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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.