Microscopia confocală (confocal laser scanning microscopy, CLSM ( English confocal laser scanning microscopy )) este un tip de microscopie optică luminoasă cu contrast semnificativ și rezoluție spațială în comparație cu microscopia luminoasă clasică, care se realizează utilizând un orificiu (pinhole) plasat în planul imaginii și limitarea fluxului de lumină împrăștiată de fundal emisă nu din planul focal al lentilei [1] . Acest lucru face posibilă obținerea unor serii de imagini la adâncimi diferite ale planului focal din interiorul probei (așa-numita secționare optică a probei în profunzime), iar apoi reconstruirea unei imagini tridimensionale a probei din aceste serii. Microscopia confocală a fost utilizată pe scară largă în biologie, medicină, știința materialelor și fizica semiconductorilor.
În 1940, Hans Goldmann, medic oftalmolog din Berna, Elveția, a dezvoltat un sistem de lampă cu fantă pentru documentarea examinărilor oculare [2] . Acest sistem este considerat de unii autori de mai târziu drept primul sistem optic confocal. [3] [4]
În 1943, Zun Koana a publicat sistemul confocal. [3] În 1951, Hiroto Naora, un coleg cu Koana, a descris microscopul confocal în Science for spectrophotometry [5] .
În anii 1950, biologii au avut nevoie să mărească contrastul imaginilor obiectelor marcate cu fluorocrom în secțiuni de țesut gros [6] . Pentru a rezolva această problemă , Marvin Minsky , profesor la Massachusetts Institute of Technology din SUA, a propus utilizarea unei scheme confocale pentru microscoapele cu fluorescență. În 1957, Minsky a primit un brevet pentru această schemă [7] .
În anii 1960, omul de știință cehoslovac Mojmir Petran, de la Facultatea de Medicină de la Universitatea Charles din Pilsen, a dezvoltat microscopul de scanare tandem, primul microscop confocal comercial care a folosit un disc rotativ - discul Nipkow - pentru a crea și localiza mai multe surse punctuale de excitație. și radiații. [8] [9]
Un brevet cehoslovac a fost depus în 1966 de Petran și colegul său Milan Hadravsky. Prima publicație științifică cu date și imagini obținute cu ajutorul acestui microscop, de David Egger de la Universitatea Yale și însuși Mojmir Petran, a fost publicată în revista Science în 1967 [10] . O a doua publicație din 1968 descrie teoria și detaliile tehnice ale instrumentului [11] . În 1970, invenția a fost brevetată în Statele Unite. [12]
În 1969 și 1971 oamenii de știință David Egger și Paul Davidovich de la Universitatea Yale au publicat lucrări de pionierat care descriu primul microscop cu scanare laser confocal [13] [14] Era un scaner punctual, adică a fost generat un singur punct de iluminare. Ei au folosit epi-iluminarea în lumina reflectată pentru a observa țesutul neural. Un laser cu heliu-neon de 5 mW cu o lungime de undă de 633 nm a fost folosit ca sursă de radiație coerentă . Raza laser a fost reflectată de o oglindă semi-transparentă în direcția obiectivului . Obiectivul a fost un obiectiv simplu cu o distanță focală de 8,5 mm. Spre deosebire de toate modelele anterioare (și ulterior ulterioare ale sistemelor confocale), proba a fost scanată prin mișcarea acestei lentile (scanare obiectivă), ceea ce a dus la mișcarea punctului focal. Lumina reflectată a fost returnată într-o oglindă translucidă, focalizată de o altă lentilă pe o diafragmă ( gaură ), în spatele căreia a fost plasat un tub fotomultiplicator . Semnalul a fost vizualizat folosind un osciloscop CRT , raza catodica mișcându-se simultan cu lentila. Cu ajutorul unui adaptor special s-a putut face fotografii cu o cameră Polaroid. Trei dintre fotografiile obţinute în acest fel au fost publicate într-o lucrare din 1971 [14] .
Au fost dezvoltate și schemele microscopului de scanare confocal al lui Marvin Minsky folosind radiații laser [15] . În viitor, atenția principală a cercetătorilor a fost îndreptată către analiza utilizării coloranților fluorescenți pentru studii in vivo și îmbunătățirea calității imaginilor confocale prin creșterea intensității radiațiilor fluorescente.
În 1977, Colin J. R. Sheppard și Amargioti Chowdhury au publicat o analiză teoretică a microscoapelor de scanare confocale și laser. [16] Aceasta a fost probabil prima publicație științifică care a folosit termenul „microscop confocal”. [17] În 1978, Christoph Kremer și Thomas Kremer au publicat un design pentru un microscop de scanare laser confocal folosind excitație fluorescentă cu autofocus electronic. [18] Acest model CLSM a fost primul care a combinat scanarea laser cu detectarea volumetrică a obiectelor biologice marcate cu markeri fluorescenți. În 1978 și 1980, grupul Oxford format din Colin Sheppard și Tony Wilson a descris un sistem confocal cu iluminare epi-laser, o etapă de scanare și fotomultiplicatori ca detectoare. Masa s-a putut deplasa de-a lungul axei optice, ceea ce a făcut posibilă efectuarea secționării optice tridimensionale strat cu strat [17] . În 1979, Fred Brackenhoff și colegii săi au demonstrat că beneficiile teoretice ale secționării optice și ale rezoluției optice îmbunătățite erau într-adevăr realizabile în practică. [19] În 1983, I. Cox și S. Sheppard au publicat prima lucrare în care un microscop confocal era controlat de un computer personal. [douăzeci]
La mijlocul anilor 1980, William Bradshaw Amos și John Gralham White și colegii de la Laboratorul de Biologie Moleculară din Cambridge au construit primul microscop confocal cu scanare laser. [21] [22] În schema sa optică, scanarea a fost efectuată prin deplasarea secvențială a fasciculului de lumină peste eșantion, și nu prin mutarea mesei de mostre. Această schemă a făcut posibilă creșterea semnificativă a vitezei de scanare datorită respingerii sistemelor de scanare mecanică inerțială și atingerea unei viteze de până la patru cadre pe secundă (512 linii în fiecare). [21]
În paralel, Consiliul de Cercetare Medicală din Marea Britanie (MRC) a sponsorizat dezvoltarea unui prototip de microscop confocal comercial modern, care a fost achiziționat ulterior de Bio-Rad, controlat de computer și comercializat ca „MRC 500”. Succesorul MRC 600 a devenit ulterior baza pentru dezvoltarea primului microscop cu fluorescență cu doi fotoni, dezvoltat în 1990 la Universitatea Cornell. [19]
Cercetările efectuate la Universitatea din Stockholm în aceeași perioadă s-au transformat și în CLSM comercial Sarastro. [23]
Întreprinderea a fost achiziționată în 1990 de către Molecular Dynamics [24] , dar dezvoltarea ulterioară a sistemului a fost în cele din urmă abandonată.
În 1989, Fritz Karl și Eckhard Praikschat au inventat microscopul cu diodă laser cu scanare pentru analiza mărimii particulelor. [25] [26]
În Germania, Heidelberg Instruments, fondată în 1984, a dezvoltat tehnologia CLSM, care a fost inițial destinată aplicațiilor industriale, nu biologiei. La începutul anilor 1990, această tehnologie a fost dezvoltată în mod activ de către Leica Lasertechnik și Carl Zeiss , care la acea vreme deja produceau cu succes microscoape ușoare cu o schemă de scanare cu fascicul laser implementată, care au fost ulterior modernizate la sisteme confocale [27] .
Schema optică a unui microscop cu lumină convențional formează o imagine a întregii părți a probei situată în adâncimea de câmp a microobiectivului utilizat, iar microscopul confocal formează o imagine a unei secțiuni foarte subțiri a obiectului la același nivel de adâncime. În esență, metoda CLSM se realizează prin controlul adâncimii de focalizare a sistemului optic.
Principiul imaginii confocale a fost brevetat în 1957 de Marvin Minsky [28] [29] și își propune să depășească unele dintre limitările microscoapelor cu fluorescență tradiționale. Într-un microscop fluorescent convențional (cu câmp larg), întreaga probă este iluminată uniform de sursa de radiație a microscopului. În acest caz, întreaga probă este iradiată și excitată simultan, iar fluorescența rezultată este detectată folosind un fotodetector sau o cameră de microscop, inclusiv o parte mare de fundal a obiectului. În schimb, un microscop confocal folosește o lumină spot (vezi Funcția de răspândire punct ) și un orificiu în planul optic conjugat din fața detectorului pentru a elimina semnalul nefocalizat. Astfel, radiația fluorescentă este detectată doar din planul focal, astfel încât rezoluția optică a imaginii, în special de-a lungul axei Z (de-a lungul adâncimii probei), este mult mai mare decât cea a microscoapelor ușoare convenționale. Cu toate acestea, deoarece cea mai mare parte a fluorescenței din probă este blocată, o creștere a rezoluției este însoțită de o scădere a intensității semnalului util. Pentru a compensa acest efect secundar, se utilizează o expunere mai lungă a detectorului și fotodetectoare foarte sensibile, de obicei un PMT sau o fotodiodă de avalanșă , care convertesc semnalul optic într-unul electric, urmat de înregistrarea pe un computer personal [30] .
Deoarece pe eșantion este înregistrat un singur punct fluorescent, este necesară o scanare raster a probei pentru a forma o imagine 2D sau 3D. Raza laser se deplasează de-a lungul probei într-un plan orizontal folosind una sau mai multe oglinzi cu un unghi de înclinare controlat. Această metodă de scanare are de obicei o viteză de scanare scăzută, care, totuși, poate varia. De exemplu, scanarea mai lentă oferă un raport semnal-zgomot mai bun, rezultând un contrast mai bun și o rezoluție mai mare.
După cum se știe, adâncimea de câmp a CLSM este direct proporțională cu lungimea de undă a radiației utilizate și invers proporțională cu deschiderea numerică a microobiectivului și depinde, de asemenea, de proprietățile optice ale probei. Din acest motiv, reconstrucția software a unui punct de obiecte 3D are loc în CLSM cu ajutorul diverșilor algoritmi. Cel mai comun este algoritmul de căutare a intensității maxime. [31]
Un microscop confocal are aceeași rezoluție ca un microscop convențional și este limitat de limita de difracție .
unde este lungimea de undă a radiației, este deschiderea numerică a obiectivului, este indicele de refracție al mediului dintre probă și obiectiv, este jumătate din unghiul pe care obiectivul îl „captează”. În domeniul vizibil, rezoluția este de ~ 250 nm (NA=1,45, n=1,51).Cu toate acestea, în ultimii ani, au fost dezvoltate cu succes proiecte de microscop care utilizează proprietățile neliniare ale fluorescenței probelor. În acest caz, se obține o rezoluție care este mult mai mică decât limita de difracție și se ridică la ~ 3–10 nm [32] [33] [34] [35] .
Să luăm acum în considerare problema creșterii contrastului atunci când folosim o schemă optică confocală. În primul rând, deoarece lumina trece prin lentilă de două ori într-un microscop confocal, funcția de estompare a punctului (denumită în continuare PSF ) are următoarea formă:
,
unde Pconf este funcția de estompare a punctului confocal și p este funcția de estompare a punctului obișnuit.
Astfel, grosimea realizabilă a planului focal este determinată în principal de lungimea de undă a radiației utilizate împărțită la deschiderea numerică a obiectivului și depinde și de proprietățile optice ale probei. Datorită secțiunii lor optice subțiri, aceste tipuri de microscoape sunt deosebit de bune pentru imagistica 3D și profilarea suprafeței probelor.
Feliile secvenţiale formează un „z-stack” care poate fi procesat de un anumit software pentru a crea o imagine redată 3D sau prezentat într-o stivă 2D pentru publicare, datorită unui algoritm comun de căutare de intensitate maximă. [31]
Microscopia confocală asigură secționarea optică secvențială directă, neinvazivă a specimenelor vii groase intacte, cu cerințe minime de pregătire, precum și o rezoluție laterală mai mare în comparație cu microscopia cu lumină convențională [36] [37] . De obicei, specimenele biologice sunt contracolorate cu coloranți fluorescenți pentru a-și vizualiza regiunile sau organitele specifice. Cu toate acestea, concentrația reală de colorant poate fi menținută foarte scăzută pentru a minimiza impactul asupra sistemelor biologice. Astfel, unele sisteme confocale pot urmări molecule fluorescente individuale [38] . În plus, tehnologiile transgenice pot crea organisme care își produc propriile molecule himerice fluorescente (marcate cu GFP, proteina fluorescentă verde) [39] .
Un microscop de scanare laser confocal cu contrast ridicat oferă două oportunități neprețuite: vă permite să examinați țesuturile la nivel celular într-o stare de vitalitate fiziologică, precum și să evaluați rezultatele (dinamica) activității celulare în patru dimensiuni - înălțime, lățime, profunzime si timp. [40]
Aplicând criteriul Rayleigh pentru rezoluție (dip 26% din distribuția maximă), constatăm că rezoluția la microscopul confocal crește, dar nu semnificativ. Pentru un microscop confocal, rezoluția (r c ) este definită după cum urmează [8] [41] [1] :
,
unde n este indicele relativ de refracție, D este diametrul pupilei de intrare a sistemului optic, λ este lungimea de undă, F este distanța focală a microobiectivului, θ este unghiul de deschidere al microobiectivului, λ'=λ/n . Pentru un microscop cu lumină convențional, rezoluția (r r ):
Cu toate acestea, principalul avantaj al unui microscop confocal nu este o creștere a rezoluției în sensul criteriului Rayleigh, ci o creștere semnificativă a contrastului. În special, pentru un PSF convențional în planul focal, raportul dintre amplitudinea primului maxim lateral și amplitudinea maximului principal este de 2%; pentru cazul unui microscop confocal, acest raport va fi de 0,04%.
Microscopia confocală oferă o creștere a contrastului imaginii prin utilizarea iluminării focalizate (excitație) în zona de analiză și irisului fluorescent în planul imaginii. Această creștere a contrastului are ca rezultat posibilitatea rezolvării obiectelor cu o diferență de intensitate de până la 200:1 și oferă, de asemenea, o creștere a rezoluției, atât în planul obiectului, cât și de-a lungul axei optice. Odată cu creșterea contrastului, microscopia confocală fluorescentă face posibilă asigurarea unei reconstrucții tridimensionale pas cu pas a obiectului studiat prin utilizarea iluminării în mai multe puncte. Dintre cele mai avansate metode de microscopie confocală de scanare, trebuie evidențiate utilizarea unui disc de scanare cu microdiafragme și folosirea fotodetectorilor matrici [2] .
Astăzi, există metode care pot crește semnificativ rezoluția unui microscop confocal. Într-un microscop confocal convențional, lumina de excitație este focalizată într-un singur punct de pe probă, urmată de detectarea unui semnal fluorescent de emisie. Radiația de emisie nefocalizată este tăiată de un orificiu (gaură) a cărui dimensiune determină câte maxime ale discului Airy vor ajunge la detector. O creștere a rezoluției poate fi obținută prin reducerea diametrului diafragmei (pinhole), dar raportul semnal-zgomot va scădea semnificativ datorită scăderii intensității radiației de emisie care trece prin diafragmă. O alternativă la o astfel de scanare este utilizarea detectoarelor cu matrice [42] [43] , care înregistrează simultan distribuția intensității de-a lungul planului lateral al probei simultan din întreaga zonă a discului Airy, unde fiecare element fotosensibil funcționează ca un deschidere pinhole. Astfel, folosind algoritmul de detecție cu un detector de matrice cu 32 de canale (Airyscan [44] [45] ), s-a demonstrat că este posibilă depășirea limitei clasice de rezoluție (limita de difracție) de peste 1,7 ori în toate cele trei dimensiuni: până la 140 nm lateral și 400 nm axial la o lungime de undă de 488 nm [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] .
CLSM este utilizat pe scară largă în aproape toate ramurile biologiei, de la biologia celulară și genetică până la microbiologie și biologia dezvoltării. Este, de asemenea, utilizat în optica cuantică și imagistica nanocristalină și spectroscopie.
Biologie și medicinăClinic, CLSM este utilizat pentru investigarea diferitelor boli oculare, și în special pentru imagistica, analiza calitativă și cuantificarea celulelor endoteliale corneene [53] . Este utilizat pentru a localiza și identifica prezența filamentelor fungice filamentoase în stroma corneei în cazurile de keratomicoză, permițând diagnosticarea rapidă și administrarea precoce a terapiei corecte. De asemenea, pare promițătoare să se efectueze proceduri endoscopice ( endomicroscopie ) folosind metoda CLSM [54] . În industria farmaceutică s-a recomandat utilizarea acestei abordări pentru a monitoriza procesul de producție a formelor farmaceutice cu peliculă subțire, pentru a controla calitatea și uniformitatea distribuției substanțelor medicamentoase.
Optică și cristalografieCLSM este utilizat ca mecanism de recuperare a datelor în unele sisteme optice de stocare a datelor 3D sau cartografierea compușilor chimici, precum și în fizica semiconductorilor și spintronica (în special, în studiul proprietăților centrelor NV ). [55] [56] .
O serie de imagini confocale (z-stack) care demonstrează distribuția filamentelor de actină în linia celulară de osteosarcom U2OS
Reconstituirea 3D a unei serii de imagini confocale ale nucleului celulelor HeLa fixe, histona proteinei himerice transgenice H2B-GFP
Secțiunea unei frunze de Pteridium aquilinum
Imagine confocală a unei secțiuni transversale a unei tulpini de Lycopodium annotinum
Secțiune transversală a unei frunze Dryopleris filix-mas
Imagine confocală a unui fragment de monedă „1 euro”
Imagine confocală cu două canale a microtubulilor mitotici
Dicționare și enciclopedii | |
---|---|
În cataloagele bibliografice |