DE102014017287A1

DE102014017287A1 - Temperable optical lens and method for its use

Info

Publication number: DE102014017287A1
Application number: DE102014017287.2A
Authority: DE
Inventors: Navid Bonakdar; Vahid Sandoghdar; Ben Fabry
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften; Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften; Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2015-06-11

Abstract

Ein Objektiv, insbesondere für ein Mikroskop, umfasst mindestens eine optische Linse, und eine Temperierungseinrichtung, wobei die Temperierungseinrichtung an einer Stirnseite des Objektivs angeordnet ist. Die Temperierungseinrichtung ist vorzugsweise aus einem optisch transparenten Halbleitermaterial, insbesondere Indiumzinnoxid, hergestellt. Es wird auch ein Mikroskop beschrieben, das mit dem Objektiv ausgestattet ist.An objective, in particular for a microscope, comprises at least one optical lens, and a tempering device, wherein the tempering device is arranged on an end face of the objective. The tempering device is preferably made of an optically transparent semiconductor material, in particular indium tin oxide. It also describes a microscope equipped with the lens.

Description

Die Erfindung betrifft ein temperierbares optisches Objektiv, insbesondere ein heizbares und/oder kühlbares Mikroskopobjektiv. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Anwendung eines temperierbaren Objektivs, insbesondere für die Mikroskopie. Anwendungen der Erfindung sind in der optischen Mikroskopie, insbesondere in der hochauflösenden Mikroskopie mit einem Immersionsobjektiv gegeben.The invention relates to a temperature-controllable optical objective, in particular a heatable and / or coolable microscope objective. Furthermore, the invention relates to a method for the application of a heatable lens, in particular for microscopy. Applications of the invention are in optical microscopy, especially in high resolution microscopy with an immersion objective.

Bei der mikroskopischen Untersuchung von Proben, insbesondere von biologischem Material, besteht ein Interesse, die Probe bei einer vorbestimmten Temperatur zu halten oder einem vorbestimmten Temperaturverlauf zu unterziehen. Beispielsweise erfordern lebende Humanzellen eine konstante Temperatur von 37°C, um die mikroskopische Untersuchung unter möglichst lebensnahen Bedingungen auszuführen.In the microscopic examination of samples, in particular of biological material, there is an interest in keeping the sample at a predetermined temperature or subjecting it to a predetermined temperature profile. For example, living human cells require a constant temperature of 37 ° C to perform the microscopic examination under conditions as near to life as possible.

Es ist allgemein bekannt, zur Temperierung einer Probe eine Heizkammer oder einen offenen Heiztisch zu verwenden, die eine Temperierung der gesamten Probe auf die gewünschte Temperatur ermöglichen. Des Weiteren sind aus der Praxis heizbare Schalen bekannt, bei denen Glasscheiben zur Heizung verwendet werden, die mit Indiumzinnoxid (ITO) beschichtet sind. Die bekannten Techniken erlauben zwar eine Einstellung der Probentemperatur beim Mikroskopieren. Sie haben sich allerdings bei der hoch-auflösenden Mikroskopie unter Verwendung von Öl-Immersionsobjektiven als nachteilig erwiesen.It is generally known to use a heating chamber or an open heating table for the temperature control of a sample, which allow a temperature control of the entire sample to the desired temperature. Furthermore, heatable shells are known in the art, in which glass panes are used for heating, which are coated with indium tin oxide (ITO). Although the known techniques allow adjustment of the sample temperature during microscopy. However, they have proven to be disadvantageous in high-resolution microscopy using oil immersion objectives.

Bei der Immersionsmikroskopie wird die Auflösung der mikroskopischen Abbildung erhöht, indem die numerische Apertur des Objektivs vergrößert wird. Hierzu wird die Probe über einen Tropfen einer Immersionsflüssigkeit, insbesondere einen Öltropfen, direkt mit der vordersten Linse (zur untersuchten Probe weisende Linse, Frontlinse) des Objektivs gekoppelt. Diese Kopplung bewirkt jedoch auch eine thermische Verbindung zwischen der Probe und dem gesamten Mikroskop. Das Objektiv und das übrige Mikroskop bilden eine Wärmesenke, und es wird ein Temperaturgradient erzeugt, dessen Maximum gerade im Gesichtsfeld und damit in dem zu untersuchenden Bereich liegt.In immersion microscopy, the resolution of the microscopic image is increased by increasing the numerical aperture of the objective. For this purpose, the sample is coupled via a drop of an immersion liquid, in particular an oil drop, directly to the foremost lens (to the examined sample facing lens, front lens) of the lens. However, this coupling also causes a thermal connection between the sample and the entire microscope. The lens and the rest of the microscope form a heat sink, and a temperature gradient is generated, the maximum of which is just in the field of view and thus in the area to be examined.

