Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Толық ішкі шағылысты флуоресценциялық микроскоп (TIRFM) – үлгінің, әдетте 200 нанометрден кем өлшемдегі, жіңішке аймағын бақылауға мүмкіндік беретін микроскоптың бір түрі. TIRFM – шыны слайдқа орналастырылған жіңішке оптикалық үлгі бөлімінде флуоресцентті жасушаларды қоздыру арқылы бейнелеуді жүзеге асыратын әдіс. Бұл техника, қоздырғыш жарық мөлдір қатты қаптама шыныға сұйық ортамен жанасатын жерде толық ішкі шағылысқа ұшырағанда, қатты-сұйық интерфейсінде қоздырғыш жарықпен бірдей жиілікті электромагниттік өріс – күшсіз толқын пайда болады деген қағидатқа негізделген. Күшсіз толқынның қарқындылығы қатты дененің бетінен қашықтыққа қарай экспоненциалды түрде төмендейді, сондықтан қатты дененің бетіне бірнеше жүз нанометрдей жақын жердегі флуоресцентті молекулалар ғана тиімді түрде қоздырылады. Флуоресценцияның екі өлшемді бейнелерін алу мүмкін, сонымен қатар жасушалардағы көпіршіктердің немесе құрылымдардың орналасуы туралы үш өлшемді ақпарат алуға болатын механизмдер де бар.
A total internal reflection fluorescence microscope (TIRFM) is a type of microscope with which a thin region of a specimen, usually less than 200 nanometers can be observed. TIRFM is an imaging modality which uses the excitation of fluorescent cells in a thin optical specimen section that is supported on a glass slide. The technique is based on the principle that when excitation light is totally internally reflected in a transparent solid coverglass at its interface with a liquid medium, an electromagnetic field, also known as an evanescent wave, is generated at the solid liquid interface with the same frequency as the excitation light. The intensity of the evanescent wave exponentially decays with distance from the surface of the solid so that only fluorescent molecules within a few hundred nanometers of the solid are efficiently excited. Two dimensional images of the fluorescence can then be obtained, although there are also mechanisms in which three dimensional information on the location of vesicles or structures in cells can be obtained.
Тарих
Кең өрісті флуоресценция 1910 жылы енгізілді, ол бүкіл үлгіні жарықтандыратын оптикалық әдіс болды. 1960 жылы конфокалды микроскопия енгізілді, ол жарықты нақты нүктеге бағыттап, жарық конустарын үлгіге түсіру арқылы үлгінің фондық деңгейін және экспозиция уақытын азайтты. 1980-ші жылдары TIRFM енгізілуімен фондық деңгей мен экспозиция уақыты одан әрі қысқартылды, себебі тек қарастырылып жатқан үлгінің жұқа бөлігі ғана жарықтандырылды. Бұл идеяны Мичиган университетінің Энн Арбор қаласындағы Даниэль Аксельрод 1980-ші жылдардың басында TIRFM ретінде дамытты. TIRFM шыны-су интерфейсіне тікелей іргелес үлгідегі шектеулі аймақта флюорофорларды таңдамалы түрде жарықтандыру және қозу үшін жоғалу толқынын пайдаланады. Жоғалу электромагниттік өріс интерфейстен экспоненциалды түрде төмендейді, сондықтан үлгі ортасына шамамен 100 нм тереңдікке ғана еніп жетеді. Осылайша, TIRFM жасушалардың базальды плазмалық мембранасы (шамамен 7,5 нм қалыңдығы бар) сияқты беткі аймақтарды таңдамалы түрде визуализациялауға мүмкіндік береді. Дегенмен, визуализацияланатын аймақтың ені кем дегенде бірнеше жүз нанометр екенін ескеру қажет, сондықтан плазмалық мембранамен қатар, плазмалық мембрананың астындағы цитоплазмалық аймақ та TIRF микроскопиясы кезінде міндетті түрде визуализацияланады. Плазмалық мембрананың таңдамалы визуализациясы тірі жасушалардағы плазмалық мембранадағы ерекшеліктер мен оқиғаларды жоғары осьтік ажыратымдылықпен көрсетеді. TIRF бір молекуланың флуоресценциясын бақылау үшін де қолданылуы мүмкін, бұл оны биофизика мен сандық биологияның маңызды құралы етеді. TIRF микроскопиясы ДНК биомаркерлерін және SNP-ні бір молекулалық деңгейде анықтау үшін де қолданылған. Cis геометриясы (объективтік TIRFM арқылы) және транс геометриясы (призма және жарық жетекшіге негізделген TIRFM) толық ішкі шағылысу әсерінің әртүрлі сапасын қамтамасыз ететіні көрсетілді. Транс геометриясында қозу жарық жолы мен эмиссия арнасы бөлек, ал объективтік TIRFM-де олар микроскоптың объективін және басқа да оптикалық элементтерін бөліседі. Призмаға негізделген геометрия таза жоғалу толқынын тудырады, оның экспоненциалдық төмендеуі теориялық болжамдарға жақын. Бірақ, объективтік TIRFM-де жоғалу толқыны қарқынды шашыраңқы жарықпен ластанады. Шашыраңқы жарықтың қарқындылығы жоғалу толқынының 10–15% құрайды, бұл объективтік типтегі TIRFM арқылы алынған деректерді интерпретациялауды қиындатады.
