focus of the light microscope.
  • Global intensity maxima can border the intensity minimum in particular in at least one spatial direction, in particular on two opposite sides of the intensity minimum.
  • the intensity distribution can specifically be a 2D donut or a 3D donut (also known as a bottle beam).
  • Such intensity distributions can be generated, for example, by phase modulation of the illumination light with a phase plate or a so-called spatial light modulator (SLM).
  • SLM spatial light modulator
  • the positioning of the intensity distribution of the illumination light in the sample can be achieved by beam displacement (e.g. electro-optically or by means of a galvanometric scanner), sample displacement (e.g. by means of a sample holder that can be moved with a piezoelectric actuator) or by controlling certain point light sources such as fiber ends of an optical fiber.
  • beam displacement e.g. electro-optically or by means of a galvanometric scanner
  • sample displacement e.g. by means of a sample holder that can be moved with a piezoelectric actuator
  • certain point light sources such as fiber ends of an optical fiber.
  • the adaptation of the wavefront or the beam paths is carried out on the basis of the position data of the individual emitter, wherein the position data is determined on the basis of the detected light emissions.
  • the adaptation of the wavefront or the beam paths can be carried out on the basis of a comparison of different position data of the same emitter.
  • the position data of an emitter obtained from several localization steps can be analyzed in order to detect a systematic deviation between the ultimately estimated position of the emitter (according to the last localization step for the emitter in question) and an estimated position from an earlier localization step of lower accuracy.
  • a systematic deviation of the localizations caused by misalignments or aberrations can also be determined by an independent method. The determined deviation can be used to compensate or correct the misalignments or aberrations, so that the next emitter to be localized can be localized with comparatively higher accuracy in earlier localization steps.
  • the adaptation of the wavefront or the beam paths is carried out during a measurement sequence, wherein the measurement sequence comprises several steps in which the sample is illuminated with the illumination light (i.e. with the intensity distribution of the illumination light with the local intensity minimum) and the light emissions of the individual emitter or individual emitters are recorded.
  • the adaptation is not carried out in an adjustment step before a measurement, but rather "live” during a measurement.
  • a measurement sequence can comprise a determination of the position of an emitter or several consecutive determinations of the position of different emitters.
  • position data of the individual emitter are determined multiple times and/or position data of multiple emitters in the sample are determined, wherein the adaptation of the wavefront or the beam paths is carried out on the basis of a statistical analysis of the position data.
  • the statistical analysis can, for example, include determining a scatter (e.g. a variance or a standard deviation in at least one spatial direction).
  • the adaptation of the wavefront or the adaptation of the beam paths can then, for example, be carried out in such a way that the scatter is reduced, in particular minimized.
  • Minimization of the scatter can, for example, be achieved by iteratively carrying out the statistical evaluation and the adaptation of the wavefront or the beam paths. In this way, the quality of the localization can be improved.
  • the statistical analysis can also involve averaging, particularly a moving average, between parameters obtained from the position data of several individual emitters. For example, a systematic deviation between an earlier step of a localization and a later step of a localization can be determined in a moving manner for the last n emitters and used to adapt the wavefront or the beam paths.
  • an axial position of the intensity distribution of the illumination light is adjusted, wherein light emissions of the individual emitter for different axial positions of the intensity distribution are recorded, and the adjustment of the wavefront or the beam paths is carried out on the basis of the light emissions recorded for the various axial positions.
  • the term "axial position" refers in particular to the position of the local minimum of the intensity distribution on the optical axis of the objective of the light microscope.
  • position data of the individual emitter can optionally be determined from the light emissions. This can in particular be two-dimensional position data or three-dimensional position data. This type of evaluation can be used to correct localization errors that depend on the axial coordinate (z-coordinate) (ie in particular systematic effects of the z-position on the position estimator).
  • the adaptation of the wavefront or the beam paths can in particular also be carried out on the basis of the light emissions detected successively by several emitters, whereby for each of the emitters, light emissions detected for different axial positions of the intensity distribution of the illumination light are used.
  • the illumination light is excitation light that stimulates the emitter in the sample to emit light.
  • the sample is illuminated with an intensity distribution of excitation light with a local minimum, in particular a central intensity zero.
  • the method can therefore be a MINFLUX method in particular. This has the advantage that a highly precise localization of the emitter can be carried out with particularly few photons emitted by the emitter.
  • the adjustment of the wavefront of the illumination light and/or the adjustment of the beam paths takes place automatically.
  • a control unit of the light microscope can therefore automatically pass on a control signal calculated on the basis of the registered light emissions of an individual emitter, for example to a mechanical actuator, which adjusts an optical component in the beam path of the illumination light beam or the detection light beam on the basis of the control signal.
  • the same control unit or another control unit can automatically pass on a corresponding control signal to a wavefront modulator, which modulates the wavefront of the illumination light on the basis of the control signal.
  • This type of automatic adjustment can also be implemented in the form of a control loop.
  • the emitter is a fluorophore or a molecule labeled with one or more fluorophores.
  • the emitters used for adjusting the beam path can in particular be the same emitters that are used for microscopic examination of sample structures.
  • a separate adjustment step for example with reference particles such as light-scattering or fluorescent nanoparticles, this has the advantage that the adjustment is carried out under exactly the same conditions under which the localization experiment is carried out.
  • the refractive index of the sample is identical during adjustment and measurement.
  • the emitter is a fluorophore, i.e. a self-fluorescing molecule.
  • a fluorophore i.e. a self-fluorescing molecule.
  • This can be, for example, an organic fluorophore or a fluorescent protein.
  • the position of such individual molecules can be determined with high accuracy by localization microscopy.
  • the emitter is a molecule labeled with a fluorophore.
  • the link between the fluorophore and the molecule can be covalent or non-covalent.
  • the molecule labeled with the fluorophore can be, for example, an antibody or a nanobody that is covalently coupled to a fluorescent dye and binds to a target structure to be examined in the sample.
  • position information about the target structure can be collected indirectly by localizing the emitter (here antibody or nanobody with fluorescent dye). Labeling with only one fluorophore has the advantage that the light emissions tend to come from a smaller area of the sample, and thus more meaningful information about the target structure can be obtained.
  • the emitter is a molecule labeled with several fluorophores.
  • This can be, for example, an antibody covalently coupled to several fluorophores, which in turn binds to a structure of interest in the sample.
  • Coupling to several fluorophores has the advantage that more photons are emitted overall and thus a higher positional accuracy can be achieved during localization.
  • irreversible bleaching only occurs after a longer period of time, which allows position determination to be carried out over a longer period of time.
  • a close area of the sample in which the emitter to be localized or tracked is located according to a presumed position determined in advance is illuminated with the intensity distribution of the illumination light with the local minimum.
  • This close area is typically derived from an estimated position of a previous localization step.
  • the first localization step can be carried out, eg in a MINFLUX method, with an independent localization technique of lower accuracy, which is also referred to as pre-localization.
  • a deviation between a desired intensity distribution of the illumination light and an actual intensity distribution of the illumination light in the sample is corrected.
  • a deviation can be caused, for example, by aberrations.
  • the minimum of an intensity distribution of the illumination light can shift or the intensity distribution can become asymmetrical.
  • the actual intensity distribution in the sample is skewed relative to an optical axis of the light microscope.
  • the axial intensity maxima of a so-called bottle beam also referred to as a 3D donut in this application
  • a so-called bottle beam also referred to as a 3D donut in this application
  • Such light distributions are used, for example, in 3D MINFLUX localization, and in some cases both for axial and lateral localization.
  • a skewed 3D donut leads to a systematic deviation in the position estimation in lateral localization, depending on the current focal plane. Such deviations can be corrected, for example, by recentering the illumination light beam on the pupil of the objective.
  • a phase pattern is adjusted which is displayed on a wavefront modulator, wherein the wavefront modulator is located in a beam path of the illumination light, wherein the phase pattern is adjusted to correct the deviation between the desired intensity distribution and the actual intensity distribution.
  • a wavefront modulator can in particular be located in a pupil plane which is conjugated to a rear aperture of the objective of the light microscope by imaging via an optical relay, i.e. is a Fourier plane with respect to a focal plane which intersects the geometric focus of the objective in the sample. If the illumination light is modulated in this plane with a suitable phase pattern, an intensity distribution with a local minimum at the geometric focus is created at the focus by destructive interference.
  • a 2D donut-shaped intensity distribution can be generated by a vortex-shaped phase pattern with a phase angle increasing circularly from 0 to 2K or a multiple thereof.
  • a ring-shaped phase pattern with a phase jump of the phase difference K running along a circle in which the inner partial area (inner circle) and the outer partial area (ring) of the pattern have equal areas
  • a 3D donut-shaped intensity distribution can be generated under ideal conditions.
  • the phase pattern comprises a phase jump running along a circle, wherein a phase difference of the phase jump is adjusted in order to correct the deviation between the desired intensity distribution and the actual intensity distribution.
  • an axial deviation of the position determination can be corrected, which can arise due to defocus aberrations, for example due to different refractive indices between a calibration sample with which the beam path of the light microscope was adjusted and a sample to be examined.
  • an aberration correction is carried out by adjusting the wavefront of the illumination light and/or by adjusting the beam paths (i.e., the beam path of the illumination light beam and the beam path of the detection light beam relative to one another and/or the beam path of the illumination light beam and the beam path of the further illumination light beam relative to one another). Due to certain optical aberrations, for example, the intensity distribution of the illumination light in the sample can deviate from a desired intensity distribution, e.g. the local minimum of the intensity distribution can shift. These deviations or their effects on a position estimator can be compensated or corrected by the method according to the invention.
  • the method comprises a first localization step and a second localization step, wherein in the first localization step the sample is illuminated with the illumination light, first light emissions of the individual emitter are detected and first position data of the individual emitter are determined on the basis of the first light emissions, and wherein in the second localization step the intensity minimum of the intensity distribution of the illumination light is arranged at illumination positions, wherein the illumination positions are arranged around a position of the individual emitter estimated on the basis of the first position data, second light emissions of the individual emitter are detected for the respective illumination positions and second position data of the individual emitter are determined on the basis of the second light emissions and the associated illumination positions, wherein the estimated position of the individual emitter is determined with greater accuracy on the basis of the second position data than on the basis of the first position data, wherein a systematic deviation between the estimated position of the emitter determined in the first localization step compared to the position determined in the second localization step estimated position of the same emitter, wherein on the basis of the determined deviation the wavefront of the illumination
  • the first localization step and the second localization step do not have to follow one another directly, but one or more further localization steps can of course be carried out between the first localization step and the second localization step.
  • the position of the emitter can be determined in the second localization step with an accuracy that is better than a threshold value of the accuracy.
  • the accuracy in the second localization step can reach an optimum or approach an optimum.
  • the position of the emitter determined in the second localization step can be regarded as the actual emitter position (in the sense of a so-called "ground truth"), on the basis of which the systematic deviation is determined. The better the accuracy of this determined position, the better the systematic deviation can be determined and thus the adjustment of the wavefront or the beam paths can be carried out.
  • the first localization step can in particular be a pre-localization step that is not carried out according to the MINFLUX principle, but with an independent imaging or localization technique in order to obtain an initial position estimate for an individual emitter, on the basis of which a MINFLUX localization is then carried out.
  • the emitter can in particular also be found, i.e. the sample is searched for individual emitters by registering light emissions, which are then pre-localized and finally localized with high accuracy.
  • the first localization step is carried out according to a stochastic localization method.
  • STORM stochastic optical reconstruction microscopy
  • PALM photoactivated localization m/croscopy
  • SOFI superresolution optical fluctuation imaging
  • PAINT points accumulation for imaging in nanoscale topography
  • the field of view is illuminated in particular homogeneously with the illumination light, so that all activated emitters in the field of view are simultaneously stimulated to emit light.
  • the light emission is preferably detected using a spatially resolving or imaging detector, i.e. a detector that has a large number of individually readable detector elements, in particular with a camera.
  • the position of the individual, i.e. optically separable emitters can thus be determined by determining the center of gravity or adapting a model function in the image.
  • the first localization step is carried out using a stochastic localization method, a large number of emitters are imaged in parallel.
  • a balance between an emitting state and a dark state is also typically set in MINFLUX microscopy in order to be able to localize emitters that are spatially densely arranged one after the other in the sample.
  • the first localization step is carried out by scanning the sample with the illumination light.
  • the first localization step is carried out by means of laser scanning, which can optionally be carried out, for example, as conventional confocal laser scanning or also as STED laser scanning.
  • the sample is scanned point by point with focused excitation light or with an intensity distribution of excitation light with a local minimum (e.g. 2D or 3D donut) and an image is reconstructed from the light emissions detected at each scan point, in which the individual emitters can in turn be localized.
  • a local minimum e.g. 2D or 3D donut
  • the excitation light can be superimposed with a distribution of de-excitation light having a local intensity minimum, which improves the resolution beyond the optical diffraction limit and enables more precise localization of the emitter in the first localization step.
  • the emitter can be localized in particular by a method according to the MINFLUX principle, i.e. the emitter is illuminated at several illumination positions arranged around the position of the emitter determined in the first localization step with an intensity distribution of illumination light having a local intensity minimum in at least one spatial direction.
  • the second localization step does not necessarily have to follow immediately after the first localization step; optionally, further localization steps can take place between the first and second localization steps; the only decisive factor for the embodiment described above is the presence of a first and a second localization step.
  • the illumination light used in the second localization step can also induce or modulate the light emission of the emitter, in particular inhibit it.
  • the illumination light used in the second The illumination light used in the localization step can be identical to the illumination light used in the first localization step, but this is not absolutely necessary.
  • the wavelength of the illumination light can be identical in both localization steps, but different intensity distributions of the light can be switched between.
  • For localization of an emitter from a confocal image in the first localization step and localization of the emitter according to a MINFLUX principle in the second localization step it is necessary, for example, to switch from a Gaussian mode to a donut-shaped mode with an intensity minimum.
  • Such switching can be implemented using a programmable phase modulator (spatial light modulator, SLM), among other things.
  • the sample is also illuminated in the first localization step with an intensity distribution of the illumination light with a local intensity minimum.
  • the intensity minimum in the first localization step is arranged at illumination positions around a previously estimated position of the individual emitter.
  • the first localization step can already be carried out according to a MINFLUX method (according to a MINFLUX principle), whereby the first and second localization steps can be steps of an iterative MINFLUX method, for example, in which the position of the emitter is determined in each iteration and the illumination positions are adjusted on the basis of the last position determination, in particular arranged closer around the emitter.
  • the intensity of the illumination light can also be increased in each iteration.
  • the sample is illuminated with structured illumination light in the first localization step, whereby the position and/or orientation of the structured illumination light relative to the sample is gradually shifted or rotated, an image of the sample is recorded with an imaging detector for each shift or orientation, and the individual images are combined to produce a higher resolution image.
  • structured illumination microscopy SIM
  • the emitter is imaged in the first localization step onto a spatially resolving detector, in particular onto a camera or a detector array.
  • a spatially resolving detector in particular onto a camera or a detector array.
  • the spatially resolving detector can in particular resolve a diffraction image of the individual emitter in a detection plane, wherein the detection light beam is imaged in particular by a suitable optics onto several detector elements (in particular pixels) of the spatially resolving detector.
  • the systematic deviation is caused by optical imaging errors.
  • Systematic deviations between the positions of the emitter determined in the first localization step and in the second localization step often occur as a result of optical imaging errors and in particular when the optical beam path used for determining the position in the first localization step differs from the optical beam path used for determining the position in the second localization step or the first and second localization steps are carried out using optical means that differ from one another in at least one optical element.
  • the first localization step and the second localization step are carried out with optical means which differ from each other in at least one optical element.
  • optical means which differ from each other in at least one optical element.
  • the imaging properties of the two beam paths are usually different, so that due to different imaging errors, in particular spherical aberrations, transverse chromatic aberrations, coma and astigmatism, the images produced by the two beam paths are no longer congruent over the entire image area.
  • the method according to the invention advantageously allows these deviations to be corrected, in particular during the measurement or between measurements.
  • a systematic deviation in the position determination of the emitter in the first localization step and in the second localization step can also occur if the same optical beam path with the same optical elements but different intensity distributions is used in both steps.
  • the actual center of gravity of an intensity distribution of the illumination light (e.g. a donut-shaped light distribution) in the second localization step can deviate from the nominal center of gravity (the central zero point in the case of the donut-shaped light distribution) and thus from the center of the light distribution used in the first localization step, as a result of which the localizations systematically deviate from one another.
  • An intensity-dependent deviation can also occur if the illumination positions include positions at which the emitter is illuminated with light intensities that lead to saturation of the excitation, i.e. there is no longer a linear dependence of the light emission of the emitter on the intensity of the illumination light at the location of the emitter. This case can occur, for example, if the first localization step is also carried out with a MINFLUX method, but with illumination points further apart and/or lower intensity of the illumination light.
  • the adaptation of the wavefront and/or the beam paths is carried out such that the systematic deviation between the position of the emitter estimated in the first localization step compared to the position of the same emitter estimated in the second localization step is reduced, in particular minimized.
  • a position of a pinhole arranged in a beam path of the detection light beam is adjusted such that the systematic deviation between the position of the emitter estimated in the first localization step compared to the position of the same emitter estimated in the second localization step.
  • Such a pinhole is known from confocal microscopes, but is also used in MINFLUX microscopes, especially to reduce background fluorescence from planes above and below the focal plane.
  • the initial pre-localization step in MINFLUX microscopy is partly carried out using pinhole orbit scanning.
  • the intensity distribution of the illumination light is stationary relative to the sample (in particular an intensity distribution with a local minimum such as a 2D or 3D donut)
  • the projection of the pinhole into the sample is moved on a circular path, the light emissions from the sample are detected and a rough position estimate for the emitter is made based on the detected light emissions, on the basis of which the subsequent MINFLUX localization steps are then carried out.
  • the rotation of the pinhole projection can be enabled, for example, by two independent beam scanners, one of which affects both the position of the illumination light in the sample and the position of the detection light (e.g. a galvanometer scanner in a de-scanned configuration), while the other beam scanner only affects the position of the illumination light beam (e.g. electro-optical deflectors arranged in the illumination beam path but not in the detection beam path).
  • the position of the emitter is determined with very high precision despite the misalignment in the detection beam path, but too many photons from the emitter are required because the initial positioning of the illumination pattern of illumination positions of the intensity distribution is incorrect due to the lack of centering on the pinhole. Therefore, the embodiment of the method according to the invention described above, in which the position of the pinhole is corrected relative to the detection light beam, improves the photon efficiency in MINFLUX localization.
  • the first localization step can in particular be a pre-localization step that is carried out using a pinhole orbit scan method.
  • a pinhole orbit scan method This means that the projection of the pinhole into the sample is moved on a circular path, in particular using beam scanners that are independent of one another, wherein the position of the illumination light beam, in particular of the intensity distribution of the illumination light with the local minimum, remains constant relative to the sample, wherein light emissions from the sample are detected, and wherein a position of an individual emitter in the sample is estimated on the basis of the light emissions.
  • the illumination light beam and the further illumination light beam have different wavelengths, wherein the beam path of the illumination light beam and the beam path of the further illumination light beam are adjusted relative to one another on the basis of the detected light emissions of the individual emitter in such a way that a local deviation between the illumination light beam and the further illumination light beam is corrected.
  • different emitters e.g. different fluorophores or molecules marked with fluorophores
  • the different illumination light beams can be shifted parallel to one another in such a way that the corresponding intensity distributions formed by the different illumination light beams (in particular one after the other) in the sample are congruent.
  • a systematic deviation between a first position of the emitter determined with the illumination light beam and a second position of the emitter determined with the further illumination light beam can be determined and minimized in particular by adjusting the relative beam path.
  • Illumination beams of different wavelengths can lead to the emission of light emissions, in particular even with the same emitter, eg in the case of fluorescence excitation, when the excitation spectrum of the emitter includes both wavelengths.
  • a second aspect of the invention relates to a light microscope for localizing or tracking individual emitters in a sample, in particular according to a method according to the first aspect, wherein the light microscope comprises at least the following components: a light source designed to illuminate the sample with illumination light, wherein the illumination light induces or modulates light emissions of an individual emitter in the sample, a wavefront modulator designed to form an intensity distribution of the illumination light with a local intensity minimum in the sample, at least one detector designed to detect light emissions of the individual emitter, a computing unit designed to determine position data of the individual emitter on the basis of the detected light emissions, wherein the light microscope has a control unit designed to adapt a wavefront of the illumination light on the basis of the detected light emissions of the individual emitter and/or to determine a beam path of an illumination light beam of the illumination light and a beam path of a detection light beam of the light emissions of the individual emitters relative to each other and/or to adjust a beam path of the illumination light beam and a beam path of another illumination light beam relative to each other.
  • the wavefront modulator is a phase modulator, in particular a controllable spatial light modulator (SLM) connected to the control unit.
  • SLM spatial light modulator
  • intensity distributions with a local minimum e.g. 2D or 3D donuts
  • the control unit can then change the phase distribution in particular, so that the intensity distribution in the sample is changed, in particular so that the actual intensity distribution corresponds to a desired intensity distribution.
  • the further wavefront modulator is a deformable mirror
  • the control unit is designed to control the deformable mirror on the basis of the detected light emissions of the individual emitter such that the wavefront of the illumination light is adapted, wherein in particular an aberration correction is carried out by adapting the wavefront.
  • the light microscope has an actuator which is designed to displace an optical component arranged in a beam path of the illumination light beam, the further illumination light beam and/or the detection light beam, wherein the control unit is designed to control the actuator on the basis of the detected light emissions of the individual emitter such that the beam path of the illumination light beam and the beam path of the detection light beam are adapted relative to one another and/or the beam path of the illumination light beam and the beam path of the further illumination light beam are adapted relative to one another.
  • the light microscope has a pinhole arranged in a beam path of the detection light beam, wherein the actuator is designed to adjust the beam position of the detection light beam relative to the pinhole.
  • the actuator can be coupled directly to the pinhole and adjust its position in the beam path, i.e. the pinhole can be the optical component.
  • the optical component can be a beam deflection element, e.g. a mirror, to which the actuator is coupled, wherein the beam deflection element adjusts the beam position of the detection light beam relative to the pinhole.
  • several actuators can also be provided, each of which is coupled to an optical component, for example, in order to adjust the beam position of the detection light beam in several spatial directions.
  • the detector has a plurality of detector elements, in particular those that can be read out individually.
  • This can be, for example, a CCD or CMOS camera.
  • the detector elements are designed to register individual photons.
  • the detector can be, for example, a so-called APD array, i.e. a two-dimensional arrangement of AVC photodiodes.
  • the light source in particular comprises one or more lasers.
  • the light microscope has a
  • Beam positioning device e.g. a galvanometric scanner, an acousto-optical deflector or an electro-optical deflector, which is designed to
  • the beam positioning device is designed in particular to position the intensity distribution of the illumination light at illumination positions in the sample within a field of view of interest.
  • the beam positioning device is preferably designed such that the intensity distribution can be repositioned within 10 ps, in particular within 5 ps and further in particular within 1 ps, at least between illumination positions that are less than 500 nm apart, in particular less than 250 nm and further in particular less than 100 nm apart.
  • the beam positioning device can in particular have an electro-optical deflector (EOD) or an acousto-optical deflector (AOD).
  • EOD electro-optical deflector
  • AOD acousto-optical deflector
  • the beam positioning device can be designed as a combination of a fast positioning device (e.g. comprising EODs or AODs) with a slower positioning device (e.g. a galvo scanner) that covers a larger positioning range.
  • a third aspect of the invention relates to a computer program comprising instructions which cause the light microscope according to the second aspect to carry out the method according to the first aspect.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a light microscope according to the invention
  • Fig. 2 shows MINFLUX localization data of an emitter
  • Fig. 3 shows MINFLUX localization data of an emitter with negative astigmatism aberration
  • Fig. 4 shows MINFLUX localization data of an emitter with positive astigmatism aberration
  • Fig. 5 shows precision maps of different iteration steps of a MINFLUX localization of an emitter
  • Fig. 6 shows precision maps of different iteration steps of a MINFLUX localization of an emitter with astigmatism aberration
  • Fig. 7 shows a 2D donut-shaped intensity distribution of illumination light
  • Fig. 8 shows a 2D donut-shaped intensity distribution of illumination light with astigmatism aberration
  • Fig. 9 shows a systematic deviation between different iteration steps of a MINFLUX localization with a 2D donut-shaped intensity distribution of illumination light generated by phase modulation with an optimally adjusted phase pattern
  • Fig. 10 shows a systematic deviation between different iteration steps of a
  • Fig. 11 shows a precision map of a pre-localization using pinhole orbit scanning with an optimally adjusted pinhole
  • Fig. 12 shows a precision map of a pre-localization using pinhole orbit scanning with a shifted pinhole
  • Fig. 13 shows a systematic deviation of different iteration steps of an SDMI NFLUX localization with a botf/e-beam-shaped intensity distribution of illumination light
  • Fig. 14 shows a systematic deviation of different iteration steps of a 3D MINFLUX localization with a botf/e-beam-shaped intensity distribution of illumination light with coma aberration
  • Fig. 15 shows a systematic deviation of different iteration steps of another 3D MINFLUX localization with a botf/e-beam-shaped intensity distribution of illumination light
  • Fig. 16 shows a systematic deviation of different iteration steps of a 3D MINFLUX localization with a botf/e-beam-shaped intensity distribution of illumination light with a deviating phase jump;
  • Fig. 17 shows precision maps of a final iteration of a 3D-MINFLUX localization with a botf/e-beam-shaped intensity distribution of illumination light generated by phase modulation with phase patterns with different shifts relative to an optimally adjusted phase pattern, in xy-, xz- and yz-sections;
  • Fig. 18 shows a beam/e-beam-shaped intensity distribution of illumination light
  • Fig. 19 shows a botf/e-beam-shaped intensity distribution of illumination light with a shift of the phase pattern by 5 pixels;
  • Fig. 20 shows a botf/e-beam-shaped intensity distribution of illumination light with a shift of the phase pattern by 10 pixels. Description of the characters
  • Fig. 1 shows an embodiment of a light microscope 1 according to the invention for localizing individual emitters E in a sample 2.
  • the light microscope 1 has a light source 3, e.g. a laser, for generating an illumination light beam B of illumination light, in particular excitation light.
  • the illumination light beam B passes through a beam positioning device 6, e.g. in the form of one or more electro-optical deflectors, and is reflected by a mirror 11 onto a wavefront modulator 4, which modulates the phase of the illumination light in order to generate an intensity distribution of the illumination light with a local intensity minimum, e.g. a 2D donut or a 3D donut (bottle beam), at the focus in the sample 2.
  • a local intensity minimum e.g. a 2D donut or a 3D donut (bottle beam
  • phase-modulated light beam is then reflected at a dichroic beam splitter 13 and passes via a further beam positioning device 7, in particular a galvanometric scanner, and a tube lens 12 to an objective 9, which focuses the illumination light into the sample 2.
  • a further beam positioning device 7 in particular a galvanometric scanner, and a tube lens 12 to an objective 9, which focuses the illumination light into the sample 2.
  • the light emitted by emitters E in the sample 2 (in particular fluorescent light) is transmitted by the dichroic beam splitter 13 and passes via an emission filter 14, a lens 15 and a confocal pinhole 16 to a detector 5, which detects light emissions from the emitters E.
  • the light microscope 1 further comprises a processor 10 with a memory 10a, which is designed as a combined computing unit 17 and control unit 18.
  • a processor 10 with a memory 10a, which is designed as a combined computing unit 17 and control unit 18.
  • the computing unit 17 and the control unit 18 can alternatively also be designed as separate processors.
  • the processor 10 is designed to receive data from the detector 5, which represent the light emissions detected by the detector 5. In its function as a computing unit 17, the processor 10 determines the position of an individual emitter in the sample 2 from the data, e.g. using a maximum likelihood etcher. In particular, in order to implement an iterative MINFLUX method in which the intensity distribution of the illumination light is arranged at illumination positions around a previously estimated position of an individual emitter, the processor 10 in its function as a control unit 18 is also connected to the beam positioning devices 6, 7 in order to control them.
  • the processor 10 uses the data representing the light emissions to determine a systematic deviation in the localization and in particular controls the wavefront modulator 4 so that a wavefront of the illumination light is adjusted in order to adjust the intensity distribution of the illumination light so to change it so that it approaches a desired intensity distribution or controls the actuator 8 so that the detection light beam D is centered on the pinhole 16.
  • the latter is carried out in particular in such a way that a systematic deviation between a first localization step and a second localization step (with increased accuracy compared to the first localization step) is reduced.
  • the multiple position determination was repeated at the nine positions of a 3x3 grid, with the excitation light beam being shifted to a position on the 3x3 grid relative to the position of the fluorescent nanoparticle using a galvanometric scanner that scans the excitation light beam and descans the detection light.
  • the light emissions of the nanoparticle were detected confocally; at the other positions, the center of the projection of the detection pinhole into the sample was slightly shifted relative to the actual position of the emitter.
  • an astigmatism aberration was imposed on the intensity distribution of the excitation light in the sample by appropriately controlling a wavefront modulator, namely a negative astigmatism with a coefficient of the corresponding Zernike polynomial of -0.07 for the data in Fig. 3 and a positive astigmatism with a coefficient of the corresponding Zernike polynomial of +0.07 for the data in Fig. 4.
  • Fig. 7 shows an aberration-free 2D donut
  • Fig. 8 shows an example of a 2D donut with astigmatism aberration (Zernike polynomial Z 2 , coefficient -0.07)
  • Fig. 7 and Fig. 8 are cross-sectional views in the focal plane (xy plane). It can be seen that the light intensity around the central minimum with astigmatism aberration is no longer symmetrically distributed, but rather maxima of the intensity form diagonally to the x and y axes.
  • Fig. 5 and Fig. 6 show xy precision maps of a 2D MINFLUX localization experiment in which Alexa Fluor 647 fluorescence emitters bound to the nuclear pore protein Nup96 were localized in U2OS cells. The cells were suspended in GLOX buffer. From left to right, distributions of localizations of a large number of emitters around the respective actual position of the emitter (origin of the coordinate system) are shown for different iterations of the MINFLUX method. Iteration 0 was a pre-localization using pinhole orbit scanning.
  • the projection of the pinhole into the sample was moved on a circular path with a stationary intensity distribution in the sample by controlling two scanning devices, both of which scan the excitation light, but only one descanned the emission light, and the light emissions from the sample were recorded.
  • certain iteration steps e.g.
  • an astigmatism aberration of an intensity distribution of the illumination light can be corrected with a wavefront modulator in order to reduce a systematic deviation, such as the deviations shown in Fig. 2 to Fig. 6.
  • Fig. 9 and Fig. 10 show an effect of shifting a phase pattern used to phase modulate an excitation light beam relative to the excitation light beam in a 2D MINFLUX localization of Alexa Fluor 647 fluorescence emitters bound to the nuclear pore protein Nup96 in U2OS cells.
  • a vortex phase pattern was used to generate a 2D donut-shaped intensity distribution in the sample.
  • Fig. 10 shows corresponding deviations when the phase pattern is shifted by 10 pixels on a controllable light modulator (spatial light modulator, SLM) compared to the optimally adjusted pattern. Such a shift leads to a distorted intensity distribution in which the center of gravity of the intensity distribution is shifted laterally.
  • Fig. 10 shows a clear systematic deviation of the localization in iterations 0 and 1.
  • misalignments of the phase pattern against the illumination light beam can be corrected by adjusting the phase pattern on the SLM in order to reduce the systematic deviation.
  • Fig. 11 and Fig. 12 show precision maps of the 0th iteration (prelocalization with pinhole orbit scanning) of a 2D-MINFLUX localization with a 2D donut-shaped intensity distribution, in which Alexa Fluor 647 fluorescence emitters bound to the nuclear pore protein Nup96 were localized in U2OS cells.
  • the precision maps were generated in an analogous manner to the data shown in Fig. 5 and Fig. 6 and overlaid with elliptical and circular rings, respectively (see above).
  • the data in Fig. 11 were recorded with a confocal pinhole in the detection beam path.
  • the data in Fig. 12 were measured with a pinhole shifted by ten steps.
  • the position of the pinhole can be adjusted to reduce such systematic displacement.
  • Fig. 13 and Fig. 14 show systematic deviations (average values of the deviations of the localizations of several emitters from the respective actual position) between different iteration steps of a 3D-MINFLUX localization of Alexa Fluor 647 fluorescence emitters bound to the nuclear pore protein Nup96 in U2OS cells with a non-aberrated botf/e-beam-shaped excitation light intensity distribution (Fig. 13) and a bottle-beam-shaped excitation light intensity distribution with additional coma aberration (Fig. 14) with a Zernike coefficient of +0.2.
  • the iteration steps were the same as for the data shown in Fig. 9 and Fig. 10.
  • Coma aberrations can be corrected according to the invention by shaping the wavefront of the illumination light with a wavefront modulator (e.g. deformable mirror or SLM) to reduce the demonstrated systematic deviations.
  • a wavefront modulator e.g. deformable mirror or SLM
  • Fig. 15 and Fig. 16 show systematic deviations (average values of the deviations of the localizations of several emitters from the respective actual position) of different iteration steps of a 3D-MINFLUX localization of Alexa Fluor 647 fluorescence emitters bound to the nuclear pore protein Nup96 in U2OS cells, whereby a regular symmetric bottle-beam-shaped excitation light intensity distribution was generated by phase modulation with an annular phase pattern with a phase jump of 2K (Fig.
  • a light modulator can be controlled to adjust the amount of the phase jump of an annular phase pattern and thus to shape the intensity distribution of the illumination light in order to reduce systematic deviations in localization.
  • Fig. 17 shows precision maps of the final iteration of a 3D-MINFLUX localization of Alexa Fluor 647 fluorescence emitters bound to the nuclear pore protein Nup96 in U2OS cells with a bottle-beam-shaped excitation light intensity distribution in the xy-section (top), xz-section (middle) and yz-section (bottom).
  • the precision maps were generated as above for the data shown in Fig. 5 and Fig. 6 and overlaid with elliptical and circular rings, respectively.
  • the left column contains precision maps with a correctly adjusted phase pattern to generate the bottle-bea-shaped intensity distribution.
  • the phase pattern was shifted by 5 pixels on a controllable spatial light modulator, and for the data in the third column, by 10 pixels to distort the intensity distribution.
  • Fig. 18 to Fig. 20 show the corresponding intensity distributions in a sectional view parallel to the optical axis.
  • Fig. 18 shows the bottle-beam-shaped intensity distribution without shifting the phase pattern
  • Fig. 19 the corresponding intensity distribution with a shift of 5 pixels
  • Fig. 20 the corresponding intensity distribution with a shift of 10 pixels.
  • the distorted excitation light distribution results in an asymmetric, especially in the xz-section elliptical, distribution of the localizations.
  • a significant broadening of the distribution can be observed, which is probably due to the degeneration of the zero point of the intensity distribution (see Fig. 19 and Fig. 20).
  • a light modulator can be controlled to shift a phase pattern for modulating the illumination light beam and thus reduce systematic deviations caused by distortion of the intensity distribution.
  • Beam positioning device in particular electro-optical modulator

