Konfokalmikroskopi (confocal laser scanning microscopy, CLSM ( engelsk confocal laser scanning microscopy )) er en type lysoptisk mikroskopi med signifikant kontrast og rumlig opløsning sammenlignet med klassisk lysmikroskopi, som opnås ved hjælp af et nålehul (nålhul) placeret i billedplan og begrænser strømmen af spredt baggrundslys, der ikke udsendes fra linsens brændplan [1] . Dette gør det muligt at opnå serier af billeder i forskellige dybder af brændplanet inde i prøven (såkaldt optisk sektionering af prøven i dybden), og derefter rekonstruere et tredimensionelt billede af prøven fra disse serier. Konfokal mikroskopi har været meget brugt i biologi, medicin, materialevidenskab og halvlederfysik.
I 1940 udviklede Hans Goldmann, en øjenlæge i Bern, Schweiz, et spaltelampesystem til at dokumentere øjenundersøgelser [2] . Dette system betragtes af nogle senere forfattere som det første konfokale optiske system. [3] [4]
I 1943 udgav Zun Koana det konfokale system. [3] I 1951 beskrev Hiroto Naora, en kollega til Koana, det konfokale mikroskop i Science for spectrophotometry [5] .
I 1950'erne var biologer nødt til at øge kontrasten af billeder af fluorokrom-mærkede objekter i tykt vævssnit [6] . For at løse dette problem foreslog Marvin Minsky , en professor ved Massachusetts Institute of Technology i USA, at bruge et konfokalskema til fluorescensmikroskoper. I 1957 modtog Minsky et patent på denne ordning [7] .
I 1960'erne udviklede den tjekkoslovakiske videnskabsmand Mojmir Petran fra det medicinske fakultet ved Charles University i Pilsen Tandem Scanning Microscope, det første kommercielle konfokale mikroskop, der brugte en roterende disk - Nipkow disken - til at skabe og lokalisere flere punktkilder til excitation og stråling. [8] [9]
Et tjekkoslovakisk patent blev indgivet i 1966 af Petran og hans kollega Milan Hadravsky. Den første videnskabelige publikation med data og billeder opnået ved hjælp af dette mikroskop, af David Egger fra Yale University og Mojmir Petran selv, blev offentliggjort i tidsskriftet Science i 1967 [10] . En anden publikation i 1968 beskriver instrumentets teori og tekniske detaljer [11] . I 1970 blev opfindelsen patenteret i USA. [12]
I 1969 og 1971 videnskabsmændene David Egger og Paul Davidovich fra Yale University udgav banebrydende artikler, der beskrev det første konfokale laserscanningsmikroskop [13] [14] Det var en punktscanner, det vil sige, at der kun blev genereret én plet af belysning. De brugte epi-belysning i reflekteret lys til at observere neuralt væv. En 5 mW helium-neon laser med en bølgelængde på 633 nm blev brugt som en kilde til kohærent stråling. Laserstrålen blev reflekteret af et halvgennemsigtigt spejl i retning af objektivet . Objektivet var et simpelt objektiv med en brændvidde på 8,5 mm. I modsætning til alle tidligere (og efterfølgende senere designs af konfokale systemer) blev prøven scannet ved bevægelsen af denne linse (objektiv scanning), hvilket førte til bevægelsen af fokuspunktet. Det reflekterede lys blev returneret til et gennemskinnelig spejl, fokuseret af en anden linse på en membran ( nålhul ), bag hvilken der var anbragt et fotomultiplikatorrør . Signalet blev visualiseret ved hjælp af et CRT - oscilloskop , katodestrålen bevægede sig samtidigt med linsen. Ved hjælp af en speciel adapter var det muligt at tage billeder på et polaroid-kamera. Tre af fotografierne opnået på denne måde blev offentliggjort i et papir fra 1971 [14] .
Skemaerne for Marvin Minskys konfokale scanningsmikroskop ved hjælp af laserstråling er også blevet udviklet [15] . I fremtiden blev forskernes hovedopmærksomhed rettet mod analysen af brugen af fluorescerende farvestoffer til in vivo-undersøgelser og forbedring af kvaliteten af konfokale billeder ved at øge intensiteten af fluorescerende stråling.
