A konfokális mikroszkópia (confokális lézer pásztázó mikroszkópia, CLSM ( angolul confocal laser scanning microscopy )) a klasszikus fénymikroszkópiához képest jelentős kontraszttal és térbeli felbontással rendelkező fényoptikai mikroszkóp típus, amelyet a képsíkban elhelyezett tűlyukkal (pinhole) érnek el, ill. a nem a lencse fókuszsíkjából kibocsátott háttérszórt fény áramlásának korlátozása [1] . Ez lehetővé teszi, hogy a mintán belül a fókuszsík különböző mélységeiben képsorozatokat készítsünk (ún. a minta mélységi optikai metszete), majd ezekből a sorozatokból rekonstruáljuk a minta háromdimenziós képét. A konfokális mikroszkópiát széles körben alkalmazzák a biológiában, az orvostudományban, az anyagtudományban és a félvezetőfizikában.
1940-ben Hans Goldmann, a svájci berni szemész kifejlesztett egy réslámpás rendszert a szemvizsgálatok dokumentálására [2] . Ezt a rendszert néhány későbbi szerző az első konfokális optikai rendszernek tekinti. [3] [4]
1943-ban Zun Koana kiadta a konfokális rendszert. [3] 1951-ben Hiroto Naora, Koana munkatársa leírta a konfokális mikroszkópot a Science for spektrofotometriában [5] .
Az 1950-es években a biológusoknak növelniük kellett a fluorokrómmal jelölt tárgyak képeinek kontrasztját vastag szövetmetszetekben [6] . A probléma megoldására Marvin Minsky , az Egyesült Államok Massachusetts Institute of Technology professzora konfokális séma alkalmazását javasolta fluoreszcens mikroszkópokhoz. 1957-ben Minsky szabadalmat kapott erre a rendszerre [7] .
Az 1960-as években Mojmir Petran csehszlovák tudós, a Pilsen-i Károly Egyetem Orvostudományi Karának munkatársa kifejlesztette a Tandem Scanning Microscope-ot, az első kereskedelmi forgalomban lévő konfokális mikroszkópot, amely forgó korongot – a Nipkow-korongot – használt több pontszerű gerjesztési forrás létrehozására és lokalizálására. és sugárzás. [8] [9]
Petran és kollégája, Milan Hadravsky 1966-ban nyújtott be csehszlovák szabadalmat. David Egger, a Yale Egyetem munkatársa és közvetlenül Mojmir Petran 1967-ben jelent meg a Science folyóiratban [10] . Egy második publikáció 1968-ban ismerteti a műszer elméletét és műszaki részleteit [11] . 1970-ben a találmányt szabadalmaztatták az Egyesült Államokban. [12]
1969-ben és 1971-ben David Egger és Paul Davidovich, a Yale Egyetem tudósai úttörő tanulmányokat tettek közzé az első konfokális lézeres pásztázó mikroszkópról [13] [14] Pontszkenner volt, vagyis csak egy megvilágítási folt keletkezett. Az idegszövet megfigyelésére visszavert fényben epi-megvilágítást alkalmaztak. Koherens sugárzás forrásaként egy 5 mW -os , 633 nm hullámhosszú hélium-neon lézert használtak. A lézersugarat egy félig átlátszó tükör verte vissza az objektív irányába . Az objektív egy egyszerű objektív volt, 8,5 mm-es gyújtótávolsággal. Az összes korábbi (és későbbi konfokális rendszerektől) eltérően a mintát ennek az objektívnek a mozgásával szkennelték (objektív szkennelés), ami a fókuszpont elmozdulásához vezetett. A visszavert fényt visszavezették egy áttetsző tükörbe, egy másik lencsével egy membránra ( pinhole ) fókuszálva, amely mögött egy fénysokszorozó csövet helyeztek el . A jelet CRT oszcilloszkóppal vizualizáltuk , a katódsugár a lencsével egyidejűleg mozgott. Egy speciális adapter segítségével Polaroid kamerán lehetett fotózni. Az így kapott fényképek közül hármat egy 1971-es közleményben [14] közöltek .