Um den Wärmestrom zum Mikroskop zu kompensieren, wurden Objektivheizer vorgeschlagen, bei denen das Objektiv mit einer Heizquelle ausgestattet ist. Die Heizquelle umfasst zum Beispiel eine Widerstandsheizung oder eine Heizung mit einem flüssigen Heizmedium. Zur Erzielung einer ausreichenden Heizwirkung wird die Heizquelle als Mantel in engem thermischen Kontakt mit dem Objektiv angeordnet werden, beispielsweise unter Verwendung eines Klettverschlusses oder durch die Bildung einer enganliegenden Heizspirale. Diese Technik hat die folgenden Nachteile. Die Struktur aus Objektiv und Heizquelle hat eine relativ große Bauform, die für den Betrieb des Mikroskops hinderlich sein kann. Da das Objektiv thermisch mit dem übrigen Mikroskop gekoppelt ist, muss eine große Masse geheizt werden, so dass sich lange Heizzeiten ergeben. Diese sind jedoch ebenso wie Kühlzeiten nach einem Abschalten der Heizquelle, insbesondere bei der Untersuchung dynamischer Probenveränderungen, unerwünscht.To compensate for the heat flow to the microscope, lens heaters have been proposed in which the lens is equipped with a heating source. The heating source includes, for example, a resistance heater or a heater with a liquid heating medium. To achieve sufficient heating, the heat source will be arranged as a jacket in close thermal contact with the lens, for example using a hook-and-loop fastener or by forming a tight heating coil. This technique has the following disadvantages. The structure of lens and heat source has a relatively large size, which can be a hindrance to the operation of the microscope. Since the lens is thermally coupled to the rest of the microscope, a large mass must be heated, so that there are long heating times. However, these are as well as cooling times after switching off the heat source, especially when studying dynamic sample changes, undesirable.

Um die Heiz- oder Kühlzeiten zu verringern, kann das Objektiv vom übrigen Mikroskop thermisch entkoppelt werden. Beispielsweise wurde in DE 10 2006 034 534 A1 vorgeschlagen, zwischen einem vorderen und einem hinteren Objektivteil einen thermisch isolierenden Ring anzuordnen. Dieser hat zwar den Vorteil, dass die Masse, die mit der Heizquelle geheizt werden muss, verringert wird. Dennoch zeigt sich in der Praxis, dass die Einstellung einer gewünschten Probentemperatur einige Minuten erfordert.To reduce the heating or cooling times, the lens can be thermally decoupled from the rest of the microscope. For example, in DE 10 2006 034 534 A1 proposed to arrange a thermally insulating ring between a front and a rear lens part. Although this has the advantage that the mass that must be heated with the heat source, is reduced. However, in practice, setting a desired sample temperature requires a few minutes.

Die genannten Nachteile in Bezug auf die Erhöhung der Temperatur (Heizen) gelten entsprechend auch für eine Absenkung der Temperatur (Kühlen), zum Beispiel nach Beendigung einer Heizphase oder mit einer aktiven Kühleinrichtung.The disadvantages mentioned in relation to the increase of the temperature (heating) apply correspondingly also for a lowering of the temperature (cooling), for example after completion of a heating phase or with an active cooling device.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Objektiv bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Objektive vermieden werden und das insbesondere eine Temperierung mit einer vereinfachten, insbesondere verkleinerten Struktur, einer erhöhten Wirksamkeit, einer vereinfachten Regelungsmöglichkeit und/oder einem schnelleren Ansprechverhalten aufweist. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein verbessertes Verfahren zur Temperierung eines Objektivs, insbesondere eines Mikroskopobjektivs bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden.The object of the invention is to provide an improved objective, with which disadvantages of conventional objectives are avoided and which in particular has a temperature control with a simplified, in particular reduced structure, an increased efficiency, a simplified control possibility and / or a faster response. The object of the invention is also to provide an improved method for tempering an objective, in particular a microscope objective, with which disadvantages of conventional techniques are avoided.

Diese Aufgaben werden jeweils mit einem Objektiv, einem Mikroskop und einem Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These objects are achieved in each case with a lens, a microscope and a method having the features of the independent claims. Advantageous embodiments and applications of the invention will become apparent from the dependent claims.

