Введение

Микроскоп с полным внутренним отражением флуоресценции (TIRFM) – это тип микроскопа, позволяющий наблюдать тонкий слой образца, как правило, толщиной менее 200 нанометров. TIRFM – это метод визуализации, использующий возбуждение флуоресцентных клеток в тонком оптическом срезе образца, расположенном на стеклянном предметном стекле. Техника основана на принципе, согласно которому при полном внутреннем отражении возбуждающего света в прозрачном твердом стекле на границе раздела со средой жидкость генерируется электромагнитное поле, также известное как затухающая волна, с той же частотой, что и возбуждающий свет. Интенсивность затухающей волны экспоненциально уменьшается с увеличением расстояния от поверхности твердого тела, поэтому эффективно возбуждаются только флуоресцентные молекулы в пределах нескольких сотен нанометров от поверхности. Затем можно получить двухмерные изображения флуоресценции, хотя существуют и способы получения трехмерной информации о расположении везикул или структур в клетках.

История

Флуоресцентная микроскопия с широким полем обзора была разработана в 1910 году и представляла собой оптический метод, освещающий весь образец. Затем, в 1960 году, была внедрена конфокальная микроскопия, которая уменьшила фоновый сигнал и время экспозиции образца, направляя свет в точку и освещая конусы света внутри образца. В 1980-х годах внедрение TIRFM (микроскопии с использованием эванесцентной волны) позволило еще больше снизить фон и время экспозиции, освещая только тонкий слой исследуемого образца. Эта идея была развита Дэниелом Аксельродом из Университета Мичигана, Энн-Арбор, в начале 1980-х годов, что привело к созданию метода TIRFM. TIRFM использует эванесцентную волну для селективного освещения и возбуждения флюорофоров в ограниченной области образца непосредственно у границы стекло-вода. Эванесцентное электромагнитное поле экспоненциально затухает от границы, проникая в образец на глубину всего около 100 нм. Таким образом, TIRFM позволяет селективно визуализировать поверхностные области, такие как базальная плазматическая мембрана (толщиной около 7,5 нм) клеток. Следует отметить, однако, что визуализируемая область имеет ширину не менее нескольких сотен нанометров, поэтому цитоплазматическая зона непосредственно под плазматической мембраной также визуализируется вместе с плазматической мембраной при микроскопии TIRF. Селективная визуализация плазматической мембраны позволяет с высоким осевым разрешением отображать структуры и события, происходящие на плазматической мембране живых клеток. TIRF также можно использовать для наблюдения флуоресценции отдельных молекул, что делает его важным инструментом биофизики и количественной биологии. Микроскопия TIRF также применяется для обнаружения отдельных молекул ДНК-биомаркеров и для дифференциации SNP. Показано, что геометрия cis (с использованием объективной TIRFM) и транс-геометрия (TIRFM на основе призмы и световода) обеспечивают различное качество эффекта полного внутреннего отражения. В транс-геометрии путь возбуждения и канал эмиссии разделены, в то время как в объективной TIRFM они используют один объектив и другие оптические элементы микроскопа. Геометрия на основе призмы генерирует чистую эванесцентную волну, экспоненциальное затухание которой близко к теоретически предсказанной функции. Однако в объективной TIRFM эванесцентная волна загрязнена интенсивным паразитным светом. Интенсивность паразитного света составляет 10–15% от интенсивности эванесцентной волны, что затрудняет интерпретацию данных, полученных с помощью объективной TIRFM.

Основанные на объективе и основанные на призму

Ключевые различия между TIRFM с объективом (cis) и TIRFM с призмой (trans) заключаются в том, что для генерации эванесцентного поля TIRFM с призмой требуется использование интерфейса призма/раствор, а TIRFM с объективом не требует призмы и использует интерфейс покровного стекла/раствор для генерации эванесцентного поля. Как правило, TIRFM с объективом используется чаще, однако имеет более низкое качество изображения из-за шума рассеянного света в эванесцентной волне.

Основные принципы физики

TIRFM основан на оптических явлениях полного внутреннего отражения, при котором волны, достигающие границы раздела сред, не проникают во вторую среду, а полностью отражаются обратно в первую. Полное внутреннее отражение требует, чтобы вторая среда имела меньший показатель преломления, чем первая, и чтобы волны падали на границу раздела под достаточно острым углом. Сопутствующим полному внутреннему отражению наблюдаемым явлением является затухающая волна, которая распространяется в пространстве перпендикулярно от границы раздела вглубь второй среды и экспоненциально затухает в зависимости от длины волны, показателя преломления и угла падения. Именно затухающая волна используется для усиления возбуждения флюорофоров вблизи поверхности образца и уменьшения возбуждения избыточных флюорофоров в растворе. На практике, в объективной TIRF, первая среда обычно представляет собой стеклянное покровное стекло с высоким показателем преломления, а вторая – образец в растворе с более низким показателем преломления. Между объективом и покровным стеклом может использоваться иммерсионное масло для предотвращения значительного преломления на воздухе.

