Введение

Конфокальная микроскопия, чаще всего называемая конфокальной лазерной сканирующей микроскопией (CLSM) или лазерной сканирующей конфокальной микроскопией (LSCM), – это метод оптической визуализации, предназначенный для повышения оптического разрешения и контраста микрографа путем использования пространственной апертуры, блокирующей свет, находящийся вне фокуса, при формировании изображения. Получение множества двухмерных изображений на различных глубинах образца позволяет реконструировать трехмерные структуры (процесс, известный как оптическое секционирование) внутри объекта. Эта методика широко применяется в научных и промышленных кругах, а типичные области ее применения включают биологические науки, контроль качества полупроводников и материаловедение. В обычном микроскопе свет проходит через образец на максимально возможную глубину, в то время как конфокальный микроскоп фокусирует узкий луч света только на одном узком уровне глубины за один раз. CLSM обеспечивает контролируемую и очень ограниченную глубину резкости.

Основная концепция

Принцип конфокальной визуализации был запатентован в 1957 году Марвином Мински и направлен на преодоление некоторых ограничений традиционных флуоресцентных микроскопов с широким полем обзора. В обычном (то есть с широким полем обзора) флуоресцентном микроскопе весь образец равномерно освещается светом от источника света. Все части образца могут возбуждаться одновременно, и результирующая флуоресценция регистрируется фотодетектором или камерой микроскопа, включая значительную нефокусированную фоновую составляющую. В отличие от этого, конфокальный микроскоп использует точечное освещение (см. Функция рассеяния точки) и пинхол (отверстие) в плоскости, оптически сопряженной с детектором, для устранения внефокусного сигнала – название "конфокальный" происходит от этой конфигурации. Поскольку детектируется только свет, генерируемый флуоресценцией вблизи фокальной плоскости, оптическое разрешение изображения, особенно по глубине образца, значительно выше, чем у микроскопов с широким полем обзора. Однако, поскольку большая часть света от флуоресценции образца блокируется пинхолом, это увеличение разрешения достигается за счет снижения интенсивности сигнала, поэтому часто требуются длительные экспозиции. Для компенсации этого снижения сигнала после пинхола, интенсивность света регистрируется чувствительным детектором, обычно фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) или лавинным фотодиодом, преобразующим световой сигнал в электрический. Поскольку в образце освещается только одна точка за раз, для получения 2D или 3D изображений необходимо сканирование по регулярному растру (то есть прямоугольной сетке параллельных сканирующих линий) в образце. Луч сканируется по образцу в горизонтальной плоскости с помощью одного или нескольких (сервоуправляемых) осциллирующих зеркал. Этот метод сканирования обычно характеризуется низкой задержкой реакции, а скорость сканирования может быть изменена. Более медленное сканирование обеспечивает лучшее отношение сигнал/шум, что приводит к улучшению контраста. Достижимая толщина фокальной плоскости определяется в основном длиной волны используемого света, деленной на числовую апертуру объектива, а также оптическими свойствами образца. Возможность тонкого оптического среза делает эти типы микроскопов особенно подходящими для 3D-визуализации и профилирования поверхности образцов. Последовательные срезы формируют "z-стек", который может быть обработан для создания 3D-изображения или объединен в 2D-стек (в основном используется максимальная интенсивность пикселей, другие распространенные методы включают использование стандартного отклонения или суммирование пикселей). Программируемые матричные микроскопы (PAM) используют электронно-управляемый пространственный световой модулятор (SLM), который создает набор движущихся пинхолов. SLM – это устройство, содержащее массив пикселей, свойства которых (непрозрачность, отражательная способность или оптическое вращение) могут регулироваться электронным способом. SLM содержит микроэлектромеханические зеркала или компоненты на основе жидких кристаллов. Изображение обычно регистрируется ПЗС-камерой (CCD). Каждый из этих классов конфокальных микроскопов имеет свои преимущества и недостатки. Большинство систем оптимизированы либо для скорости записи (то есть захвата видео), либо для высокого пространственного разрешения. Конфокальные лазерные сканирующие микроскопы могут иметь программируемую плотность дискретизации и очень высокое разрешение, в то время как микроскопы Nipkow и PAM используют фиксированную плотность дискретизации, определяемую разрешением камеры. Частота кадров изображения обычно ниже для одноточечных лазерных сканирующих систем, чем для микроскопов с вращающимся диском или PAM. Коммерческие конфокальные микроскопы с вращающимся диском достигают частоты кадров более 50 в секунду – желательная характеристика для динамических наблюдений, таких как визуализация живых клеток. На практике, микроскопы Nipkow и PAM позволяют нескольким пинхолам сканировать одну и ту же область параллельно, при условии, что пинхолы достаточно удалены друг от друга. Современные разработки в области конфокальной лазерной сканирующей микроскопии позволяют получать изображения с частотой кадров выше стандартной для видео (60 кадров в секунду) за счет использования нескольких микроэлектромеханических сканирующих зеркал. Конфокальная рентгеновская флуоресцентная визуализация – это новая методика, которая обеспечивает контроль глубины, в дополнение к горизонтальному и вертикальному нацеливанию, например, при анализе скрытых слоев картины.