Gemäß einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Objektiv, insbesondere für ein Mikroskop, z. B. ein Immersionsobjektiv, bereitgestellt, das mindestens eine optische Linse und eine Temperierungseinrichtung umfasst, wobei die Temperierungseinrichtung an einer Stirnseite des Objektivs angeordnet ist. Das Objektiv hat eine optische Achse, wobei die Stirnseite des Objektivs in axialer Richtung zu einem zu untersuchenden Gegenstand weist. Die mindestens eine optische Linse umfasst eine an der Stirnseite angeordnete Linse (Frontlinse) und ggf. weitere Linsen. Mit der Temperierungseinrichtung ist vorteilhafterweise die Temperatur der Stirnseite des Objektivs, insbesondere der Frontlinse einstellbar. Bei stofflichem und thermischem Kontakt des Objektivs mit einer Immersionsflüssigkeit, insbesondere Öl, und/oder der Probe, ist mit der Temperierungseinrichtung vorteilhafterweise auch die Temperatur im Gesichtsfeld einstellbar. Da die Temperierungseinrichtung unmittelbar im Gesichtsfeld und/oder zu diesem benachbart angeordnet ist, kann die Temperatur verzögerungsfrei und instantan eingestellt werden. Anders als bei herkömmlichen Techniken wirkt sich die Trägheit der Erwärmung des restlichen Objektivs nicht oder nur vernachlässigbar gering auf die Temperierung der Probe aus. Der Wärmefluss zwischen dem Objektiv und der Probe erfolgt unmittelbar zwischen der Temperierungseinrichtung, die ggf. durch einen Wandabschnitt des Objektivgehäuses bedeckt sein kann, und der Probe.According to a first general aspect of the invention, an objective, in particular for a microscope, z. B. an immersion objective, provided, which comprises at least one optical lens and a temperature control device, wherein the temperature control device is arranged on an end face of the lens. The objective has an optical axis, the end face of the objective pointing in the axial direction to an object to be examined. The at least one optical lens comprises a arranged on the front side Lens (front lens) and possibly other lenses. With the tempering advantageously the temperature of the front side of the lens, in particular the front lens is adjustable. In the case of material and thermal contact of the objective with an immersion liquid, in particular oil, and / or the sample, the tempering device can advantageously also be used to set the temperature in the visual field. Since the tempering device is arranged directly in the field of view and / or adjacent thereto, the temperature can be adjusted instantaneously and instantaneously. Unlike conventional techniques, the inertia of the heating of the rest of the lens does not or only negligibly affects the temperature of the sample. The heat flow between the objective and the sample takes place directly between the tempering device, which may possibly be covered by a wall section of the objective housing, and the sample.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Temperierungseinrichtung aus einem optisch transparenten Material hergestellt sein und eine Außenfläche, eine Innenfläche und/oder eine Zwischenfläche der optischen Linse an der Stirnseite des Objektivs, insbesondere der Frontlinse, zumindest teilweise bedecken. Vorteilhafterweise wird damit die Frontlinse unmittelbar temperiert. Die Frontlinse kann einen Sandwich-Aufbau mit mehreren Teillinsen aufweisen, zwischen denen die Zwischenfläche vorgesehen ist.According to a first advantageous embodiment of the invention, the tempering device can be made of an optically transparent material and at least partially cover an outer surface, an inner surface and / or an intermediate surface of the optical lens on the front side of the objective, in particular the front lens. Advantageously, thus the front lens is directly tempered. The front lens may have a sandwich structure with a plurality of partial lenses, between which the intermediate surface is provided.

Die Erfinder haben festgestellt, dass optisch transparente Materialien verfügbar sind, welche in Gestalt einer Schicht auf der Frontlinse (innen und/oder außen) die optische Abbildung des Mikroskops nicht beeinträchtigen und dennoch eine ausreichende Heizleistung liefern. Dabei hat sich Indiumzinnoxid als Material der Temperierungseinrichtung als besonders vorteilhaft erwiesen. Vorzugsweise ist daher die Temperierungseinrichtung aus einem optisch transparenten, elektrisch leitfähigen Halbleitermaterial, insbesondere Indiumzinnoxid, hergestellt.The inventors have found that optically transparent materials are available which, in the form of a layer on the front lens (inside and / or outside), do not affect the optical imaging of the microscope and still provide sufficient heating power. In this case, indium tin oxide has proven to be particularly advantageous as a material of the temperature control. The temperature control device is therefore preferably made of an optically transparent, electrically conductive semiconductor material, in particular indium tin oxide.

Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Temperierungseinrichtung an der Stirnseite des Objektivs in einem Umgebungsbereich angeordnet sein, der die optische Linse an der Stirnseite, insbesondere die Frontlinse, einschließt. In diesem Fall kann die Temperierungseinrichtung aus einem optisch transparenten Material (wenn auch die Linse bedeckt ist) oder einem nicht-transparenten Material, z. B. Kohlenstoffnanoröhrchen, hergestellt sein. Besonders bevorzugt bleibt bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung die optische Linse unbedeckt. Mit anderen Worten, die Temperierungseinrichtung lässt einen optischen Strahlengang durch die Frontlinse frei. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperierungseinrichtung zumindest teilweise durch ein Gehäuse des Objektivs bedeckt sein, zum Beispiel hinter einer Gehäusewand der Objektivs angeordnet.According to a second advantageous embodiment of the invention, the tempering device can be arranged on the front side of the objective in a surrounding area which encloses the optical lens on the front side, in particular the front lens. In this case, the tempering device of an optically transparent material (although the lens is covered) or a non-transparent material, for. As carbon nanotubes, be prepared. Particularly preferably, in the second embodiment of the invention, the optical lens remains uncovered. In other words, the tempering device leaves an optical beam path through the front lens free. Alternatively or additionally, the tempering device may be at least partially covered by a housing of the objective, for example arranged behind a housing wall of the objective.

Vorzugsweise umfasst die Temperierungseinrichtung eine Temperierungsschicht. Die Temperierungsschicht ist an der Stirnseite des Objektivs angeordnet, ohne dessen Baugröße störend zu beeinflussen. Besonders bevorzugt weist die Temperierungsschicht eine Dicke kleiner als 500 nm, insbesondere kleiner als 100 nm auf. Die Temperierungsschicht wird daher auch als Nanobeschichtung bezeichnet.The tempering device preferably comprises a tempering layer. The Temperierungsschicht is arranged on the front side of the lens, without affecting its size disturbing. Particularly preferably, the temperature control layer has a thickness of less than 500 nm, in particular less than 100 nm. The tempering layer is therefore also referred to as nanocoating.