Widefield fluorescence was introduced in 1910 which was an optical technique that illuminates the entire sample. Confocal microscopy was then introduced in 1960 which decreased the background and exposure time of the sample by directing light to a pinpoint and illuminating cones of light into the sample. In the 1980s, the introduction of TIRFM further decreased background and exposure time by only illuminating the thin section of the sample being examined. This idea was then extended by Daniel Axelrod at the University of Michigan, Ann Arbor in the early 1980s as TIRFM. A TIRFM uses an evanescent wave to selectively illuminate and excite fluorophores in a restricted region of the specimen immediately adjacent to the glass water interface. The evanescent electromagnetic field decays exponentially from the interface, and thus penetrates to a depth of only approximately 100 nm into the sample medium. Thus the TIRFM enables a selective visualization of surface regions such as the basal plasma membrane (which are about 7.5 nm thick) of cells. Note, however, that the region visualized is at least a few hundred nanometers wide, so the cytoplasmic zone immediately beneath the plasma membrane is necessarily visualized in addition to the plasma membrane during TIRF microscopy. The selective visualization of the plasma membrane renders the features and events on the plasma membrane in living cells with high axial resolution. TIRF can also be used to observe the fluorescence of a single molecule, making it an important tool of biophysics and quantitative biology. TIRF microscopy has also been applied in the single molecule detection of DNA biomarkers and SNP discrimination. Cis geometry (through objective TIRFM) and trans geometry (prism and lightguide based TIRFM) have been shown to provide different quality of the effect of total internal reflection. In the case of trans geometry, the excitation lightpath and the emission channel are separated, while in the case of objective type TIRFM they share the objective and other optical elements of the microscope. Prism based geometry was shown to generate clean evanescent wave, which exponential decay is close to theoretically predicted function. In the case of objective based TIRFM, however, the evanescent wave is contaminated with intense stray light. The intensity of stray light was shown to amount 10–15% of the evanescent wave, which makes it difficult to interpret data obtained by objective type TIRFM
Объективті және призмалық негізделген
Объективтік негіздегі (cis) және призмалық негіздегі (trans) TIRFM арасындағы басты айырмашылық – призмалық негіздегі TIRFM эвансцентті өрісті жасау үшін призма/ерітінді интерфейсін қажет етеді, ал объективтік негіздегі TIRFM призманы қажет етпейді және эвансцентті өрісті жасау үшін қақпақша/ерітінді интерфейсін пайдаланады. Көбінесе объективтік негіздегі TIRFM жиі қолданылады, бірақ эвансцентті толқын ішіндегі шашыраған жарықтан туындаған шуға байланысты бейнелеу сапасы төмендеу болады.
Key differences between objective based (cis) and prism based (trans) TIRFM are that prism based TIRFM requires usage of a prism/solution interface to generate the evanescent field, while objective based TIRFM does not require a prism and utilizes a cover slip/solution interface to generate the evanescent field. Typically objective based TIRFM are more popularly used, however have lowered imaging quality due to stray light noise within the evanescent wave.