Улучшение разрешения

CLSM – это метод сканирующей визуализации, в котором достижимое разрешение лучше всего объясняется сравнением с другим сканирующим методом, например, с растровым электронным микроскопом (SEM). CLSM имеет преимущество, заключающееся в отсутствии необходимости поддерживать зонд на расстоянии нанометров от поверхности, как в AFM или STM, где изображение формируется путем сканирования тонким наконечником по поверхности. Расстояние от объектива до поверхности (так называемое рабочее расстояние) обычно сопоставимо с рабочим расстоянием обычного оптического микроскопа. Оно варьируется в зависимости от оптической схемы системы, но типичными являются рабочие расстояния от сотен микрометров до нескольких миллиметров. В CLSM образец освещается точечным лазерным источником, и каждый объёмный элемент связан с дискретным рассеянием или интенсивностью флуоресценции. Размер сканируемого объёма здесь определяется размером пятна (близким к дифракционному пределу) оптической системы, поскольку изображение сканирующего лазера – это не бесконечно малая точка, а трёхмерная дифракционная картина. Размер этой дифракционной картины и определяемый ею фокусный объём контролируются числовой апертурой объектива системы и длиной волны используемого лазера. Это можно рассматривать как классический предел разрешения обычных оптических микроскопов с широкопольной подсветкой. Однако при конфокальной микроскопии даже возможно улучшить предел разрешения методов широкопольной подсветки, поскольку конфокальную апертуру можно сузить, чтобы исключить высшие порядки дифракционной картины. Например, если диаметр пинхола установлен в 1 единицу Эйри, то через апертуру к детектору проходит только первый порядок дифракционной картины, а высшие порядки блокируются, тем самым повышая разрешение за счёт незначительного снижения яркости. В флуоресцентных наблюдениях предел разрешения конфокальной микроскопии часто ограничивается отношением сигнал/шум, обусловленным небольшим количеством фотонов, обычно доступных в флуоресцентной микроскопии. Этот эффект можно компенсировать, используя более чувствительные фотодетекторы или увеличивая интенсивность точечного лазерного источника освещения. Однако увеличение интенсивности лазерного освещения может привести к чрезмерному фотовыцветанию или другим повреждениям исследуемого образца, особенно в экспериментах, где требуется сравнение яркости флуоресценции. При визуализации тканей с различной степенью рефракции, таких как губчатая мезофилла листьев растений или другие ткани, содержащие воздушные пространства, часто проявляются сферические аберрации, ухудшающие качество конфокального изображения. Эти аберрации, однако, можно значительно уменьшить, заключая образцы в оптически прозрачные, нетоксичные перфторуглероды, такие как перфтордекалин, который легко проникает в ткани и имеет показатель преломления, почти идентичный показателю преломления воды. При визуализации в геометрии отражения также можно обнаружить интерференцию отражённого и рассеянного света от объекта, такого как внутриклеточный органелла. Интерферометрическая природа сигнала позволяет уменьшить диаметр пинхола до 0,2 единицы Эйри и, следовательно, обеспечивает идеальное увеличение разрешения в √2 раз без ухудшения отношения сигнал/шум, как в конфокальной флуоресцентной микроскопии.