I 1977 udgav Colin J. R. Sheppard og Amargioti Chowdhury en teoretisk analyse af konfokale og laserscanningsmikroskoper. [16] Dette var sandsynligvis den første videnskabelige publikation, der brugte udtrykket "konfokalmikroskop". [17] I 1978 udgav Christoph Kremer og Thomas Kremer et design til et konfokalt laserscanningsmikroskop ved hjælp af fluorescerende excitation med elektronisk autofokus. [18] Denne CLSM-model var den første til at kombinere laserscanning med volumetrisk påvisning af biologiske objekter mærket med fluorescerende markører. I 1978 og 1980 beskrev Oxford-gruppen af Colin Sheppard og Tony Wilson et konfokalt system med epi-laserbelysning, et scanningstrin og fotomultiplikatorer som detektorer. Bordet kunne bevæge sig langs den optiske akse, hvilket gjorde det muligt at udføre tredimensionel optisk lag-for-lag opskæring [17] . I 1979 demonstrerede Fred Brackenhoff og kolleger, at de teoretiske fordele ved optisk sektionering og forbedret optisk opløsning faktisk var opnåelige i praksis. [19] I 1983 udgav I. Cox og S. Sheppard det første værk, hvor et konfokalt mikroskop blev styret af en personlig computer. [tyve]
I midten af 1980'erne byggede William Bradshaw Amos og John Gralham White og kolleger ved Molecular Biology Laboratory i Cambridge det første konfokale laserscanningsmikroskop. [21] [22] I hans optiske skema blev scanning udført ved sekventielt at flytte lysstrålen over prøven og ikke ved at flytte prøvebordet. Denne ordning gjorde det muligt at øge scanningshastigheden betydeligt på grund af afvisningen af inerti-mekaniske scanningssystemer og opnå en hastighed på op til fire billeder i sekundet (512 linjer i hver). [21]
Sideløbende sponsorerede UK Medical Research Council (MRC) udviklingen af en prototype af et moderne kommercielt konfokalmikroskop, som senere blev erhvervet af Bio-Rad, computerstyret og kommercialiseret som "MRC 500". Efterfølgeren til MRC 600 blev senere grundlaget for udviklingen af det første to-foton fluorescensmikroskop, udviklet i 1990 ved Cornell University. [19]
Forskning udført ved Stockholms Universitet omkring samme tid udviklede sig også til det kommercielle CLSM Sarastro. [23]
Virksomheden blev opkøbt i 1990 af Molecular Dynamics [24] , men videreudviklingen af systemet blev til sidst opgivet.
I 1989 opfandt Fritz Karl og Eckhard Praikschat det scannende laserdiodemikroskop til partikelstørrelsesanalyse. [25] [26]
I Tyskland udviklede Heidelberg Instruments, grundlagt i 1984, CLSM-teknologi, som oprindeligt var beregnet til industrielle anvendelser, ikke biologi. I begyndelsen af 1990'erne blev denne teknologi aktivt udviklet af Leica Lasertechnik og Carl Zeiss , som på det tidspunkt allerede med succes producerede lysmikroskoper med et implementeret laserstrålescanningsskema, som senere blev opgraderet til konfokale systemer [27] .
Det optiske skema af et konventionelt lysmikroskop danner et billede af hele den del af prøven, der er placeret i dybdeskarpheden af det brugte mikroobjekt, og det konfokale mikroskop danner et billede af et meget tyndt udsnit af objektet på samme dybdeniveau. I det væsentlige opnås CLSM-metoden ved at kontrollere det optiske systems fokusdybde.
Princippet om konfokal billeddannelse blev patenteret i 1957 af Marvin Minsky [28] [29] og har til formål at overvinde nogle af begrænsningerne ved traditionelle fluorescensmikroskoper. I et konventionelt (bredfelt) fluorescerende mikroskop er hele prøven ensartet belyst af mikroskopets strålingskilde. I dette tilfælde bliver hele prøven bestrålet og exciteret samtidigt, og den resulterende fluorescens detekteres ved hjælp af en fotodetektor eller et mikroskopkamera, inklusive en stor baggrundsdel af objektet. I modsætning hertil bruger et konfokalt mikroskop et spotlys (se punktspredningsfunktion ) og et nålehul i det optiske konjugerede plan foran detektoren for at eliminere ufokuseret signal. Fluorescerende stråling detekteres således kun fra brændplanet, så den optiske opløsning af billedet, især langs Z-aksen (langs prøvens dybde), er meget højere end for konventionelle lysmikroskoper. Men da det meste af fluorescensen fra prøven er blokeret, er en stigning i opløsning ledsaget af et fald i intensiteten af det nyttige signal. For at kompensere for denne bivirkning bruges en længere detektoreksponering og meget følsomme fotodetektorer, normalt en PMT eller en lavinefotodiode , som omdanner det optiske signal til et elektrisk, efterfulgt af registrering på en personlig computer [30] .