Негізгі физика
TIRFM жалпы ішкі шағылыстың оптикалық құбылысына негізделген, онда орта интерфейсіне келген толқындар екінші ортаға өтіп кетпей, толығымен бірінші ортаға шағылысады. Жалпы ішкі шағылыс үшін екінші ортаның сыну көрсеткіші бірінші ортадан төмен болуы керек, сондай-ақ толқындар интерфейске жеткілікті көлбеу бұрышпен түсуі қажет. Жалпы ішкі шағылыспен бірге байқалатын құбылыс – кеңістікте интерфейстен екінші ортаға перпендикуляр бағытта таралып, толқын ұзындығы, сыну көрсеткіші және түсу бұрышына байланысты экспоненциалды түрде азаятын эванесценттік толқын. Осы эванесценттік толқын үлгі бетіне жақын орналасқан флуорофорларды тиімді қоздыруға, ал ерітіндіштегі қажетсіз флуорофорлардың қоздырылуын азайтуға мүмкіндік береді. Практикалық тұрғыдан алғанда, объективтік TIRF жүйесінде бірінші орта – әдетте жоғары сыну көрсеткіші бар шыны жабын, ал екінші орта – төмен сыну көрсеткіші бар ерітіндіштегі үлгі болып табылады. Объектив пен шыны жабын арасында ауа арқылы болатын айтарлықтай сынуды болдырмау үшін иммерсиялық май қолданылуы мүмкін.
TIRFM is predicated on the optical phenomena of total internal reflection, in which waves arriving at a medium interface do not transmit into medium 2 but are completely reflected back into medium 1. Total internal reflection requires medium 2 to have a lower refractive index than medium 1, and for the waves must be incident at sufficiently oblique angles on the interface. An observed phenomena accompanying total internal reflection is the evanescent wave, which spatially extends away perpendicularly from the interface into medium 2, and decays exponentially, as a factor of wavelength, refractive index, and incident angle. It is the evanescent wave which is used to achieve increased excitation of the fluorophores close to the surface of the sample, and diminished excitation of superfluous fluorophores within solution. For practical purposes, in objective based TIRF, medium 1 is typically a high refractive index glass coverslip, and medium 2 is the sample in solution with a lower refractive index. There may be immersion oil between the lens and the glass coverslip to prevent significant refraction through air.
Қаттылық сәулесі
Күрделі флюороскоптық микроскопия техникалары үшін лазерлер жарық көзі ретінде артықшылыққа ие, себебі олар өте біркелкі, қарқынды және дерлік монохроматты болып келеді. Дегенмен, ARC LAMP жарық көздері және басқа да түрлері де қолданылуы мүмкін екені атап өтіледі. Әдетте, қоздыру сәулесінің толқын ұзындығы үлгідегі флюорофорлардың талаптарымен анықталады, ал биологиялық үлгілер үшін ең көп қолданылатын қоздыру толқын ұзындығы 400–700 нм диапазонында болады. Іс жүзінде, жарық қорабы жоғары қарқынды көп түсті лазер шығарады, содан кейін қажетті толқын ұзындықтарын өткізіп, үлгіні қоздыру үшін сүзіледі. Объективтік TIRFM үшін қоздыру сәулесі мен флуоресценттік эмиссия сәулесі бірдей объектив арқылы түсіріледі. Сондықтан, сәулелерді бөлу үшін дихроматикалық айна кіріс қоздыру сәулесін объективке бағыттайды және эмиссиялық сәуленің детекторға өтуіне рұқсат береді. Эмиссия мен қоздыру толқын ұзындықтарын толық ажырату үшін қосымша сүзілу қажет болуы мүмкін.
For complex fluoroscope microscopy techniques, lasers are the preferred light source as they are highly uniform, intense, and near monochromatic. However, it is noted that ARC LAMP light sources and other types of sources may also work. Typically the wavelength of excitation beam is designated by the requirements of the fluorophores within the sample, with most common excitation wavelengths being in the 400–700 nm range for biological samples. In practice, a lightbox will generate a high intensity multichromatic laser, which will then be filtered to allow the desired wavelengths through to excite the sample. For objective based TIRFM, the excitation beam and fluoresced emission beam will be captured via the same objective lens. Thus, to split the beams, a dichromatic mirror is used to reflect the incoming excitation beam towards the objective lens, and allow the emission beam to pass through into the detector. Additional filtering may be required to further separate emission and excitation wavelengths.
Шығару сәулесі
Белгілі бір толқын ұзындығындағы жарықпен қозғанда, флюорофор бояғыштары ұзын толқынды (азырақ энергиялы) жарықты қайта шығарады. TIRFM жағдайында, интерфейске жақын орналасқан флюорофорлар ғана жоғалып тұратын өріспен оңай қоздырылады, ал ~100 нм-ден артық қашықтықтағылар күрт әлсірейді. Флюорофорлардың шығаратын жарығы бағытталмағандықтан, әртүрлі орындардан әртүрлі қарқынмен объектив линзасы арқылы өтеді. Бұл сигнал дихроматикалық айнадан өтіп, содан кейін детекторға жетеді.