Marvin Minsky konfokális pásztázó mikroszkópjának lézersugárzást alkalmazó sémáit is kidolgozták [15] . A kutatók figyelme a jövőben a fluoreszcens festékek in vivo vizsgálatokhoz való felhasználásának elemzésére, valamint a konfokális képek minőségének javítására irányult a fluoreszcens sugárzás intenzitásának növelésével.
Colin J. R. Sheppard és Amargioti Chowdhury 1977-ben publikált egy elméleti elemzést a konfokális és lézeres pásztázó mikroszkópokról. [16] Valószínűleg ez volt az első olyan tudományos publikáció, amely a "konfokális mikroszkóp" kifejezést használta. [17] 1978-ban Christoph Kremer és Thomas Kremer kiadtak egy konfokális lézeres pásztázó mikroszkóp tervet, amely fluoreszcens gerjesztést és elektronikus autofókuszt használ. [18] Ez a CLSM modell volt az első, amely a lézeres szkennelést kombinálta a fluoreszcens markerekkel jelölt biológiai objektumok volumetrikus detektálásával. 1978-ban és 1980-ban Colin Sheppard és Tony Wilson oxfordi csoportja egy konfokális rendszert írt le epilézeres megvilágítással, pásztázó fokozattal és fénysokszorozókkal, mint detektorokkal. Az asztal az optikai tengely mentén mozoghatott, ami lehetővé tette a háromdimenziós optikai rétegenkénti metszés végrehajtását [17] . 1979-ben Fred Brackenhoff és munkatársai bebizonyították, hogy az optikai metszet és a jobb optikai felbontás elméleti előnyei a gyakorlatban valóban elérhetőek. [19] 1983-ban I. Cox és S. Sheppard publikálta az első munkát, amelyben a konfokális mikroszkópot személyi számítógép vezérelte. [húsz]
Az 1980-as évek közepén William Bradshaw Amos és John Gralham White és munkatársai a Cambridge-i Molekuláris Biológiai Laboratóriumban megépítették az első konfokális lézerszkenner mikroszkópot. [21] [22] Optikai sémájában a pásztázást a fénysugár szekvenciális minta feletti mozgatásával végezték, nem pedig a mintatáblázat mozgatásával. Ez a séma lehetővé tette a szkennelési sebesség jelentős növelését az inerciális mechanikus letapogató rendszerek elutasítása miatt, és akár négy képkocka / másodperc sebesség elérését (mindegyik 512 sor). [21]
Ezzel párhuzamosan az Egyesült Királyság Orvosi Kutatási Tanácsa (MRC) támogatta egy modern kereskedelmi konfokális mikroszkóp prototípusának kifejlesztését, amelyet később a Bio-Rad megvásárolt, számítógép-vezérléssel és "MRC 500" néven forgalmazták. Az MRC 600 utódja később az első kétfoton fluoreszcens mikroszkóp kifejlesztésének alapja lett, amelyet 1990-ben fejlesztettek ki a Cornell Egyetemen. [19]
A Stockholmi Egyetemen végzett kutatás nagyjából ugyanebben az időben a kereskedelmi CLSM Sarastro-vá is átalakult. [23]
A vállalkozást 1990-ben vásárolta meg a Molecular Dynamics [24] , de a rendszer további fejlesztését végül felhagyták.
1989-ben Fritz Karl és Eckhard Praikschat feltalálta a pásztázó lézerdióda mikroszkópot a részecskeméret elemzésére. [25] [26]
Németországban az 1984-ben alapított Heidelberg Instruments fejlesztette ki a CLSM technológiát, amelyet eredetileg ipari alkalmazásokra szántak, nem biológiára. Az 1990-es évek elején ezt a technológiát a Leica Lasertechnik és a Carl Zeiss aktívan fejlesztette , amelyek akkoriban már sikeresen állítottak elő fénymikroszkópokat megvalósított lézersugaras letapogató sémával, amelyeket később konfokális rendszerré fejlesztettek [27] .