Da der kun er registreret én fluorescerende prik på prøven, kræves en rasterscanning af prøven for at danne et 2D- eller 3D-billede. Laserstrålen bevæger sig langs prøven i et vandret plan ved hjælp af et eller flere spejle med en kontrolleret hældningsvinkel. Denne scanningsmetode har normalt en lav scanningshastighed, som dog kan variere. For eksempel giver langsommere scanning et bedre signal-til-støj-forhold, hvilket resulterer i bedre kontrast og højere opløsning.
Som det er kendt, er dybdeskarpheden af CLSM direkte proportional med bølgelængden af den anvendte stråling og omvendt proportional med mikroobjektivets numeriske apertur og afhænger også af prøvens optiske egenskaber. På grund af dette foregår softwarerekonstruktion af et punkt af 3D-objekter i CLSM ved hjælp af forskellige algoritmer. Den mest almindelige er algoritmen til at søge efter maksimalt intensitet. [31]
Et konfokalt mikroskop har samme opløsning som et konventionelt mikroskop og er begrænset af diffraktionsgrænsen .
hvor er strålingens bølgelængde, er objektivets numeriske apertur, er brydningsindekset for mediet mellem prøven og objektivet, er halvdelen af den vinkel, som objektivet "fanger". I det synlige område er opløsningen ~ 250 nm (NA=1,45, n=1,51), men i de senere år er der med succes udviklet mikroskopdesigns, der bruger de ikke-lineære egenskaber af fluorescensen af prøver. I dette tilfælde opnås en opløsning, der er meget mindre end diffraktionsgrænsen og beløber sig til ~3-10 nm [32] [33] [34] [35] .
Lad os nu overveje spørgsmålet om at øge kontrasten, når du bruger et konfokalt optisk skema. For det første, da lys passerer gennem linsen to gange i et konfokalt mikroskop, har punktsløringsfunktionen (herefter benævnt PSF ) følgende form:
,
hvor Pconf er den konfokale punktslørfunktion og p er den almindelige punktsløringsfunktion.
Den opnåelige tykkelse af brændplanet bestemmes således hovedsageligt af bølgelængden af den anvendte stråling divideret med objektivets numeriske apertur og afhænger også af prøvens optiske egenskaber. På grund af deres tynde optiske snit er disse typer mikroskoper særligt gode til 3D-billeddannelse og overfladeprofilering af prøver.
Sekventielle udsnit danner en "z-stak", der kan behandles af bestemt software for at skabe et 3D-gengivet billede eller præsenteres i en 2D-stak til offentliggørelse, takket være en fælles intensitets maksimal søgealgoritme. [31]
Konfokal mikroskopi giver direkte, ikke-invasiv sekventiel optisk opskæring af intakte tykke levende prøver med minimale krav til forberedelse, såvel som højere lateral opløsning sammenlignet med konventionel lysmikroskopi [36] [37] . Typisk modfarves biologiske prøver med fluorescerende farvestoffer for at visualisere deres specifikke områder eller organeller. Den faktiske farvestofkoncentration kan dog holdes meget lav for at minimere påvirkningen af biologiske systemer. Således kan nogle konfokale systemer spore individuelle fluorescerende molekyler [38] . Derudover kan transgene teknologier skabe organismer, der producerer deres egne fluorescerende kimære molekyler (mærket med GFP, grønt fluorescerende protein) [39] .
Et konfokalt laserscanningsmikroskop med høj kontrast giver to uvurderlige muligheder: det giver dig mulighed for at undersøge væv på cellulært niveau i en tilstand af fysiologisk vitalitet, samt evaluere resultaterne (dynamikken) af cellulær aktivitet i fire dimensioner - højde, bredde, dybde og tid. [40]
Ved at anvende Rayleigh-kriteriet for opløsning (dip 26% af fordelingsmaksimum), finder vi, at opløsningen i det konfokale mikroskop stiger, men ikke signifikant. For et konfokalt mikroskop er opløsningen (r c ) defineret som følger [8] [41] [1] :
,
hvor n er det relative brydningsindeks, D er diameteren af indgangspupillen til det optiske system, λ er bølgelængden, F er brændvidden af mikroobjektivet, θ er blændevinklen for mikroobjektivet, λ'=λ/n . For et konventionelt lysmikroskop, opløsning (r r ):
Den største fordel ved et konfokalt mikroskop er dog ikke en stigning i opløsning i Rayleigh-kriteriets forstand, men en signifikant stigning i kontrast. Især for en konventionel PSF i brændplanet er forholdet mellem amplituden i det første laterale maksimum og amplituden af hovedmaksimumet 2%; for et konfokalt mikroskop vil dette forhold være 0,04%.