When excited with specific wavelengths of light, fluorophore dyes will reemit light at longer wavelengths (which contain less energy). In the context of TIRFM, only fluorophores close to the interface will be readily excited by the evanescent field, while those past ~100 nm will be highly attenuated. Light emitted by the fluorophores will be undirected, and thus will pass through the objective lens at varying locations with varying intensities. This signal will then pass through the dichromatic mirror and onward to the detector.
Қақпақ және суға батыру майы
Шыны қаптамасының сыну көрсеткіші шамамен , ал суға батыру майының сыну көрсеткіші оған ұқсас болады. Сыну көрсеткіші бар ауа ортасы объектив пен қаптама арасындағы қозу сәулесінің сынуына себеп болады, сондықтан май осы аймақты тегістеу үшін және сәуле қаптама мен сынама арасындағы интерфейске жеткенге дейін қажетсіз интерфейстік әрекеттесулерді болдырмау үшін қолданылады.
Glass cover slips typically have a reflective index around , while the immersion oil refractive index is a comparable The medium of air, which has a refractive index of , would cause refraction of the excitation beam between the objective and the coverslip, thus the oil is used to buffer the region and prevent superfluous interface interactions before the beam reaches the interface between coverslip and sample.
Объективті линза
Объективті линзаның сандық апертурасы (NA) жүйе жарықты қабылдайтын немесе сәулелендіретін бұрыштардың диапазонын көрсетеді. Ең үлкен түсу бұрыштарына қол жеткізу үшін, линзаның шеттері арқылы жарықты осьтен тыс бұрышта өткізу ыңғайлы.
The objective lens numerical aperture (NA) specifies the range of angles over which the system can accept or emit light. To achieve the greatest incident angles, it is desirable to pass light at an off axis angle through the peripheries of the lens.
Артқы фокустық жазықтық (АҚЖ)
Артқы фокустық жазықтық (кейде "апертуралық жазықтық" деп те аталады) – объективтен өтуге дейін қоздырғыш сәуленің бағытталатын жазықтығы. Объектив пен артқы фокустық жазықтық арасындағы қашықтықты реттеу әртүрлі бейнелеу ұлғайту мүмкіндігін береді, себебі түсетін бұрыш өзгереді – азайып немесе артады. Сәуле объективтің шеттері арқылы өтуі үшін артқы фокустық жазықтықтан сыртқа қарай бағытталуы керек, бұл бұрыштың сыни бұрыштан жеткілікті үлкен болуын қамтамасыз етеді. Сәуле сонымен қатар артқы фокустық жазықтықта фокусқа келтірілуі тиіс, себебі бұл объектив арқылы өтетін жарықтың коллимдеуін, қақпақшамен бірдей бұрышта әрекеттесуін және осылайша жарықтың толық ішкі шағылысуын қамтамасыз етеді. Бұл жабын қабаты қысқа толқын ұзындығы үшін жоғары шағылыстыруға, ал ұзын толқын ұзындығы үшін жоғары өткізгіштікке ие болу үшін жасалған. Сүзгі таңдалған қоздыру жарығын (қысқа толқын ұзындығы) объектив арқылы және үлгі жазықтығына өткізеді, сонымен қатар эмиссиялық флуоресценция жарығын (ұзын толқын ұзындығы) кедергі сүзгіге жібереді және шашыраған қоздыру жарығын лазер көзінің бағытына кері қайтарады. Бұл сүзгі арқылы өтетін қоздыру сәулесінің және детектормен анықталатын флуоресценция сәулесінің мөлшерін арттырады.
The back focal plane (also called "aperture plane") is the plane through which the excitatory beam is focused before passing through the objective. Adjusting the distance between the objective and BPF can yield different imaging magnification, as the incident angle will become less or more steep. The beam must be passed through the BPF off axis in order to pass through the objective at its ends, allowing for the angle to be sufficiently greater than the critical angle. The beam must also be focused at the BPF because this ensures that the light passing through the objective is collimated, interacting with the cover slip at the same angle and thus all totally internally reflecting. This coating is designed to have high reflectivity for shorter wavelengths and high transmission for longer wavelengths. While the filter transmits the selected excitation light (shorter wavelength) through the objective and onto the plane of the specimen, it also passes emission fluorescence light (longer wavelength) to the barrier filter and reflecting any scattered excitation light back in the direction of the laser source. This maximizes the amount of exciting radiation passing through the filter and emitted fluorescence beam that is detected by the detector.