Vorteilhafterweise kann das Objektiv mit Kontaktschichten ausgestattet sein, die in Bezug auf das Objektiv, insbesondere den Objektivkörper (Objektivgehäuse) elektrisch isoliert und für eine Versorgung der Temperierungseinrichtung mit einem Betriebsstrom eingerichtet sind. Die Kontaktschichten sind an der Stirnseite, auf der Oberfläche oder zumindest teilweise durch das Objektivgehäuse abgedeckt, angeordnet und können optional auch an der Umfangsfläche des Objektivs, entsprechend auf dessen Oberfläche oder zumindest teilweise durch das Objektivgehäuse abgedeckt, angeordnet sein. Die Kontaktschichten sind vorzugsweise mit einer Anschlussstelle verbunden, die mit einer Stromversorgungseinrichtung koppelbar ist.Advantageously, the lens may be provided with contact layers, which are electrically insulated with respect to the objective, in particular the objective body (objective housing), and are set up for supplying the temperature control device with an operating current. The contact layers are on the front side, on the surface or at least partially covered by the lens housing, arranged and may optionally also on the peripheral surface of the lens, according to its surface or at least partially covered by the lens housing, may be arranged. The contact layers are preferably connected to a connection point, which can be coupled to a power supply device.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Objektiv mit einem Temperatursensor ausgestattet sein, der besonders bevorzugt, z. B. als Thermoelement, insbesondere schichtförmiges Thermoelement an der Stirnseite in der Umgebung der Frontlinse angeordnet ist, oder für eine Temperaturmessung durch eine Strahlungsmessung ausgelegt ist.According to a further advantageous embodiment of the invention, the lens may be equipped with a temperature sensor, which is particularly preferred, for. B. is arranged as a thermocouple, in particular layered thermocouple on the front side in the vicinity of the front lens, or is designed for a temperature measurement by a radiation measurement.

Vorteilhafterweise kann das Objektiv mit einem Regelkreis zur Regelung der Betriebstemperatur der Temperierungseinrichtung und/oder der Temperatur an der Stirnseite des Objektivs ausgestattet sein. Im Regelkreis kann in Abhängigkeit von der mit dem Temperatursensor erfassten Temperatur der Betriebsstroms einer Stromversorgungseinrichtung der Temperierungseinrichtung geregelt werden.Advantageously, the objective can be equipped with a control circuit for regulating the operating temperature of the temperature control device and / or the temperature at the end face of the objective. In the control loop, the operating current of a power supply device of the temperature control device can be regulated as a function of the temperature detected by the temperature sensor.

Die Temperierungseinrichtung ist vorzugsweise eine Heiz- und/oder eine Kühleinrichtung, deren Temperatur durch Beaufschlagung mit elektrischem Strom einstellbar ist. Die Temperierungseinrichtung ist vorzugsweise aus einem Metall, einem Halbleiter und/oder einer Zusammensetzung aus diesen hergestellt. Besonders bevorzugt ist die Temperierungseinrichtung eine Widerstandsheizeinrichtung, z. B. eine Widerstandsheizschicht, insbesondere eine ITO-Widerstandsheizschicht und/oder eine elektrische Kühleinrichtung, z. B. eine Peltiereinrichtung. Mit der Temperierungseinrichtung wird vorzugsweise eine Temperatur von mindestens –20°C, insbesondere mindestens 0°C, und/oder höchstens 300°C, insbesondere höchstens 100°C eingestellt.The tempering device is preferably a heating and / or a cooling device whose temperature can be adjusted by application of electrical current. The tempering device is preferably made of a metal, a semiconductor and / or a composition thereof. Particularly preferably, the tempering is a resistance heater, z. B. a Widerstandsheizschicht, in particular an ITO resistance heating and / or an electrical cooling device, for. Legs Peltier device. The temperature control device preferably sets a temperature of at least -20.degree. C., in particular at least 0.degree. C., and / or at most 300.degree. C., in particular at most 100.degree.

Optional kann das Objektiv mit einer Zusatz-Kühleinrichtung ausgestattet sein, die z. B. eine Peltiereinrichtung oder eine Wasserkühlung umfasst. Die Zusatz-Kühleinrichtung ist an einer Umfangsseite des Objektivs, z. B. als Manschette angeordnet. Mit der Zusatz-Kühleinrichtung kann das komplette Objektiv zunächst abgekühlt werden, um einen verschobenen Temperatur-Offset relativ zur Umgebung und/oder der Probenkammer bereitzustellen. Diese Zusatz-Kühleinrichtung bietet die Option einer schnellen Kühlung beim Abschalten einer Heizeinrichtung, z. B. einer ITO-Heizschicht.Optionally, the lens may be equipped with an additional cooling device, the z. B. comprises a Peltier device or a water cooling. The additional cooling device is on a peripheral side of the lens, for. B. arranged as a cuff. With the auxiliary cooling device, the entire objective can be first cooled to provide a shifted temperature offset relative to the environment and / or the sample chamber. This additional cooling device offers the option of a quick cooling when switching off a heater, z. B. an ITO heating layer.

Gemäß einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein optisches Mikroskop bereitgestellt, das mit mindestens einem Objektiv gemäß der Erfindung ausgestattet ist. Vorzugsweise umfasst das Mikroskop eine Probenhalterung, wie z. B. einen Probentisch oder eine Probenkammer, zur Aufnahme einer Probe, und eine Zusatz-Temperierungseinrichtung, insbesondere eine Zusatzheizung und/oder Zusatzkühlung, mit der die Probe auf oder in der Probenhalterung und/oder das Objektiv temperierbar ist.According to a second general aspect of the invention, there is provided an optical microscope equipped with at least one objective according to the invention. Preferably, the microscope comprises a sample holder, such. Example, a sample table or a sample chamber, for receiving a sample, and an additional temperature control device, in particular an additional heating and / or additional cooling, with which the sample on or in the sample holder and / or the lens is temperature controlled.

Gemäß einem dritten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Temperierung eines Objektiv gemäß der Erfindung, insbesondere eines Mikroskopobjektivs, bereitgestellt, bei dem die Temperierungseinrichtung mit einem elektrischen Strom beaufschlagt wird, um die Temperatur an der Stirnseite des Objektivs und im Gesichtsfeld und/oder der Probe einzustellen.According to a third general aspect of the invention, a method for tempering an objective according to the invention, in particular a microscope objective, is provided, in which the temperature control device is acted upon by an electric current to the temperature at the front side of the lens and in the field of view and / or To adjust the sample.

Gemäß einem vierten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die Verwendung einer Indiumzinnoxidschicht zur Temperierung eines Mikroskopobjektivs vorgeschlagen.According to a fourth general aspect of the invention, the use of an indium tin oxide layer for tempering a microscope objective is proposed.

Mit der Erfindung wird ein neues Objektiv, dessen Temperatur steuerbar ist, insbesondere ein Mikroskopobjektiv, wie zum Beispiel ein Öl-Immersionsobjektiv bereitgestellt, das vorteilhafterweise eine nahezu instantane Temperaturänderung einer Oberfläche, welche mit der Probe in Kontakt ist und damit des Gesichtsfeldes ermöglicht. In praktischen Tests konnte eine Temperaturänderungsrate von 20 Celsius-Graden pro Sekunde zum Heizen oder Kühlen der Probe demonstriert werden. Mit dem Objektiv kann nicht nur die gewünschte Temperatur in der Probe nahezu instantan eingestellt werden. Es können auch schnelle Temperaturänderungen in der Probe induziert werden.With the invention, a new lens whose temperature is controllable, in particular a microscope objective, such as an oil immersion objective, is provided, which advantageously enables a nearly instantaneous temperature change of a surface which is in contact with the sample and thus of the field of view. In practical tests, a temperature change rate of 20 Celsius degrees per second for heating or cooling the sample could be demonstrated. Not only can the desired temperature in the sample be adjusted almost instantaneously with the objective. It is also possible to induce rapid temperature changes in the sample.

Falls es erforderlich ist, die gesamte Probe zusätzlich zu heizen, kann das erfindungsgemäße Objektiv in Kombination mit einer herkömmlichen Heizkammer, Heizschale oder einem Heiztisch und/oder der genannten Zusatz-Kühleinrichtung verwendet werden. Beispielsweise kann, wenn die Probe lebende Zellen umfasst, die gesamte Kammer bei 37°C gehalten werden, während unmittelbar im Gesichtsfeld, welches den zu untersuchenden Bereich darstellt, eine schnelle Temperaturänderung induziert werden kann. Die Wirkung der Temperaturänderung kann beobachtet werden, ohne dass die übrige Probe beeinflusst wird.If it is necessary to additionally heat the entire sample, the objective according to the invention can be used in combination with a conventional heating chamber, heating dish or a heating table and / or the said additional cooling device. For example, if the sample comprises living cells, the entire chamber can be kept at 37 ° C, while a rapid temperature change can be induced immediately in the field of view, which is the area to be examined. The effect of the temperature change can be observed without affecting the remainder of the sample.

Die Erfindung beruht auf den Tests, die von den Erfindern mit herkömmlichen Heizeinrichtungen, insbesondere mit ITO-beschichteten Deckgläsern mit einer Infrarot-Kamera durchgeführt wurden. Es wurde festgestellt, dass ein mit ITO beschichtetes Glas, wie es in einer herkömmlichen Heizschale verwendet wird, ohne thermischen Kontakt mit dem Objektiv eine homogene Temperaturverteilung zeigt. Dazu im Gegensatz entsteht bei thermischem Kontakt mit dem herkömmlichen Objektiv bereits an der Oberfläche des ITO-beschichteten Glases ein starker Temperaturgradient, der sich auch in einer flüssige Probe oberhalb des Glases fortsetzt. Die Ergebnisse zeigten, dass es nicht möglich ist, Temperatur-gesteuerte Untersuchungen unter genau und reproduzierbar eingestellten Bedingungen unter Verwendung eines herkömmlichen Immersionsobjektivs auszuführen, ohne das Objektiv zu heizen. Ein Objektiv, das eine schnelle Temperierung ermöglicht, ist jedoch, wie oben beschrieben wurde, nicht verfügbar.The invention is based on the tests performed by the inventors with conventional heaters, in particular with ITO-coated coverslips with an infrared camera. It has been found that a glass coated with ITO, as used in a conventional heating shell, shows a homogeneous temperature distribution without thermal contact with the lens. In contrast, thermal contact with the conventional objective already produces a strong temperature gradient on the surface of the ITO-coated glass, which also continues in a liquid sample above the glass. The results showed that it is not possible to carry out temperature-controlled investigations under exactly and reproducibly set conditions using a conventional immersion objective without heating the objective. However, as described above, an objective that allows rapid temperature control is not available.