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a method for locating or tracking individual emitters in a sample (2) by means of a light microscope (1), comprising illuminating the sample (2) with illumination light (B), wherein an intensity distribution of the illumination light (B) with a local intensity minimum is formed in the sample (2), and wherein the illumination light induces or modulates light emissions of an individual emitter in the sample (2); detecting light emissions of the individual emitter and determining position data of the individual emitter on the basis of the detected light emissions, wherein on the basis of the detected light emissions a wavefront of the illumination light is adjusted and/or a beam path of an illumination light beam (B) of the illumination light and a beam path of a detection light beam (D) of the light emissions are adjusted relative to one another and/or a beam path of the illumination light beam (B) and a beam path of a further illumination light beam are adjusted relative to one another. The invention also relates to a light microscope (1) and to a computer program for carrying out the method.

Description

VERFAHREN, LICHTMIKROSKOP UND COMPUTERPROGRAMM ZUR LOKALISIERUNG ODER ZUM VERFOLGEN EINZELNER EMITTER IN EINER PROBE METHOD, LIGHT MICROSCOPE AND COMPUTER PROGRAM FOR LOCALIZING OR TRACKING INDIVIDUAL EMITERS IN A SAMPLE

Technisches Gebiet der Erfindung Technical field of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Lichtmikroskop und ein Computerprogramm zur Lokalisierung oder zum Verfolgen einzelner Emitter in einer Probe, insbesondere nach dem MINFLUX-Prinzip. The invention relates to a method, a light microscope and a computer program for localizing or tracking individual emitters in a sample, in particular according to the MINFLUX principle.

Stand der Technik State of the art

Unter dem Begriff „MINFLUX-Mikroskopie“ bzw. „MINFLUX-Verfahren“ wird eine Familie von Lokalisierungs- und Trackingverfahren für einzelne lichtemittierende Emitter zusammengefasst, bei denen am Fokus in der Probe eine Lichtverteilung von Beleuchtungslicht, das Lichtemissionen des Emitters induziert oder moduliert, erzeugt wird, wobei die Lichtverteilung in zumindest einer Raumrichtung ein lokales Minimum aufweist, und bei denen die Position eines einzelnen Emitters durch Detektieren von Lichtemissionen des Emitters bestimmt wird. The term "MINFLUX microscopy" or "MINFLUX method" refers to a family of localization and tracking methods for individual light-emitting emitters in which a light distribution of illumination light that induces or modulates light emissions from the emitter is generated at the focus in the sample, wherein the light distribution has a local minimum in at least one spatial direction, and in which the position of an individual emitter is determined by detecting light emissions from the emitter.

Die Patentanmeldung DE 10 2013 114 860 A1 beschreibt insbesondere ein Lokalisationsverfahren, bei dem die Probe an Rasterpunkten mit dem lokalen Minimum einer Anregungslichtverteilung abgetastet wird, um einzelne Fluorophore zu lokalisieren. The patent application DE 10 2013 114 860 A1 describes in particular a localization method in which the sample is scanned at grid points with the local minimum of an excitation light distribution in order to localize individual fluorophores.

Der Begriff „M INFLUX“ wird zum ersten Mal in der Publikation „F. Balzarotti et al., „Nanometer resolution imaging and tracking of fluorescent molecules with minimal photon fluxes“, Science 355 (6325), 606-612 (2017)“ verwendet. Dort wird das oben beschriebene MINFLUX-Prinzip konkret umgesetzt, indem ein einzelner Fluorophor zunächst durch Abtasten mit einer ersten gaußförmigen Anregungslichtverteilung vorlokalisiert wird und anschließend eine zweite, donutförmige Anregungslichtverteilung an Punkten platziert wird, die ein symmetrisches Muster von Beleuchtungspositionen um die in der Vorlokalisierung geschätzte Position des Fluorophors bilden. Aus den für die einzelnen Beleuchtungspositionen registrierten Photonenzahlen wird dann mit einem Maximum-Likelihood-Schä zer die Position des Fluorophors auf wenige Nanometer genau bestimmt. The term “M INFLUX” is used for the first time in the publication “F. Balzarotti et al., “Nanometer resolution imaging and tracking of fluorescent molecules with minimal photon fluxes”, Science 355 (6325), 606-612 (2017)”. There, the MINFLUX principle described above is implemented in concrete terms by first pre-localizing a single fluorophore by scanning with a first Gaussian excitation light distribution and then placing a second, donut-shaped excitation light distribution at points that form a symmetrical pattern of illumination positions around the position of the fluorophore estimated in the pre-localization. From the photon numbers registered for the individual illumination positions, the position of the fluorophore is then determined to within a few nanometers using a maximum likelihood estimator.

Weitere Varianten und Ausführungsformen einer MINFLUX-Lokalisierung sind in den Patentanmeldungen DE 10 2016 119 262 A1 , DE 10 2016 119 263 A1 und DE 10 2016 119 264 A1 beschrieben. Die Publikation „K. C. Gwosch et al., „MINFLUX nanoscopy delivers 3D multicolor nanometer resolution in cells“, Nat. Methods, 17 (2), 217-224 (2020)“ beschreibt iterative 2D- und SDMI NFLUX-Lokalisierungsverfahren. Dabei wird die Probe in mehreren Iterationsschritten an Beleuchtungspositionen mit dem Minimum einer donutförmigen Anregungslichtverteilung beleuchtet, wobei die Beleuchtungspositionen ein um die im jeweils vorhergehenden Schritt geschätzte Position des Fluorophors zentriertes symmetrisches Beleuchtungsmuster bilden, und wobei die Beleuchtungspositionen in jedem Iterationsschritt enger um die aktuell geschätzte Position des Fluorophors platziert werden. Hierdurch lässt sich in wenigen Schritten eine sehr hohe Positionsgenauigkeit erreichen. Further variants and embodiments of a MINFLUX localization are described in the patent applications DE 10 2016 119 262 A1, DE 10 2016 119 263 A1 and DE 10 2016 119 264 A1. The publication “KC Gwosch et al., “MINFLUX nanoscopy delivers 3D multicolor nanometer resolution in cells”, Nat. Methods, 17 (2), 217-224 (2020)” describes iterative 2D and SDMI NFLUX localization methods. The sample is illuminated in several iteration steps at illumination positions with the minimum of a donut-shaped excitation light distribution, whereby the illumination positions form a symmetrical illumination pattern centered around the position of the fluorophore estimated in the previous step, and whereby the illumination positions are placed more closely around the currently estimated position of the fluorophore in each iteration step. This allows a very high position accuracy to be achieved in just a few steps.

Eine weiteres iteratives MINFLUX-Lokalisations- und Tracking-Verfahren unter Verwendung eines abgewandelten Positionsschätzers und auf Basis eines kommerziellen Mikroskop-Aufbaus ist in „R. Schmidt et al., „MINFLUX nanometer-scale 3D imaging and microsecond-range tracking on a common fluorescence microscope“, Nat. Commun. 12 (1), 1478 (2021)“ beschrieben. Another iterative MINFLUX localization and tracking method using a modified position estimator and based on a commercial microscope setup is described in “R. Schmidt et al., “MINFLUX nanometer-scale 3D imaging and microsecond-range tracking on a common fluorescence microscope”, Nat. Commun. 12 (1), 1478 (2021)”.

Das Licht, welches die Lichtemission der Partikel induziert oder moduliert, kann z.B. auch STED (stimulated emission cfep/et/on)-Licht sein. So beschreiben die Patentanmeldungen DE 10 2017 104 736 A1 und EP 3 372 989 A1 MINFLUX-artige Verfahren, die auf einer Überlagerung einer Anregungslichtverteilung mit lokalem Maximum mit einer STED-Lichtverteilung mit lokalem Minimum beruhen. Die Probe wird durch Verlagerung der STED-Verteilung mit dem STED- Minimum abgetastet und aus den gemessenen Werten der Fluoreszenzintensität bei verschiedenen Positionen der STED-Intensitätsverteilung wird die Position des Fluorophors bestimmt. The light that induces or modulates the light emission of the particles can also be, for example, STED (stimulated emission cfep/et/on) light. For example, patent applications DE 10 2017 104 736 A1 and EP 3 372 989 A1 describe MINFLUX-like methods that are based on superimposing an excitation light distribution with a local maximum with a STED light distribution with a local minimum. The sample is scanned by shifting the STED distribution with the STED minimum and the position of the fluorophore is determined from the measured values of the fluorescence intensity at different positions of the STED intensity distribution.

In der US 2019/0195800 A1 ist ein Justageverfahren für ein Laserscanning-Mikroskop beschrieben, bei dem insbesondere ein Versatz zwischen Rasterbildern einer Probe, die mit unterschiedlichen STED-Intensitäten aufgenommen wurden, bestimmt wird, und anhand des Versatzes eine STED-Lichtverteilung am Fokus relativ zu einer Anregungslichtverteilung nachgestellt wird oder bei dem ein Versatz zwischen Rasterbildern bestimmt wird, die mit unterschiedlich weit geöffneter Lochblende im Detektionsstrahlengang aufgenommen wurden, wobei auf Basis des bestimmten Versatzes eine Position der Lochblende nachgestellt wird.US 2019/0195800 A1 describes an adjustment method for a laser scanning microscope in which, in particular, an offset between raster images of a sample taken with different STED intensities is determined, and based on the offset, a STED light distribution at the focus is adjusted relative to an excitation light distribution, or in which an offset is determined between raster images taken with the pinhole aperture opened to different widths in the detection beam path, wherein a position of the pinhole aperture is adjusted on the basis of the determined offset.

Die US 2015/0226950 A1 beschreibt ein STED-Mikroskopie-Verfahren und ein entsprechendes Mikroskop, mit dem ein auf einem Phasenmodulator (spatial light modulator") dargestelltes Phasenmuster anhand einer Bildqualitätsmetrik angepasst wird, um Aberrationen des STED- Lichtstrahls und zusätzlich optional des Anregungslichtstrahls zu korrigieren. Die Metrik beruht dabei auf einem Bildschärfe-Parameter und einem Bildhelligkeitsparameter. Bei dem Multifarben-MINFLUX-Verfahren gemäß der WO 2022/112155 A1 werden einzelne Emitter mit Licht verschiedener Wellenlängen lokalisiert und es wird ein Unterschied zwischen den erhaltenen Lokalisierungen ermittelt, der dann z.B. für eine Ko-Registrierung der Lokalisationen in einer auf das Messverfahren folgenden Bildnachbearbeitung verwendet werden kann. US 2015/0226950 A1 describes a STED microscopy method and a corresponding microscope with which a phase pattern displayed on a spatial light modulator is adjusted using an image quality metric in order to correct aberrations of the STED light beam and optionally of the excitation light beam. The metric is based on an image sharpness parameter and an image brightness parameter. In the multi-color MINFLUX method according to WO 2022/112155 A1, individual emitters are localized with light of different wavelengths and a difference between the obtained localizations is determined, which can then be used, for example, for co-registration of the localizations in image post-processing following the measurement method.

Die WO 2022/200549 A1 beschreibt ein Verfahren zur hochgenauen Driftkompensation mittels einer MINFLUX-Lokalisierung eines Referenzmarkers (z.B. eine fluoreszenten oder lichtreflektierenden Nanopartikels). Dabei wird eine lichtmikroskopische Messung unterbrochen, um die Position des Referenzmarkers nach dem MINFLUX-Verfahren zu bestimmten. Anschließend wird die Probe ausgehend von der bestimmten Position nachgeführt, um je nach Art der verwendeten Referenzmarker eine Drift der Probe gegenüber dem Objektiv des Lichtmikroskops oder eine Drift von Objekten innerhalb der Probe zu kompensieren. WO 2022/200549 A1 describes a method for highly accurate drift compensation using MINFLUX localization of a reference marker (e.g. a fluorescent or light-reflecting nanoparticle). A light microscopic measurement is interrupted in order to determine the position of the reference marker using the MINFLUX method. The sample is then tracked starting from the determined position in order to compensate for a drift of the sample relative to the objective of the light microscope or a drift of objects within the sample, depending on the type of reference marker used.

Auswirkungen von Dejustagen im Strahlengang eines Lichtmikroskops und Aberrationen auf die Bildqualität bei der herkömmlichen abbildenden Mikroskopie (inclusive Laserscanning- Mikroskopie und verwandte superauflösende Verfahren wie die STED- und RESOLFT- Mikroskopie) und Verfahren zu deren Korrektur oder Kompensation sind aus dem Stand der Technik bekannt (siehe oben). Effects of misalignments in the beam path of a light microscope and aberrations on the image quality in conventional imaging microscopy (including laser scanning microscopy and related super-resolution methods such as STED and RESOLFT microscopy) and methods for their correction or compensation are known from the state of the art (see above).

Lokalisationsmikroskopische Verfahren wie MINFLUX unterscheiden sich jedoch von diesen Methoden grundlegend in ihrem Bilderzeugungsprinzip. Es erfolgt keine optische Abbildung der Probe, sondern ein Bild mehrerer einzelner Emitter oder eine Trajektorie eines sich bewegenden Emitters (im Fall eines Tracking- Experiments) wird rechnerisch aus vielen Einzellokalisationen zusammengesetzt. Dejustagen im Strahlengang und Aberrationen haben daher ganz andere Effekte als bei der abbildenden Mikroskopie, wobei die konkrete Auswirkung maßgeblich vom Lokalisationsprinzip und von der konkreten Durchführung des Lokalisationsexperiments abhängt.However, localization microscopy methods such as MINFLUX differ fundamentally from these methods in their image generation principle. There is no optical imaging of the sample, but an image of several individual emitters or a trajectory of a moving emitter (in the case of a tracking experiment) is mathematically composed from many individual localizations. Misalignments in the beam path and aberrations therefore have very different effects than in imaging microscopy, whereby the specific effect depends largely on the localization principle and the specific implementation of the localization experiment.

Aus dem Stand der Technik bekannte Korrektur- oder Kompensationsverfahren für die abbildende Mikroskopie sind daher nicht unmittelbar auf die Lokalisationsmikroskopie (z.B. auf MINFLUX-Verfahren) anwendbar. Correction or compensation methods known from the state of the art for imaging microscopy are therefore not directly applicable to localization microscopy (e.g. to MINFLUX methods).

Bekannte Verfahren, bei denen Lokalisierungsfehler bei der Lokalisationsmikroskopie nachträglich durch Datenprozessierung korrigiert werden, sind dagegen relativ schwierig in Live- Messungen integrierbar bzw. verlängern die Messzeit und wirken sich daher negativ auf die Benutzerfreundlichkeit aus. Aufgabe der Erfindung Known methods in which localization errors in localization microscopy are subsequently corrected by data processing are, however, relatively difficult to integrate into live measurements or extend the measurement time and therefore have a negative impact on user-friendliness. task of the invention

Ausgehend von den oben beschriebenen Nachteilen des Standes der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, lokalisationsmikroskopische Verfahren dahingehend zu verbessern, dass die Lokalisationsqualität im Hinblick auf Dejustagen im Strahlengang und Aberrationen in benutzerfreundlicher Weise verbessert werden kann. Based on the disadvantages of the prior art described above, the object of the present invention is to improve localization microscopy methods such that the localization quality with regard to misalignments in the beam path and aberrations can be improved in a user-friendly manner.

Lösung Solution

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1 , 20 und 27 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 19 und 21 bis 26 angegeben und werden im Folgenden beschrieben. This object is solved by the subject matter of independent claims 1, 20 and 27. Advantageous embodiments of the invention are specified in subclaims 2 to 19 and 21 to 26 and are described below.

Beschreibung der Erfindung Description of the Invention

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lokalisierung oder zum Verfolgen einzelner Emitter in einer Probe mittels eines Lichtmikroskops, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist, die nicht zwingend nacheinander in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden müssen: ein Beleuchten der Probe mit Beleuchtungslicht (insbesondere mit einem Beleuchtungslichtstrahl von Beleuchtungslicht), wobei in der Probe eine Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts gebildet wird, wobei die Intensitätsverteilung ein lokales Intensitätsminimum aufweist, und wobei das Beleuchtungslicht Lichtemissionen eines einzelnen Emitters in der Probe induziert oder moduliert, ein Erfassen von Lichtemissionen des einzelnen Emitters (insbesondere eines Detektionslichtstrahls der Lichtemissionen) und ein Bestimmen von Positionsdaten des einzelnen Emitters auf Basis der erfassten Lichtemissionen. Erfindungsgemäß wird auf Basis der erfassten Lichtemissionen des einzelnen Emitters eine Wellenfront des Beleuchtungslichts angepasst und/oder ein Strahlverlauf eines Beleuchtungslichtstrahls des Beleuchtungslichts und ein Strahlverlauf eines Detektionslichtstrahls der Lichtemissionen des einzelnen Emitters relativ zueinander werden angepasst und/oder ein Strahlverlauf eines Beleuchtungslichtstrahls des Beleuchtungslichts und ein Strahlverlauf eines weiteren Beleuchtungslichtstrahls relativ zueinander werden angepasst. A first aspect of the invention relates to a method for localizing or tracking individual emitters in a sample by means of a light microscope, wherein the method comprises the following steps, which do not necessarily have to be carried out one after the other in the order given: illuminating the sample with illumination light (in particular with an illumination light beam of illumination light), wherein an intensity distribution of the illumination light is formed in the sample, wherein the intensity distribution has a local intensity minimum, and wherein the illumination light induces or modulates light emissions of an individual emitter in the sample, detecting light emissions of the individual emitter (in particular a detection light beam of the light emissions) and determining position data of the individual emitter on the basis of the detected light emissions. According to the invention, on the basis of the detected light emissions of the individual emitter, a wavefront of the illumination light is adjusted and/or a beam path of an illumination light beam of the illumination light and a beam path of a detection light beam of the light emissions of the individual emitter are adjusted relative to one another and/or a beam path of an illumination light beam of the illumination light and a beam path of another illumination light beam are adjusted relative to one another.