Кедергі сүзгісі
Барьерлік сүзгі негізінен қажетсіз толқын ұзындықтарын, әсіресе қысқа қоздыру толқын ұзындықтарын тоқтатып тұрады. Ол әдетте флюорофордың шығаратын толқын ұзындықтарын ғана өткізіп, осы диапазоннан тыс барлық қажетсіз жарықты тоқтатып тұратын жолақты өткізгіш сүзгі болып табылады. Заманауи микроскоптар барьерлік сүзгіні флюорофордың нақты шығарылым толқын ұзындығына қарай өзгертуге мүмкіндік береді. Электр сигналы бастапқы сигналды алу үшін нүктелік таралу функциясымен (PSF) конволюцияланады. Осылайша, бейне ажыратымдылығы детекторлардың санына және нүктелік таралу функциясына тікелей байланысты, ал бейне ажыратымдылығын нүктелік таралу функциясы анықтайды.
The barrier filter mainly blocks off undesired wavelengths, especially shorter excitation light wavelengths. It is typically a bandpass filter that passes only the wavelengths emitted by the fluorophore and blocks all undesired light outside this band. More modern microscopes enable the barrier filter to be changed according to the wavelength of the fluorophore's specific emission. The electrical signal is then convoluted with a point spread function (PSF) to sample the original signal. As such, image resolution is highly dependent on the number of detectors and the point spread function will determine the image resolution.
Сурет артефактісі мен шу
Көптеген флуоресценттік бейнелеу әдістері үлгінің ірі тілімдерін (z бағытында) жарықтандыру және қайта құру нәтижесінде пайда болатын фондық шуды көрсетеді. TIRFM эванесценттік толқынды үлгінің жұқа тілімін флуоресценцияға ие етуді пайдаланатындықтан, бұл жағдайда фондық шу мен артефакттар азаяды. Дегенмен, Пуассон шуы, оптикалық аберрациялар, фотоағарту және басқа флуоресценттік молекулалар сияқты басқа шулар мен артефакттар да бар. Пуассон шуы – жарықты өлшеудегі негізгі белгісіздік. Бұл флуоресценциялық фотондарды анықтау кезінде белгісіздіктерге алып келеді. Бұл шу объектінің пикселдердің дұрыс емес орналасуымен қате көрсетілуіне себеп болуы мүмкін. Оптикалық аберрациялар флуоресценттік жарықтың дифракциясы немесе микроскоп пен объективтің дұрыс емес орналасуынан туындауы мүмкін. Үлгілік слайдтағы жарықтың дифракциясы флуоресценция сигналын таратып, конволюцияланған бейнелерде бұлыңғырлыққа әкелуі мүмкін. Сол сияқты, егер объектив линзасы, фильтрі және детекторы арасында дұрыс емес орналасу болса, қозу немесе эмиссиялық сәуле фокуста болмауы мүмкін және бейнелерде бұрмалануға себеп болуы мүмкін. Флуоресцентті заттар қоздырғыш сәулелену энергиясының әсерінен әрқашан белгілі бір деңгейде бұзылады, бұл флуоресценцияның әлсіреуіне және қараңғы, бұлыңғыр бейнеге әкеледі. Фотоағартуды болдырмау мүмкін емес, бірақ оны қажетсіз жарыққа ұшыратудан аулақ болу және жарық шашырауын азайту үшін иммерсиялық майларды қолдану арқылы азайтуға болады. Бұл әдіс, ең жоғары ықтималдық әдісі деп аталады, оның өнімділігін арттыру үшін алгоритмдермен одан әрі жетілдірілуде.
Most fluorescence imaging techniques exhibit background noise due to illuminating and reconstructing large slices (in the z direction) of the samples. Since TIRFM uses an evanescent wave to fluoresce a thin slice of the sample, there is inherently less background noise and artifacts. However, there are still other noises and artifacts such as poisson noise, optical aberrations, photobleaching, and other fluorescence molecules. Poissonian noise are fundamental uncertainties with the measurement of light. This will cause uncertainties during the detection of fluorescence photons. This noise may cause misrepresentation of the object at incorrect pixel locations. Optical aberrations can arise from diffraction of fluorescence light or microscope and objective misalignment. Diffraction of light on the sample slide can spread the fluorescence signal and result in blurring in the convoluted images. Similarly, if there is a misalignment between the objective lens, filter, and detector, the excitation or emission beam may not be in focus and can cause blurring in the images. The fluorescing substances will always degrade to some extent by the energy of the exciting radiation and will cause the fluorescence to fade and result in a dark blurry image. Photobleaching is inevitable but can be minimized by avoiding unwanted light exposure and using immersion oils to minimize light scattering. This technique, called the maximum likelihood method, is being further improved by algorithms to improve its performance speed.