Die Erfindung bietet im Vergleich zu den herkömmlichen heizbaren Objektiven die folgenden weiteren Vorteile.The invention offers the following further advantages compared to the conventional heatable lenses.

Erstens kann die gewünschte Probentemperatur, wie zum Beispiel die Normaltemperatur eines Säugetiers, insbesondere 37°C bei der Untersuchung humaner Zellen, ohne Verzögerungen eingestellt werden, die sich auf die Probe auswirken. Der Anwender muss nicht warten, bis das Objektiv und das thermisch gekoppelte Mikroskop aufgeheizt sind. Von Vorteil sind insbesondere Anwendungen des erfindungsgemäßen Objektivs in Kombination mit herkömmlichen Mikroskopen, die mit Heizeinrichtungen an der Probenhalterung und/oder Heizeinrichtungen am Objektiv ausgestattet sind.First, the desired sample temperature, such as the normal temperature of a mammal, in particular 37 ° C in the study of human cells, can be adjusted without delays affecting the sample. The user does not have to wait for the lens and the thermally coupled microscope to heat up. Applications of the objective according to the invention in combination with conventional microscopes equipped with heaters on the sample holder and / or heaters on the objective are particularly advantageous.

Die Erfindung ermöglicht neue Verfahren zur Handhabung der Proben, die mit herkömmlichen Techniken nicht ausführbar waren. Beispielsweise kann die Reaktion von Zellen auf schnelle Temperaturänderungen über fluoreszierende Proteine direkt beobachtet werden. Hierzu können beispielsweise sogenannte „heat shock”-Proteine, „focal adhesion complex”-Moleküle und dgl. verwendet werden. Des Weiteren kann die Diffusionsdynamik in Lipid-Doppelschichten, verursacht durch lokale Temperaturänderungen, untersucht werden.The invention enables new methods of handling the samples that were not feasible with conventional techniques. For example, the response of cells to rapid temperature changes via fluorescent proteins can be directly observed. For this purpose, for example, so-called "heat shock" proteins, "focal adhesion complex" molecules and the like can be used. Of Furthermore, the diffusion dynamics in lipid bilayers caused by local temperature changes can be investigated.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung ist es, dass herkömmliche Objektive mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Heizeinrichtung problemlos nachgerüstet werden können und herkömmliche Mikroskope mit dem erfindungsgemäßen Objektiv ausgestattet werden können.Another important advantage of the invention is that conventional lenses can be easily retrofitted with the heating device provided according to the invention and conventional microscopes can be equipped with the objective according to the invention.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:Further details and advantages of the invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Show it:

1: zwei Seitenansichten (teilweise geschnitten) der Stirnseite eines Objektivs gemäß einer ersten Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung; 1 two side views (partially sectioned) of the front side of an objective according to a first variant of the first embodiment of the invention;

2: zwei Seitenansichten (teilweise geschnitten) der Stirnseite eines Objektivs gemäß einer zweiten Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung; 2 two side views (partially sectioned) of the front side of an objective according to a second variant of the first embodiment of the invention;

3: zwei Seitenansichten (teilweise geschnitten) der Stirnseite eines Objektivs gemäß einer dritten Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung; 3 two side views (partially in section) of the front side of a lens according to a third variant of the first embodiment of the invention;

4: Draufsichten auf die Stirnseiten von Objektiven gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform der Erfindung; 4 : Top views of the end faces of lenses according to the first and second embodiments of the invention;

5: eine perspektivische Draufsicht auf Objektivkörper; 5 a perspective top view of the lens body;

6: eine schematische Ansicht eines Mikroskops, das mit dem erfindungsgemäßen Objektiv ausgestattet ist; und 6 a schematic view of a microscope, which is equipped with the lens according to the invention; and

7: eine Illustration von Testergebnissen, die mit dem erfindungsgemäßen Objektiv erhalten wurden. 7 : an illustration of test results obtained with the objective according to the invention.

Die Erfindung wird beispielhaft unter Bezug auf ein Objektiv mit einer ITO-Temperierungseinrichtung zum Heizen erläutert, kann aber in gleicher Weise alternativ oder zusätzlich mit einer Temperierungseinrichtung zum Kühlen realisiert werden. Des Weiteren ist vorzugsweise eine Zusatz-Kühleinrichtung am Objektiv, z. B. als Manschette vorgesehen, um ein schnelles Abkühlen durch Abschalten der Heizeinrichtung zu ermöglichen.The invention is explained by way of example with reference to a lens with an ITO tempering device for heating, but can be realized in the same way alternatively or additionally with a tempering device for cooling. Furthermore, preferably an additional cooling device on the lens, z. B. provided as a cuff to allow rapid cooling by switching off the heater.