A hagyományos fénymikroszkóp optikai sémája a minta teljes , az alkalmazott mikroobjektív mélységélességében elhelyezkedő részének, a konfokális mikroszkóp pedig az objektum egy nagyon vékony metszetének képét képezi azonos mélységi szinten. A CLSM módszert lényegében az optikai rendszer fókuszmélységének szabályozásával érik el.
A konfokális képalkotás elvét 1957-ben Marvin Minsky [28] [29] szabadalmaztatta, és célja a hagyományos fluoreszcens mikroszkópok korlátainak leküzdése. A hagyományos (széles látószögű) fluoreszcens mikroszkópban a teljes mintát egyenletesen megvilágítja a mikroszkóp sugárforrása. Ebben az esetben a teljes mintát egyidejűleg besugározzák és gerjesztik, és a keletkező fluoreszcenciát fotodetektorral vagy mikroszkópos kamerával detektálják, beleértve az objektum nagy háttérrészét is. Ezzel szemben a konfokális mikroszkóp egy spotlámpát (lásd a pontszórási funkciót ) és a detektor előtti optikai konjugált síkban lévő tűlyukat használ az életlen jelek kiküszöbölésére. A fluoreszcens sugárzást tehát csak a fókuszsíkból érzékeljük, így a kép optikai felbontása, különösen a Z tengely mentén (a minta mélysége mentén), sokkal nagyobb, mint a hagyományos fénymikroszkópoké. Mivel azonban a mintából származó fluoreszcencia nagy része blokkolva van, a felbontás növekedése a hasznos jel intenzitásának csökkenésével jár. Ennek a mellékhatásnak a kompenzálására hosszabb detektorexpozíciót és nagy érzékenységű fotodetektorokat, általában PMT - t vagy lavina fotodiódát használnak, amelyek az optikai jelet elektromos jellé alakítják, majd ezt követi a személyi számítógépen történő regisztráció [30] .
Mivel a mintán csak egy fluoreszcens pont van rögzítve, a minta raszteres letapogatása szükséges a 2D vagy 3D kép elkészítéséhez. A lézersugár a minta mentén vízszintes síkban mozog egy vagy több szabályozott dőlésszögű tükör segítségével. Ennek a szkennelési módszernek általában alacsony a beolvasási sebessége, amely azonban változhat. Például a lassabb pásztázás jobb jel-zaj arányt biztosít, ami jobb kontrasztot és nagyobb felbontást eredményez.
Mint ismeretes, a CLSM mélységélessége egyenesen arányos a felhasznált sugárzás hullámhosszával és fordítottan arányos a mikroobjektív numerikus apertúrájával, valamint függ a minta optikai tulajdonságaitól is. Ennek köszönhetően a 3D objektumok egy pontjának szoftveres rekonstrukciója a CLSM-ben történik különböző algoritmusok segítségével. A legelterjedtebb az intenzitásmaximum keresési algoritmusa. [31]
A konfokális mikroszkóp felbontása megegyezik a hagyományos mikroszkópéval, és a diffrakciós határ korlátozza .
ahol a sugárzás hullámhossza, az objektív numerikus apertúrája, a minta és az objektív közötti közeg törésmutatója, fele annak a szögnek, amelyet az objektív „befog”. A látható tartományban a felbontás ~ 250 nm (NA=1,45, n=1,51), azonban az elmúlt években sikeresen fejlesztettek ki olyan mikroszkópterveket, amelyek a minták fluoreszcenciájának nemlineáris tulajdonságait használják ki. Ebben az esetben a diffrakciós határnál jóval kisebb felbontást érünk el, és ~3-10 nm [32] [33] [34] [35] .
