Кіріспе

Флуоресценция негізіндегі бейнелеу техникасы. Флуоресценциямен өмір бойы бейнелеу микроскопиясы немесе FLIM – бұл флюорофордан шығатын фотонның экспоненциалдық ыдырау жылдамдығының айырмашылықтарына негізделген бейнелеу техникасы. Оны конфокалды микроскопияда, екі фотондық қоздыру микроскопиясында және мультифотонды томографияда бейнелеу техникасы ретінде қолдануға болады. FLIM-де суретті жасау үшін флюорофордың қарқындылығы емес, флуоресценцияның өмір сүру мерзімі (FLT) пайдаланылады. Флуоресценцияның өмір сүру мерзімі флюорофордың жергілікті микроортасына байланысты, сондықтан жарық көзінің жарқырауының өзгеруіне, фондық жарықтың қарқындылығына немесе фотоағартудың шектелуіне байланысты қате өлшемдерге жол бермейді. Бұл техника үлгінің қалың қабаттарында фотонның шашырауының әсерін азайту артықшылығына ие. Микроортаға тәуелді болғандықтан, өмір сүру мерзімін өлшеу pH, тұтқырлық және химиялық түрлердің концентрациясының индикаторы ретінде қолданылған.

Өлшем

Флуоресценцияның өмір сүру ұзақтығын бейнелеу, әр пикселдің қарқындылығы осыған байланысты анықталатын суреттерді қамтамасыз етеді, бұл флуоресценцияның әртүрлі ыдырау жылдамдықтарына ие материалдар арасындағы контрасты көруге мүмкіндік береді (егер бұл материалдар дәл бірдей толқын ұзындығында флуоресценцияланса да), сондай-ақ басқа ыдырау механизмдеріндегі өзгерістерді көрсететін суреттерді тудырады, мысалы, FRET бейнелеуінде.

Импульстік жарықтандыру

Флуоресценцияның өміршеңдігін уақыт доменінде импульстік көзді пайдалану арқылы анықтауға болады. Флюорофорлар тобы ультрақысқа немесе дельта импульстік жарықпен қозғанда, уақыт бойынша шешілген флуоресценция жоғарыда сипатталғандай экспоненциалды түрде төмендейді. Дегенмен, егер қоздыру импульсі немесе анықтау жауабы кең болса, өлшенген флуоресценция, d(t), таза экспоненциалдық болмайды. Аспаптық жауап функциясы, IRF(t), төмендеу функциясымен, F(t), конволюцияланады немесе біріктіріледі. Көздің, детектордың және электрониканың аспаптық жауабын, әдетте, шашыраған қоздыру жарығынан өлшеуге болады. Төмендеу функциясын (және сәйкес өміршеңдік мерзімдерін) қалпына келтіру қосымша қиындықтар тудырады, себебі жиілік доменіндегі бөлу, бөлігіш нөлге жақын болғанда, жоғары шу тудырады.

ТҚҚКК

Уақытпен байланысты жалғыз фотондарды санау (TCSPC) әдетте қолданылады, себебі ол бастау интенсивтілігінің және жалғыз фотон импульсінің амплитудасының өзгеруін толықтырады. Коммерциялық TCSPC құралдарын пайдалану арқылы флуоресценцияның ыдырау қисығын 405 фс-қа дейінгі уақыт шешімімен жазуға болады. Жазылған флуоресценция ыдырау гистограммасы Пуассон статистикасына бағынады, ол сәйкестікті бағалау кезінде ескеріледі. Нақтырақ айтқанда, TCSPC лазерлік импульске қатысты жылдам жалғыз фотонды детектор (әдетте фотокөбейтілгіш түтікше (PMT) немесе жалғыз фотонды лавиналық фотодиод (SPAD)) арқылы жеке фотондардың анықталу уақытын жазады. Жазулар бірнеше лазерлік импульстер үшін қайталанады және жеткілікті жазылған оқиғалардан кейін, осы жазылған уақыттардың барлығы бойынша оқиғалар санын көрсететін гистограмма құруға болады. Бұл гистограмма қызығушылық тудыратын экспоненциалдық өмір сүру мерзімінің ыдырау функциясын қамтитын экспоненциалдық функцияға сәйкестендіріледі, содан кейін өмір сүру мерзімі параметрін анықтауға болады. 16-дан 64 элементке дейінгі көп арналы PMT жүйелері коммерциялық түрде қолжетімді, ал жақында демонстрацияланған CMOS жалғыз фотонды лавиналық диодты (SPAD) TCSPC FLIM жүйелері тіпті көптеген анықтау арналарын және қосымша төмен құнға ие нұсқаларды ұсына алады.

Қақпақ әдісі

Бұл әдісте импульстік қозу әлі де қолданылады. Импульс үлгіге жеткенге дейін жарықтың бір бөлігі дихроикалық айнадан шағылысып, фотодиод арқылы анықталады, ол КДД детекторының алдында орналасқан қақпалы оптикалық күшейткішті (ҚОК) басқаратын кідірту генераторын іске қосады. ҚОК тек кідіріс уақыты өткеннен кейін ашылғанда ғана анықтауға мүмкіндік береді. Осылайша, реттелетін кідірту генераторы арқылы үлгінің флуоресценция ыдырауы уақыт аралығын қамтитын әртүрлі кідіріс уақыттарында флуоресценция эмиссиясын жинауға болады. Соңғы жылдары интеграцияланған күшейткішті CCD камералары нарыққа енді. Бұл камералар бейне күшейткіш, CCD сенсоры және интеграцияланған кідірту генераторынан тұрады. ICCD камералары 200 пикосекундқа дейін ең қысқа уақыт аралығында және 10 пикосекундтық қадамдармен субнаносекундтық ажыратымды FLIM жүргізуге мүмкіндік береді. Бұл техника эндоскоппен қолданылғанда ми ісіктерін операция кезінде диагностикалауға пайдаланылады.

Фазалық модуляция

Флуоресценцияның өмір сүру ұзақтығы жиілік доменінде фазалық модуляция әдісі арқылы анықталуы мүмкін. Бұл әдіс жоғары жиілікте (500 МГц-ке дейін) импульстік немесе модуляцияланған жарық көзін пайдаланады, мысалы, светодиод, диодты лазер немесе электрооптикалық модулятормен немесе акустооптикалық модулятормен үйлестірілген үздіксіз толқын көзі. Флуоресценция (а) демодуляцияланады және (b) фазалық ығыстырылады; екі шама да флюорофордың ерекше ыдырау уақытына байланысты. Сонымен қатар, қоздыру және флуоресценция синусоидалық толқындарының y компоненттері модуляцияланады, ал өмір сүру ұзақтығы осы y компоненттерінің модуляция коэффициенті арқылы анықталуы мүмкін. Осылайша, фазалық модуляция әдісімен өмір сүру ұзақтығының 2 мәнін анықтауға болады. Өмір сүру ұзақтығы осы экспериментальдық параметрлерге сәйкес келу процедурасы арқылы анықталады. ПМТ-ге негізделген немесе камераға негізделген жиілік домендік ФЛИМ-нің артықшылығы – оның өмір сүру бейнелерін жылдам алу мүмкіндігі, бұл оны тірі жасушаларды зерттеу сияқты қолданулар үшін ыңғайлы етеді.

Қолданбалар

FLIM негізінен биологияда жасушалар мен ісіктерде фотосезіктендіргіштерді анықтау әдісі ретінде, сондай-ақ рациометриялық бейнелеу қиын жағдайларда FRET құбылысын зерттеу үшін қолданылады. Бұл техника 1980-ші жылдардың соңы мен 1990-шы жылдардың басында әзірленді (Гейтинг әдісі: Bugiel et al. 1989 ж., König 1989 ж., Фазалық модуляция: Lakowicz et al. 1992 ж.), ал 1990-шы жылдардың соңында одан кеңінен қолданыла бастады. Жасуша мәдениетінде EGF рецепторларының сигналдануы мен тасымалдануын зерттеу үшін пайдаланылды. Уақыт доменді FLIM (tdFLIM) ядролық қабықшадағы А және В1 ламиналарының екі түрлі гомополимердегі өзара әрекеттесуін көрсетуге де қолданылды, олар жоғары ретті құрылымдарда бір-бірімен өзара әрекеттеседі. FLIM бейнелеуі ми тіні арқылы жарық шашырауы рациометриялық бейнелеу үшін қиындық тудыратын нейрондарда ерекше пайдалы. Нейрондарда импульстік жарықтандыруды қолданатын FLIM бейнелеуі Ras, CaMKII, Rac және Ran отбасылық ақуыздарын зерттеу үшін қолданылған. FLIM клиникалық мультифотонды томографияда терідегі қатерлі ісік жасушаларын, сондай-ақ фармацевтикалық және косметикалық заттарды анықтау үшін қолданылды. Соңғы уақытта FLIM өсімдік жасушаларындағы флаванолдарды анықтау үшін де қолданылды.

Автофлюоресцентті коэнзимдер NAD ((P) H және FAD

Көп фотонды FLIM сүтқоректілер метаболизміндегі өзгерістерді анықтау үшін коферменттерден шығатын автофлуоресценцияны анықтау мақсатында көбірек қолданылуда.

FRET бейнелеу

Флюорофордың флуоресценциялық өмір сүру мерзімі сәулелену (яғни флуоресценция) және сәулеленбейтін (яғни сөндіру, FRET) процестерге байланысты болғандықтан, донор молекуласынан акцептор молекуласына энергияның берілуі донордың өмір сүру мерзімін қысқартады. Осылайша, FLIM арқылы жүзеге асырылатын FRET өлшеулері флюорофордың күйлері мен ортасын ажыратуға мүмкіндік береді. Интенсивтік FRET өлшеулеріне қарағанда, FLIM-ге негізделген FRET өлшеулері флюорофорлардың концентрациясына тәуелсіз болады, соның салдарынан концентрация мен шығарылу интенсивтілігінің өзгеруінен туындаған бұрмалаушылықтарды жоюға болады.