Луч возбуждения

Для сложных методов флуороскопической микроскопии лазеры являются предпочтительным источником света благодаря их высокой однородности, интенсивности и почти монохроматичности. Однако стоит отметить, что источники света ARC LAMP и другие типы источников также могут быть использованы. Как правило, длина волны возбуждающего луча определяется требованиями флюорофоров в образце, при этом наиболее распространенные длины волн возбуждения для биологических образцов находятся в диапазоне 400–700 нм. На практике световой прибор генерирует многоцветный лазер высокой интенсивности, который затем фильтруется для пропускания необходимых длин волн к образцу. В случае объективной TIRFM возбуждающий луч и флуоресцентное излучение захватываются через одну и ту же объективную линзу. Для разделения этих лучей используется дихроматическое зеркало, которое отражает входящий возбуждающий луч к объективной линзе и пропускает луч излучения к детектору. Для дальнейшего разделения длин волн излучения и возбуждения может потребоваться дополнительная фильтрация.

Луч излучения

При возбуждении светом определенных длин волн флуорофорные красители переизлучают свет на больших длинах волн (содержащий меньшую энергию). В контексте TIRFM возбуждению evanescent-полем подвергаются только флуорофоры, находящиеся в непосредственной близости от интерфейса, в то время как флуорофоры на расстоянии более ~100 нм возбуждаются значительно слабее. Излучаемый флуорофорами свет является не направленным и, следовательно, проходит через объектив в различных точках с разной интенсивностью. Этот сигнал затем проходит через дихроматическое зеркало и направляется к детектору.

Покрытие и масла для погружения

Стеклянные покровные стекла обычно имеют показатель преломления около , в то время как показатель преломления иммерсионного масла сопоставим с ним. Воздух, имеющий показатель преломления , вызывает преломление возбуждающего луча между объективом и покровным стеклом, поэтому масло используется для выравнивания этого участка и предотвращения нежелательных взаимодействий на границе раздела до того, как луч достигнет границы между покровным стеклом и образцом.

Объективная линза

Числовая апертура объектива (NA) определяет диапазон углов, под которыми система может принимать или излучать свет. Для достижения максимальных углов падения желательно пропускать свет под углом к оптической оси через периферийные области линзы.

Задняя фокусная плоскость (BPF)

Задняя фокусная плоскость (также называемая "плоскостью апертуры") – это плоскость, через которую фокусируется возбуждающий луч перед прохождением через объектив. Регулировка расстояния между объективом и задней фокусной плоскостью может обеспечить разное увеличение изображения, поскольку угол падения луча станет менее или более пологим. Луч должен проходить через заднюю фокусную плоскость со смещением от оси, чтобы проходить через объектив по его краям, обеспечивая угол, достаточно превышающий критический угол. Луч также должен быть сфокусирован в задней фокусной плоскости, поскольку это гарантирует, что свет, проходящий через объектив, будет коллимирован, взаимодействуя с покровным стеклом под одним и тем же углом и, следовательно, полностью внутренне отражаясь. Данное покрытие разработано для высокой отражающей способности на коротких длинах волн и высокой прозрачности на длинных длинах волн. В то время как фильтр пропускает выбранный возбуждающий свет (с короткой длиной волны) через объектив на плоскость образца, он также пропускает испускаемый флуоресцентный свет (с длинной длиной волны) к барьерному фильтру и отражает любой рассеянный возбуждающий свет обратно к источнику лазера. Это максимизирует количество возбуждающего излучения, проходящего через фильтр, и испускаемого флуоресцентного луча, который обнаруживается детектором.

Барьерный фильтр

Барьерный фильтр в основном блокирует нежелательные длины волн, особенно более короткие длины волн возбуждающего света. Как правило, это полосовой фильтр, который пропускает только длины волн, излучаемые флуорофором, и блокирует весь нежелательный свет вне этой полосы. В более современных микроскопах барьерный фильтр можно менять в зависимости от длины волны специфического излучения флуорофора. Затем электрический сигнал свертывается с функцией точечного распространения (PSF) для восстановления исходного сигнала. Таким образом, разрешение изображения сильно зависит от количества детекторов, а функция точечного распространения определяет разрешение изображения.

Изображение артефакта и шум

Большинство методов флуоресцентной визуализации демонстрируют фоновый шум из-за освещения и реконструкции больших объемов образца (в направлении z). Поскольку TIRFM использует затухающую волну для возбуждения флуоресценции в тонком слое образца, в нем изначально меньше фонового шума и артефактов. Однако существуют и другие источники шума и артефактов, такие как пуассоновский шум, оптические аберрации, фотовыцветание и другие флуоресцентные молекулы. Пуассоновский шум представляет собой фундаментальную неопределенность при измерении света, что приводит к неопределенности при регистрации флуоресцентных фотонов. Этот шум может вызывать искажение изображения и его неправильное отображение в неверных координатах пикселей. Оптические аберрации могут возникать из-за дифракции флуоресцентного света или из-за несовпадения микроскопа и объектива. Дифракция света на предметном стекле может рассеивать флуоресцентный сигнал, приводя к размытию на полученных изображениях. Аналогично, при несовпадении объектива, фильтра и детектора пучки возбуждения или излучения могут быть не в фокусе, что также вызывает размытие изображения. Флуоресцирующие вещества всегда в некоторой степени деградируют под воздействием энергии возбуждающего излучения, что приводит к снижению интенсивности флуоресценции и появлению темного, размытого изображения. Фотовыцветание неизбежно, но его можно минимизировать, избегая ненужного воздействия света и используя иммерсионные масла для уменьшения рассеяния света. Этот метод, называемый методом максимального правдоподобия, постоянно совершенствуется с помощью алгоритмов для повышения скорости его работы.