Die 1 bis 3 zeigen schematisch vergrößert zwei Seitenansichten (teilweise geschnitten) der Stirnseite eines Objektivs gemäß Varianten der ersten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Temperierungseinrichtung die Außenfläche (1), die Innenfläche (2) und/oder eine Zwischenfläche (3) der optischen Linse an der Stirnseite des Objektivs bedeckt ist. Das Objektiv 1 weist eine Vielzahl von Linsen auf, von denen nur die vorderste Linse 2 (Frontlinse) gezeigt ist. Die Temperierungseinrichtung umfasst eine elektrisch leitende Temperierungsschicht 3 (Nanobeschichtung) aus Indiumzinnoxid (Dicke: 100 nm), die auf der Linse 2 abgeschieden und über Kontaktschichten 5 (elektrische Leiterbahnen, hergestellt z. B. als dünne Schichten aus Kupfer, Dicke: 70 μm), mit einer Anschlussstelle 6 verbunden ist. Die Kontaktschichten 5 sind gegenüber ihrer Umgebung durch Isolationsschichten (nicht dargestellt), z. B. aus Aluminiumoxid, Dicke: 2 μm, elektrisch isoliert, und sie verlaufen bis zur Anschlussstelle 6 unter der äußeren Wand des Gehäuses des Objektivs 1. Die Anschlussstelle 6 ist mit einer Stromversorgungseinrichtung (nicht dargestellt) koppelbar. An die Temperierungsschicht 3 angrenzend ist ein Temperatursensor 4 angeordnet, der zur Überwachung der Temperatur durch den Nutzer des Mikroskops vorgesehen und/oder mit einem Regelkreis verbunden sein kann, um zur Regelung des Betriebsstroms der Stromversorgungseinrichtung verwendet zu werden.The 1 to 3 2 shows diagrammatically enlarged two side views (partially cut away) of the front side of a lens according to variants of the first embodiment of the invention, in which the temperature control device measures the outer surface (FIG. 1 ), the inner surface ( 2 ) and / or an interface ( 3 ) of the optical lens at the front of the lens is covered. The objective 1 has a plurality of lenses, of which only the foremost lens 2 (Front lens) is shown. The tempering device comprises an electrically conductive tempering layer 3 (Nanocoating) of indium tin oxide (thickness: 100 nm) placed on the lens 2 deposited and over contact layers 5 (Electrical conductor tracks, manufactured eg as thin layers of copper, thickness: 70 μm), with one connection point 6 connected is. The contact layers 5 are opposite their environment by insulating layers (not shown), z. B. of alumina, thickness: 2 microns, electrically isolated, and they extend to the junction 6 under the outer wall of the housing of the lens 1 , The connection point 6 is coupled to a power supply device (not shown). To the tempering layer 3 adjacent is a temperature sensor 4 arranged to be provided for monitoring the temperature by the user of the microscope and / or connected to a control circuit to be used to control the operating current of the power supply device.

Gemäß 3 ist die Temperierungsschicht 3 an einer Zwischenfläche der optischen Linse an der Stirnseite des Objektivs angeordnet. Die optische Linse umfasst zwei Teillinsen, die in Kontakt übereinander angeordnet sind (Sandwich-Anordnung), wobei die Temperierungsschicht 3 (Heizschicht) zwischen den Teillinsen angeordnet ist.According to 3 is the tempering layer 3 arranged on an intermediate surface of the optical lens on the front side of the lens. The optical lens comprises two partial lenses, which are arranged in contact one above the other (sandwich arrangement), wherein the tempering layer 3 (Heating layer) is arranged between the partial lenses.

4 zeigt Draufsichten auf die Stirnseite eines Objektivs 1. Gemäß der im linken Teil von 3 gezeigten Variante der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist die Temperierungsschicht 3 als Kreisringfläche an der Stirnseite des Objektivs 1 in der Umgebung der Linse 2 angeordnet, wobei die Kreisringfläche die Linse 2 unmittelbar umgibt und die Oberfläche der Linse 2 frei lässt. Die Temperierungsschicht 3 ist nicht-transparent und z. B. aus einer Kohlenstoffnanoröhrchen-Beschichtung hergestellt. Gemäß der im rechten Teil von 3 gezeigten Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Temperierungsschicht 3 wie in den 1 und 2 als Kreisfläche aus ITO an der Stirnseite des Objektivs 1 angeordnet, wobei die Kreisfläche die Linse 2 bedeckt. An die Temperierungsschicht 3 angrenzend sind in beiden Fällen der 3 seitliche Kontakte 3.1 angeordnet, die auch bei den Ausführungsformen gemäß den 1 und 2 vorgesehen sind. 4 shows plan views of the front side of a lens 1 , According to the in the left part of 3 shown variant of the second embodiment of the invention is the Temperierungsschicht 3 as a circular ring surface on the front of the lens 1 in the environment of the lens 2 arranged, wherein the annular surface of the lens 2 immediately surrounds and the surface of the lens 2 leaves free. The tempering layer 3 is non-transparent and z. B. made of a carbon nanotube coating. According to the in the right part of 3 shown variant of the first embodiment of the invention is the Temperierungsschicht 3 like in the 1 and 2 as a circle of ITO on the front of the lens 1 arranged, with the circular area the lens 2 covered. To the tempering layer 3 adjacent are in both cases the 3 lateral contacts 3.1 arranged, which also in the embodiments according to the 1 and 2 are provided.