Durch das Anpassen der Wellenfront bzw. der Strahlverläufe auf Basis der Lichtemissionen eines einzelnen Emitters können vorteilhafterweise spezifische Auswirkungen von Dejustagen und Aberrationen (durch Komponenten im Strahlengang des Lichtmikroskops oder durch die Brechungsindexverteilung in der Probe) auf die Lokalisationsgenauigkeit bei der Lokalisationsmikroskopie kompensiert bzw. korrigiert werden. Dies erfolgt im Gegensatz zu bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik nicht durch nachträgliche Prozessierung der Positionsdaten sondern durch eine Justage des Strahlengangs, was sich besonders bei Live- Interaktionen mit dem Benutzer, bei iterativen Lokalisationsverfahren und bei Tracking-Verfahren positiv auf die Benutzerfreundlichkeit auswirkt. By adjusting the wavefront or the beam paths based on the light emissions of a single emitter, specific effects of misalignments and aberrations (caused by components in the beam path of the light microscope or by the refractive index distribution in the sample) on the localization accuracy in localization microscopy can advantageously be compensated or corrected. In contrast to known methods from the state of the art, this is not done by subsequent processing of the position data but by adjusting the beam path, which is particularly useful in live Interactions with the user, iterative localization procedures and tracking procedures have a positive effect on user-friendliness.

Insbesondere können die Anpassung der Wellenfront bzw. die Anpassung der Strahlverläufe so durchgeführt werden, dass sich der geometrische Fokus des Beleuchtungslichts nicht aufgrund dieser Anpassung relativ zu der Probe verlagert. Mit dem erfindungsgemäßen Anpassen der Strahlverläufe ist selbstverständlich kein reines Scannen des Beleuchtungslichts über die Probe und kein reines Nachführen der Probe z.B. im Rahmen einer Driftkorrektur gemeint. In particular, the adjustment of the wavefront or the adjustment of the beam paths can be carried out in such a way that the geometric focus of the illumination light does not shift relative to the sample due to this adjustment. The adjustment of the beam paths according to the invention does not, of course, mean pure scanning of the illumination light over the sample or pure tracking of the sample, e.g. as part of a drift correction.

Das Anpassen der Wellenfront kann z.B. durch Modulation der Phase und/oder der Amplitude des Beleuchtungslichts erfolgen. The wavefront can be adjusted, for example, by modulating the phase and/or amplitude of the illumination light.

Der Detektionslichtstrahl kann insbesondere durch Bündeln der Lichtemissionen des Emitters mit einem Objektiv gebildet werden, insbesondere mittels desselben Objektivs, das das Beleuchtungslicht in die Probe fokussiert. The detection light beam can be formed in particular by bundling the light emissions of the emitter with an objective, in particular by means of the same objective that focuses the illumination light into the sample.

Der Strahlverlauf des Beleuchtungslichtstrahls und der Strahlverlauf des Detektionslichtstrahls können relativ zueinander angepasst werden, indem der Beleuchtungslichtstrahl bei unverändertem Detektionslichtstrahl verlagert wird, indem der Detektionslichtstrahl bei unverändertem Beleuchtungslichtstrahl verlagert wird, oder in dem beide Lichtstrahlen in unterschiedlicher Weise verlagert werden. Dasselbe gilt für die Anpassung der Strahlverläufe des Beleuchtungslichts und des weiteren Beleuchtungslichts relativ zueinander. The beam path of the illumination light beam and the beam path of the detection light beam can be adjusted relative to one another by shifting the illumination light beam while the detection light beam remains unchanged, by shifting the detection light beam while the illumination light beam remains unchanged, or by shifting both light beams in different ways. The same applies to adjusting the beam paths of the illumination light and the additional illumination light relative to one another.

Unter dem Begriff des Emitters ist jeweils die Einheit zu verstehen, deren Lage in der Probe mit dem Lokalisierungsverfahren bestimmt werden soll. Die Lichtemission kann dementsprechend unmittelbar durch den Emitter selbst erfolgen (insbesondere wenn der Emitter ein Fluoreszenzfarbstoffmolekül ist) oder mittelbar durch an den Emitter gekoppelte Marker (z.B. kovalent oder nicht- kovalent an ein Protein gebundene Fluoreszenzfarbstoffmoleküle). Mit der Lichtemission kann dabei nicht nur die aktive Aussendung von Licht durch den Emitter bzw. die Marker im Sinne einer Lumineszenz gemeint sein, sondern auch eine durch (Raman-/ Rayleigh- / Mie-)Streuung verursachte Lichtemission. Konkret kann es sich bei dem Emitter bzw. den an den Emitter gekoppelten Markern insbesondere um Moleküle eines fluoreszierenden Farbstoffs, um fluoreszierende Nanopartikel (z.B. Quantum Dots) oder um lichtstreuende Nanopartikel wie Gold-Nanopartikel oder Go\d-Nanorods handeln. The term emitter refers to the unit whose position in the sample is to be determined using the localization method. The light emission can therefore occur directly through the emitter itself (particularly if the emitter is a fluorescent dye molecule) or indirectly through markers coupled to the emitter (e.g. fluorescent dye molecules covalently or non-covalently bound to a protein). Light emission can not only mean the active emission of light by the emitter or the markers in the sense of luminescence, but also light emission caused by (Raman/Rayleigh/Mie) scattering. In concrete terms, the emitter or the markers coupled to the emitter can be molecules of a fluorescent dye, fluorescent nanoparticles (e.g. quantum dots) or light-scattering nanoparticles such as gold nanoparticles or gold nanorods.

Als einzelne Emitter werden hier Emitter bezeichnet, die mit optischen Mitteln trennbar bzw. auflösbar sind. Das kann insbesondere bedeuten, dass die Emitter einen räumlichen Abstand zueinander aufweisen, der oberhalb der optischen Beugungsgrenze liegt. In diesem Sinne einzeln sind Emitter aber auch dann, wenn sie nacheinander registriert werden können, beispielsweise, indem von einem ersten Emitter ausgehendes Licht zu einem Zeitpunkt registriert wird, zu dem ein benachbarter Emitter kein Licht emittiert, da er sich (im Fall von Fluorophoren) in einem Dunkelzustand befindet. Auf diese Weise können auch Emitter, die einen Abstand unterhalb der Beugungsgrenze haben, aber asynchron blinken, lichtmikroskopisch aufgelöst werden. Schließlich ist es auch möglich, Emitter, die einen Abstand unterhalb der Beugungsgrenze aufweisen, aber Licht unterschiedlicher Wellenlängen emittieren, durch spektrale Trennung des emittierten Lichts lichtmikroskopisch aufzulösen oder zwei Emitter mit unterschiedlichen Anregungsspektren mit unterschiedlichen Wellenlängen anzuregen, um die Emitter optisch zu trennen. Schließlich können Emitter, die eine unterschiedliche Emissionslebensdauer aufweisen, über die Messung der Lebensdauer (z.B. durch zeitaufgelöste Einzelphotonenzählung) voneinander unterschieden und somit getrennt detektiert werden. Sämtliche dieser Ausführungsbeispiele fallen unter den Begriff „einzelne Emitter“. Individual emitters are those emitters that can be separated or resolved using optical means. This can mean in particular that the emitters are at a spatial distance from one another that is above the optical diffraction limit. In this sense, emitters are also individual if they can be registered one after the other, for example by registering light emanating from a first emitter at a time. at which a neighboring emitter does not emit light because it is (in the case of fluorophores) in a dark state. In this way, emitters that are at a distance below the diffraction limit but flash asynchronously can also be resolved using a light microscope. Finally, it is also possible to resolve emitters that are at a distance below the diffraction limit but emit light of different wavelengths using a light microscope by spectrally separating the emitted light or to excite two emitters with different excitation spectra at different wavelengths in order to optically separate the emitters. Finally, emitters that have different emission lifetimes can be differentiated from one another by measuring the lifetime (e.g. by time-resolved single photon counting) and thus detected separately. All of these embodiments fall under the term “individual emitters”.

Die Probe wird, insbesondere in einem Nahbereich einer vermuteten Position des einzelnen Emitters, mit dem Beleuchtungslicht beleuchtet, wobei es sich bei dem Beleuchtungslicht insbesondere um Anregungslicht handeln kann, welches den/ die Emitter zur Fluoreszenz anregt oder durch die Emitter gestreut wird, eine Lichtemission also induziert. Alternativ kann das Beleuchtungslicht die Lichtemission auch modulieren, insbesondere hemmen. Beispiele hierfür sind STED-Licht, welches den angeregten Zustand von Fluorophoren durch stimulierte Emission löscht, oder Schaltlicht, welches z. B. Fluorophore aus einem fluoreszenten Zustand in einen Dunkelzustand, etwa einen Triplett-Zustand, überführen kann. Beleuchtungslicht, das die Lichtemission moduliert, wird dabei insbesondere in Kombination mit Anregungslicht verwendet.The sample is illuminated with the illumination light, particularly in the vicinity of a suspected position of the individual emitter. The illumination light can in particular be excitation light, which excites the emitter(s) to fluoresce or is scattered by the emitter(s), thus inducing light emission. Alternatively, the illumination light can also modulate, in particular inhibit, the light emission. Examples of this are STED light, which extinguishes the excited state of fluorophores through stimulated emission, or switching light, which can, for example, convert fluorophores from a fluorescent state to a dark state, such as a triplet state. Illumination light that modulates light emission is used in particular in combination with excitation light.

Zur Detektion der Lichtemission des Emitters kann wahlweise ein Punktdetektor (etwa eine Ava/anc/ie-Fotodiode, APD, ein Fotomultiplier oder ein Hybriddetektor) oder ein ortsauflösender Flächendetektor (z. B. eine Kamera oder ein APD-Array) verwendet werden. Aus der Lichtemission werden die Positionsdaten des Emitters bestimmt, wobei die Positionsbestimmung insbesondere auf Basis von zu mehreren Beleuchtungspositionen des Beleuchtungslichts registrierten Lichtemissionen erfolgen kann. Bei den registrierten Lichtemissionen des Emitters kann es sich um einzelne nacheinander registrierte Photonen handeln (z.B. bei einer APD). Die Lichtemissionen können jedoch auch als Gruppen von mehreren Photonen registriert werden (wie teilweise bei sogenannten Hybriddetektoren). To detect the light emission of the emitter, either a point detector (such as an Avalanche photodiode, APD, a photomultiplier or a hybrid detector) or a spatially resolving area detector (e.g. a camera or an APD array) can be used. The position data of the emitter are determined from the light emission, whereby the position can be determined in particular on the basis of light emissions registered at several illumination positions of the illumination light. The registered light emissions of the emitter can be individual photons registered one after the other (e.g. with an APD). However, the light emissions can also be registered as groups of several photons (as is sometimes the case with so-called hybrid detectors).

Der Emitter kann insbesondere durch ein Verfahren nach dem MINFLUX-Prinzip lokalisiert werden, d.h. der Emitter wird an mehreren, um die vorab bestimmte Lage des Emitters herum angeordneten Beleuchtungspositionen mit einer ein lokales Intensitätsminimum aufweisenden Intensitätsverteilung von Anregungslicht beleuchtet, wobei aus den Beleuchtungspositionen zugeordneten Lichtemissionen die Position des Emitters geschätzt wird. Das Beleuchtungslicht ist hierbei also Anregungslicht. Bei einer Lokalisierung nach dem MINFLUX-Prinzip sind umso weniger Lichtemissionen zu erwarten, je näher sich das Intensitätsminimum des Beleuchtungslichts (Anregungslichts) an der tatsächlichen Position des Emitters befindet, was die Methode besonders photoneneffizient macht. The emitter can be localized in particular by a method according to the MINFLUX principle, ie the emitter is illuminated at several illumination positions arranged around the previously determined position of the emitter with an intensity distribution of excitation light having a local intensity minimum, the position of the emitter being estimated from the light emissions assigned to the illumination positions. The illumination light is therefore excitation light. When localizing according to the MINFLUX principle, the Less light emissions can be expected the closer the intensity minimum of the illumination light (excitation light) is to the actual position of the emitter, which makes the method particularly photon efficient.

Alternativ kann der Emitter insbesondere auch nach einem STED-MINFLUX-Prinzip lokalisiert werden, d.h. der Emitter wird an mehreren, um die vorab bestimmte Lage des Emitters herum angeordneten Beleuchtungspositionen mit einer Überlagerung einer ein lokales Intensitätsmaximum aufweisenden Intensitätsverteilung von Anregungslicht mit einer ein lokales Intensitätsminimum aufweisenden Intensitätsverteilung von Verhinderungslicht (z.B. STED-Licht) beleuchtet, wobei aus den Beleuchtungspositionen zugeordneten Lichtemissionen die Position des Emitters geschätzt wird. Das Beleuchtungslicht ist in diesem Fall das Verhinderungslicht. Bei einer Lokalisierung nach dem STED-MINFLUX-Prinzip treten umso mehr Lichtemissionen auf, je näher das Intensitätsminimum des Beleuchtungslichts (Verhinderungslichts) sich an der tatsächlichen Position des Emitters befindet. Alternatively, the emitter can also be localized in particular according to a STED-MINFLUX principle, i.e. the emitter is illuminated at several illumination positions arranged around the previously determined position of the emitter with a superposition of an intensity distribution of excitation light having a local intensity maximum with an intensity distribution of prevention light (e.g. STED light) having a local intensity minimum, whereby the position of the emitter is estimated from the light emissions assigned to the illumination positions. In this case, the illumination light is the prevention light. When localizing according to the STED-MINFLUX principle, the closer the intensity minimum of the illumination light (prevention light) is to the actual position of the emitter, the more light emissions occur.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Beleuchtungspositionen an diskreten Positionen um den Emitter angeordnet. Diese Positionen können frei gewählt werden, wobei die Zahl der Beleuchtungspositionen auf ein Minimum reduziert werden kann. Die Positionen können alternativ auch regelmäßig, d.h. auf einem Raster angeordnet sein, wobei das Raster nur einen Nahbereich von insbesondere höchstens 1 pm, weiter insbesondere höchstens 500 nm und noch weiter insbesondere von höchstens 100 nm, um den Emitter abdeckt. According to one embodiment of the method, the illumination positions are arranged at discrete positions around the emitter. These positions can be freely selected, whereby the number of illumination positions can be reduced to a minimum. Alternatively, the positions can also be arranged regularly, i.e. on a grid, whereby the grid only covers a close range of in particular at most 1 pm, further in particular at most 500 nm and even further in particular at most 100 nm, around the emitter.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Beleuchtungspositionen nicht an diskreten Punkten um den Emitter herum angeordnet, sondern die Beleuchtung erfolgt kontinuierlich entlang einer Beleuchtungstrajektorie, die den Emitter einschließt. Dabei kann die Zuordnung der detektierten Lichtemissionen zu einer Beleuchtungsposition in ähnlicher Weise wie beim kontinuierlichen Scannen in der Rastermikroskopie z.B. durch Definieren entsprechender Zeitintervalle (sogenannter dwell times) und Zuweisen der Lichtemissionen zu einer mittleren Beleuchtungsposition während des entsprechenden Zeitintervalls erfolgen. Alternativ kann die Zuordnung von Lichtemission zu Beleuchtungsposition auch erfolgen, indem umgekehrt die aktuelle Beleuchtungsposition registriert wird, sobald ein Photon der Lichtemission detektiert wird. According to a further embodiment of the method, the illumination positions are not arranged at discrete points around the emitter, but the illumination occurs continuously along an illumination trajectory that encloses the emitter. The assignment of the detected light emissions to an illumination position can be carried out in a similar way to continuous scanning in scanning microscopy, e.g. by defining corresponding time intervals (so-called dwell times) and assigning the light emissions to an average illumination position during the corresponding time interval. Alternatively, the assignment of light emission to illumination position can also be carried out by conversely registering the current illumination position as soon as a photon of the light emission is detected.

Eine Abfolge von Beleuchtungspositionen kann wahlweise einmal oder mehrfach durchlaufen werden. Alternativ ist auch eine veränderliche Abfolge der Beleuchtungspositionen möglich. Besonders vorteilhaft ist es, die Beleuchtungspositionen auf Basis einer Lokalisierung des Emitters, insbesondere iterativ, neu zu berechnen und sie sukzessive dichter um die (tatsächliche) Lage des Emitters anzuordnen. Zur Bestimmung der Positionsdaten des Emitters werden die Lichtemissionen des Emitters zu den Beleuchtungspositionen detektiert, und aus den zu den Beleuchtungspositionen detektierten Lichtemissionen wird schließlich die Lage des Emitters bestimmt. Dafür werden insbesondere Positionsschätzer verwendet, wie sie z.B. aus dem Stand der Technik zum MINFLUX-Verfahren bekannt sind (siehe z.B. „F. Balzarotti et al., „Nanometer resolution imaging and tracking of fluorescent molecules with minimal photon fluxes”, Science 355 (6325), 606-612 (2017)“. Die Positionsdaten können eine Position in einer, zwei oder drei Raumrichtungen angeben. A sequence of lighting positions can be run through either once or multiple times. Alternatively, a variable sequence of lighting positions is also possible. It is particularly advantageous to recalculate the lighting positions based on a localization of the emitter, especially iteratively, and to arrange them successively closer to the (actual) position of the emitter. To determine the position data of the emitter, the light emissions of the emitter are detected at the illumination positions, and the position of the emitter is finally determined from the light emissions detected at the illumination positions. For this purpose, position estimators are used in particular, such as those known from the state of the art for the MINFLUX method (see e.g. “F. Balzarotti et al., “Nanometer resolution imaging and tracking of fluorescent molecules with minimal photon fluxes”, Science 355 (6325), 606-612 (2017)”). The position data can indicate a position in one, two or three spatial directions.

Das lokale Intensitätsminimum kann punktförmig, linienförmig oder als Fläche ausgebildet sein. Idealerweise handelt es sich um eine Intensitätsnullstelle, -nulllinie bzw. -nullfläche. Es kann sich bei dem lokalen Minimum gleichzeitig auch um ein globales Minimum der Intensität handeln, insbesondere wenn die Intensität am lokalen Minimum Null ist. Andernfalls ist es allerdings auch möglich, dass die Intensitätsverteilung weitere lokale Minima aufweist, deren Intensität geringer ist als die Intensität des lokalen Minimums. Insbesondere kann es sich bei dem Intensitätsminimum um ein zentrales Minimum handeln, das ein geometrisches Zentrum einer symmetrischen Lichtverteilung bildet. Dieses Zentrum kann sich insbesondere am geometrischen Fokus des Lichtmikroskops befinden. An das Intensitätsminimum können insbesondere in mindestens einer Raumrichtung globale Intensitätsmaxima angrenzen, insbesondere auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Intensitätsminimums. The local intensity minimum can be point-shaped, linear or formed as a surface. Ideally, it is an intensity zero, zero line or zero surface. The local minimum can also be a global minimum of the intensity, in particular if the intensity at the local minimum is zero. Otherwise, however, it is also possible that the intensity distribution has further local minima whose intensity is lower than the intensity of the local minimum. In particular, the intensity minimum can be a central minimum that forms a geometric center of a symmetrical light distribution. This center can be located in particular at the geometric focus of the light microscope. Global intensity maxima can border the intensity minimum in particular in at least one spatial direction, in particular on two opposite sides of the intensity minimum.

Bei der Intensitätsverteilung kann es sich konkret um einen 2D-Donut oder einen 3D-Donut (auch als bottle beam bezeichnet) handeln. Derartige Intensitätsverteilungen können beispielsweise durch Phasenmodulation des Beleuchtungslichts mit einer Phasenplatte oder einem sogenannten Spatial Light Modulator (SLM) erzeugt werden. Dem Fachmann sind entsprechende Methoden aus dem Stand der Technik zur STED- und MINFLUX-Mikroskopie bekannt. The intensity distribution can specifically be a 2D donut or a 3D donut (also known as a bottle beam). Such intensity distributions can be generated, for example, by phase modulation of the illumination light with a phase plate or a so-called spatial light modulator (SLM). The person skilled in the art is familiar with corresponding methods from the state of the art for STED and MINFLUX microscopy.

Das Positionieren der Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in der Probe kann durch Strahlverlagerung (z.B. elektrooptisch oder mittels eines galvanometrischen Scanners), Probenverlagerung (z. B. mittels eines mit einem piezoelektrischen Aktuator verfahrbaren Probenhalters) oder auch durch Ansteuerung bestimmter Punktlichtquellen wie Faserenden einer Lichtleiterfaser realisiert werden. The positioning of the intensity distribution of the illumination light in the sample can be achieved by beam displacement (e.g. electro-optically or by means of a galvanometric scanner), sample displacement (e.g. by means of a sample holder that can be moved with a piezoelectric actuator) or by controlling certain point light sources such as fiber ends of an optical fiber.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Anpassung der Wellenfront oder der Strahlverläufe auf Basis der Positionsdaten des einzelnen Emitters durchgeführt, wobei die Positionsdaten auf Basis der erfassten Lichtemissionen bestimmt werden. Insbesondere kann die Anpassung der Wellenfront oder der Strahlverläufe auf Basis eines Vergleichs verschiedener Positionsdaten desselben Emitters durchgeführt werden. Beispielsweise können die aus mehreren Lokalisierungsschritten erhaltenen Positionsdaten eines Emitters analysiert werden, um eine systematische Abweichung zwischen der letztlich geschätzten Lage des Emitters (gemäß dem letzten Lokalisierungsschritt für den betreffenden Emitter) und einer geschätzten Lage aus einem früheren Lokalisierungsschritt geringerer Genauigkeit zu bestimmen. Alternativ dazu kann eine systematische Abweichung der Lokalisationen, die durch Dejustagen oder Aberrationen verursacht wurde, auch durch ein unabhängiges Verfahren bestimmt werden. Die bestimmte Abweichung kann zur Kompensation oder Korrektur der Dejustagen oder Aberrationen genutzt werden, so dass der nächste zu lokalisierende Emitter bereits bei früheren Lokalisierungsschritten mit vergleichsweise höherer Genauigkeit lokalisiert wird. According to one embodiment, the adaptation of the wavefront or the beam paths is carried out on the basis of the position data of the individual emitter, wherein the position data is determined on the basis of the detected light emissions. In particular, the adaptation of the wavefront or the beam paths can be carried out on the basis of a comparison of different position data of the same emitter. For example, the position data of an emitter obtained from several localization steps can be analyzed in order to detect a systematic deviation between the ultimately estimated position of the emitter (according to the last localization step for the emitter in question) and an estimated position from an earlier localization step of lower accuracy. Alternatively, a systematic deviation of the localizations caused by misalignments or aberrations can also be determined by an independent method. The determined deviation can be used to compensate or correct the misalignments or aberrations, so that the next emitter to be localized can be localized with comparatively higher accuracy in earlier localization steps.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Anpassung der Wellenfront oder der Strahlverläufe während einer Messsequenz durchgeführt, wobei die Messsequenz mehrere Schritte umfasst, bei denen die Probe mit dem Beleuchtungslicht (d.h. mit der Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts mit dem lokalen Intensitätsminimum) beleuchtet wird und die Lichtemissionen des einzelnen Emitters oder von einzelnen Emittern erfasst werden. D.h., die Anpassung wird nicht in einem Justageschritt vor einer Messung durchgeführt, sondern „live“ während einer Messung. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Anpassung besonders gut auf die bei der Messung herrschenden Bedingungen angepasst ist. Eine Messsequenz kann eine Lagebestimmung eines Emitters oder mehrere aufeinanderfolgende Lagebestimmungen verschiedener Emitter umfassen. According to a further embodiment, the adaptation of the wavefront or the beam paths is carried out during a measurement sequence, wherein the measurement sequence comprises several steps in which the sample is illuminated with the illumination light (i.e. with the intensity distribution of the illumination light with the local intensity minimum) and the light emissions of the individual emitter or individual emitters are recorded. This means that the adaptation is not carried out in an adjustment step before a measurement, but rather "live" during a measurement. This has the particular advantage that the adaptation is particularly well adapted to the conditions prevailing during the measurement. A measurement sequence can comprise a determination of the position of an emitter or several consecutive determinations of the position of different emitters.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden mehrfach Positionsdaten des einzelnen Emitters bestimmt und/oder werden Positionsdaten mehrerer Emitter in der Probe bestimmt, wobei die Anpassung der Wellenfront oder der Strahlverläufe auf Basis einer statistischen Analyse der Positionsdaten durchgeführt wird. Die statistische Analyse kann z.B. das Bestimmen einer Streuung (z.B. einer Varianz oder einer Standardabweichung in mindestens einer Raumrichtung) umfassen. In diesem Fall kann dann z.B. die Anpassung der Wellenfront oder die Anpassung der Strahlverläufe so durchgeführt werden, dass die Streuung reduziert, insbesondere minimiert wird. Eine Minimierung der Streuung kann z.B. durch eine iterative Durchführung der statistischen Auswertung und der Anpassung der Wellenfront bzw. der Strahlverläufe erreicht werden. Auf diese Weise kann die Qualität der Lokalisierung verbessert werden. According to a further embodiment, position data of the individual emitter are determined multiple times and/or position data of multiple emitters in the sample are determined, wherein the adaptation of the wavefront or the beam paths is carried out on the basis of a statistical analysis of the position data. The statistical analysis can, for example, include determining a scatter (e.g. a variance or a standard deviation in at least one spatial direction). In this case, the adaptation of the wavefront or the adaptation of the beam paths can then, for example, be carried out in such a way that the scatter is reduced, in particular minimized. Minimization of the scatter can, for example, be achieved by iteratively carrying out the statistical evaluation and the adaptation of the wavefront or the beam paths. In this way, the quality of the localization can be improved.

Bei der statistischen Analyse kann es sich insbesondere auch um eine, insbesondere gleitende, Mittelwertbildung zwischen Parametern handeln, die aus den Positionsdaten mehrerer einzelner Emitter erhalten wurden. Beispielsweise kann eine systematische Abweichung zwischen einem früheren Schritt einer Lokalisation und einem späteren Schritt einer Lokalisierung für die letzten n Emitter gleitend bestimmt und zur Anpassung der Wellenfront oder der Strahlverläufe genutzt werden. The statistical analysis can also involve averaging, particularly a moving average, between parameters obtained from the position data of several individual emitters. For example, a systematic deviation between an earlier step of a localization and a later step of a localization can be determined in a moving manner for the last n emitters and used to adapt the wavefront or the beam paths.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine axiale Position der Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts angepasst, wobei Lichtemissionen des einzelnen Emitters für verschiedene axiale Positionen der Intensitätsverteilung erfasst werden, und wobei die Anpassung der Wellenfront oder der Strahlverläufe auf Basis der für die verschiedenen axialen Positionen erfassten Lichtemissionen durchgeführt wird. Der Begriff „axiale Position“ bezieht sich dabei insbesondere auf die Position des lokalen Minimums der Intensitätsverteilung auf der optischen Achse des Objektivs des Lichtmikroskops. Für die verschiedenen axialen Positionen können optional aus den Lichtemissionen jeweils Positionsdaten des einzelnen Emitters bestimmt werden. Dies können insbesondere zweidimensionale Positionsdaten oder dreidimensionale Positionsdaten sein. Durch diese Art der Auswertung lassen sich von der axialen Koordinate (z- Koordinate) abhängige Lokalisationsfehler (d.h. insbesondere systematische Auswirkungen der z-Position auf den Positionsschätzer) korrigieren. According to a further embodiment, an axial position of the intensity distribution of the illumination light is adjusted, wherein light emissions of the individual emitter for different axial positions of the intensity distribution are recorded, and the adjustment of the wavefront or the beam paths is carried out on the basis of the light emissions recorded for the various axial positions. The term "axial position" refers in particular to the position of the local minimum of the intensity distribution on the optical axis of the objective of the light microscope. For the various axial positions, position data of the individual emitter can optionally be determined from the light emissions. This can in particular be two-dimensional position data or three-dimensional position data. This type of evaluation can be used to correct localization errors that depend on the axial coordinate (z-coordinate) (ie in particular systematic effects of the z-position on the position estimator).

Die Anpassung der Wellenfront oder der Strahlverläufe kann insbesondere auch auf Basis der nacheinander von mehreren Emittern erfassten Lichtemissionen erfolgen, wobei für jeden der Emitter für verschiedene axiale Positionen der Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts erfasste Lichtemissionen verwendet werden. The adaptation of the wavefront or the beam paths can in particular also be carried out on the basis of the light emissions detected successively by several emitters, whereby for each of the emitters, light emissions detected for different axial positions of the intensity distribution of the illumination light are used.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Beleuchtungslicht Anregungslicht, das den Emitter in der Probe zur Abgabe der Lichtemissionen anregt. In diesem Fall wird die Probe also mit einer Intensitätsverteilung von Anregungslicht mit einem lokalen Minimum, insbesondere einer zentralen Intensitätsnullstelle, beleuchtet. Es kann sich bei dem Verfahren also insbesondere um ein MINFLUX-Verfahren handeln. Dies hat den Vorteil, dass mit besonders wenigen von dem Emitter abgegebenen Photonen eine hochpräzise Lokalisation des Emitters durchgeführt werden kann. According to a further embodiment, the illumination light is excitation light that stimulates the emitter in the sample to emit light. In this case, the sample is illuminated with an intensity distribution of excitation light with a local minimum, in particular a central intensity zero. The method can therefore be a MINFLUX method in particular. This has the advantage that a highly precise localization of the emitter can be carried out with particularly few photons emitted by the emitter.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Anpassen der Wellenfront des Beleuchtungslichts und/oder das Anpassen der Strahlverläufe (d.h., des Strahlverlaufs des Beleuchtungslichtstrahls und des Strahlverlaufs des Detektionslichtstrahls relativ zueinander und/oder des Strahlverlaufs des Beleuchtungslichtstrahls und des Strahlverlaufs des weiteren Beleuchtungslichtstrahls relativ zueinander) automatisch. Es kann also insbesondere eine Steuereinheit des Lichtmikroskops automatisch ein auf Basis der registrierten Lichtemissionen eines einzelnen Emitters berechnetes Stellsignal z.B. an einen mechanischen Aktuator weitergeben, der eine optische Komponente im Strahlengang des Beleuchtungslichtstrahls oder des Detektionslichtstrahls auf Basis des Stellsignals verstellt. Alternativ oder zusätzlich kann z.B. dieselbe Steuereinheit oder eine andere Steuereinheit automatisch ein entsprechendes Stellsignal an einen Wellenfrontmodulator weitergeben, der auf Basis des Stellsignals die Wellenfront des Beleuchtungslichts moduliert. Diese Art der automatischen Anpassung kann insbesondere auch in Form eines Regelkreises realisiert werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Emitter ein Fluorophor oder ein mit einem oder mehreren Fluorophoren markiertes Molekül. Dabei können die Emitter, die für die Justage des Strahlengangs verwendet werden, insbesondere dieselben Emitter sein, die zur mikroskopischen Untersuchung von Probenstrukturen dienen. Dies hat im Gegensatz zu einem separaten Justageschritt, beispielsweise mit Referenzpartikeln wie lichtstreuenden oder fluoreszierenden Nanopartikeln, den Vorteil, dass die Justage bei genau denselben Bedingungen durchgeführt wird, bei denen das Lokalisierungsexperiment durchgeführt wird. Dabei ist insbesondere der Brechungsindex der Probe bei der Justage und der Messung identisch. According to a further embodiment, the adjustment of the wavefront of the illumination light and/or the adjustment of the beam paths (i.e. the beam path of the illumination light beam and the beam path of the detection light beam relative to one another and/or the beam path of the illumination light beam and the beam path of the further illumination light beam relative to one another) takes place automatically. In particular, a control unit of the light microscope can therefore automatically pass on a control signal calculated on the basis of the registered light emissions of an individual emitter, for example to a mechanical actuator, which adjusts an optical component in the beam path of the illumination light beam or the detection light beam on the basis of the control signal. Alternatively or additionally, for example, the same control unit or another control unit can automatically pass on a corresponding control signal to a wavefront modulator, which modulates the wavefront of the illumination light on the basis of the control signal. This type of automatic adjustment can also be implemented in the form of a control loop. According to a further embodiment, the emitter is a fluorophore or a molecule labeled with one or more fluorophores. The emitters used for adjusting the beam path can in particular be the same emitters that are used for microscopic examination of sample structures. In contrast to a separate adjustment step, for example with reference particles such as light-scattering or fluorescent nanoparticles, this has the advantage that the adjustment is carried out under exactly the same conditions under which the localization experiment is carried out. In particular, the refractive index of the sample is identical during adjustment and measurement.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Emitter ein Fluorophor, also ein selbst fluoreszierendes Molekül. Dies kann z.B. ein organischer Fluorophor oder ein fluoreszierendes Protein sein. Die Position solcher Einzelmoleküle kann durch Lokalisationsmikroskopie mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. According to a further embodiment, the emitter is a fluorophore, i.e. a self-fluorescing molecule. This can be, for example, an organic fluorophore or a fluorescent protein. The position of such individual molecules can be determined with high accuracy by localization microscopy.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Emitter ein mit einem Fluorophor markiertes Molekül. Die Verknüpfung des Fluorophors mit dem Molekül kann kovalent oder nicht- kovalent sein. Das mit dem Fluorophor markierte Molekül kann z.B. ein Antikörper oder ein Nanobody sein, der kovalent an einen Fluoreszenzfarbstoff gekoppelt ist und an eine zu untersuchende Zielstruktur in der Probe bindet. In diesem Fall können durch Lokalisation des Emitters (hier Antikörper oder Nanobody mit Fluoreszenzfarbstoff) mittelbar Positionsinformationen über die Zielstruktur gesammelt werden. Die Markierung mit nur einem Fluorophor hat den Vorteil, dass die Lichtemissionen tendenziell aus einem kleineren Bereich der Probe stammen, und somit eine aussagekräftigere Information über die Zielstruktur erhalten werden kann. According to a further embodiment, the emitter is a molecule labeled with a fluorophore. The link between the fluorophore and the molecule can be covalent or non-covalent. The molecule labeled with the fluorophore can be, for example, an antibody or a nanobody that is covalently coupled to a fluorescent dye and binds to a target structure to be examined in the sample. In this case, position information about the target structure can be collected indirectly by localizing the emitter (here antibody or nanobody with fluorescent dye). Labeling with only one fluorophore has the advantage that the light emissions tend to come from a smaller area of the sample, and thus more meaningful information about the target structure can be obtained.

Gemäß einerweiteren Ausführungsform ist der Emitter ein mit mehreren Fluorophoren markiertes Molekül. Dies kann z.B. ein kovalent an mehrere Fluorophore gekoppelter Antikörper sein, der wiederum an eine interessierende Struktur in der Probe bindet. Eine Kopplung an mehrere Fluorophore hat den Vorteil, dass insgesamt mehr Photonen emittiert werden und somit eine höhere Positionsgenauigkeit bei der Lokalisation erreicht werden kann. Außerdem tritt ein irreversibles Bleichen erst nach längerer Zeit ein, was eine PositionsbestimmungA/erfolgung über einen längeren Zeitraum erlaubt. According to a further embodiment, the emitter is a molecule labeled with several fluorophores. This can be, for example, an antibody covalently coupled to several fluorophores, which in turn binds to a structure of interest in the sample. Coupling to several fluorophores has the advantage that more photons are emitted overall and thus a higher positional accuracy can be achieved during localization. In addition, irreversible bleaching only occurs after a longer period of time, which allows position determination to be carried out over a longer period of time.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Nahbereich der Probe, in dem sich der zu lokalisierende oder zu verfolgende Emitter gemäß einer vorab bestimmten vermuteten Position aufhält, mit der Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts mit dem lokalen Minimum beleuchtet. Dieser Nahbereich wird typischerweise aus einer geschätzten Position eines vorhergehenden Lokalisierungsschritts abgeleitet. Der erste Lokalisierungsschritt kann dabei, z.B. bei einem MINFLUX-Verfahren, mit einer unabhängigen Lokalisationstechnik geringerer Genauigkeit durchgeführt werden, der auch als Vorlokalisierung bezeichnet wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird durch das Anpassen der Wellenfront und/oder der Strahlverläufe (d.h., des Strahlverlaufs des Beleuchtungslichtstrahls und des Strahlverlaufs des Detektionslichtstrahls relativ zueinander und/oder des Strahlverlaufs des Beleuchtungslichtstrahls und des Strahlverlaufs des weiteren Beleuchtungslichtstrahls relativ zueinander) eine Abweichung zwischen einer gewünschten Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts und einer tatsächlichen Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in der Probe korrigiert. Eine solche Abweichung kann z.B. durch Aberrationen verursacht werden. Beispielsweise kann sich das Minimum einer Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts verschieben oder die Intensitätsverteilung kann asymmetrisch werden. According to a further embodiment, a close area of the sample in which the emitter to be localized or tracked is located according to a presumed position determined in advance is illuminated with the intensity distribution of the illumination light with the local minimum. This close area is typically derived from an estimated position of a previous localization step. The first localization step can be carried out, eg in a MINFLUX method, with an independent localization technique of lower accuracy, which is also referred to as pre-localization. According to a further embodiment, by adjusting the wavefront and/or the beam paths (ie, the beam path of the illumination light beam and the beam path of the detection light beam relative to each other and/or the beam path of the illumination light beam and the beam path of the further illumination light beam relative to each other), a deviation between a desired intensity distribution of the illumination light and an actual intensity distribution of the illumination light in the sample is corrected. Such a deviation can be caused, for example, by aberrations. For example, the minimum of an intensity distribution of the illumination light can shift or the intensity distribution can become asymmetrical.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die tatsächliche Intensitätsverteilung in der Probe eine Schiefe relativ zu einer optischen Achse des Lichtmikroskops auf. So können z.B. die idealerweise auf der optischen Achse des Objektivs liegenden axialen Intensitätsmaxima eines sogenannten Bottle-Beams (in dieser Anmeldung auch als 3D-Donut bezeichnet) durch Aberrationen auf einer schiefen, zur optischen Achse gekippten Achse liegen. Derartige Lichtverteilungen werden z.B. bei der 3D-MINFLUX-Lokalisierung verwendet, und zwar teilweise sowohl für die axiale als auch für die laterale Lokalisierung. Ein schiefer 3D-Donut führt bei der lateralen Lokalisation je nach aktueller Fokusebene zu einer systematischen Abweichung bei der Positionsschätzung. Solche Abweichungen können z.B. durch eine Rezentrierung des Beleuchtungslichtstrahls auf die Pupille des Objektivs korrigiert werden. According to a further embodiment, the actual intensity distribution in the sample is skewed relative to an optical axis of the light microscope. For example, the axial intensity maxima of a so-called bottle beam (also referred to as a 3D donut in this application), which ideally lie on the optical axis of the objective, can lie on a skewed axis tilted to the optical axis due to aberrations. Such light distributions are used, for example, in 3D MINFLUX localization, and in some cases both for axial and lateral localization. A skewed 3D donut leads to a systematic deviation in the position estimation in lateral localization, depending on the current focal plane. Such deviations can be corrected, for example, by recentering the illumination light beam on the pupil of the objective.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Phasenmuster angepasst, das auf einem Wellenfrontmodulator dargestellt wird, wobei sich der Wellenfrontmodulator in einem Strahlengang des Beleuchtungslichts befindet, wobei das Phasenmuster angepasst wird, um die Abweichung zwischen der gewünschten Intensitätsverteilung und der tatsächlichen Intensitätsverteilung zu korrigieren. Ein solcher Wellenfrontmodulator kann insbesondere in einer Pupillenebene stehen, die durch Abbildung über ein optisches Relais zu einer Rückapertur des Objektivs des Lichtmikroskops konjugiert ist, d.h. eine Fourierebene bezüglich einer Fokusebene ist, die den geometrischen Fokus des Objektivs in der Probe schneidet. Wenn das Beleuchtungslicht in dieser Ebene mit einem geeigneten Phasenmuster moduliert wird, entsteht am Fokus durch destruktive Interferenz eine Intensitätsverteilung mit einem lokalen Minimum am geometrischen Fokus. Beispielsweise kann eine 2D-Donut-förmige Intensitätsverteilung durch ein vortexförmiges Phasenmuster mit kreisförmig von 0 bis 2K oder einem Vielfachen davon anwachsendem Phasenwinkel erzeugt werden. Durch ein ringförmiges Phasenmuster mit einem entlang eines Kreises verlaufenden Phasensprung der Phasendifferenz K, bei der die innere Teilfläche (Innenkreis) und die äußere Teilfläche (Ring) des Musters gleiche Flächen haben, lässt sich unter idealen Bedingungen eine 3D-Donut-förmige Intensitätsverteilung erzeugen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Phasenmuster einen entlang eines Kreises verlaufenden Phasensprung, wobei eine Phasendifferenz des Phasensprungs angepasst wird, um die Abweichung zwischen der gewünschten Intensitätsverteilung und der tatsächlichen Intensitätsverteilung zu korrigieren. Auf diese Weise kann z.B. eine axiale Abweichung der Positionsbestimmung korrigiert werden, der durch Defokus-Aberrationen entstehen kann, etwa durch unterschiedliche Brechungsindices zwischen einer Kalibrationsprobe, mit der der Strahlengang des Lichtmikroskops justiert wurde und einer zu untersuchenden Probe. According to a further embodiment, a phase pattern is adjusted which is displayed on a wavefront modulator, wherein the wavefront modulator is located in a beam path of the illumination light, wherein the phase pattern is adjusted to correct the deviation between the desired intensity distribution and the actual intensity distribution. Such a wavefront modulator can in particular be located in a pupil plane which is conjugated to a rear aperture of the objective of the light microscope by imaging via an optical relay, i.e. is a Fourier plane with respect to a focal plane which intersects the geometric focus of the objective in the sample. If the illumination light is modulated in this plane with a suitable phase pattern, an intensity distribution with a local minimum at the geometric focus is created at the focus by destructive interference. For example, a 2D donut-shaped intensity distribution can be generated by a vortex-shaped phase pattern with a phase angle increasing circularly from 0 to 2K or a multiple thereof. By using a ring-shaped phase pattern with a phase jump of the phase difference K running along a circle, in which the inner partial area (inner circle) and the outer partial area (ring) of the pattern have equal areas, a 3D donut-shaped intensity distribution can be generated under ideal conditions. According to a further embodiment, the phase pattern comprises a phase jump running along a circle, wherein a phase difference of the phase jump is adjusted in order to correct the deviation between the desired intensity distribution and the actual intensity distribution. In this way, for example, an axial deviation of the position determination can be corrected, which can arise due to defocus aberrations, for example due to different refractive indices between a calibration sample with which the beam path of the light microscope was adjusted and a sample to be examined.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird durch das Anpassen der Wellenfront des Beleuchtungslichts und/oder durch das Anpassen der Strahlverläufe (d.h., des Strahlverlaufs des Beleuchtungslichtstrahls und des Strahlverlaufs des Detektionslichtstrahls relativ zueinander und/oder des Strahlverlaufs des Beleuchtungslichtstrahls und des Strahlverlaufs des weiteren Beleuchtungslichtstrahls relativ zueinander) eine Aberrationskorrektur durchgeführt. Durch bestimmte optische Aberrationen kann z.B. die Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in der Probe von einer gewünschten Intensitätsverteilung abweichen, z.B. kann sich das lokale Minimum der Intensitätsverteilung verschieben. Diese Abweichungen bzw. deren Auswirkungen auf einen Positionsschätzer können durch das erfindungsgemäße Verfahren kompensiert bzw. korrigiert werden. According to a further embodiment, an aberration correction is carried out by adjusting the wavefront of the illumination light and/or by adjusting the beam paths (i.e., the beam path of the illumination light beam and the beam path of the detection light beam relative to one another and/or the beam path of the illumination light beam and the beam path of the further illumination light beam relative to one another). Due to certain optical aberrations, for example, the intensity distribution of the illumination light in the sample can deviate from a desired intensity distribution, e.g. the local minimum of the intensity distribution can shift. These deviations or their effects on a position estimator can be compensated or corrected by the method according to the invention.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren einen ersten Lokalisierungsschritt und einen zweiten Lokalisierungsschritt auf, wobei in dem ersten Lokalisierungsschritt die Probe mit dem Beleuchtungslicht beleuchtet wird, erste Lichtemissionen des einzelnen Emitters erfasst werden und erste Positionsdaten des einzelnen Emitters auf Basis der ersten Lichtemissionen bestimmt werden, und wobei in dem zweiten Lokalisierungsschritt das Intensitätsminimum der Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts an Beleuchtungspositionen angeordnet wird, wobei die Beleuchtungspositionen um eine auf Basis der ersten Positionsdaten geschätzte Lage des einzelnen Emitters angeordnet werden, für die jeweiligen Beleuchtungspositionen zweite Lichtemissionen des einzelnen Emitters erfasst werden und auf Basis der zweiten Lichtemissionen und der zugeordneten Beleuchtungspositionen zweite Positionsdaten des einzelnen Emitters bestimmt werden, wobei auf Basis der zweiten Positionsdaten die geschätzte Lage des einzelnen Emitters mit höherer Genauigkeit als auf Basis der ersten Positionsdaten bestimmt wird, wobei eine systematische Abweichung zwischen der in dem ersten Lokalisierungsschritt bestimmten geschätzten Lage des Emitters gegenüber der in dem zweiten Lokalisierungsschritt bestimmten geschätzten Lage desselben Emitters bestimmt wird, wobei auf Basis der bestimmten Abweichung die Wellenfront des Beleuchtungslichts angepasst wird und/oder der Strahlverlauf des Beleuchtungslichtstrahls und der Strahlverlauf des Detektionslichtstrahls relativ zueinander angepasst werden und/oder der Strahlverlauf des Beleuchtungslichtstrahls und der Strahlverlauf des weiteren Beleuchtungslichtstrahls relativ zueinander angepasst werden. According to a further embodiment, the method comprises a first localization step and a second localization step, wherein in the first localization step the sample is illuminated with the illumination light, first light emissions of the individual emitter are detected and first position data of the individual emitter are determined on the basis of the first light emissions, and wherein in the second localization step the intensity minimum of the intensity distribution of the illumination light is arranged at illumination positions, wherein the illumination positions are arranged around a position of the individual emitter estimated on the basis of the first position data, second light emissions of the individual emitter are detected for the respective illumination positions and second position data of the individual emitter are determined on the basis of the second light emissions and the associated illumination positions, wherein the estimated position of the individual emitter is determined with greater accuracy on the basis of the second position data than on the basis of the first position data, wherein a systematic deviation between the estimated position of the emitter determined in the first localization step compared to the position determined in the second localization step estimated position of the same emitter, wherein on the basis of the determined deviation the wavefront of the illumination light is adjusted and/or the beam path of the illumination light beam and the beam path of the detection light beam are adjusted relative to each other and/or the beam path of the illuminating light beam and the beam path of the further illuminating light beam are adjusted relative to each other.

Der erste Lokalisierungsschritt und der zweite Lokalisierungsschritt müssen nicht direkt aufeinander folgen, sondern es können selbstverständlich zwischen dem ersten Lokalisierungsschritt und dem zweiten Lokalisierungsschritt ein oder mehrere weitere Lokalisierungsschritte durchgeführt werden. The first localization step and the second localization step do not have to follow one another directly, but one or more further localization steps can of course be carried out between the first localization step and the second localization step.

Insbesondere kann die Lage des Emitters in dem zweiten Lokalisierungsschritt mit einer Genauigkeit bestimmt werden, die besser als ein Schwellwert der Genauigkeit ist. Weiter insbesondere kann die Genauigkeit in dem zweiten Lokalisationsschritt ein Optimum erreichen oder sich einem Optimum annähern. Insbesondere in den letztgenannten Fällen kann die in dem zweiten Lokalisierungsschritt bestimmte Lage des Emitters als die tatsächliche Emitterlage (im Sinne einer sogenannten „ground truth“) betrachtet werden, auf dessen Basis die systematische Abweichung bestimmt wird. Je besser die Genauigkeit dieser bestimmten Lage ist, desto besser kann die systematische Abweichung bestimmt werden und somit die Anpassung der Wellenfront oder der Strahlverläufe durchgeführt werden. In particular, the position of the emitter can be determined in the second localization step with an accuracy that is better than a threshold value of the accuracy. In particular, the accuracy in the second localization step can reach an optimum or approach an optimum. In the latter cases in particular, the position of the emitter determined in the second localization step can be regarded as the actual emitter position (in the sense of a so-called "ground truth"), on the basis of which the systematic deviation is determined. The better the accuracy of this determined position, the better the systematic deviation can be determined and thus the adjustment of the wavefront or the beam paths can be carried out.

Der erste Lokalisierungsschritt kann insbesondere ein Vorlokalisierungsschritt sein, der nicht nach dem MINFLUX-Prinzip durchgeführt wird, sondern mit einer unabhängigen Abbildungs- oder Lokalisierungstechnik, um eine initiale Positionsschätzung für einen einzelnen Emitter zu bekommen, auf dessen Basis dann im Anschluss eine MINFLUX-Lokalisierung durchgeführt wird. Bei diesem Vorlokalisierungsschritt oder in einem vorgelagerten Schritt kann der Emitter insbesondere auch aufgefunden werden, d.h. die Probe wird durch Registrierung von Lichtemissionen nach einzelnen Emittern abgesucht, die anschließend vorlokalisiert und schließlich mit hoher Genauigkeit lokalisiert werden. The first localization step can in particular be a pre-localization step that is not carried out according to the MINFLUX principle, but with an independent imaging or localization technique in order to obtain an initial position estimate for an individual emitter, on the basis of which a MINFLUX localization is then carried out. In this pre-localization step or in an upstream step, the emitter can in particular also be found, i.e. the sample is searched for individual emitters by registering light emissions, which are then pre-localized and finally localized with high accuracy.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der erste Lokalisierungsschritt nach einem stochastischen Lokalisierungsverfahren durchgeführt. Hierzu zählen insbesondere die STORM (stochastic optical reconstruction microscopy)- und PALM (photoactivated localization m/croscopy)-Mikroskopie sowie die SOFI (superresolution optical fluctuation imaging)- Mikroskopie und die PAINT (points accumulation for imaging in nanoscale topography)- Mikroskopie. Dabei liegen die Emitter in einem nichtfluoreszierenden Dunkelzustand vor, und es werden einzelne Emitter spontan, durch Fotoaktivierung oder durch chemische Reaktion aus diesem Dunkelzustand in einen fluoreszenten Zustand überführt, bzw. es besteht ein durch Einstellung der experimentellen Parameter beeinflussbares Gleichgewicht zwischen dem nichtfluoreszierenden Dunkelzustand und dem fluoreszenten Zustand. Für die Lokalisierung dieser aktivierten Emitter wird das Sichtfeld insbesondere homogen mit dem Beleuchtungslicht beleuchtet, so dass alle aktivierten Emitter im Sichtfeld gleichzeitig zur Lichtemission angeregt werden. Die Detektion der Lichtemission erfolgt in diesem Fall bevorzugt mit einem ortsauflösenden bzw. bildgebenden Detektor, d.h. einem Detektor, der eine Vielzahl von einzeln auslesbaren Detektorelementen aufweist, insbesondere mit einer Kamera. Die Lage der einzelnen, d.h. optisch trennbaren Emitter, kann so durch Schwerpunktbestimmung oder Anpassen einer Modellfunktion im Bild bestimmt werden. Für den Fall, dass der erste Lokalisierungsschritt mit einem stochastischen Lokalisierungsverfahren durchgeführt wird, werden also insbesondere eine Mehrzahl von Emittern parallel abgebildet. Die Lage eines dieser Emitter kann dann als Grundlage für die Beleuchtungspositionen in dem zweiten Lokalisierungsschritt dienen. Ein Gleichgewicht zwischen einem emittierenden Zustand und einem Dunkelzustand wird typischerweise auch bei der MINFLUX-Mikroskopie eingestellt, um auch in der Probe räumlich dicht angeordnete Emitter nacheinander lokalisieren zu können. According to a further embodiment, the first localization step is carried out according to a stochastic localization method. This includes in particular STORM (stochastic optical reconstruction microscopy) and PALM (photoactivated localization m/croscopy) microscopy as well as SOFI (superresolution optical fluctuation imaging) microscopy and PAINT (points accumulation for imaging in nanoscale topography) microscopy. The emitters are in a non-fluorescent dark state, and individual emitters are spontaneously converted from this dark state to a fluorescent state by photoactivation or by chemical reaction, or there is an equilibrium between the non-fluorescent dark state and the fluorescent state that can be influenced by setting the experimental parameters. To localize these activated emitters, the field of view is illuminated in particular homogeneously with the illumination light, so that all activated emitters in the field of view are simultaneously stimulated to emit light. In this case, the light emission is preferably detected using a spatially resolving or imaging detector, i.e. a detector that has a large number of individually readable detector elements, in particular with a camera. The position of the individual, i.e. optically separable emitters, can thus be determined by determining the center of gravity or adapting a model function in the image. In the event that the first localization step is carried out using a stochastic localization method, a large number of emitters are imaged in parallel. The position of one of these emitters can then serve as the basis for the illumination positions in the second localization step. A balance between an emitting state and a dark state is also typically set in MINFLUX microscopy in order to be able to localize emitters that are spatially densely arranged one after the other in the sample.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der erste Lokalisierungsschritt durch Abrastern der Probe mit dem Beleuchtungslicht durchgeführt. D.h. insbesondere erfolgt der erste Lokalisierungsschritt mittels Laserscanning, das wahlweise z.B. als konventionelles konfokales Laserscanning oder auch als STED-Laserscanning ausgeführt werden kann. Dazu wird die Probe punktweise mit fokussiertem Anregungslicht oder mit einer Intensitätsverteilung von Anregungslicht mit einem lokalen Minimum (z.B. 2D- oder 3D-Donut) abgerastert und aus den zu jedem Rasterpunkt detektierten Lichtemissionen ein Bild rekonstruiert, in dem wiederum die einzelnen Emitter lokalisiert werden können. Für die Bildaufnahme im STED-Modus kann das Anregungslicht mit einer ein lokales Intensitätsminimum aufweisenden Verteilung von Abregungslicht überlagert werden, wodurch die Auflösung über die optische Beugungsgrenze hinaus verbessert und eine genauere Lokalisierung des Emitters in dem ersten Lokalisierungsschritt ermöglicht wird. According to a further embodiment, the first localization step is carried out by scanning the sample with the illumination light. This means that in particular the first localization step is carried out by means of laser scanning, which can optionally be carried out, for example, as conventional confocal laser scanning or also as STED laser scanning. To do this, the sample is scanned point by point with focused excitation light or with an intensity distribution of excitation light with a local minimum (e.g. 2D or 3D donut) and an image is reconstructed from the light emissions detected at each scan point, in which the individual emitters can in turn be localized. For image acquisition in STED mode, the excitation light can be superimposed with a distribution of de-excitation light having a local intensity minimum, which improves the resolution beyond the optical diffraction limit and enables more precise localization of the emitter in the first localization step.

Im zweiten Lokalisierungsschritt kann der Emitter insbesondere durch ein Verfahren nach dem MINFLUX-Prinzip lokalisiert werden, d.h. der Emitter wird an mehreren, um die in dem ersten Lokalisierungsschritt bestimmte Lage des Emitters herum angeordneten Beleuchtungspositionen mit einer in mindestens einer Raumrichtung ein lokales Intensitätsminimum aufweisenden Intensitätsverteilung von Beleuchtungslicht beleuchtet. Der zweite Lokalisierungsschritt muss dabei nicht zwingend unmittelbar auf den ersten Lokalisierungsschritt folgen; optional können zwischen dem ersten und dem zweiten Lokalisierungsschritt weitere Lokalisierungsschritte erfolgen; maßgeblich für die oben beschriebene Ausführungsform ist lediglich das Vorhandensein eines ersten und eines zweiten Lokalisierungsschritts. In the second localization step, the emitter can be localized in particular by a method according to the MINFLUX principle, i.e. the emitter is illuminated at several illumination positions arranged around the position of the emitter determined in the first localization step with an intensity distribution of illumination light having a local intensity minimum in at least one spatial direction. The second localization step does not necessarily have to follow immediately after the first localization step; optionally, further localization steps can take place between the first and second localization steps; the only decisive factor for the embodiment described above is the presence of a first and a second localization step.

Wie bereits das in dem ersten Lokalisierungsschritt verwendete Beleuchtungslicht kann auch das in dem zweiten Lokalisierungsschritt verwendete Beleuchtungslicht die Lichtemission des Emitters induzieren oder modulieren, insbesondere hemmen. Dabei kann das in dem zweiten Lokalisierungsschritt verwendete Beleuchtungslicht identisch mit dem in dem ersten Lokalisierungsschritt verwendete Beleuchtungslicht sein, dies ist allerdings nicht zwingend erforderlich. Beispielsweise kann die Wellenlänge des Beleuchtungslichts in beiden Lokalisierungsschritten identisch sein, aber zwischen unterschiedlichen Intensitätsverteilungen des Lichts umgeschaltet werden. Für eine Lokalisierung eines Emitters aus einem konfokalen Bild in dem ersten Lokalisierungsschritt und einer Lokalisierung des Emitters nach einem MINFLUX-Prinzip in dem zweiten Lokalisierungsschritt ist es beispielsweise erforderlich, von einer gaußförmigen Mode auf eine ein Intensitätsminimum aufweisende, donutförmige Mode zu wechseln. Ein derartiges Umschalten kann unter anderem mit einem programmierbaren Phasenmodulator (Spatial Light Modulator, SLM) realisiert werden. Like the illumination light used in the first localization step, the illumination light used in the second localization step can also induce or modulate the light emission of the emitter, in particular inhibit it. The illumination light used in the second The illumination light used in the localization step can be identical to the illumination light used in the first localization step, but this is not absolutely necessary. For example, the wavelength of the illumination light can be identical in both localization steps, but different intensity distributions of the light can be switched between. For localization of an emitter from a confocal image in the first localization step and localization of the emitter according to a MINFLUX principle in the second localization step, it is necessary, for example, to switch from a Gaussian mode to a donut-shaped mode with an intensity minimum. Such switching can be implemented using a programmable phase modulator (spatial light modulator, SLM), among other things.

In der Praxis besteht regelmäßig das Problem, dass eine systematische Abweichung zwischen der Lagebestimmung eines Emitters in dem ersten Lokalisierungsschritt und in dem zweiten Lokalisierungsschritt auftritt. Diese systematische Abweichung muss dabei nicht homogen über das Sichtfeld sein, sondern kann (und ist in den meisten Anwendungsfällen) ortsabhängig, d.h. von der Lage des Emitters im Sichtfeld abhängig. Unter einer systematischen Abweichung ist insofern nur zu verstehen, dass bei wiederholten Lokalisierungen ein und desselben Emitters im Rahmen der Messgenauigkeit gleiche Abweichungen zwischen der ersten und der zweiten Lokalisierung auftreten. Ungeachtet dessen können die systematischen Abweichungen (langsamen) Veränderungen beispielsweise infolge von Drifteffekten unterliegen. In practice, there is often the problem that a systematic deviation occurs between the position determination of an emitter in the first localization step and in the second localization step. This systematic deviation does not have to be homogeneous across the field of view, but can (and in most applications is) be location-dependent, i.e. dependent on the position of the emitter in the field of view. A systematic deviation is only to be understood as the fact that, when one and the same emitter is localized repeatedly, the same deviations occur between the first and second localizations within the scope of the measurement accuracy. Regardless of this, the systematic deviations can be subject to (slow) changes, for example as a result of drift effects.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Probe auch in dem ersten Lokalisierungsschritt mit einer Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts mit einem lokalen Intensitätsminimum beleuchtet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Intensitätsminimum in dem ersten Lokalisierungsschritt an Beleuchtungspositionen um eine zuvor geschätzte Lage des einzelnen Emitters angeordnet. Dabei kann z.B. bereits der erste Lokalisierungsschritt nach einem MINFLUX-Verfahren (nach einem MINFLUX-Prinzip) durchgeführt werden, wobei der erste und der zweite Lokalisierungsschritt z.B. Schritte eines iterativen MINFLUX-Verfahrens sein können, bei dem in jeder Iteration die Lage des Emitters bestimmt und die Beleuchtungspositionen auf Basis der jeweils letzten Lagebestimmung angepasst, insbesondere dichter um den Emitter angeordnet werden. Gleichzeitig kann auch die Intensität des Beleuchtungslichts in jeder Iteration erhöht werden. Wenngleich eine systematische Abweichung bei der Lokalisierung eines Emitters in aufeinanderfolgenden Iterationen des MINFLUX-Verfahrens nicht offensichtlich ist, wird in der Praxis regelmäßig ein systematischer Offset beobachtet, der vermutlich auf eine nicht perfekt rotationssymmetrische Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts zurückzuführen ist, die insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Anpassen der Wellenfront oder der Strahlengänge korrigiert werden kann. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Probe in dem ersten Lokalisierungsschritt mit strukturiertem Beleuchtungslicht beleuchtet, wobei die Lage und/oder die Orientierung des strukturierten Beleuchtungslichts relativ zur Probe schrittweise versetzt bzw. gedreht wird, für jeden Versatz bzw. jede Orientierung ein Bild der Probe mit einem bildgebenden Detektor aufgenommen wird und die Einzelbilder zu einem höher aufgelösten Bild verrechnet werden. Dieses Vorgehen ist aus der Structured-Illumination-Mikroskopie (SIM) bekannt und liefert ebenfalls eine gegenüber der konventionellen Bildaufnahme bereits bis zu zweifach gesteigerte Auflösung. According to a further embodiment, the sample is also illuminated in the first localization step with an intensity distribution of the illumination light with a local intensity minimum. According to a further embodiment, the intensity minimum in the first localization step is arranged at illumination positions around a previously estimated position of the individual emitter. For example, the first localization step can already be carried out according to a MINFLUX method (according to a MINFLUX principle), whereby the first and second localization steps can be steps of an iterative MINFLUX method, for example, in which the position of the emitter is determined in each iteration and the illumination positions are adjusted on the basis of the last position determination, in particular arranged closer around the emitter. At the same time, the intensity of the illumination light can also be increased in each iteration. Although a systematic deviation in the localization of an emitter in successive iterations of the MINFLUX method is not obvious, a systematic offset is regularly observed in practice, which is probably due to a not perfectly rotationally symmetric intensity distribution of the illumination light, which can be corrected in particular by adapting the wavefront or the beam paths according to the invention. In a further embodiment of the method, the sample is illuminated with structured illumination light in the first localization step, whereby the position and/or orientation of the structured illumination light relative to the sample is gradually shifted or rotated, an image of the sample is recorded with an imaging detector for each shift or orientation, and the individual images are combined to produce a higher resolution image. This procedure is known from structured illumination microscopy (SIM) and also provides a resolution that is up to twice as high as that of conventional image recording.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Emitter in dem ersten Lokalisierungsschritt auf einen ortsauflösenden Detektor, insbesondere auf eine Kamera oder ein Detektorarray, abgebildet. Obgleich in einigen der zuvor beschriebenen Ausführungsformen - der Lokalisierung des Emitters in dem ersten Lokalisierungsschritt mittels Abtasten (insbesondere Laserscanning) oder nach einem MINFLUX-Verfahren - die Detektion der Lichtemission mit einem Punktdetektor (APD, Fotomultiplier) erfolgen kann, ist die Verwendung eines ortsauflösenden Detektors, insbesondere einer Kamera oder eines Detektorarrays, auch in diesen Ausführungsformen oft vorteilhaft. Durch Analyse der ortsaufgelösten Bildinformation kann beispielsweise erkannt werden, wenn sich mehrere emittierende Emitter innerhalb eines beugungsbegrenzten Bereichs befinden und nicht einzeln lokalisiert werden können. According to a further embodiment, the emitter is imaged in the first localization step onto a spatially resolving detector, in particular onto a camera or a detector array. Although in some of the previously described embodiments - the localization of the emitter in the first localization step by means of scanning (in particular laser scanning) or according to a MINFLUX method - the detection of the light emission can be carried out using a point detector (APD, photomultiplier), the use of a spatially resolving detector, in particular a camera or a detector array, is often advantageous in these embodiments as well. By analyzing the spatially resolved image information, it can be recognized, for example, if several emitting emitters are located within a diffraction-limited area and cannot be individually localized.

Der ortsauflösende Detektor kann insbesondere ein Beugungsbild des einzelnen Emitters in einer Detektionsebene auflösen, wobei der Detektionslichtstrahl insbesondere von einer geeigneten Optik auf mehrere Detektorelemente (insbesondere Pixel) des ortsauflösenden Detektors abgebildet wird. The spatially resolving detector can in particular resolve a diffraction image of the individual emitter in a detection plane, wherein the detection light beam is imaged in particular by a suitable optics onto several detector elements (in particular pixels) of the spatially resolving detector.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die systematische Abweichung durch optische Abbildungsfehler verursacht. Systematische Abweichungen zwischen den in dem ersten Lokalisierungsschritt und in dem zweiten Lokalisierungsschritt bestimmten Lagen des Emitters treten oft infolge optischer Abbildungsfehler und insbesondere dann auf, wenn sich der optische Strahlweg, der für die Lagebestimmung in dem ersten Lokalisierungsschritt verwendet wird, von dem optischen Strahlweg, der für die Lagebestimmung in dem zweiten Lokalisierungsschritt verwendet wird, unterscheidet bzw. der erste und der zweite Lokalisierungsschritt mit optischen Mitteln durchgeführt werden, die sich in mindestens einem optischen Element voneinander unterscheiden. According to a further embodiment, the systematic deviation is caused by optical imaging errors. Systematic deviations between the positions of the emitter determined in the first localization step and in the second localization step often occur as a result of optical imaging errors and in particular when the optical beam path used for determining the position in the first localization step differs from the optical beam path used for determining the position in the second localization step or the first and second localization steps are carried out using optical means that differ from one another in at least one optical element.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden der erste Lokalisierungsschritt und der zweite Lokalisierungsschritt mit optischen Mitteln durchgeführt, die sich in mindestens einem optischen Element voneinander unterscheiden. Sobald sich die Strahlwege unterscheiden, ergibt sich die Notwendigkeit, eine initiale Justage der Strahlwege zueinander vorzunehmen und diese ggf. über längere Zeit konstant zu halten. Außerdem sind die Abbildungseigenschaften der beiden Strahlwege in der Regel verschieden, so dass infolge von unterschiedlichen Abbildungsfehlern, insbesondere sphärischen Aberrationen, Farbquerfehlern, Koma und Astigmatismus die durch die beiden Strahlwege erfolgenden Abbildungen nicht mehr über den gesamten Bildbereich deckungsgleich sind. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es vorteilhafterweise, diese Abweichungen, insbesondere auch während der Messung oder zwischen Messungen, zu korrigieren. According to a further embodiment, the first localization step and the second localization step are carried out with optical means which differ from each other in at least one optical element. As soon as the beam paths differ, it becomes necessary to carry out an initial adjustment of the beam paths to one another and, if necessary, to keep them constant over a longer period of time. In addition, the imaging properties of the two beam paths are usually different, so that due to different imaging errors, in particular spherical aberrations, transverse chromatic aberrations, coma and astigmatism, the images produced by the two beam paths are no longer congruent over the entire image area. The method according to the invention advantageously allows these deviations to be corrected, in particular during the measurement or between measurements.

Allerdings kann eine systematische Abweichung bei der Lagebestimmung des Emitters in dem ersten Lokalisierungsschritt und in dem zweiten Lokalisierungsschritt auch dann auftreten, wenn in beiden Schritten derselbe optische Strahlweg mit denselben optischen Elementen, aber verschiedenen Intensitätsverteilungen verwendet wird. So kann beispielsweise der tatsächliche Schwerpunkt einer Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts (z. B. einer donutförmigen Lichtverteilung) in dem zweiten Lokalisierungsschritt von dem nominellen Schwerpunkt (bei der donutförmigen Lichtverteilung die zentrale Nullstelle) und damit vom Zentrum der in dem ersten Lokalisierungsschritt verwendeten Lichtverteilung abweichen, wodurch die Lokalisierungen systematisch voneinander abweichen. Eine intensitätsabhängige Abweichung kann auch dann auftreten, wenn die Beleuchtungspositionen Positionen umfassen, an denen der Emitter mit Lichtintensitäten beleuchtet wird, die zu einer Sättigung der Anregung führt, d.h. keine lineare Abhängigkeit der Lichtemission des Emitters von der Intensität des Beleuchtungslichts am Ort des Emitters mehr besteht. Dieser Fall kann beispielsweise dann auftreten, wenn auch der erste Lokalisierungsschritt mit einem MINFLUX-Verfahren, aber mit weiter voneinander entfernten Beleuchtungspunkten und/oder geringerer Intensität des Beleuchtungslichts ausgeführt wird.However, a systematic deviation in the position determination of the emitter in the first localization step and in the second localization step can also occur if the same optical beam path with the same optical elements but different intensity distributions is used in both steps. For example, the actual center of gravity of an intensity distribution of the illumination light (e.g. a donut-shaped light distribution) in the second localization step can deviate from the nominal center of gravity (the central zero point in the case of the donut-shaped light distribution) and thus from the center of the light distribution used in the first localization step, as a result of which the localizations systematically deviate from one another. An intensity-dependent deviation can also occur if the illumination positions include positions at which the emitter is illuminated with light intensities that lead to saturation of the excitation, i.e. there is no longer a linear dependence of the light emission of the emitter on the intensity of the illumination light at the location of the emitter. This case can occur, for example, if the first localization step is also carried out with a MINFLUX method, but with illumination points further apart and/or lower intensity of the illumination light.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Anpassung der Wellenfront und/oder der Strahlverläufe (d.h., des Strahlverlaufs des Beleuchtungslichtstrahls und des Strahlverlaufs des Detektionslichtstrahls relativ zueinander und/oder des Strahlverlaufs des Beleuchtungslichtstrahls und des Strahlverlaufs des weiteren Beleuchtungslichtstrahls relativ zueinander) so, dass die systematische Abweichung zwischen der in dem ersten Lokalisierungsschritt geschätzten Lage des Emitters gegenüber der in dem zweiten Lokalisierungsschritt geschätzten Lage desselben Emitters reduziert, insbesondere minimiert, wird. According to a further embodiment, the adaptation of the wavefront and/or the beam paths (i.e., the beam path of the illumination light beam and the beam path of the detection light beam relative to one another and/or the beam path of the illumination light beam and the beam path of the further illumination light beam relative to one another) is carried out such that the systematic deviation between the position of the emitter estimated in the first localization step compared to the position of the same emitter estimated in the second localization step is reduced, in particular minimized.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Position einer in einem Strahlengang des Detektionslichtstrahls angeordneten Lochblende so angepasst, dass die systematische Abweichung zwischen der in dem ersten Lokalisierungsschritt geschätzten Lage des Emitters gegenüber der in dem zweiten Lokalisierungsschritt geschätzten Lage desselben Emitters reduziert wird. According to a further embodiment, a position of a pinhole arranged in a beam path of the detection light beam is adjusted such that the systematic deviation between the position of the emitter estimated in the first localization step compared to the position of the same emitter estimated in the second localization step.

Eine solche Lochblende ist aus Konfokalmikroskopen bekannt, wird jedoch auch bei MINFLUX- Mikroskopen angewendet, insbesondere um Hintergrundfluoreszenz aus über und unter der Fokusebene liegenden Ebenen zu reduzieren. Such a pinhole is known from confocal microscopes, but is also used in MINFLUX microscopes, especially to reduce background fluorescence from planes above and below the focal plane.

Der initiale Vorlokalisierungsschritt wird bei der MINFLUX-Mikroskopie teilweise mittels Pinhole- Orbit-Scanning durchgeführt. Dabei wird bei relativ zur Probe stationärer Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts (insbesondere einer Intensitätsverteilung mit lokalem Minimum wie einem 2D- oder 3D-Donut) die Projektion der Lochblende in die Probe auf einer Kreisbahn bewegt, die Lichtemissionen aus der Probe werden detektiert und es wird auf Basis der erfassten Lichtemissionen eine grobe Positionsschätzung für den Emitter durchgeführt, auf dessen Basis dann die nachfolgenden MINFLUX-Lokalisierungsschritte durchgeführt werden. Die Rotation der Projektion der Lochblende kann z.B. durch zwei unabhängige Strahlscanner ermöglicht werden, von denen einer sich sowohl auf die Position des Beleuchtungslichts in der Probe als auch auf die Position des Detektionslichts auswirkt (z.B. ein Galvanometerscanner in einer de-scanned- Konfiguration), wobei der andere Strahlscanner sich nur auf die Position des Beleuchtungslichtstrahls auswirkt (z.B. elektrooptische Deflektoren, die im Beleuchtungsstrahlengang aber nicht im Detektionsstrahlengang angeordnet sind). The initial pre-localization step in MINFLUX microscopy is partly carried out using pinhole orbit scanning. When the intensity distribution of the illumination light is stationary relative to the sample (in particular an intensity distribution with a local minimum such as a 2D or 3D donut), the projection of the pinhole into the sample is moved on a circular path, the light emissions from the sample are detected and a rough position estimate for the emitter is made based on the detected light emissions, on the basis of which the subsequent MINFLUX localization steps are then carried out. The rotation of the pinhole projection can be enabled, for example, by two independent beam scanners, one of which affects both the position of the illumination light in the sample and the position of the detection light (e.g. a galvanometer scanner in a de-scanned configuration), while the other beam scanner only affects the position of the illumination light beam (e.g. electro-optical deflectors arranged in the illumination beam path but not in the detection beam path).

Ist der Detektionslichtstrahl nicht auf die Lochblende zentriert, ergibt sich ein systematischer Fehler der groben Positionsschätzung bei der Vorlokalisierung durch Pinhole-Orbit-Scanning. Bei der MINFLUX-Lokalisierung wird zwar die Position des Emitters trotz der Dejustage im Detektionsstrahlengang mit sehr hoher Präzision bestimmt, allerdings werden dabei zu viele Photonen des Emitters benötigt, da die initiale Positionierung des Beleuchtungsmusters von Beleuchtungspositionen der Intensitätsverteilung aufgrund der mangelnden Zentrierung auf die Lochblende fehlerhaft ist. Daher verbessert die oben beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Position der Lochblende relativ zu dem Detektionslichtstrahl korrigiert wird, die Photoneneffizienz bei der MINFLUX-Lokalisierung. If the detection light beam is not centered on the pinhole, a systematic error in the rough position estimate results during pre-localization by pinhole orbit scanning. In MINFLUX localization, the position of the emitter is determined with very high precision despite the misalignment in the detection beam path, but too many photons from the emitter are required because the initial positioning of the illumination pattern of illumination positions of the intensity distribution is incorrect due to the lack of centering on the pinhole. Therefore, the embodiment of the method according to the invention described above, in which the position of the pinhole is corrected relative to the detection light beam, improves the photon efficiency in MINFLUX localization.

Für den Fall, dass die Position der in einem Strahlengang des Detektionslichtstrahls angeordneten Lochblende angepasst, wird, kann der erste Lokalisierungsschritt insbesondere ein Vorlokalisierungsschritt sein, der mit einem Pinhole-Orbit-Scan-Verfahren durchgeführt wird. D.h. die Projektion der Lochblende in die Probe wird, insbesondere mit voneinander unabhängigen Strahlscannern, auf einer Kreisbahn bewegt, wobei die Position des Beleuchtungslichtstrahls, insbesondere der Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts mit dem lokalen Minimum, relativ zu der Probe konstant bleibt, wobei Lichtemissionen aus der Probe erfasst werden, und wobei auf Basis der Lichtemissionen eine Position eines einzelnen Emitters in der Probe geschätzt wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen der Beleuchtungslichtstrahl und der weitere Beleuchtungslichtstrahl unterschiedliche Wellenlängen auf, wobei der Strahlverlauf des Beleuchtungslichtstrahls und der Strahlverlauf des weiteren Beleuchtungslichtstrahls relativ zueinander auf Basis der erfassten Lichtemissionen des einzelnen Emitters so angepasst werden, dass eine örtliche Abweichung zwischen dem Beleuchtungslichtstrahl und dem weiteren Beleuchtungslichtstrahl korrigiert wird. Mit dem Beleuchtungslichtstrahl und dem weiteren Beleuchtungslichtstrahl können z.B. unterschiedliche Emitter (z.B. unterschiedliche Fluorophore oder mit Fluorophoren markierte Moleküle) in der Probe angeregt werden, um eine Mehrfarben- MINFLUX-Lokalisierung durchzuführen. Dabei können z.B. die verschiedenen Beleuchtungslichtstrahlen so parallel gegeneinander verschoben werden, dass die entsprechenden von den verschiedenen Beleuchtungslichtstrahlen (insbesondere nacheinander) in der Probe gebildeten Intensitätsverteilungen deckungsgleich sind. Bei dieser Ausführungsform kann z.B. eine systematische Abweichung zwischen einer mit dem Beleuchtungslichtstrahl bestimmten ersten Lage des Emitters und einer mit dem weiteren Beleuchtungslichtstrahl bestimmten zweiten Lage des Emitters ermittelt und insbesondere durch die Anpassung des relativen Strahlverlaufs minimiert werden. Beleuchtungsstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge können insbesondere auch bei demselben Emitter zur Aussendung von Lichtemissionen führen, z.B. im Fall der Fluoreszenzanregung, wenn das Anregungsspektrum des Emitters beide Wellenlängen umfasst. In the event that the position of the pinhole arranged in a beam path of the detection light beam is adjusted, the first localization step can in particular be a pre-localization step that is carried out using a pinhole orbit scan method. This means that the projection of the pinhole into the sample is moved on a circular path, in particular using beam scanners that are independent of one another, wherein the position of the illumination light beam, in particular of the intensity distribution of the illumination light with the local minimum, remains constant relative to the sample, wherein light emissions from the sample are detected, and wherein a position of an individual emitter in the sample is estimated on the basis of the light emissions. According to a further embodiment, the illumination light beam and the further illumination light beam have different wavelengths, wherein the beam path of the illumination light beam and the beam path of the further illumination light beam are adjusted relative to one another on the basis of the detected light emissions of the individual emitter in such a way that a local deviation between the illumination light beam and the further illumination light beam is corrected. With the illumination light beam and the further illumination light beam, for example, different emitters (e.g. different fluorophores or molecules marked with fluorophores) in the sample can be excited in order to carry out multi-color MINFLUX localization. In this case, for example, the different illumination light beams can be shifted parallel to one another in such a way that the corresponding intensity distributions formed by the different illumination light beams (in particular one after the other) in the sample are congruent. In this embodiment, for example, a systematic deviation between a first position of the emitter determined with the illumination light beam and a second position of the emitter determined with the further illumination light beam can be determined and minimized in particular by adjusting the relative beam path. Illumination beams of different wavelengths can lead to the emission of light emissions, in particular even with the same emitter, eg in the case of fluorescence excitation, when the excitation spectrum of the emitter includes both wavelengths.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Lichtmikroskop zur Lokalisierung oder zum Verfolgen einzelner Emitter in einer Probe, insbesondere nach einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt, wobei das Lichtmikroskop zumindest die folgenden Komponenten umfasst: eine Lichtquelle, die dazu ausgebildet ist, die Probe mit Beleuchtungslicht zu beleuchten, wobei das Beleuchtungslicht Lichtemissionen eines einzelnen Emitters in der Probe induziert oder moduliert, einen Wellenfrontmodulator, der dazu ausgebildet ist, in der Probe eine Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts mit einem lokalen Intensitätsminimum zu bilden, mindestens einen Detektor, der dazu ausgebildet ist, Lichtemissionen des einzelnen Emitters zu erfassen, eine Recheneinheit, die dazu ausgebildet ist, Positionsdaten des einzelnen Emitters auf Basis der erfassten Lichtemissionen zu bestimmen, wobei das Lichtmikroskop eine Steuereinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, auf Basis der erfassten Lichtemissionen des einzelnen Emitters eine Wellenfront des Beleuchtungslichts anzupassen und/oder einen Strahlverlauf eines Beleuchtungslichtstrahls des Beleuchtungslichts und einen Strahlverlauf eines Detektionslichtstrahls der Lichtemissionen des einzelnen Emitters relativ zueinander anzupassen und/oder einen Strahlverlauf des Beleuchtungslichtstrahls und einen Strahlverlauf eines weiteren Beleuchtungslichtstrahls relativ zueinander anzupassen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, den Wellenfrontmodulator oder einen weiteren Wellenfrontmodulator auf Basis der erfassten Lichtemissionen des einzelnen Emitters so zu steuern, dass die Wellenfront des Beleuchtungslichts angepasst wird. A second aspect of the invention relates to a light microscope for localizing or tracking individual emitters in a sample, in particular according to a method according to the first aspect, wherein the light microscope comprises at least the following components: a light source designed to illuminate the sample with illumination light, wherein the illumination light induces or modulates light emissions of an individual emitter in the sample, a wavefront modulator designed to form an intensity distribution of the illumination light with a local intensity minimum in the sample, at least one detector designed to detect light emissions of the individual emitter, a computing unit designed to determine position data of the individual emitter on the basis of the detected light emissions, wherein the light microscope has a control unit designed to adapt a wavefront of the illumination light on the basis of the detected light emissions of the individual emitter and/or to determine a beam path of an illumination light beam of the illumination light and a beam path of a detection light beam of the light emissions of the individual emitters relative to each other and/or to adjust a beam path of the illumination light beam and a beam path of another illumination light beam relative to each other. According to a further embodiment, the control unit is designed to control the wavefront modulator or another wavefront modulator on the basis of the detected light emissions of the individual emitter such that the wavefront of the illumination light is adjusted.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Wellenfrontmodulator ein Phasenmodulator, insbesondere ein mit der Steuereinheit verbundener steuerbarer räumlicher Lichtmodulator (spatial light modulator, SLM). Durch Phasenmodulation des Beleuchtungslichts können in der Probe Intensitätsverteilungen mit lokalem Minimum (z.B. 2D- oder 3D-Donuts) erzeugt werden. Durch die Steuereinheit kann dann insbesondere die Phasenverteilung verändert werden, so dass die Intensitätsverteilung in der Probe verändert wird, insbesondere so, dass die tatsächliche Intensitätsverteilung einer gewünschten Intensitätsverteilung entspricht. According to a further embodiment, the wavefront modulator is a phase modulator, in particular a controllable spatial light modulator (SLM) connected to the control unit. By phase modulating the illumination light, intensity distributions with a local minimum (e.g. 2D or 3D donuts) can be generated in the sample. The control unit can then change the phase distribution in particular, so that the intensity distribution in the sample is changed, in particular so that the actual intensity distribution corresponds to a desired intensity distribution.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der weitere Wellenfrontmodulator ein verformbarer Spiegel, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, den verformbaren Spiegel auf Basis der erfassten Lichtemissionen des einzelnen Emitters so zu steuern, dass die Wellenfront des Beleuchtungslichts angepasst wird, wobei insbesondere durch das Anpassen der Wellenfront eine Aberrationskorrektur durchgeführt wird. According to a further embodiment, the further wavefront modulator is a deformable mirror, wherein the control unit is designed to control the deformable mirror on the basis of the detected light emissions of the individual emitter such that the wavefront of the illumination light is adapted, wherein in particular an aberration correction is carried out by adapting the wavefront.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Lichtmikroskop einen Aktuator auf, der dazu ausgebildet ist, eine in einem Strahlengang des Beleuchtungslichtstrahls, des weiteren Beleuchtungslichtstrahl und/oder des Detektionslichtstrahls angeordnete optische Komponente zu verlagern, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, den Aktuator auf Basis der erfassten Lichtemissionen des einzelnen Emitters so zu steuern, dass der Strahlverlauf des Beleuchtungslichtstrahls und der Strahlverlauf des Detektionslichtstrahls relativ zueinander angepasst werden und/oder der Strahlverlauf des Beleuchtungslichtstrahls und der Strahlverlauf des weiteren Beleuchtungslichtstrahls relativ zueinander angepasst werden. According to a further embodiment, the light microscope has an actuator which is designed to displace an optical component arranged in a beam path of the illumination light beam, the further illumination light beam and/or the detection light beam, wherein the control unit is designed to control the actuator on the basis of the detected light emissions of the individual emitter such that the beam path of the illumination light beam and the beam path of the detection light beam are adapted relative to one another and/or the beam path of the illumination light beam and the beam path of the further illumination light beam are adapted relative to one another.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Lichtmikroskop eine in einem Strahlengang des Detektionslichtstrahls angeordnete Lochblende auf, wobei der Aktuator dazu ausgebildet ist, die Strahllage des Detektionslichtstrahls relativ zu der Lochblende einzustellen. Dazu kann der Aktuator z.B. direkt mit der Lochblende gekoppelt sein und dessen Position im Strahlengang verstellen, d.h. die Lochblende kann die optische Komponente sein. Alternativ dazu kann die optische Komponente z.B. ein Strahlumlenkelement, z.B. ein Spiegel, sein, mit dem der Aktuator gekoppelt ist, wobei das Strahlumlenkelement die Strahllage des Detektionslichtstrahls relativ zu der Lochblende einstellt. Selbstverständlich können auch mehrere Aktuatoren vorgesehen sein, die z.B. jeweils mit einer optischen Komponente gekoppelt sind, um die Strahllage des Detektionslichtstrahls in mehreren Raumrichtungen einzustellen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Detektor eine Mehrzahl von, insbesondere einzeln auslesbaren, Detektorelementen auf. Dabei kann es sich z.B. um eine CCD- oder CMOS- Kamera handeln. Insbesondere sind die Detektorelemente dazu ausgebildet, einzelne Photonen zu registrieren. Dabei kann der Detektor z.B. ein sogenanntes APD-Array, also eine zweidimensionale Anordnung von Ava/anc/ie-Photodioden sein. According to a further embodiment, the light microscope has a pinhole arranged in a beam path of the detection light beam, wherein the actuator is designed to adjust the beam position of the detection light beam relative to the pinhole. For this purpose, the actuator can be coupled directly to the pinhole and adjust its position in the beam path, i.e. the pinhole can be the optical component. Alternatively, the optical component can be a beam deflection element, e.g. a mirror, to which the actuator is coupled, wherein the beam deflection element adjusts the beam position of the detection light beam relative to the pinhole. Of course, several actuators can also be provided, each of which is coupled to an optical component, for example, in order to adjust the beam position of the detection light beam in several spatial directions. According to a further embodiment, the detector has a plurality of detector elements, in particular those that can be read out individually. This can be, for example, a CCD or CMOS camera. In particular, the detector elements are designed to register individual photons. The detector can be, for example, a so-called APD array, i.e. a two-dimensional arrangement of AVC photodiodes.

Die Lichtquelle weist insbesondere einen oder mehrere Laser auf. The light source in particular comprises one or more lasers.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Lichtmikroskop eineAccording to a further embodiment, the light microscope has a

Strahlpositionierungsvorrichtung, z.B. einen galvanometrischen Scanner, einen akustoopischen Deflektor oder einen elektrooptischen Deflektor, auf, die dazu ausgebildet ist, dieBeam positioning device, e.g. a galvanometric scanner, an acousto-optical deflector or an electro-optical deflector, which is designed to

Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in der Probe zu positionieren. intensity distribution of the illumination light in the sample.

Die Strahlpositionierungsvorrichtung ist insbesondere dazu ausgebildet, die Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts an Beleuchtungspositionen in der Probe innerhalb eines interessierenden Sichtbereichs zu positionieren. Bevorzugt ist die Strahlpositionierungsvorrichtung so ausgelegt, dass die Intensitätsverteilung zumindest zwischen Beleuchtungspositionen, die einen Abstand von weniger als 500 nm, insbesondere von weniger als 250 nm und weiter insbesondere von weniger als 100 nm zueinander haben, innerhalb von 10 ps, insbesondere innerhalb von 5 ps und weiter insbesondere innerhalb von 1 ps repositioniert werden kann. Dazu kann die Strahlpositionierungsvorrichtung insbesondere einen elektrooptischen Deflektor (EOD) oder einen akustooptischen Deflektor (AOD) aufweisen. Optional kann Strahlpositionierungsvorrichtung als Kombination einer schnellen Positionierungsvorrichtung (z.B. umfassend EODs oder AODs) mit einer langsameren, aber einen größeren Positionierbereich abdeckenden Positionierungsvorrichtung (z.B. einem Galvoscanner) ausgeführt werden. The beam positioning device is designed in particular to position the intensity distribution of the illumination light at illumination positions in the sample within a field of view of interest. The beam positioning device is preferably designed such that the intensity distribution can be repositioned within 10 ps, in particular within 5 ps and further in particular within 1 ps, at least between illumination positions that are less than 500 nm apart, in particular less than 250 nm and further in particular less than 100 nm apart. For this purpose, the beam positioning device can in particular have an electro-optical deflector (EOD) or an acousto-optical deflector (AOD). Optionally, the beam positioning device can be designed as a combination of a fast positioning device (e.g. comprising EODs or AODs) with a slower positioning device (e.g. a galvo scanner) that covers a larger positioning range.

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm umfassend Befehle, die das Lichtmikroskop nach dem zweiten Aspekt dazu veranlassen, das Verfahren nach dem ersten Aspekt auszuführen. A third aspect of the invention relates to a computer program comprising instructions which cause the light microscope according to the second aspect to carry out the method according to the first aspect.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen und den zugehörigen Erläuterungen zu den Zeichnungen. Die beschriebenen Vorteile von Merkmalen und / oder Merkmalskombinationen der Erfindung sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen. Advantageous developments of the invention emerge from the patent claims, the description and the drawings and the associated explanations of the drawings. The described advantages of features and/or combinations of features of the invention are merely examples and can be used alternatively or cumulatively.

Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts (aber nicht des Schutzbereichs) der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten relativen Anordnungen und Wirkverbindungen - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt. The following applies to the disclosure content (but not the scope of protection) of the original application documents and the patent: Further features can be found in the drawings - in particular the relative arrangements and operative connections shown. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different patent claims is also different from the selected References to the patent claims are possible and are hereby suggested. This also applies to features that are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different patent claims. Likewise, features listed in the patent claims can be omitted for further embodiments of the invention, but this does not apply to the independent patent claims of the granted patent.

Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen. The reference signs contained in the patent claims do not represent a limitation of the scope of the subject matter protected by the patent claims. They serve only the purpose of making the patent claims easier to understand.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Figur beschrieben. Diese beschränkt nicht den Gegenstand dieser Offenbarung und den Schutzumfang. In the following, embodiments of the invention are described with reference to a figure. This does not limit the subject matter of this disclosure and the scope of protection.

Kurzbeschreibung der Figuren Short description of the characters

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtmikroskops; Fig. 1 shows an embodiment of a light microscope according to the invention;

Fig. 2 zeigt MINFLUX-Lokalisationsdaten eines Emitters; Fig. 2 shows MINFLUX localization data of an emitter;

Fig. 3 zeigt MINFLUX-Lokalisationsdaten eines Emitters mit negativer Astigmatismus- Aberration; Fig. 3 shows MINFLUX localization data of an emitter with negative astigmatism aberration;

Fig. 4 zeigt MINFLUX-Lokalisationsdaten eines Emitters mit positiver Astigmatismus-Aberration;Fig. 4 shows MINFLUX localization data of an emitter with positive astigmatism aberration;

Fig. 5 zeigt Präzisionskarten verschiedener Iterationsschritte einer MINFLUX-Lokalisierung eines Emitters; Fig. 5 shows precision maps of different iteration steps of a MINFLUX localization of an emitter;

Fig. 6 zeigt Präzisionskarten verschiedener Iterationsschritte einer MINFLUX-Lokalisierung eines Emitters mit Astigmatismus-Aberration; Fig. 6 shows precision maps of different iteration steps of a MINFLUX localization of an emitter with astigmatism aberration;

Fig. 7 zeigt eine 2D-Donut-förmige Intensitätsverteilung von Beleuchtungslicht; Fig. 7 shows a 2D donut-shaped intensity distribution of illumination light;

Fig. 8 zeigt eine 2D-Donut-förmige Intensitätsverteilung von Beleuchtungslicht mit Astigmatismus-Aberration; Fig. 8 shows a 2D donut-shaped intensity distribution of illumination light with astigmatism aberration;

Fig. 9 zeigt eine systematische Abweichung zwischen verschiedenen Iterationsschritten einer MINFLUX-Lokalisierung mit einer 2D-Donut-förmigen Intensitätsverteilung von Beleuchtungslicht, die durch Phasenmodulation mit einem optimal justierten Phasenmuster erzeugt wurde; Fig. 9 shows a systematic deviation between different iteration steps of a MINFLUX localization with a 2D donut-shaped intensity distribution of illumination light generated by phase modulation with an optimally adjusted phase pattern;

Fig. 10 zeigt eine systematische Abweichung zwischen verschiedenen Iterationsschritten einerFig. 10 shows a systematic deviation between different iteration steps of a

MINFLUX-Lokalisierung mit einer 2D-Donut-förmigen Intensitätsverteilung von Beleuchtungslicht, die durch Phasenmodulation mit einem verschobenen Phasenmuster erzeugt wurde; MINFLUX localization with a 2D donut-shaped intensity distribution of Illumination light generated by phase modulation with a shifted phase pattern;

Fig. 11 zeigt eine Präzisionskarte einer Vorlokalisierung mittels pinhole orbit scanning mit einer optimal justierten Lochblende; Fig. 11 shows a precision map of a pre-localization using pinhole orbit scanning with an optimally adjusted pinhole;

Fig. 12 zeigt eine Präzisionskarte einer Vorlokalisierung mittels pinhole orbit scanning mit einer verschobenen Lochblende; Fig. 12 shows a precision map of a pre-localization using pinhole orbit scanning with a shifted pinhole;

Fig. 13 zeigt eine systematische Abweichung verschiedener Iterationsschritte einer SDMI NFLUX-Lokalisierung mit einer botf/e-beam-förmigen Intensitätsverteilung von Beleuchtungslicht; Fig. 13 shows a systematic deviation of different iteration steps of an SDMI NFLUX localization with a botf/e-beam-shaped intensity distribution of illumination light;

Fig. 14 zeigt eine systematische Abweichung verschiedener Iterationsschritte einer 3D- MINFLUX-Lokalisierung mit einer botf/e-beam-förmigen Intensitätsverteilung von Beleuchtungslicht mit Coma-Aberration; Fig. 14 shows a systematic deviation of different iteration steps of a 3D MINFLUX localization with a botf/e-beam-shaped intensity distribution of illumination light with coma aberration;

Fig. 15 zeigt eine systematische Abweichung verschiedener Iterationsschritte einer weiteren 3D- MINFLUX-Lokalisierung mit einer botf/e-beam-förmigen Intensitätsverteilung von Beleuchtungslicht; Fig. 15 shows a systematic deviation of different iteration steps of another 3D MINFLUX localization with a botf/e-beam-shaped intensity distribution of illumination light;

Fig. 16 zeigt eine systematische Abweichung verschiedener Iterationsschritte einer 3D- MINFLUX-Lokalisierung mit einer botf/e-beam-förmigen Intensitätsverteilung von Beleuchtungslicht mit einem abweichenden Phasensprung; Fig. 16 shows a systematic deviation of different iteration steps of a 3D MINFLUX localization with a botf/e-beam-shaped intensity distribution of illumination light with a deviating phase jump;

Fig. 17zeigt Präzisionskarten einer finalen Iteration einer 3D-MINFLUX-Lokalisierung mit einer botf/e-beam-förmigen Intensitätsverteilung von Beleuchtungslicht, die durch Phasenmodulation mit Phasenmustern mit verschiedenen Verschiebungen relativ zu einem optimal justierten Phasenmuster erzeugt wurde, in xy-, xz- und yz-Schnitten;Fig. 17 shows precision maps of a final iteration of a 3D-MINFLUX localization with a botf/e-beam-shaped intensity distribution of illumination light generated by phase modulation with phase patterns with different shifts relative to an optimally adjusted phase pattern, in xy-, xz- and yz-sections;

Fig. 18 zeigt eine boft/e-beam- förmige Intensitätsverteilung von Beleuchtungslicht; Fig. 18 shows a beam/e-beam-shaped intensity distribution of illumination light;

Fig. 19zeigt eine botf/e-beam-förmige Intensitätsverteilung von Beleuchtungslicht mit einer Verschiebung des Phasenmusters um 5 Pixel; Fig. 19 shows a botf/e-beam-shaped intensity distribution of illumination light with a shift of the phase pattern by 5 pixels;

Fig. 20zeigt eine botf/e-beam-förmige Intensitätsverteilung von Beleuchtungslicht mit einer Verschiebung des Phasenmusters um 10 Pixel. Beschreibung der Figuren Fig. 20 shows a botf/e-beam-shaped intensity distribution of illumination light with a shift of the phase pattern by 10 pixels. Description of the characters

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtmikroskops 1 zur Lokalisierung einzelner Emitter E in einer Probe 2. Das Lichtmikroskop 1 weist eine Lichtquelle 3, z.B. einen Laser, zur Erzeugung eines Beleuchtungslichtstrahls B von Beleuchtungslicht, insbesondere Anregungslicht, auf. Der Beleuchtungslichtstrahl B durchläuft eine Strahlpositionierungsvorrichtung 6, z.B. in Form eines oder mehrerer elektrooptischer Deflektoren, und wird an einem Spiegel 11 auf einen Wellenfrontmodulator 4 reflektiert, der das Beleuchtungslicht in seiner Phase moduliert, um am Fokus in der Probe 2 eine Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts mit einem lokalen Intensitätsminimum, z.B. einen 2D-Donut oder einen 3D-Donut (bottle beam), zu erzeugen. Fig. 1 shows an embodiment of a light microscope 1 according to the invention for localizing individual emitters E in a sample 2. The light microscope 1 has a light source 3, e.g. a laser, for generating an illumination light beam B of illumination light, in particular excitation light. The illumination light beam B passes through a beam positioning device 6, e.g. in the form of one or more electro-optical deflectors, and is reflected by a mirror 11 onto a wavefront modulator 4, which modulates the phase of the illumination light in order to generate an intensity distribution of the illumination light with a local intensity minimum, e.g. a 2D donut or a 3D donut (bottle beam), at the focus in the sample 2.

Der phasenmodulierte Lichtstrahl wird dann an einem dichroitischen Strahlteiler 13 reflektiert und gelangt über eine weitere Strahlpositionierungsvorrichtung 7, insbesondere einen galvanometrischen Scanner, und eine Tubuslinse 12 zu einem Objektiv 9, welches das Beleuchtungslicht in die Probe 2 fokussiert. The phase-modulated light beam is then reflected at a dichroic beam splitter 13 and passes via a further beam positioning device 7, in particular a galvanometric scanner, and a tube lens 12 to an objective 9, which focuses the illumination light into the sample 2.

Das von Emittern E in der Probe 2 emittierte Licht (insbesondere Fluoreszenzlicht) wird von dem dichroitischen Strahlteiler 13 transmittiert und gelangt über einen Emissionsfilter 14, eine Linse 15 und eine konfokale Lochblende 16 zu einem Detektor 5, die Lichtemissionen der Emitter E detektiert. The light emitted by emitters E in the sample 2 (in particular fluorescent light) is transmitted by the dichroic beam splitter 13 and passes via an emission filter 14, a lens 15 and a confocal pinhole 16 to a detector 5, which detects light emissions from the emitters E.

Das Lichtmikroskop 1 weist weiterhin einen Prozessor 10 mit einem Speicher 10a auf, der als kombinierte Recheneinheit 17 und Steuereinheit 18 ausgebildet ist. Selbstverständlich können die Recheneinheit 17 und die Steuereinheit 18 alternativ auch als separate Prozessoren ausgeführt sein. The light microscope 1 further comprises a processor 10 with a memory 10a, which is designed as a combined computing unit 17 and control unit 18. Of course, the computing unit 17 and the control unit 18 can alternatively also be designed as separate processors.

Der Prozessor 10 ist dazu ausgebildet, Daten von dem Detektor 5 zu empfangen, welche die von dem Detektor 5 erfassten Lichtemissionen repräsentieren. In seiner Funktion als Recheneinheit 17 bestimmt der Prozessor 10 aus den Daten die Lage eines einzelnen Emitters in der Probe 2, z.B. unter Verwendung eines Maximum-Likelihood-Sc ätzers. Insbesondere um ein iteratives MINFLUX-Verfahren umzusetzen, bei denen die Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts an Beleuchtungspositionen um eine zuvor geschätzte Position eines einzelnen Emitters angeordnet wird, ist der Prozessor 10 in seiner Funktion als Steuereinheit 18 weiterhin mit den Strahlpositionierungsvorrichtungen 6,7 verbunden, um diese zu steuern. The processor 10 is designed to receive data from the detector 5, which represent the light emissions detected by the detector 5. In its function as a computing unit 17, the processor 10 determines the position of an individual emitter in the sample 2 from the data, e.g. using a maximum likelihood etcher. In particular, in order to implement an iterative MINFLUX method in which the intensity distribution of the illumination light is arranged at illumination positions around a previously estimated position of an individual emitter, the processor 10 in its function as a control unit 18 is also connected to the beam positioning devices 6, 7 in order to control them.

In seiner Funktion als Steuereinheit 18 verwendet der Prozessor 10 die Daten, welche die Lichtemissionen repräsentieren, zur Bestimmung einer systematischen Abweichung bei der Lokalisierung und steuert insbesondere den Wellenfrontmodulator 4 so, dass eine Wellenfront des Beleuchtungslichts angepasst wird, um die Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts so zu verändern, dass sie sich einer gewünschten Intensitätsverteilung annähert oder steuert den Aktuator 8 so, dass der Detektionslichtstrahl D auf die Lochblende 16 zentriert wird. Letzteres wird insbesondere so durchgeführt, dass eine systematische Abweichung zwischen einem ersten Lokalisierungsschritt und einem zweiten Lokalisierungsschritt (mit im Vergleich zum ersten Lokalisierungsschritt erhöhter Genauigkeit) reduziert wird. In its function as a control unit 18, the processor 10 uses the data representing the light emissions to determine a systematic deviation in the localization and in particular controls the wavefront modulator 4 so that a wavefront of the illumination light is adjusted in order to adjust the intensity distribution of the illumination light so to change it so that it approaches a desired intensity distribution or controls the actuator 8 so that the detection light beam D is centered on the pinhole 16. The latter is carried out in particular in such a way that a systematic deviation between a first localization step and a second localization step (with increased accuracy compared to the first localization step) is reduced.

Zur Erzeugung der in Fig. 2 gezeigten Lokalisierungsdaten wurde die Position eines fluoreszenten Nanopartikels (Emitter) mehrfach bestimmt, indem eine 2D-Donut-förmige Intensitätsverteilung von Anregungslicht mit elektrooptischen Deflektoren an sechs symmetrisch auf einem Kreis 19 mit dem Durchmesser L=300 nm verteilte Beleuchtungspositionen 20 verlagert wurde und die Lichtemissionen für jede Beleuchtungsposition 20 erfasst wurden. Aus den Lichtemissionen und den zugeordneten Beleuchtungspositionen 20 wurde mit einem Positionsschätzer auf Basis einer Vektorsumme die Position des Nanopartikels geschätzt. Die mehrfache Positionsbestimmung wurde an den neun Positionen eines 3x3-Gitters wiederholt, wobei der Anregungslichtstrahl mit einem den Anregungslichtstrahl scannenden und das Detektionslicht entscannenden galvanometrischen Scanner jeweils an eine Position des 3x3- Gitters relativ zu der Position des fluoreszenten Nanopartikels verschoben wurde. An der zentralen Position des 3x3-Gitters wurden die Lichtemissionen des Nanopartikels also konfokal detektiert, an den anderen Positionen war das Zentrum der Projektion der Detektionslochblende in die Probe relativ zur tatsächlichen Position des Emitters leicht verschoben. To generate the localization data shown in Fig. 2, the position of a fluorescent nanoparticle (emitter) was determined several times by shifting a 2D donut-shaped intensity distribution of excitation light with electro-optical deflectors to six illumination positions 20 distributed symmetrically on a circle 19 with a diameter of L=300 nm and recording the light emissions for each illumination position 20. From the light emissions and the associated illumination positions 20, the position of the nanoparticle was estimated using a position estimator based on a vector sum. The multiple position determination was repeated at the nine positions of a 3x3 grid, with the excitation light beam being shifted to a position on the 3x3 grid relative to the position of the fluorescent nanoparticle using a galvanometric scanner that scans the excitation light beam and descans the detection light. At the central position of the 3x3 grid, the light emissions of the nanoparticle were detected confocally; at the other positions, the center of the projection of the detection pinhole into the sample was slightly shifted relative to the actual position of the emitter.