Konfokal mikroskopi giver en stigning i billedkontrasten gennem brug af fokuseret belysning (excitation) i området for analyse og fluorescens iris i billedplanet. Denne stigning i kontrast resulterer i muligheden for at opløse objekter med en forskel i intensitet på op til 200:1 og giver også en stigning i opløsning, både i objektplanet og langs den optiske akse. Sammen med at øge kontrasten gør fluorescerende konfokalmikroskopi det muligt at give en trin-for-trin tredimensionel rekonstruktion af det undersøgte objekt ved brug af flerpunktsbelysning. Blandt de mest avancerede metoder til scanning af konfokal mikroskopi bør brugen af en scanningsdisk med mikromembraner og brugen af matrixfotodetektorer [2] fremhæves .
I dag findes der metoder, der markant kan øge opløsningen af et konfokalmikroskop. I et konventionelt konfokalt mikroskop fokuseres excitationslyset til et enkelt punkt på prøven, efterfulgt af påvisning af et emissionsfluorescerende signal. Ufokuseret emissionsstråling afskæres af et nålehul (nålehul), hvis størrelse bestemmer, hvor mange maxima af Airy-skiven der når detektoren. En stigning i opløsning kan opnås ved at reducere diameteren af membranen (pinhole), men signal-til-støj-forholdet vil falde betydeligt på grund af et fald i intensiteten af emissionsstrålingen, der passerer gennem membranen. Et alternativ til en sådan scanning er brugen af array-detektorer [42] [43] , som samtidig registrerer intensitetsfordelingen langs prøvens laterale plan samtidigt fra hele området af Airy disken, hvor hvert lysfølsomt element fungerer som et nålehulsåbning. Ved at bruge detektionsalgoritmen med en 32-kanals matrixdetektor (Airyscan [44] [45] ), blev det således vist, at det er muligt at overskride den klassiske opløsningsgrænse (diffraktionsgrænsen) med mere end 1,7 gange i alle tre dimensioner: op til 140 nm lateralt og 400 nm aksialt ved en bølgelængde på 488 nm [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] .
CLSM er meget udbredt i næsten alle grene af biologien, fra cellebiologi og genetik til mikrobiologi og udviklingsbiologi. Det bruges også i kvanteoptik og nanokrystallinsk billeddannelse og spektroskopi.
Biologi og medicinKlinisk bruges CLSM til at undersøge forskellige øjensygdomme, og især til billeddannelse, kvalitativ analyse og kvantificering af corneale endotelceller [53] . Det bruges til at lokalisere og identificere tilstedeværelsen af filamentøse svampetråde i hornhindens stroma i tilfælde af keratomycosis, hvilket muliggør hurtig diagnose og tidlig administration af korrekt terapi. Det virker også lovende at udføre endoskopiske procedurer ( endomikroskopi ) ved hjælp af CLSM-metoden [54] . I den farmaceutiske industri blev det anbefalet at bruge denne tilgang til at overvåge produktionsprocessen af tyndfilmsfarmaceutiske former for at kontrollere kvaliteten og ensartetheden af fordelingen af medicinske stoffer.
Optik og krystallografiCLSM bruges som en datagendannelsesmekanisme i nogle 3D-optiske datalagringssystemer eller kortlægning af kemiske forbindelser, såvel som i halvlederfysik og spintronik (især i studiet af egenskaberne ved NV-centre ). [55] [56] .
En række konfokale billeder (z-stack), der demonstrerer fordelingen af actinfilamenter i U2OS osteosarkomcellelinjen
3D-rekonstruktion af en række konfokale billeder af kernen af fikserede HeLa-celler, transgent kimærisk proteinhiston H2B-GFP
Konfokalt billede af et tværsnit af en Lycopodium annotinum stilk
Tværsnit af et Dryopleris filix-mas blad
Konfokalt billede af et fragment af en mønt "1 euro"
Dobbeltkanals konfokalt billede af mitotiske mikrotubuli
Ordbøger og encyklopædier | |
---|---|
I bibliografiske kataloger |