5 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf Objektivkörper, um eine mögliche Anordnung der Kontaktschichten 5 zu illustrieren. Die Kontaktschichten 5 können von dem Gehäuse des Objektivs 1 bedeckt sein. 5 shows a perspective top view of the lens body to a possible arrangement of the contact layers 5 to illustrate. The contact layers 5 can from the housing of the lens 1 be covered.

6 zeigt ein Mikroskop 10, das mit dem Objektiv 1 ausgestattet ist. Das Mikroskop 10 ist zu Illustrationszwecken vereinfacht schematisch dargestellt und kann aufgebaut sein, wie es von herkömmlichen optischen Mikroskopen bekannt ist. Das Mikroskop 10 umfasst eine Probenhalterung 11, die mit einer Zusatz-Temperierungseinrichtung 12 ausgestattet ist. 6 shows a microscope 10 that with the lens 1 Is provided. The microscope 10 For the sake of illustration, it is schematically shown schematically and may be constructed as known from conventional optical microscopes. The microscope 10 includes a sample holder 11 equipped with an additional tempering device 12 Is provided.

7 zeigt eine Reihe von Testergebnissen, die durch Messungen mit einer Infrarot-Kamera an einem erfindungsgemäßen Objektiv erhalten wurden. Die obere Reihe zeigt, dass nach Einschalten der Stromversorgungseinrichtung innerhalb von 6 s ein gleichmäßiges Temperaturfeld im Gesichtsfeld des Objektivs einstellbar ist. Nach Abschalten der Stromversorgungseinrichtung ergibt sich entsprechend eine schnelle, gleichmäßige Abkühlung. Die Bildsequenzen zeigen das erste Bild beispielhaft bei einem Ausgangswert von ca. 9°C. Hierzu wurde das Objektiv mit einer Zusatz-Wasserkühlung zunächst abgekühlt. Anschließend kann dann mit der Heizschicht gegen das gekühlte Objektiv eine Linsentemperatur von z. B. 37°C (im Fall von Zellen) eingestellt werden, und es bietet sich die Option, diese Temperatur schnell durch Heizen zu erreichen bzw. durch die Zusatz-Wasserkühlung eine schnelle Kühlung zu erreichen. 7 shows a series of test results obtained by measurements with an infrared camera on a lens according to the invention. The top row shows that after switching on the power supply unit within 6 s a uniform temperature field in the field of view of the lens is adjustable. After switching off the power supply device results in accordance with a fast, uniform cooling. The image sequences show the first image as an example with an initial value of approx. 9 ° C. For this purpose, the lens was first cooled with an additional water cooling. Then can then with the heating layer against the cooled lens a lens temperature of z. B. 37 ° C (in the case of cells) can be set, and there is the option to achieve this temperature quickly by heating or to achieve by the additional water cooling rapid cooling.

Die in der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Ausführungsformen der Erfindung können einzeln oder in Kombination für die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung von Bedeutung sein.The embodiments of the invention disclosed in the present specification, the drawings and the claims may be of importance individually or in combination for the various embodiments of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006034534 A1 [0006]

Claims

Lens, in particular for a microscope, comprising: - At least one optical lens, and - A tempering device, wherein - The temperature control device is arranged on a front side of the lens.

Lens according to claim 1, wherein - The tempering at least partially covers an outer surface, an inner surface and / or an intermediate surface of the optical lens on the front side of the lens.

Lens according to claim 2, wherein - The tempering device is made of an optically transparent semiconductor material, in particular indium tin oxide.

Lens according to one of the preceding claims, in which - The tempering device is arranged in a surrounding region of the optical lens on the end face of the lens, and / or - The tempering device is at least partially covered by a housing of the lens.

Lens according to claim 4, wherein - The tempering device leaves an optical beam path through the optical lens.

Lens according to one of the preceding claims, wherein - The temperature control comprises a Temperierungsschicht.

Lens according to claim 6, wherein - The Temperierungsschicht has a thickness of less than 500 nm, in particular less than 100 nm.

Lens according to one of the preceding claims, in which - Contact layers are provided, which are electrically isolated with respect to the lens and adapted to supply the temperature control device with an operating current.

Lens according to one of the preceding claims, in which - The front side is equipped with a temperature sensor.

Lens according to one of the preceding claims, in which The temperature control device comprises a resistance heating device, and / or - The temperature control device comprises an electrical cooling device.

Lens according to one of the preceding claims, in which - A control loop for controlling the temperature of the front side is provided.

Lens according to one of the preceding claims, in which - An additional cooling device is provided for cooling the lens.

Microscope equipped with a lens according to one of the preceding claims.

Microscope according to claim 13, comprising A sample holder for receiving a sample, and - An additional temperature control device with which the sample on the sample holder and / or the lens is temperature controlled.

A method for tempering a lens, in particular a microscope objective, having the features according to one of the preceding claims, in which - The temperature control device is acted upon by an electric current to adjust the temperature at the end face of the lens.

Use of an indium tin oxide layer for tempering a microscope objective.