Tekintsük most a kontraszt növelésének kérdését konfokális optikai séma használatakor. Először is, mivel a fény kétszer halad át a lencsén konfokális mikroszkópban, a pontelmosás funkció (a továbbiakban: PSF ) a következő formájú:
,
ahol Pconf a konfokális pont elmosódási függvénye, p pedig a szabályos pontelmosási függvény.
Így a fókuszsík elérhető vastagságát főként az alkalmazott sugárzás hullámhosszának és az objektív numerikus apertúrájának a hányadosa határozza meg, és függ a minta optikai tulajdonságaitól is. Vékony optikai metszetüknek köszönhetően az ilyen típusú mikroszkópok különösen alkalmasak 3D-s képalkotásra és minták felületi profilozására.
A szekvenciális szeletek egy "z-verem"-et alkotnak, amelyet bizonyos szoftverek feldolgozhatnak 3D-s renderelt kép létrehozásához, vagy 2D-s veremben jeleníthetők meg közzététel céljából, a közös intenzitású maximális keresési algoritmusnak köszönhetően. [31]
A konfokális mikroszkópia közvetlen, nem invazív szekvenciális optikai metszetet biztosít ép vastag élő mintákról minimális előkészítési igénnyel, valamint a hagyományos fénymikroszkópiához képest nagyobb laterális felbontással [36] [37] . A biológiai mintákat jellemzően fluoreszcens festékkel ellenfestik, hogy láthatóvá tegyék specifikus régióikat vagy organellumaikat. A tényleges festékkoncentráció azonban nagyon alacsonyan tartható a biológiai rendszerekre gyakorolt hatás minimalizálása érdekében. Így egyes konfokális rendszerek képesek nyomon követni az egyes fluoreszcens molekulákat [38] . Ezenkívül a transzgenikus technológiák olyan organizmusokat hozhatnak létre, amelyek saját fluoreszcens kiméra molekulákat termelnek (GFP-vel, zöld fluoreszcens proteinnel jelölve) [39] .
A nagy kontrasztú konfokális lézeres pásztázó mikroszkóp két felbecsülhetetlen értékű lehetőséget kínál: lehetővé teszi a szövetek sejtszintű vizsgálatát fiziológiai vitalitás állapotában, valamint négy dimenzióban - magasság, szélesség, - a sejtaktivitás eredményeinek (dinamikájának) értékelését. mélység és idő. [40]
A Rayleigh-kritériumot alkalmazva a felbontásra (merülés az eloszlási maximum 26%-a) azt tapasztaljuk, hogy a konfokális mikroszkóp felbontása nő, de nem szignifikánsan. Konfokális mikroszkóp esetén a felbontás (r c ) a következőképpen definiálható [8] [41] [1] :
,
ahol n a relatív törésmutató, D az optikai rendszer bemeneti pupillájának átmérője, λ a hullámhossz, F a mikroobjektív gyújtótávolsága, θ a mikroobjektív nyílásszöge, λ'=λ/n . Hagyományos fénymikroszkóp esetén a felbontás (r r ):
A konfokális mikroszkóp fő előnye azonban nem a Rayleigh-kritérium értelmében vett felbontásnövekedés, hanem a kontraszt jelentős növekedése. A fókuszsíkban lévő hagyományos PSF esetében az első oldalsó maximum amplitúdójának és a fő maximum amplitúdójának aránya 2%, konfokális mikroszkóp esetén ez az arány 0,04%.
A konfokális mikroszkópia növeli a kép kontrasztját az analízis területén fókuszált megvilágítás (gerjesztés) és a képsíkban lévő fluoreszcens írisz használatával. Ez a kontrasztnövekedés akár 200:1 intenzitáskülönbségű objektumok felbontását is eredményezi, valamint a felbontás növekedését is biztosítja mind az objektum síkjában, mind az optikai tengely mentén. A kontraszt növelése mellett a fluoreszcens konfokális mikroszkópia lehetővé teszi a vizsgált tárgy lépésről lépésre történő háromdimenziós rekonstrukcióját többpontos megvilágítás használatával. A pásztázó konfokális mikroszkópia legfejlettebb módszerei közül kiemelendő a mikromembránnal ellátott letapogató lemez és a mátrix fotodetektorok [2] alkalmazása .
