Кіріспе
4Pi микроскопы – бұл лазерлік сканерлеулі флуоресценттік микроскоп, оның осілік ажыратымдылығы жақсартылған. Оның көмегімен 500–700 нм-дегі осілік ажыратымдылықтың қалыпты диапазонын 100–150 нм-ге дейін жақсартуға болады, бұл стандартты конфокалды микроскопиядан 5–7 есе аз көлемді, дерлік шар тәрізді фокустық нүктеге сәйкес келеді.
Жұмыс принципі
Рұқшешіліктің жақсаруы екі қарама-қарсы объектив линзасын қолдану арқылы жүзеге асырылады, олардың екеуі де бір геометриялық нүктеге фокусқа келтіріледі. Сондай-ақ, екі объективтің әрқайсысы арқылы оптикалық жол ұзындығындағы айырмашылық ең аз болуы үшін мұқият реттеледі. Осы әдіспен екі объективтің ортақ фокустық аймағында орналасқан молекулаларды екі жағынан да когерентті түрде жарықтандыруға болады, ал шағылысқан немесе шығарылған жарық та когерентті түрде жиналады, яғни детекторда шығарылған жарықтың когерентті суперпозициясы мүмкін. Жарықтандыру және анықтау үшін қолданылатын қатты бұрыш артады және максималды мәніне жақындайды. Бұл жағдайда үлгі бір мезгілде барлық жағынан жарықтандырылады және анықталады. 4Pi микроскопының жұмыс режимі суретте көрсетілген. Лазерлік сәуле сәуле бөлгіш арқылы бөлінеді және айналар арқылы екі қарама-қарсы объектив линзасына бағытталады. Ортақ фокустық нүктеде екі фокусталған жарық сәулелерінің суперпозициясы пайда болады. Бұл нүктедегі қоздырылған молекулалар флуоресценциялық жарық шығарады, ол екі объектив линзасымен жиналады, сол сәуле бөлгіш арқылы біріктіріледі және дихроикалық айна арқылы детекторға бағытталады. Мұнда екі шығарылған жарық жолының суперпозициясы қайтадан орын алады. Идеалды жағдайда әр объектив линзасы қатты бұрыштан жарық жинай алады. Екі объектив линзасы бар болғанда, барлық бағыттан (қатты бұрыш ) жарық жинауға болады. Осы микроскопия түрінің атауы, жарықтандыру және анықтау үшін мүмкін болатын максималды қатты бұрыштан шығарылған. Іс жүзінде объектив линзасы үшін шамамен 140° диафрагма бұрышына қол жеткізуге болады, бұл . Микроскопты үш түрлі режимде пайдалануға болады: А типіндегі 4Pi микроскопында қоздыру жарығының когерентті суперпозициясы жоғары рұқшешілікке қол жеткізу үшін қолданылады. Шығарылатын жарық тек бір жағынан немесе екі жағынан когерентсіз суперпозицияда анықталады. B типіндегі 4Pi микроскопында тек шығарылатын жарық араласады. C типіндегі режимде қоздыру және шығарылатын жарық екеуі де араласуға мүмкіндік береді, бұл ең жоғары рұқшешілікке қол жеткізеді (конфокалды микроскопиямен салыстырғанда оптикалық ось бойымен ~7 есе). Нақты 4Pi микроскопында жарық барлық бағыттан бірдей қолданылмайды немесе жиналмайды, бұл нүктелік таралу функциясында жақтық лобтардың пайда болуына әкеледі. Әдетте (бірақ әрқашан емес) 4Pi микроскопында екі фотондық қоздыру микроскопиясы, осы жақтық лобтарды қабылданатын деңгейге дейін төмендету үшін эмиссиялық тесікпен бірге қолданылады.
The microscope can be operated in three different ways: In a 4Pi microscope of type A, the coherent superposition of excitation light is used to generate the increased resolution. The emission light is either detected from one side only or in an incoherent superposition from both sides. In a 4Pi microscope of type B, only the emission light is interfering. When operated in the type C mode, both excitation and emission light are allowed to interfere, leading to the highest possible resolution increase (~7 fold along the optical axis as compared to confocal microscopy). In a real 4Pi microscope light cannot be applied or collected from all directions equally, leading to so called side lobes in the point spread function. Typically (but not always) two photon excitation microscopy is used in a 4Pi microscope in combination with an emission pinhole to lower these side lobes to a tolerable level.
Тарих
1971 жылы Кристоф Кремер мен Томас Кремер кемелді голограмма жасауды ұсынды, яғни нүктелік көздің сәулеленуінің барлық бағыттағы өріс ақпаратын қамтитын, сонымен аталатын голограмма. Алайда, 1978 жылғы жарияланым дұрыс емес физикалық тұжырымға келді (яғни жарық нүктесі сияқты) және қос бұрыштың екінші жағын қосудың нақты артықшылығы – осьтік ажыратымдылықты арттыруды толығымен назардан тыс қалдырды. 4Pi микроскопиясының практикалық жүйесінің алғашқы сипаттамасын, яғни екі қарама-қарсы, бір-бірімен кедергілесетін линзалардан тұратын құрылымды 1991 жылы Стефан Хелл ойлап тапты. Ол оны 1994 жылы тәжірибелік түрде көрсетті. Келесі жылдары осы микроскоптың қолданылу саласы кеңейді. Мысалы, үлгідегі 64 нүктеде параллельді қоздыру және анықтау, кеңістіктік ажыратымдылықтың жақсаруы нәтижесінде 2002 жылы 4Pi микроскопымен ашытқы жасушаларындағы митохондриялардың динамикасын сәтті тіркеуге мүмкіндік берді. 2004 жылы микроскоп өндірушісі Leica Microsystems коммерциялық нұсқасын шығарды, бірақ кейіннен оны өндіру тоқтатылды. Бүгінгі күнге дейін 4Pi микроскопындағы ең жақсы нәтиже стимуляциялық эмиссияның әлсіреуі (STED) принципі сияқты суперрезолюциялық техникалармен қол жеткізілді. Тиісті қоздыру және деқоздыру сәулелері бар 4Pi микроскопын қолдану арқылы 50 нм өлшемді біркелкі нүкте жасауға болады, бұл бекітілген жасушаларда конфокалды микроскопиямен салыстырғанда 150–200 есеге дейін фокустық көлемді азайтуға сәйкес келеді. 4Pi микроскопиясы мен ауыстырылатын белоктармен RESOLFT микроскопиясын үйлестіру арқылы тірі жасушаларды төмен жарық деңгейінде 40 нм-ден төмен изотроптық ажыратымдылықпен суретке түсіруге болады.