Bei der Messung gemäß Fig. 2 mit einem 2D-Donut ohne nennenswerte Aberrationen wurde die Verteilung um die Punkte des 3x3-Gitters in den Messdaten erwartungsgemäß reproduziert.When measuring according to Fig. 2 with a 2D donut without significant aberrations, the distribution around the points of the 3x3 grid was reproduced in the measurement data as expected.

Für die Aufnahme der in Fig. 3 und Fig. 4 gezeigten Lokalisationsdaten wurde der Intensitätsverteilung des Anregungslichts in der Probe durch entsprechende Ansteuerung eines Wellenfrontmodulators eine Astigmatismus-Aberration aufgeprägt, und zwar für die Daten in Fig. 3 ein negativer Astigmatismus mit einem Koeffizienten des entsprechenden Zernike- Polynoms von -0,07 und für die Daten in Fig. 4 ein positiver Astigmatismus mit einem Koeffizienten des entsprechenden Zernike-Polynoms von +0,07. To record the localization data shown in Fig. 3 and Fig. 4, an astigmatism aberration was imposed on the intensity distribution of the excitation light in the sample by appropriately controlling a wavefront modulator, namely a negative astigmatism with a coefficient of the corresponding Zernike polynomial of -0.07 for the data in Fig. 3 and a positive astigmatism with a coefficient of the corresponding Zernike polynomial of +0.07 for the data in Fig. 4.

Fig. 7 zeigt einen aberrationsfreien 2D-Donut, während Fig. 8 ein Beispiel eines 2D-Donuts mit Astigmatismus-Aberration zeigt (Zernike-Polynom Z 2, Koeffizient -0,07). Fig. 7 und Fig. 8 sind Schnittdarstellungen in der Fokusebene (xy-Ebene). Es ist ersichtlich, dass die Lichtintensität um das zentrale Minimum mit Astigmatismus-Aberration nicht mehr symmetrisch verteilt ist, sondern sich diagonal zur x- und y-Achse Maxima der Intensität ausbilden. Fig. 7 shows an aberration-free 2D donut, while Fig. 8 shows an example of a 2D donut with astigmatism aberration (Zernike polynomial Z 2 , coefficient -0.07). Fig. 7 and Fig. 8 are cross-sectional views in the focal plane (xy plane). It can be seen that the light intensity around the central minimum with astigmatism aberration is no longer symmetrically distributed, but rather maxima of the intensity form diagonally to the x and y axes.

Die Daten in Fig. 3 und Fig. 4 zeigen, dass das kartesische 3x3-Gitter, an dessen Positionen das Beobachtungsfeld für die Lokalisationsmessungen zentriert wurde, in Gegenwart einer Astigmatismus-Aberration nicht mehr korrekt reproduziert wird, sondern verzerrt ist, und zwar abhängig von dem Vorzeichen des Zernike-Koeffizienten in unterschiedlicher Weise. The data in Fig. 3 and Fig. 4 show that the 3x3 Cartesian grid, at whose positions the observation field was centered for the localization measurements, in the presence of a Astigmatism aberration is no longer reproduced correctly, but is distorted in different ways depending on the sign of the Zernike coefficient.

Dies impliziert, dass Lokalisationen von Emittern in Gegenwart von Astigmatismus-Aberrationen der Anregungs-PSF insbesondere dann systematische Abweichungen zeigen, wenn keine perfekt konfokale Erfassung des Emissionslichts erfolgt, sondern das Zentrum der Projektion der Lochblende in die Probe relativ zur tatsächlichen Position des Emitters in der Probe verschoben ist. Solche Abweichungen kommen bei MINFLUX-Verfahren regelmäßig vor, da die wahre Position des Emitters zu Beginn des Verfahrens nur mit großer Unsicherheit bekannt ist. This implies that localizations of emitters in the presence of astigmatism aberrations of the excitation PSF show systematic deviations, especially when there is no perfect confocal capture of the emission light, but the center of the projection of the pinhole into the sample is shifted relative to the actual position of the emitter in the sample. Such deviations occur regularly in MINFLUX methods, since the true position of the emitter is only known with great uncertainty at the beginning of the method.

Erfindungsgemäß können systematische Fehler der Lokalisation bei einer nichtkonfokalen Detektion vermindert werden, indem Aberrationen des Anregungslichts mit einem Wellenfrontmodulator korrigiert werden. According to the invention, systematic errors of localization in non-confocal detection can be reduced by correcting aberrations of the excitation light with a wavefront modulator.

In Fig. 5 und Fig. 6 sind xy-Präzisionskarten eines 2D-MINFLUX-Lokalisierungsexperiments gezeigt, bei an das Kernporenprotein Nup96 gebundene Alexa Fluor 647-Fluoreszenzemitter in U2OS-Zellen lokalisiert wurden. Die Zellen wurden in GLOX-Puffer suspendiert. Von links nach rechts sind für verschiedene Iterationen des MINFLUX-Verfahrens jeweils Verteilungen von Lokalisationen einer Vielzahl von Emittern um die jeweilige tatsächliche Position des Emitters (Ursprung des Koordindatensystems) gezeigt. Die Iteration 0 war eine Vorlokalisation mittels pinhole orbit scanning. Dabei wurde die Projektion der Lochblende in die Probe bei in der Probe stationärer Intensitätsverteilung auf einer Kreisbahn bewegt, indem zwei Scanvorrichtungen angesteuert werden, von denen beide das Anregungslicht scannen, jedoch nur eine das Emissionslicht entscannt, und die Lichtemissionen aus der Probe wurden registriert. Danach folgte ein iteratives MINFLUX-Verfahren mit dem in Fig. 2 gezeigten Muster von sechs symmetrisch auf einem Kreis 19 verteilten Beleuchtungspositionen 20, wobei den Iterationen unterschiedliche Durchmesser L des Kreises 19 zugeordnet waren, und zwar 1 : 290 nm, 2: 150 nm, 3: 75 nm, 4: 40 nm. Im Anschluss an diese Sequenz (sogenannte Fang-Iterationen) wurden bestimmte Iterationsschritte (z.B. die Iterationen 3 und 4) mehrfach wiederholt, um weitere hochgenaue Lokalisationen eines Emitters zu erhalten, insbesondere bis zum Bleichen bzw. Übergang in einen Dunkelzustand des jeweiligen Emitters. Der photonengewichtete Mittelwert der bei der Iteration 4 bestimmten Positionen des jeweiligen Emitters wurde als tatsächliche Position des entsprechenden Emitters angenommen. Auf dieser Basis wurden die Abweichungen der Lokalisationen der Fang-Iterationen (0 bis 4) von der tatsächlichen Position für die verschiedenen Emitter bestimmt und zur Erzeugung der Präzisionskarten verwendet. Fig. 5 and Fig. 6 show xy precision maps of a 2D MINFLUX localization experiment in which Alexa Fluor 647 fluorescence emitters bound to the nuclear pore protein Nup96 were localized in U2OS cells. The cells were suspended in GLOX buffer. From left to right, distributions of localizations of a large number of emitters around the respective actual position of the emitter (origin of the coordinate system) are shown for different iterations of the MINFLUX method. Iteration 0 was a pre-localization using pinhole orbit scanning. The projection of the pinhole into the sample was moved on a circular path with a stationary intensity distribution in the sample by controlling two scanning devices, both of which scan the excitation light, but only one descanned the emission light, and the light emissions from the sample were recorded. This was followed by an iterative MINFLUX method with the pattern shown in Fig. 2 of six illumination positions 20 distributed symmetrically on a circle 19, with the iterations being assigned different diameters L of the circle 19, namely 1: 290 nm, 2: 150 nm, 3: 75 nm, 4: 40 nm. Following this sequence (so-called capture iterations), certain iteration steps (e.g. iterations 3 and 4) were repeated several times in order to obtain further highly precise localizations of an emitter, in particular until the bleaching or transition to a dark state of the respective emitter. The photon-weighted mean of the positions of the respective emitter determined in iteration 4 was assumed to be the actual position of the corresponding emitter. On this basis, the deviations of the localizations of the capture iterations (0 to 4) from the actual position for the different emitters were determined and used to generate the precision maps.

Als Anregungslichtverteilung wurde ein regulärer 2D-Donut (Fig. 5) bzw. ein 2D-Donut mit zusätzlicher Astigmatismus-Aberration (Fig. 6, Zernike-Koeffizient +0,2) verwendet. Aus den Daten ist ersichtlich, dass sich in Gegenwart der Astigmatismus-Aberration eine systematische Abweichung der geschätzten Position ergibt, die sich in einer elliptischen Verteilung der Lokalisationen äußert (Fig. 6). Im Gegensatz dazu ergibt sich ohne Aberrationen (Fig. 5) eine symmetrische kreisförmige Verteilung der Lokalisationen. Zur besseren Visualisierung der elliptischen bzw. kreisförmigen Verteilungen sind die Daten in den Plots jeweils mit einem schwarzen elliptischen bzw. kreisförmigen Ring überlagert, aus dem sich insbesondere bei einer entsprechenden Anpassung an die Daten auch die jeweilige Elliptizität bestimmen lässt.A regular 2D donut (Fig. 5) or a 2D donut with additional astigmatism aberration (Fig. 6, Zernike coefficient +0.2) was used as excitation light distribution. It is clear from the data that in the presence of astigmatism aberration there is a systematic deviation of the estimated position, which is expressed in an elliptical distribution of the localizations (Fig. 6). In contrast, without aberrations (Fig. 5) there is a symmetrical circular distribution of the localizations. To better visualize the elliptical or circular distributions, the data in the plots are overlaid with a black elliptical or circular ring, from which the respective ellipticity can also be determined, particularly when the data is adjusted accordingly.

Solche Abweichungen können dazu führen, dass die Lokalisationen langsamer gegen die echte Position konvergieren und bergen die Gefahr, dass Emitter aus dem Fangbereich der Lokalisierung geraten und somit nicht erfolgreich lokalisiert werden können. Außerdem können die Emitter bei einer großen systematischen Abweichung oft mit unnötig hohen Lichtintensitäten beleuchtet werden, was abhängig von der Art der Probe zu Problemen mit Fotobleichen oder Fototoxizität führen kann. Dies gilt grundsätzlich für alle im Folgenden beschriebenen systematischen Abweichungen der Positionsbestimmung. Such deviations can lead to the localizations converging more slowly to the true position and pose the risk that emitters fall out of the capture range of the localization and thus cannot be successfully localized. In addition, with a large systematic deviation, the emitters can often be illuminated with unnecessarily high light intensities, which, depending on the type of sample, can lead to problems with photobleaching or phototoxicity. This generally applies to all systematic deviations in the position determination described below.

Erfindungsgemäß kann z.B. eine Astigmatismus-Aberration einer Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts mit einem Wellenfrontmodulator korrigiert werden, um eine systematische Abweichung, wie z.B. die in Fig. 2 bis Fig. 6 gezeigten Abweichungen, zu reduzieren. According to the invention, for example, an astigmatism aberration of an intensity distribution of the illumination light can be corrected with a wavefront modulator in order to reduce a systematic deviation, such as the deviations shown in Fig. 2 to Fig. 6.

Fig. 9 und Fig. 10 zeigen einen Effekt einer Verschiebung eines zur Phasenmodulation eines Anregungslichtstrahls verwendeten Phasenmusters relativ zu dem Anregungslichtstrahl bei einer 2D-MINFLUX-Lokalisation, bei der an das Kernporenprotein Nup96 gebundene Alexa Fluor 647- Fluoreszenzemitter in U2OS-Zellen lokalisiert wurden. Hierbei wurde ein Vortex-Phasenmuster zur Erzeugung einer 2D-Donut-förmigen Intensitätsverteilung in der Probe verwendet. Fig. 9 zeigt die Abweichungen (Mittelwerte der Abweichungen der Lokalisationen mehrerer Emitter von der jeweiligen tatsächlichen Position) der Iterationen 0 (Vorlokalisierung mittels pinhole orbit scanning), 1 (MINFLUX-Lokalisierung mit L=290 nm), 2 (MINFLUX-Lokalisierung mit L=150 nm), 3 (MINFLUX-Lokalisierung mit L=75 nm) und 4 (MINFLUX-Lokalisierung mit L=40 nm) relativ zu der tatsächlichen Position des Emitters bei einem optimal auf den Anregungslichtstrahl justierten Vortex-Phasenmuster, d.h. einer konzentrischen Anordnung des Strahls und des Phasenmusters. Dabei wurde der photonengewichtete Mittelwert der in zusätzlichen Wiederholungen der Iteration 4 bestimmten Positionen des jeweiligen Emitters als dessen tatsächliche Position angenommen. Fig. 9 and Fig. 10 show an effect of shifting a phase pattern used to phase modulate an excitation light beam relative to the excitation light beam in a 2D MINFLUX localization of Alexa Fluor 647 fluorescence emitters bound to the nuclear pore protein Nup96 in U2OS cells. A vortex phase pattern was used to generate a 2D donut-shaped intensity distribution in the sample. Fig. 9 shows the deviations (average values of the deviations of the localizations of several emitters from the respective actual position) of iterations 0 (pre-localization using pinhole orbit scanning), 1 (MINFLUX localization with L=290 nm), 2 (MINFLUX localization with L=150 nm), 3 (MINFLUX localization with L=75 nm) and 4 (MINFLUX localization with L=40 nm) relative to the actual position of the emitter with a vortex phase pattern optimally adjusted to the excitation light beam, i.e. a concentric arrangement of the beam and the phase pattern. The photon-weighted average of the positions of the respective emitter determined in additional repetitions of iteration 4 was assumed to be its actual position.

Fig. 10 zeigt entsprechende Abweichungen bei einer Verschiebung des Phasenmusters um 10 Pixel auf einem steuerbaren Lichtmodulator (spatial light modulator, SLM) im Vergleich zu dem optimal justierten Muster. Eine solche Verschiebung führt zu einer verzerrten Intensitätsverteilung, bei der der Schwerpunkt der Intensitätsverteilung seitlich verschoben ist. Fig. 10 zeigt eine deutliche systematische Abweichung der Lokalisation bei den Iterationen 0 und 1. Fig. 10 shows corresponding deviations when the phase pattern is shifted by 10 pixels on a controllable light modulator (spatial light modulator, SLM) compared to the optimally adjusted pattern. Such a shift leads to a distorted intensity distribution in which the center of gravity of the intensity distribution is shifted laterally. Fig. 10 shows a clear systematic deviation of the localization in iterations 0 and 1.

Erfindungsgemäß können z.B. Dejustagen des Phasenmusters gegen den Beleuchtungslichtstrahl durch Nachstellen des Phasenmusters auf dem SLM korrigiert werden, um die systematische Abweichung zu reduzieren. According to the invention, for example, misalignments of the phase pattern against the illumination light beam can be corrected by adjusting the phase pattern on the SLM in order to reduce the systematic deviation.

Fig. 11 und Fig. 12 zeigen Präzisionskarten der 0. Iteration (Vorlokalisierung mit pinhole orbit scanning) einer 2D-MINFLUX-Lokalisierung mit einer 2D-Donut-förmigen Intensitätsverteilung, bei der an das Kernporenprotein Nup96 gebundene Alexa Fluor 647-Fluoreszenzemitter in U2OS-Zellen lokalisiert wurden. Die Präzisionskarten wurden in analoger Weise zu den in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigten Daten erzeugt und mit elliptischen bzw. kreisförmigen Ringen überlagert (siehe oben). Fig. 11 and Fig. 12 show precision maps of the 0th iteration (prelocalization with pinhole orbit scanning) of a 2D-MINFLUX localization with a 2D donut-shaped intensity distribution, in which Alexa Fluor 647 fluorescence emitters bound to the nuclear pore protein Nup96 were localized in U2OS cells. The precision maps were generated in an analogous manner to the data shown in Fig. 5 and Fig. 6 and overlaid with elliptical and circular rings, respectively (see above).

Die Daten in Fig. 11 wurden mit einer konfokalen Lochblende im Detektionsstrahlengang aufgenommen. Die Messung der Daten in Fig. 12 erfolgte mit einer um zehn Schritte verschobenen Lochblende. The data in Fig. 11 were recorded with a confocal pinhole in the detection beam path. The data in Fig. 12 were measured with a pinhole shifted by ten steps.

Aus den Daten ist ersichtlich, dass eine Dejustage der Lochblende zu einer systematischen Verschiebung des Zentrums der Verteilung der Lokalisationen von der Nullposition in der xy- Ebene führt. From the data it is evident that a misalignment of the pinhole leads to a systematic shift of the center of the distribution of the localizations from the zero position in the xy plane.

Erfindungsgemäß kann die Position der Lochblende angepasst werden, um eine solche systematische Verschiebung zu reduzieren. According to the invention, the position of the pinhole can be adjusted to reduce such systematic displacement.

In Fig. 13 und Fig. 14 sind systematische Abweichungen (Mittelwerte der Abweichungen der Lokalisationen mehrerer Emitter von der jeweiligen tatsächlichen Position) zwischen verschiedenen Iterationsschritten einer 3D-MINFLUX-Lokalisation von an das Kernporenprotein Nup96 gebundenen Alexa Fluor 647-Fluoreszenzemittern in U2OS-Zellen mit einer nicht- aberrierten botf/e-beam-förmigen Anregungslicht-Intensitätsverteilung (Fig. 13) und einer bottle- beam-förmigen Anregungslicht-Intensitätsverteilung mit zusätzlicher Coma-Aberration (Fig. 14) mit einem Zernike-Koeffizienten von +0,2 gezeigt. Die Iterationsschritte waren dieselben wie bei den in Fig. 9 und Fig. 10 gezeigten Daten. Insbesondere bei der 0. Iteration (Vorlokalisation, pinhole orbit scanning) und der 1. Iteration (MINFLUX-Lokalisierung mit L=290 nm) ergeben sich systematische Abweichungen einer der lateralen Koordinaten (hier y, abhängig von der betreffenden Coma-Aberration). Fig. 13 and Fig. 14 show systematic deviations (average values of the deviations of the localizations of several emitters from the respective actual position) between different iteration steps of a 3D-MINFLUX localization of Alexa Fluor 647 fluorescence emitters bound to the nuclear pore protein Nup96 in U2OS cells with a non-aberrated botf/e-beam-shaped excitation light intensity distribution (Fig. 13) and a bottle-beam-shaped excitation light intensity distribution with additional coma aberration (Fig. 14) with a Zernike coefficient of +0.2. The iteration steps were the same as for the data shown in Fig. 9 and Fig. 10. In particular, during the 0th iteration (pre-localization, pinhole orbit scanning) and the 1st iteration (MINFLUX localization with L=290 nm), systematic deviations of one of the lateral coordinates (here y, depending on the coma aberration in question) occur.

Coma-Aberrationen können erfindungsgemäß durch Formung der Wellenfront des Beleuchtungslichts mit einem Wellenfrontmodulator (z.B. verformbarer Spiegel oder SLM) korrigiert werden, um die demonstrierten systematischen Abweichungen zu verringern. Fig. 15 und Fig. 16 zeigen systematische Abweichungen (Mittelwerte der Abweichungen der Lokalisationen mehrerer Emitter von der jeweiligen tatsächlichen Position) verschiedener Iterationsschritte einer 3D-MINFLUX-Lokalisation von an das Kernporenprotein Nup96 gebundenen Alexa Fluor 647-Fluoreszenzemittern in U2OS-Zellen, wobei eine reguläre symmetrische bottle-bea m-förmige Anregungslicht-Intensitätsverteilung durch Phasenmodulation mit einem ringförmigen Phasenmuster mit einem Phasensprung von 2K (Fig. 15) oder eine verformte, asymmetrische bottle-bea m-förmige Anregungslicht- Intensitätsverteilung durch Phasenmodulation mit einem ringförmigen Phasenmuster mit einem Phasensprung von 2,2K (Fig. 16) erzeugt wurde. Die Iterationsschritte waren dieselben wie bei den in Fig. 9 und Fig. 10 sowie in Fig. 13 und Fig. 14 gezeigten Daten. Mit der verformten Intensitätsverteilung ergibt sich für die 0. Iteration (Vorlokalisation mit pinhole orbit scanning) eine starke positive Abweichung der axialen Koordinate (z). Coma aberrations can be corrected according to the invention by shaping the wavefront of the illumination light with a wavefront modulator (e.g. deformable mirror or SLM) to reduce the demonstrated systematic deviations. Fig. 15 and Fig. 16 show systematic deviations (average values of the deviations of the localizations of several emitters from the respective actual position) of different iteration steps of a 3D-MINFLUX localization of Alexa Fluor 647 fluorescence emitters bound to the nuclear pore protein Nup96 in U2OS cells, whereby a regular symmetric bottle-beam-shaped excitation light intensity distribution was generated by phase modulation with an annular phase pattern with a phase jump of 2K (Fig. 15) or a deformed, asymmetric bottle-beam-shaped excitation light intensity distribution was generated by phase modulation with an annular phase pattern with a phase jump of 2.2K (Fig. 16). The iteration steps were the same as for the data shown in Fig. 9 and Fig. 10 and in Fig. 13 and Fig. 14. With the deformed intensity distribution, a strong positive deviation of the axial coordinate (z) results for the 0th iteration (pre-localization with pinhole orbit scanning).

Erfindungsgemäß kann z.B. ein Lichtmodulator angesteuert werden, um den Betrag des Phasensprungs eines ringförmigen Phasenmusters anzupassen und somit die Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts zu formen, um systematische Abweichungen der Lokalisation zu verringern. According to the invention, for example, a light modulator can be controlled to adjust the amount of the phase jump of an annular phase pattern and thus to shape the intensity distribution of the illumination light in order to reduce systematic deviations in localization.

In Fig. 17 sind Präzisionskarten der finalen Iteration einer 3D-MINFLUX-Lokalisation von an das Kernporenprotein Nup96 gebundenen Alexa Fluor 647-Fluoreszenzemittern in U2OS-Zellen mit einer bottle-bea m-förmigen Anregungslicht-Intensitätsverteilung im xy-Schnitt (oben), xz-Schnitt (Mitte) und im yz-Schnitt (unten) gezeigt. Die Präzisionskarten wurden wie oben für die in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigten Daten erstellt und mit elliptischen bzw. kreisförmigen Ringen überlagert.Fig. 17 shows precision maps of the final iteration of a 3D-MINFLUX localization of Alexa Fluor 647 fluorescence emitters bound to the nuclear pore protein Nup96 in U2OS cells with a bottle-beam-shaped excitation light intensity distribution in the xy-section (top), xz-section (middle) and yz-section (bottom). The precision maps were generated as above for the data shown in Fig. 5 and Fig. 6 and overlaid with elliptical and circular rings, respectively.

Dabei enthält die linke Spalte Präzisionskarten bei einem korrekt justierten Phasenmuster zur Erzeugung der bottle-bea -förmigen Intensitätsverteilung. Für die Daten der zweiten Spalte wurde das Phasenmuster auf einem steuerbaren räumlichen Lichtmodulator um 5 Pixel verschoben, für die Daten in der dritten Spalte um 10 Pixel, um die Intensitätsverteilung zu verzerren. The left column contains precision maps with a correctly adjusted phase pattern to generate the bottle-bea-shaped intensity distribution. For the data in the second column, the phase pattern was shifted by 5 pixels on a controllable spatial light modulator, and for the data in the third column, by 10 pixels to distort the intensity distribution.

Fig. 18 bis Fig. 20 zeigen die entsprechenden Intensitätsverteilungen jeweils in einer Schnittdarstellung parallel zur optischen Achse. Fig. 18 zeigt die bottle-bea m-förmige Intensitätsverteilung ohne Verschiebung des Phasenmusters, Fig. 19 die entsprechende Intensitätsverteilung bei einer Verschiebung um 5 Pixel und Fig. 20 die entsprechende Intensitätsverteilung bei einer Verschiebung um 10 Pixel. Fig. 18 to Fig. 20 show the corresponding intensity distributions in a sectional view parallel to the optical axis. Fig. 18 shows the bottle-beam-shaped intensity distribution without shifting the phase pattern, Fig. 19 the corresponding intensity distribution with a shift of 5 pixels and Fig. 20 the corresponding intensity distribution with a shift of 10 pixels.

Durch die verzerrte Anregungslichtverteilung ergibt sich eine asymmetrische, insbesondere im xz-Schnitt elliptische, Verteilung der Lokalisationen. Insbesondere im xz-Schnitt ist außerdem eine deutliche Verbreiterung der Verteilung zu beobachten, was vermutlich auf die Degeneration der Nullstelle der Intensitätsverteilung zurückzuführen ist (siehe Fig. 19 und Fig. 20). The distorted excitation light distribution results in an asymmetric, especially in the xz-section elliptical, distribution of the localizations. In the xz-section in particular, A significant broadening of the distribution can be observed, which is probably due to the degeneration of the zero point of the intensity distribution (see Fig. 19 and Fig. 20).

Aus Fig. 18 bis Fig. 20 ist außerdem ersichtlich, dass die durch den Versatz des Phasenmusters verzerrte Intensitätsverteilung relativ zur optischen Achse gekippt ist und bei einer starken Verschiebung (Fig. 20) die Nullstelle der Intensitätsverteilung durch die Verzerrung degeneriert ist. From Fig. 18 to Fig. 20 it can also be seen that the intensity distribution distorted by the offset of the phase pattern is tilted relative to the optical axis and in the case of a strong shift (Fig. 20) the zero point of the intensity distribution is degenerated by the distortion.

Erfindungsgemäß kann z.B. ein Lichtmodulator angesteuert werden, um ein Phasenmuster zur Modulation des Beleuchtungslichtstrahls zu verschieben und somit durch Verzerrung der Intensitätsverteilung verursachte systematische Abweichungen zu vermindern. According to the invention, for example, a light modulator can be controlled to shift a phase pattern for modulating the illumination light beam and thus reduce systematic deviations caused by distortion of the intensity distribution.