Ma már léteznek olyan módszerek, amelyekkel jelentősen meg lehet növelni a konfokális mikroszkóp felbontását. A hagyományos konfokális mikroszkópban a gerjesztő fényt a minta egyetlen pontjára fókuszálják, majd emissziós fluoreszcens jelet észlelnek. A fókuszon kívüli emissziós sugárzást egy tűlyuk (pinhole) vágja le, amelynek mérete meghatározza, hogy az Airy lemez hány maximuma éri el a detektort. A membrán (csaplyuk) átmérőjének csökkentésével a felbontás növelése érhető el, de a jel-zaj viszony jelentősen csökken a membránon áthaladó emissziós sugárzás intenzitásának csökkenése miatt. Az ilyen szkennelés alternatívája a tömbdetektorok [42] [43] használata , amelyek egyidejűleg regisztrálják az intenzitáseloszlást a minta oldalsíkja mentén az Airy lemez teljes területéről, ahol minden fényérzékeny elem egy fényérzékeny elemként funkcionál. lyuknyílás. Így a 32 csatornás mátrixdetektorral (Airyscan [44] [45] ) végzett detektálási algoritmus segítségével kimutatták, hogy mindhárom dimenzióban több mint 1,7-szeresre lehet túllépni a klasszikus felbontási határt (diffrakciós határt): 140 nm-ig oldalirányban és 400 nm axiálisan 488 nm hullámhosszon [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] .
A CLSM-et széles körben használják a biológia szinte minden ágában, a sejtbiológiától és a genetikától a mikrobiológiáig és a fejlődésbiológiáig. Kvantumoptikában és nanokristályos képalkotásban és spektroszkópiában is használják.
Biológia és orvostudományKlinikailag a CLSM-et különféle szembetegségek vizsgálatára használják, különösen a szaruhártya endothelsejtek képalkotására, kvalitatív elemzésére és mennyiségi meghatározására [53] . Keratomycosis esetén a szaruhártya stromában található fonalas gombaszálak lokalizálására és azonosítására használják, lehetővé téve a gyors diagnózist és a helyes terápia korai alkalmazását. Ígéretesnek tűnik az endoszkópos eljárások ( endomikroszkópia ) elvégzése is a CLSM módszerrel [54] . A gyógyszeriparban ezt a megközelítést javasolták a vékonyfilmes gyógyszerformák gyártási folyamatának nyomon követésére, a gyógyászati anyagok minőségének és egyenletes eloszlásának ellenőrzésére.
Optika és krisztallográfiaA CLSM-et adat-helyreállítási mechanizmusként használják egyes 3D optikai adattároló rendszerekben vagy kémiai vegyületleképezésben, valamint a félvezetőfizikában és a spintronikában (különösen az NV-központok tulajdonságainak tanulmányozásában ). [55] [56] .
Konfokális képsorozat (z-stack), amely bemutatja az aktin filamentumok eloszlását az U2OS osteosarcoma sejtvonalban
Rögzített HeLa sejtek magjáról készült konfokális képsorozat 3D rekonstrukciója, transzgenikus kiméra fehérje hiszton H2B-GFP
β- tubulin csillós Tetrahymenában
Pteridium aquilinum levél metszete
A Lycopodium annotinum szár keresztmetszetének konfokális képe
Dryopleris filix-mas levél keresztmetszete
„1 euro” érme töredékének konfokális képe
A mitotikus mikrotubulusok kétcsatornás konfokális képe
Szótárak és enciklopédiák | |
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |