Konfokalmikroskopi (confocal laser scanning microscopy, CLSM ( engelsk confocal laser scanning microscopy )) är en typ av ljusoptisk mikroskopi med signifikant kontrast och rumslig upplösning jämfört med klassisk ljusmikroskopi, som åstadkoms med hjälp av ett nålhål (nålhål) placerat i bildplanet och begränsar flödet av spridd bakgrundsljus som inte emitteras från linsens fokalplan [1] . Detta gör det möjligt att erhålla serier av bilder på olika djup av fokalplanet inuti provet (så kallad optisk sektionering av provet på djupet), och sedan rekonstruera en tredimensionell bild av provet från dessa serier. Konfokalmikroskopi har använts i stor utsträckning inom biologi, medicin, materialvetenskap och halvledarfysik.
1940 utvecklade Hans Goldmann, en ögonläkare i Bern, Schweiz, ett spaltlampssystem för att dokumentera ögonundersökningar [2] . Detta system anses av några senare författare som det första konfokala optiska systemet. [3] [4]
1943 publicerade Zun Koana det konfokala systemet. [3] År 1951 beskrev Hiroto Naora, en kollega till Koana, det konfokala mikroskopet i Science for spectrophotometry [5] .
På 1950-talet behövde biologer öka kontrasten på bilder av fluorokrommärkta föremål i tjocka vävnadssnitt [6] . För att lösa detta problem föreslog Marvin Minsky , professor vid Massachusetts Institute of Technology i USA, att använda ett konfokalt schema för fluorescensmikroskop. 1957 fick Minsky patent på detta system [7] .
På 1960-talet utvecklade den tjeckoslovakiske forskaren Mojmir Petran, från medicinska fakulteten vid Charles University i Pilsen, Tandem Scanning Microscope, det första kommersiella konfokalmikroskopet som använde en roterande skiva - Nipkow -skivan - för att skapa och lokalisera flera punktkällor för excitation och strålning. [8] [9]
Ett tjeckoslovakiskt patent lämnades in 1966 av Petran och hans kollega Milan Hadravsky. Den första vetenskapliga publikationen med data och bilder erhållna med detta mikroskop, av David Egger från Yale University och Mojmir Petran själv, publicerades i tidskriften Science 1967 [10] . En andra publikation 1968 beskriver instrumentets teori och tekniska detaljer [11] . 1970 patenterades uppfinningen i USA. [12]
1969 och 1971 forskarna David Egger och Paul Davidovich från Yale University publicerade banbrytande artiklar som beskrev det första konfokala laserskanningsmikroskopet [13] [14] Det var en punktskanner, det vill säga bara en punkt av belysning genererades. De använde epi-belysning i reflekterat ljus för att observera neural vävnad. En 5 mW helium-neonlaser med en våglängd på 633 nm användes som en källa för koherent strålning. Laserstrålen reflekterades av en halvtransparent spegel i riktning mot objektivet . Objektivet var ett enkelt objektiv med en brännvidd på 8,5 mm. Till skillnad från alla tidigare (och senare senare konstruktioner av konfokala system) skannades provet genom rörelsen av denna lins (objektiv scanning), vilket ledde till rörelsen av brännpunkten. Det reflekterade ljuset återfördes till en genomskinlig spegel, fokuserad av en annan lins på ett diafragma ( nålhål ), bakom vilket placerades ett fotomultiplikatorrör . Signalen visualiserades med ett CRT -oscilloskop , katodstrålen rörde sig samtidigt med linsen. Med hjälp av en speciell adapter gick det att fota på en polaroidkamera. Tre av fotografierna som erhållits på detta sätt publicerades i en tidning från 1971 [14] .
Systemen för Marvin Minskys konfokala avsökningsmikroskop som använder laserstrålning har också utvecklats [15] . I framtiden riktades forskarnas huvudsakliga uppmärksamhet mot analysen av användningen av fluorescerande färgämnen för in vivo-studier och förbättringen av kvaliteten på konfokala bilder genom att öka intensiteten av fluorescerande strålning.
1977 publicerade Colin J. R. Sheppard och Amargioti Chowdhury en teoretisk analys av konfokala mikroskop och laserskanningsmikroskop. [16] Detta var förmodligen den första vetenskapliga publikationen som använde termen "konfokalmikroskop". [17] År 1978 publicerade Christoph Kremer och Thomas Kremer en design för ett konfokalt laseravsökningsmikroskop som använder fluorescerande excitation med elektronisk autofokus. [18] Denna CLSM-modell var den första som kombinerade laserskanning med volymetrisk detektering av biologiska föremål märkta med fluorescerande markörer. 1978 och 1980 beskrev Oxford-gruppen av Colin Sheppard och Tony Wilson ett konfokalt system med epi-laserbelysning, ett skanningssteg och fotomultiplikatorer som detektorer. Bordet kunde röra sig längs den optiska axeln, vilket gjorde det möjligt att utföra tredimensionell optisk skikt-för-skikt-sektionering [17] . 1979 visade Fred Brackenhoff och kollegor att de teoretiska fördelarna med optisk sektionering och förbättrad optisk upplösning verkligen var möjliga i praktiken. [19] 1983 publicerade I. Cox och S. Sheppard det första verket där ett konfokalmikroskop styrdes av en persondator. [tjugo]
I mitten av 1980-talet byggde William Bradshaw Amos och John Gralham White och kollegor vid Molecular Biology Laboratory i Cambridge det första konfokala laserskanningsmikroskopet. [21] [22] I hans optiska schema utfördes skanning genom att sekventiellt flytta ljusstrålen över provet, och inte genom att flytta provbordet. Detta schema gjorde det möjligt att avsevärt öka skanningshastigheten på grund av avvisandet av tröghetsmekaniska skanningssystem och uppnå en hastighet på upp till fyra bilder per sekund (512 linjer i varje). [21]
Samtidigt sponsrade UK Medical Research Council (MRC) utvecklingen av en prototyp av ett modernt kommersiellt konfokalmikroskop, som senare förvärvades av Bio-Rad, datorstyrt och kommersialiserat som "MRC 500". Efterföljaren till MRC 600 blev senare grunden för utvecklingen av det första tvåfotonfluorescensmikroskopet, utvecklat 1990 vid Cornell University. [19]
Forskning bedriven vid Stockholms universitet ungefär samtidigt förvandlades också till det kommersiella CLSM Sarastro. [23]
Företaget förvärvades 1990 av Molecular Dynamics [24] , men vidareutvecklingen av systemet övergavs så småningom.
1989 uppfann Fritz Karl och Eckhard Praikschat det skanande laserdiodmikroskopet för partikelstorleksanalys. [25] [26]
I Tyskland utvecklade Heidelberg Instruments, grundat 1984, CLSM-teknik, som ursprungligen var avsedd för industriella tillämpningar, inte biologi. I början av 1990-talet utvecklades denna teknik aktivt av Leica Lasertechnik och Carl Zeiss , som vid den tiden redan framgångsrikt producerade ljusmikroskop med ett implementerat laserstrålescanningsschema, som senare uppgraderades till konfokala system [27] .
Det optiska schemat för ett konventionellt ljusmikroskop bildar en bild av hela den del av provet som ligger i skärpedjupet för det använda mikroobjektet, och det konfokala mikroskopet bildar en bild av en mycket tunn sektion av objektet på samma djupnivå. I huvudsak uppnås CLSM-metoden genom att styra det optiska systemets fokusdjup.
Principen för konfokal avbildning patenterades 1957 av Marvin Minsky [28] [29] och syftar till att övervinna några av begränsningarna hos traditionella fluorescensmikroskop. I ett konventionellt (bredfälts) fluorescerande mikroskop belyses hela provet jämnt av mikroskopets strålningskälla. I detta fall bestrålas och exciteras hela provet samtidigt, och den resulterande fluorescensen detekteras med hjälp av en fotodetektor eller mikroskopkamera, inklusive en stor bakgrundsdel av objektet. Däremot använder ett konfokalmikroskop en spotlight (se punktspridningsfunktion ) och ett nålhål i det optiska konjugerade planet framför detektorn för att eliminera oskärpa signaler. Således detekteras fluorescerande strålning endast från fokalplanet, så den optiska upplösningen av bilden, särskilt längs Z-axeln (längs provets djup), är mycket högre än för konventionella ljusmikroskop. Men eftersom det mesta av fluorescensen från provet är blockerad, åtföljs en ökning av upplösningen av en minskning av intensiteten hos den användbara signalen. För att kompensera för denna bieffekt används en längre detektorexponering och mycket känsliga fotodetektorer, vanligtvis en PMT eller en lavinfotodiod , som omvandlar den optiska signalen till en elektrisk, följt av registrering på en persondator [30] .
Eftersom endast en fluorescerande prick registreras på provet, krävs en rasterskanning av provet för att bilda en 2D- eller 3D-bild. Laserstrålen rör sig längs provet i ett horisontellt plan med hjälp av en eller flera speglar med en kontrollerad lutningsvinkel. Denna skanningsmetod har vanligtvis en låg skanningshastighet, som dock kan variera. Till exempel ger långsammare skanning ett bättre signal-brusförhållande, vilket resulterar i bättre kontrast och högre upplösning.
Som bekant är skärpedjupet för CLSM direkt proportionellt mot våglängden för den använda strålningen och omvänt proportionell mot mikroobjektivets numeriska apertur, och beror också på provets optiska egenskaper. På grund av detta sker mjukvarurekonstruktion av en punkt av 3D-objekt i CLSM med hjälp av olika algoritmer. Det vanligaste är algoritmen för att söka efter maximal intensitet. [31]
Ett konfokalt mikroskop har samma upplösning som ett konventionellt mikroskop och begränsas av diffraktionsgränsen .
där är strålningens våglängd, är objektivets numeriska apertur, är brytningsindexet för mediet mellan provet och objektivet, är halva vinkeln som objektivet "fångar". I det synliga området är upplösningen ~ 250 nm (NA=1,45, n=1,51), men på senare år har mikroskopdesigner framgångsrikt utvecklats som använder de olinjära egenskaperna hos provernas fluorescens. I detta fall uppnås en upplösning som är mycket mindre än diffraktionsgränsen och uppgår till ~3–10 nm [32] [33] [34] [35] .
Låt oss nu överväga frågan om att öka kontrasten när du använder ett konfokalt optiskt schema. För det första, eftersom ljus passerar genom linsen två gånger i ett konfokalmikroskop, har punktoskärpafunktionen (nedan kallad PSF ) följande form:
,
där Pconf är funktionen för konfokalpunktsoskärpa och p är den vanliga punktoskärpafunktionen.
Sålunda bestäms den uppnåbara tjockleken hos fokalplanet huvudsakligen av våglängden för den använda strålningen dividerat med objektivets numeriska apertur, och beror också på provets optiska egenskaper. På grund av sin tunna optiska sektion är dessa typer av mikroskop särskilt bra för 3D-avbildning och ytprofilering av prover.
Sekventiella skivor bildar en "z-stack" som kan bearbetas av viss programvara för att skapa en 3D-renderad bild, eller presenteras i en 2D-stack för publicering, tack vare en gemensam sökalgoritm för maximal intensitet. [31]
Konfokalmikroskopi ger direkt, icke-invasiv sekventiell optisk sektionering av intakta tjocka levande prover med minimala förberedelsekrav, såväl som högre lateral upplösning jämfört med konventionell ljusmikroskopi [36] [37] . Vanligtvis är biologiska prover motfärgade med fluorescerande färgämnen för att visualisera deras specifika regioner eller organeller. Den faktiska färgämneskoncentrationen kan dock hållas mycket låg för att minimera påverkan på biologiska system. Således kan vissa konfokala system spåra individuella fluorescerande molekyler [38] . Dessutom kan transgena teknologier skapa organismer som producerar sina egna fluorescerande chimära molekyler (märkta med GFP, grönt fluorescerande protein) [39] .
Ett konfokalt laserskanningsmikroskop med hög kontrast ger två ovärderliga möjligheter: det låter dig undersöka vävnader på cellnivå i ett tillstånd av fysiologisk vitalitet, samt utvärdera resultaten (dynamiken) av cellulär aktivitet i fyra dimensioner - höjd, bredd, djup och tid. [40]
Genom att tillämpa Rayleigh-kriteriet för upplösning (dopp 26% av fördelningsmaximum) finner vi att upplösningen i det konfokala mikroskopet ökar, men inte signifikant. För ett konfokalmikroskop definieras upplösningen (rc) enligt följande [ 8] [41] [1] :
,
där n är det relativa brytningsindexet, D är diametern på det optiska systemets ingångspupill, λ är våglängden, F är mikroobjektivets brännvidd, θ är öppningsvinkeln för mikroobjektivet, λ'=λ/n . För ett konventionellt ljusmikroskop, upplösning (r r ):
Den största fördelen med ett konfokalmikroskop är dock inte en ökning av upplösningen enligt Rayleigh-kriteriet, utan en signifikant ökning av kontrasten. Speciellt för en konventionell PSF i fokalplanet är förhållandet mellan amplituden i det första laterala maximumet och amplituden för det huvudsakliga maximumet 2%; för ett konfokalmikroskop kommer detta förhållande att vara 0,04%.