Bezugszeichenliste list of reference symbols

1 Lichtmikroskop 1 light microscope

2 Probe 2 samples

3 Lichtquelle 3 light source

4 Wellenfrontmodulator 4 wavefront modulator

5 Detektor 5 detector

6 Strahlpositionierungsvorrichtung, insbesondere elektrooptischer Modulator6 Beam positioning device, in particular electro-optical modulator

7 Strahlpositionierungsvorrichtung, insbesondere Galvanometer-Scanner7 Beam positioning device, in particular galvanometer scanner

8 Aktuator 8 actuators

9 Objektiv 9 lens

10 Prozessor 10 processor

10a Speicher 10a storage

11 Spiegel 11 mirrors

12 Tubuslinse 12 tube lens

13 Dichroitischer Strahlteiler 13 Dichroic beam splitter

14 Emissionsfilter 14 emission filters

15 Linse 15 lens

16 Lochblende 16 pinhole aperture

17 Recheneinheit 17 computing units

18 Steuereinheit 18 control unit

19 Kreis 19th district

20 Beleuchtungsposition 20 lighting positions

B Beleuchtungslichtstrahl B Illumination light beam

D Detektionslichtstrahl D detection light beam

L Durchmesser L diameter

Claims

Patentansprüche patent claims 1. Verfahren zur Lokalisierung oder zum Verfolgen einzelner Emitter in einer Probe (2) mittels eines Lichtmikroskops (1), umfassend a. ein Beleuchten der Probe (2) mit Beleuchtungslicht, wobei in der Probe (2) eine Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts (B) mit einem lokalen Intensitätsminimum gebildet wird, und wobei das Beleuchtungslicht Lichtemissionen eines einzelnen Emitters in der Probe (2) induziert oder moduliert, b. ein Erfassen von Lichtemissionen des einzelnen Emitters und c. ein Bestimmen von Positionsdaten des einzelnen Emitters auf Basis der erfassten Lichtemissionen, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der erfassten Lichtemissionen des einzelnen Emitters eine Wellenfront des Beleuchtungslichts angepasst wird und/oder ein Strahlverlauf eines Beleuchtungslichtstrahls (B) des Beleuchtungslichts und ein Strahlverlauf eines Detektionslichtstrahls (D) der Lichtemissionen relativ zueinander angepasst werden und/oder ein Strahlverlauf eines Beleuchtungslichtstrahls (B) des Beleuchtungslichts und ein Strahlverlauf eines weiteren Beleuchtungslichtstrahls relativ zueinander angepasst werden. 1. Method for localizing or tracking individual emitters in a sample (2) by means of a light microscope (1), comprising a. illuminating the sample (2) with illumination light, wherein an intensity distribution of the illumination light (B) with a local intensity minimum is formed in the sample (2), and wherein the illumination light induces or modulates light emissions of an individual emitter in the sample (2), b. detecting light emissions of the individual emitter and c. determining position data of the individual emitter on the basis of the detected light emissions, characterized in that a wavefront of the illumination light is adjusted on the basis of the detected light emissions of the individual emitter and/or a beam path of an illumination light beam (B) of the illumination light and a beam path of a detection light beam (D) of the light emissions are adjusted relative to one another and/or a beam path of an illumination light beam (B) of the illumination light and a beam path of a further illumination light beam are adjusted relative to one another. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Wellenfront oder der Strahlverläufe auf Basis der Positionsdaten des einzelnen Emitters durchgeführt wird. 2. Method according to claim 1, characterized in that the adaptation of the wavefront or the beam paths is carried out on the basis of the position data of the individual emitter. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Wellenfront oder der Strahlverläufe während einer Messsequenz durchgeführt wird, wobei die Messsequenz mehrere Schritte umfasst, bei denen die Probe mit dem Beleuchtungslicht beleuchtet wird und die Lichtemissionen des Emitters oder von einzelnen Emittern erfasst werden. 3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the adaptation of the wavefront or the beam paths is carried out during a measuring sequence, wherein the measuring sequence comprises several steps in which the sample is illuminated with the illumination light and the light emissions of the emitter or of individual emitters are detected. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrfach Positionsdaten des einzelnen Emitters bestimmt werden und/oder dass Positionsdaten mehrerer Emitter in der Probe (2) bestimmt werden, wobei die Anpassung der Wellenfront oder der Strahlverläufe auf Basis einer statistischen Analyse der Positionsdaten durchgeführt wird. 4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that position data of the individual emitter are determined multiple times and/or that position data of several emitters in the sample (2) are determined, wherein the adaptation of the wavefront or the beam paths is carried out on the basis of a statistical analysis of the position data. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Position der Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts angepasst wird, wobei Lichtemissionen des einzelnen Emitters für verschiedene axiale Positionen der Intensitätsverteilung erfasst werden, und wobei die Anpassung der Wellenfront oder der Strahlverläufe auf Basis der für die verschiedenen axialen Positionen erfassten Lichtemissionen durchgeführt wird. 5. Method according to one of the preceding claims, characterized in that an axial position of the intensity distribution of the illumination light is adjusted, wherein light emissions of the individual emitter are detected for different axial positions of the intensity distribution, and wherein the adjustment of the wavefront or the beam paths is carried out on the basis of the light emissions detected for the different axial positions. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungslicht (B) Anregungslicht ist, das den Emitter in der Probe (2) zur Abgabe der Lichtemissionen anregt. 6. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the illumination light (B) is excitation light which stimulates the emitter in the sample (2) to emit the light emissions. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen der Wellenfront und/oder der Strahlverläufe automatisch erfolgt. 7. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the adaptation of the wave front and/or the beam paths takes place automatically. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter ein Fluorophor oder ein mit einem oder mehreren Fluorophoren markiertes Molekül ist. 8. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the emitter is a fluorophore or a molecule labelled with one or more fluorophores. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Anpassen der Wellenfront und/oder der Strahlverläufe eine Abweichung zwischen einer gewünschten Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts und einer tatsächlichen Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts in der Probe (2) korrigiert wird. 9. Method according to one of the preceding claims, characterized in that by adjusting the wavefront and/or the beam paths, a deviation between a desired intensity distribution of the illumination light and an actual intensity distribution of the illumination light in the sample (2) is corrected. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf einem in einem Strahlengang des Beleuchtungslichts angeordneten Wellenfrontmodulator (4) dargestelltes Phasenmuster angepasst wird, um die Abweichung zwischen der gewünschten Intensitätsverteilung und der tatsächlichen Intensitätsverteilung zu korrigieren. 10. Method according to claim 9, characterized in that a phase pattern displayed on a wavefront modulator (4) arranged in a beam path of the illumination light is adapted in order to correct the deviation between the desired intensity distribution and the actual intensity distribution. 11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Anpassen der Wellenfront und/oder der Strahlverläufe eine Aberrationskorrektur durchgeführt wird. 11. Method according to one of the preceding claims, characterized in that an aberration correction is carried out by adjusting the wavefront and/or the beam paths. 12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen ersten Lokalisierungsschritt und einen zweiten Lokalisierungsschritt aufweist, wobei in dem ersten Lokalisierungsschritt die Probe (2) mit dem Beleuchtungslicht beleuchtet wird, erste Lichtemissionen des einzelnen Emitters erfasst werden und erste Positionsdaten des einzelnen Emitters auf Basis der ersten Lichtemissionen bestimmt werden, und wobei in dem zweiten Lokalisierungsschritt das Intensitätsminimum der Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts an Beleuchtungspositionen angeordnet wird, wobei die Beleuchtungspositionen um eine auf Basis des ersten Positionsdaten geschätzte Lage des einzelnen Emitters angeordnet werden, für die jeweiligen Beleuchtungspositionen zweite Lichtemissionen des einzelnen Emitters erfasst werden und auf Basis der zweiten Lichtemissionen und der zugeordneten Beleuchtungspositionen zweite Positionsdaten des einzelnen Emitters bestimmt werden, wobei auf Basis der zweiten Positionsdaten die geschätzte Lage des einzelnen Emitters mit höherer Genauigkeit als auf Basis der ersten Positionsdaten bestimmt wird, wobei eine systematische Abweichung zwischen der in dem ersten Lokalisierungsschritt bestimmten geschätzten Lage des Emitters gegenüber der in dem zweiten Lokalisierungsschritt bestimmten geschätzten Lage desselben Emitters bestimmt wird, wobei auf Basis der bestimmten Abweichung die Wellenfront des Beleuchtungslichts angepasst wird und/oder der Strahlverlauf des Beleuchtungslichtstrahls (B) und der Strahlverlauf des Detektionslichtstrahls (D) relativ zueinander angepasst werden und/oder der Strahlverlauf des Beleuchtungslichtstrahls (B) und der Strahlverlauf des weiteren Beleuchtungslichtstrahls relativ zueinander angepasst werden. 12. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method comprises a first localization step and a second localization step, wherein in the first localization step the sample (2) is illuminated with the illumination light, first light emissions of the individual emitter are detected and first position data of the individual emitter are determined on the basis of the first light emissions, and wherein in the second localization step the intensity minimum of the intensity distribution of the illumination light is arranged at illumination positions, wherein the Illumination positions are arranged around a position of the individual emitter estimated on the basis of the first position data, second light emissions of the individual emitter are detected for the respective illumination positions, and second position data of the individual emitter are determined on the basis of the second light emissions and the associated illumination positions, wherein the estimated position of the individual emitter is determined with greater accuracy on the basis of the second position data than on the basis of the first position data, wherein a systematic deviation between the estimated position of the emitter determined in the first localization step and the estimated position of the same emitter determined in the second localization step is determined, wherein the wavefront of the illumination light is adjusted on the basis of the determined deviation and/or the beam path of the illumination light beam (B) and the beam path of the detection light beam (D) are adjusted relative to one another and/or the beam path of the illumination light beam (B) and the beam path of the further illumination light beam are adjusted relative to one another. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (2) auch in dem ersten Lokalisierungsschritt mit einer Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts mit einem lokalen Intensitätsminimum beleuchtet wird, insbesondere wobei das Intensitätsminimum in dem ersten Lokalisierungsschritt an Beleuchtungspositionen um eine zuvor geschätzte Lage des einzelnen Emitters angeordnet wird. 13. The method according to claim 12, characterized in that the sample (2) is also illuminated in the first localization step with an intensity distribution of the illumination light with a local intensity minimum, in particular wherein the intensity minimum in the first localization step is arranged at illumination positions around a previously estimated position of the individual emitter. 14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter in dem ersten Lokalisierungsschritt auf einen ortsauflösenden Detektor, insbesondere auf eine Kamera oder ein Detektorarray, abgebildet wird. 14. The method according to claim 12 or 13, characterized in that the emitter is imaged in the first localization step onto a spatially resolving detector, in particular onto a camera or a detector array. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die systematische Abweichung durch optische Abbildungsfehler verursacht ist. 15. Method according to one of claims 12 to 14, characterized in that the systematic deviation is caused by optical imaging errors. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lokalisierungsschritt und der zweite Lokalisierungsschritt mit optischen Mitteln durchgeführt werden, die sich in mindestens einem optischen Element voneinander unterscheiden. 16. Method according to one of claims 12 to 15, characterized in that the first localization step and the second localization step are carried out with optical means which differ from one another in at least one optical element. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Wellenfront und/oder der Strahlverläufe so erfolgt, dass die systematische Abweichung zwischen der in dem ersten Lokalisierungsschritt geschätzten Lage des Emitters gegenüber der in dem zweiten Lokalisierungsschritt geschätzten Lage desselben Emitters reduziert wird. 17. Method according to one of claims 12 to 16, characterized in that the adaptation of the wavefront and/or the beam paths is carried out such that the systematic deviation between the position of the emitter estimated in the first localization step compared to the position of the same emitter estimated in the second localization step is reduced. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Position einer in einem Strahlengang des Detektionslichtstrahls (D) angeordneten Lochblende (16) so angepasst wird, dass die systematische Abweichung zwischen der in dem ersten Lokalisierungsschritt geschätzten Lage des Emitters gegenüber der in dem zweiten Lokalisierungsschritt geschätzten Lage desselben Emitters reduziert wird. 18. The method according to claim 17, characterized in that a position of a pinhole diaphragm (16) arranged in a beam path of the detection light beam (D) is adjusted such that the systematic deviation between the position of the emitter estimated in the first localization step compared to the position of the same emitter estimated in the second localization step is reduced. 19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beleuchtungslichtstrahl (B) und der weitere Beleuchtungslichtstrahl unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, wobei der Strahlverlauf des Beleuchtungslichtstrahls (B) und der Strahlverlauf des weiteren Beleuchtungslichtstrahls relativ zueinander so angepasst werden, dass eine örtliche Abweichung zwischen dem Beleuchtungslichtstrahl (B) und dem weiteren Beleuchtungslichtstrahl korrigiert wird. 19. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the illumination light beam (B) and the further illumination light beam have different wavelengths, wherein the beam path of the illumination light beam (B) and the beam path of the further illumination light beam are adapted relative to one another such that a local deviation between the illumination light beam (B) and the further illumination light beam is corrected. 20. Lichtmikroskop (1) zur Lokalisierung oder zum Verfolgen einzelner Emitter in einer Probe (2), insbesondere nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, umfassend20. Light microscope (1) for localizing or tracking individual emitters in a sample (2), in particular according to a method according to one of claims 1 to 19, comprising - eine Lichtquelle (3), die dazu ausgebildet ist, die Probe (2) mit Beleuchtungslicht zu beleuchten, wobei das Beleuchtungslicht Lichtemissionen eines einzelnen Emitters in der Probe (2) induziert oder moduliert, - a light source (3) designed to illuminate the sample (2) with illumination light, wherein the illumination light induces or modulates light emissions of a single emitter in the sample (2), - einen Wellenfrontmodulator (4), der dazu ausgebildet ist, in der Probe (2) eine Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts mit einem lokalen Intensitätsminimum zu bilden, - a wavefront modulator (4) which is designed to form an intensity distribution of the illumination light with a local intensity minimum in the sample (2), - einen Detektor (5), der dazu ausgebildet ist, Lichtemissionen des einzelnen Emitters zu erfassen, - a detector (5) designed to detect light emissions from the individual emitter, - eine Recheneinheit (10,17), die dazu ausgebildet ist, Positionsdaten des einzelnen Emitters auf Basis der erfassten Lichtemissionen zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtmikroskop (1) eine Steuereinheit (10,18) aufweist, die dazu ausgebildet ist, auf Basis der erfassten Lichtemissionen des einzelnen Emitters eine Wellenfront des Beleuchtungslichts anzupassen und/oder einen Strahlverlauf eines Beleuchtungslichtstrahls (B) des Beleuchtungslichts und einen Strahlverlauf eines Detektionslichtstrahls (D) der Lichtemissionen relativ zueinander anzupassen und/oder einen Strahlverlauf des Beleuchtungslichtstrahls (B) und einen Strahlverlauf eines weiteren Beleuchtungslichtstrahls relativ zueinander anzupassen. - a computing unit (10, 17) which is designed to determine position data of the individual emitter on the basis of the detected light emissions, characterized in that the light microscope (1) has a control unit (10, 18) which is designed to adapt a wavefront of the illumination light on the basis of the detected light emissions of the individual emitter and/or to adapt a beam path of an illumination light beam (B) of the illumination light and a beam path of a detection light beam (D) of the light emissions relative to one another and/or to adapt a beam path of the illumination light beam (B) and a beam path of a further illumination light beam relative to one another. 21. Lichtmikroskop (1) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10,18) dazu ausgebildet ist, den Wellenfrontmodulator (4) oder einen weiteren Wellenfrontmodulator auf Basis der erfassten Lichtemissionen des einzelnen Emitters so zu steuern, dass die Wellenfront des Beleuchtungslichts (B) angepasst wird. 21. Light microscope (1) according to claim 20, characterized in that the control unit (10, 18) is designed to control the wavefront modulator (4) or a further wavefront modulator on the basis of the detected light emissions of the individual emitter such that the wavefront of the illumination light (B) is adapted. 22. Lichtmikroskop (1) nach einem der Ansprüche 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Wellenfrontmodulator ein verformbarer Spiegel ist. 22. Light microscope (1) according to one of claims 21, characterized in that the further wavefront modulator is a deformable mirror. 23. Lichtmikroskop (1) nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtmikroskop (1) einen Aktuator (8) aufweist, der dazu ausgebildet ist, eine in einem Strahlengang des Beleuchtungslichtstrahls (B), des weiteren Beleuchtungslichtstrahls und/oder des Detektionslichtstrahls (D) angeordnete optische Komponente zu verlagern, wobei die Steuereinheit (10,18) dazu ausgebildet ist, den Aktuator (8) auf Basis der erfassten Lichtemissionen des einzelnen Emitters so zu steuern, dass der Strahlverlauf des Beleuchtungslichtstrahls (B) und der Strahlverlauf des Detektionslichtstrahls (D) relativ zueinander angepasst werden und/oder der Strahlverlauf des Beleuchtungslichtstrahls (B) und der Strahlverlauf des weiteren Beleuchtungslichtstrahls relativ zueinander angepasst werden. 23. Light microscope (1) according to one of claims 20 to 22, characterized in that the light microscope (1) has an actuator (8) which is designed to displace an optical component arranged in a beam path of the illumination light beam (B), the further illumination light beam and/or the detection light beam (D), wherein the control unit (10, 18) is designed to control the actuator (8) on the basis of the detected light emissions of the individual emitter such that the beam path of the illumination light beam (B) and the beam path of the detection light beam (D) are adapted relative to one another and/or the beam path of the illumination light beam (B) and the beam path of the further illumination light beam are adapted relative to one another. 24. Lichtmikroskop (1) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtmikroskop (1) eine in einem Strahlengang des Detektionslichtstrahls (D) angeordnete Lochblende (16) aufweist, wobei der Aktuator (8) dazu ausgebildet ist, die Strahllage des Detektionslichtstrahls (D) relativ zu der Lochblende (16) einzustellen. 24. Light microscope (1) according to claim 23, characterized in that the light microscope (1) has a pinhole diaphragm (16) arranged in a beam path of the detection light beam (D), wherein the actuator (8) is designed to adjust the beam position of the detection light beam (D) relative to the pinhole diaphragm (16). 25. Lichtmikroskop (1) nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtmikroskop (1) eine Strahlpositionierungsvorrichtung (6,7) aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts (B) in der Probe (2) zu positionieren. 25. Light microscope (1) according to one of claims 20 to 24, characterized in that the light microscope (1) has a beam positioning device (6, 7) which is designed to position the intensity distribution of the illumination light (B) in the sample (2). 26. Lichtmikroskop (1) nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (5) eine Mehrzahl von, insbesondere einzeln auslesbaren, Detektorelementen aufweist. 26. Light microscope (1) according to one of claims 20 to 25, characterized in that the detector (5) has a plurality of detector elements, in particular individually readable detector elements. 27. Computerprogramm umfassend Befehle, die das Lichtmikroskop (1) nach einem der Ansprüche 20 bis 26 dazu veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19 auszuführen. 27. Computer program comprising instructions which cause the light microscope (1) according to one of claims 20 to 26 to carry out the method according to one of claims 1 to 19.
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Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013114860B3 (en) 2013-12-23 2015-05-28 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Method and device for determining the locations of individual molecules of a substance in a sample
US20150226950A1 (en) 2012-08-23 2015-08-13 Isis Innovation Limited Stimulated emission depletion microscopy
DE102016119262A1 (en) 2016-10-10 2018-04-12 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. A method for spatially high-resolution determination of the location of a singled, excitable light for the emission of luminescent light molecule in a sample
DE102016119263A1 (en) 2016-10-10 2018-04-12 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. A method for spatially high-resolution determination of the location of a singled, excitable light for the emission of luminescent light molecule in a sample
DE102016119264A1 (en) 2016-10-10 2018-04-12 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. A method for spatially high-resolution determination of the location of a singled, excitable light for the emission of luminescent light molecule in a sample
DE102017104736B3 (en) 2017-03-07 2018-08-16 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Method and device for spatially measuring nanoscale structures
US20190195800A1 (en) 2016-09-05 2019-06-27 Abberior Instruments Gmbh Method of Aligning a Laser-Scanning Fluorescence Microscope and Laser-Scanning Fluorescence Microscope Having an Automatic Aligning System
WO2022112155A1 (en) 2020-11-24 2022-06-02 Abberior Instruments Gmbh Method and device for capturing nanoscopic images of samples dyed with multiple dyes
WO2022200549A1 (en) 2021-03-26 2022-09-29 Abberior Instruments Gmbh Method and light microscope for a high-resolution examination of a sample
EP4167011A1 (en) * 2021-10-13 2023-04-19 Abberior Instruments GmbH Light modulation device for a microscope, microscope and method for modulating a light beam

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10063276C2 (en) * 2000-12-19 2002-11-07 Leica Microsystems scanning microscope
DE102012017917B4 (en) * 2012-09-11 2023-09-21 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Microscope module and light microscope as well as methods and data storage media
DE102013218795A1 (en) * 2013-09-19 2015-03-19 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Laser scanning microscope and method for correcting aberrations, in particular in high-resolution scanning microscopy
DE102014113716B4 (en) * 2014-09-23 2021-11-11 Abberior Instruments Gmbh Device for separately modulating the wave fronts of two components of a light beam and a scanning fluorescence light microscope
CN205003084U (en) * 2015-09-30 2016-01-27 深圳大学 Super -resolution imaging system
WO2019119458A1 (en) * 2017-12-23 2019-06-27 深圳大学 Super resolution imaging system
DE102018108657B4 (en) * 2018-04-12 2024-03-28 Jenoptik Optical Systems Gmbh Device for recording at least one microscopic image and method for recording a microscopic image
DE102018115001A1 (en) * 2018-06-21 2019-12-24 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Procedure for calibrating a phase mask and microscope
CN208921983U (en) * 2018-10-10 2019-05-31 浙江大学 A kind of high-speed adaptive optics ring-shaped light spot correction system based on machine learning
EP3686644A1 (en) * 2019-01-25 2020-07-29 Hochschule Für Angewandte Wissenschaften München Two-color confocal colocalization microscopy
US11347040B2 (en) * 2019-02-14 2022-05-31 Double Helix Optics Inc. 3D target for optical system characterization
DE102019007066A1 (en) * 2019-10-11 2021-04-15 Abberior Instruments Gmbh Method and device for correcting aberrations in fluorescence microscopy
DE102019008304B8 (en) * 2019-11-29 2021-06-02 Abberior Instruments Gmbh Fluorescence microscope with stabilized adjustment and use of an assembly to upgrade a fluorescence microscope
CN111562665B (en) * 2020-05-21 2021-03-19 浙江大学 Adaptive optics aberration correction system and method in STED super-resolution technology
DE102020130275A1 (en) * 2020-11-17 2022-05-19 Abberior Instruments Gmbh HIGH RESOLUTION MICROSCOPE, MICROOPTIC SYSTEM AND DETECTION ARRANGEMENT
CN113112405B (en) * 2021-04-12 2022-04-12 广州超视计生物科技有限公司 Self-adaptive correction method of super-resolution microscope image and SIM-ODT (subscriber identity module-ODT) bimodal system

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150226950A1 (en) 2012-08-23 2015-08-13 Isis Innovation Limited Stimulated emission depletion microscopy
DE102013114860B3 (en) 2013-12-23 2015-05-28 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Method and device for determining the locations of individual molecules of a substance in a sample
US20190195800A1 (en) 2016-09-05 2019-06-27 Abberior Instruments Gmbh Method of Aligning a Laser-Scanning Fluorescence Microscope and Laser-Scanning Fluorescence Microscope Having an Automatic Aligning System
DE102016119262A1 (en) 2016-10-10 2018-04-12 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. A method for spatially high-resolution determination of the location of a singled, excitable light for the emission of luminescent light molecule in a sample
DE102016119263A1 (en) 2016-10-10 2018-04-12 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. A method for spatially high-resolution determination of the location of a singled, excitable light for the emission of luminescent light molecule in a sample
DE102016119264A1 (en) 2016-10-10 2018-04-12 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. A method for spatially high-resolution determination of the location of a singled, excitable light for the emission of luminescent light molecule in a sample
DE102017104736B3 (en) 2017-03-07 2018-08-16 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Method and device for spatially measuring nanoscale structures
EP3372989A1 (en) 2017-03-07 2018-09-12 Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Method for spatial measuring of a nanoscale structure
WO2022112155A1 (en) 2020-11-24 2022-06-02 Abberior Instruments Gmbh Method and device for capturing nanoscopic images of samples dyed with multiple dyes
WO2022200549A1 (en) 2021-03-26 2022-09-29 Abberior Instruments Gmbh Method and light microscope for a high-resolution examination of a sample
EP4167011A1 (en) * 2021-10-13 2023-04-19 Abberior Instruments GmbH Light modulation device for a microscope, microscope and method for modulating a light beam

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BALZAROTTI FRANCISCO ET AL: "Nanometer resolution imaging and tracking of fluorescent molecules with minimal photon fluxes", SCIENCE, vol. 355, no. 6325, 22 December 2016 (2016-12-22), US, pages 606 - 612, XP055869146, ISSN: 0036-8075, DOI: 10.1126/science.aak9913 *
F. BALZAROTTI ET AL.: "Nanometer resolution imaging and tracking of fluorescent molecules with minimal photon fluxes", SCIENCE, vol. 355, no. 6325, 2017, pages 606 - 612, XP055869146, DOI: 10.1126/science.aak9913
K. C. GWOSCH ET AL.: "MINFLUX nanoscopy delivers 3D multicolor nanometer resolution in cells", NAT. METHODS, vol. 17, no. 2, 2020, pages 217 - 224, XP055868805, DOI: 10.1038/s41592-019-0688-0
PAPE JASMIN KATHRIN: "Multicolor 3D MINFLUX nanoscopy for biological imaging", 2 January 2020 (2020-01-02), Göttingen, GERMANY, XP093101419, Retrieved from the Internet <URL:http://dx.doi.org/10.53846/aoediss-8248> [retrieved on 20231114], DOI: 10.53846/aoediss-8248 *
R. SCHMIDT ET AL.: "MINFLUX nanometer-scale 3D imaging and microsecond-range tracking on a common fluorescence microscope", NAT. COMMUN, vol. 12, no. 1, 2021, pages 1478, XP055832558, DOI: 10.1038/s41467-021-21652-z

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