Konfokalmikroskopi ger en ökning av bildkontrasten genom användning av fokuserad belysning (excitation) i analysområdet och fluorescensbländare i bildplanet. Denna kontrastökning resulterar i möjligheten att lösa objekt med en intensitetsskillnad på upp till 200:1 och ger även en ökning av upplösningen, både i objektplanet och längs den optiska axeln. Tillsammans med att öka kontrasten gör fluorescerande konfokalmikroskopi det möjligt att tillhandahålla en steg-för-steg tredimensionell rekonstruktion av föremålet som studeras genom användning av flerpunktsbelysning. Bland de mest avancerade metoderna för skanningskonfokalmikroskopi bör användningen av en skanningsskiva med mikromembran och användningen av matrisfotodetektorer [2] lyftas fram .
Idag finns det metoder som avsevärt kan öka upplösningen i ett konfokalmikroskop. I ett konventionellt konfokalmikroskop fokuseras excitationsljuset till en enda punkt på provet, följt av detektering av en emissionsfluorescerande signal. Ofokuserad emissionsstrålning skärs av av ett nålhål (nålhål) vars storlek bestämmer hur många maxima av Airy-skivan som kommer att nå detektorn. En ökning av upplösningen kan uppnås genom att minska diametern på membranet (nålhålet), men signal-brusförhållandet kommer att minska avsevärt på grund av en minskning av intensiteten av emissionsstrålningen som passerar genom membranet. Ett alternativ till sådan skanning är användningen av arraydetektorer [42] [43] , som samtidigt registrerar intensitetsfördelningen längs provets laterala plan samtidigt från hela området av Airy-skivan, där varje fotokänsligt element fungerar som ett nålhålsöppning. Genom att använda detekteringsalgoritmen med en 32-kanals matrisdetektor (Airyscan [44] [45] ), visades det att det är möjligt att överskrida den klassiska upplösningsgränsen (diffraktionsgränsen) med mer än 1,7 gånger i alla tre dimensionerna: upp till 140 nm lateralt och 400 nm axiellt vid en våglängd av 488 nm [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] .
CLSM används i stor utsträckning inom nästan alla grenar av biologin, från cellbiologi och genetik till mikrobiologi och utvecklingsbiologi. Det används också inom kvantoptik och nanokristallin avbildning och spektroskopi.
Biologi och medicinKliniskt används CLSM för att undersöka olika ögonsjukdomar, och speciellt för avbildning, kvalitativ analys och kvantifiering av hornhinneendotelceller [53] . Det används för att lokalisera och identifiera förekomsten av filamentösa svampfilament i hornhinnans stroma i fall av keratomycosis, vilket möjliggör snabb diagnos och tidig administrering av korrekt behandling. Det verkar också lovande att utföra endoskopiska ingrepp ( endomikroskopi ) med CLSM-metoden [54] . Inom läkemedelsindustrin rekommenderades det att använda detta tillvägagångssätt för att övervaka produktionsprocessen av tunnfilmsläkemedelsformer, för att kontrollera kvaliteten och enhetligheten i distributionen av medicinska substanser.
Optik och kristallografiCLSM används som en dataåterställningsmekanism i vissa 3D-optiska datalagringssystem eller kartläggning av kemiska föreningar, såväl som i halvledarfysik och spintronik (särskilt i studien av egenskaperna hos NV-centra ). [55] [56] .
En serie konfokala bilder (z-stack) som visar fördelningen av aktinfilament i U2OS osteosarkomcellinjen
3D-rekonstruktion av en serie konfokala bilder av kärnan i fixerade HeLa-celler, transgent chimärt proteinhiston H2B-GFP
Konfokal bild av ett tvärsnitt av en Lycopodium annotinum stam
Tvärsnitt av ett Dryopleris filix-mas- blad
Konfokal bild av ett fragment av ett mynt "1 euro"
Dubbelkanals konfokal bild av mitotiska mikrotubuli
![]() | |
---|---|
I bibliografiska kataloger |