Применение

CLSM широко используется в различных областях биологических наук, от клеточной биологии и генетики до микробиологии и биологии развития. Также он применяется в квантовой оптике, а также в визуализации и спектроскопии нанокристаллов.

Биология и медицина

Клинически, CLSM используется в оценке различных заболеваний глаз и особенно полезен для визуализации, качественного анализа и количественной оценки эндотелиальных клеток роговицы. Он применяется для локализации и идентификации нитевидных грибковых элементов в строме роговицы при кератомикозе, что обеспечивает быструю диагностику и, следовательно, раннее начало эффективного лечения. Исследования методов CLSM для эндоскопических процедур (эндомикроскопия) также демонстрируют многообещающие результаты. В фармацевтической промышленности рекомендуется контролировать процесс производства тонкопленочных лекарственных форм для обеспечения качества и однородности распределения лекарственного вещества. Конфокальная микроскопия также используется для изучения биопленок – сложных пористых структур, являющихся предпочтительной средой обитания микроорганизмов. Некоторые временные и пространственные характеристики биопленок можно понять только путем изучения их структуры в микро- и мезомасштабах. Исследование микромасштаба необходимо для выявления активности и организации отдельных микроорганизмов.

Оптика и кристаллография

CLSM используется как механизм получения данных в некоторых системах 3D оптического хранения данных и позволил установить возраст папируса Магдалены.

Сохранение звука

Система IRENE использует конфокальную микроскопию для оптического сканирования и восстановления поврежденных исторических аудиозаписей.

Характеристика поверхности материала

Лазерно-сканирующие конфокальные микроскопы используются для характеризации поверхности микроструктурированных материалов, таких как кремниевые пластины, применяемые в производстве солнечных элементов. На начальных этапах обработки пластины подвергаются химическому травлению кислотами или щелочными соединениями, что придает текстуру их поверхности. Затем лазерная конфокальная микроскопия используется для наблюдения состояния полученной поверхности на микрометровом уровне. Лазерная конфокальная микроскопия также может применяться для анализа толщины и высоты металлизированных контактов, нанесенных на солнечные элементы.

Улучшение осевого разрешения

Функция рассеяния точки пинхола — это эллипсоид, длина которого в несколько раз превышает его ширину. Это ограничивает осевое разрешение микроскопа. Одним из способов преодолеть это ограничение является 4Pi-микроскопия, при которой падающий и/или испускаемый свет интерферирует как сверху, так и снизу образца, уменьшая объем эллипсоида. Альтернативным методом является конфокальная тета-микроскопия. В этой технике конус освещающего и детектируемого света образуют угол друг с другом (наилучшие результаты достигаются при перпендикулярном расположении). Пересечение двух функций рассеяния точки дает значительно меньший эффективный объем образца. На основе этого была разработана микроскопия с одноплоскостным освещением. Кроме того, может быть применена деконволюция с использованием экспериментально полученной функции рассеяния точки для удаления внефокусного света и повышения контрастности как в осевой, так и в латеральной плоскостях.

Супер разрешение

Существуют конфокальные варианты, позволяющие достичь разрешения ниже дифракционного предела, такие как микроскопия с истощением излучаемой флуоресценции (STED). Помимо этой техники, доступно большое разнообразие других методов сверхразрешения (не основанных на конфокальной микроскопии), таких как PALM, (d)STORM, SIM и другие. Все они обладают своими преимуществами, такими как простота использования, достижимое разрешение и требования к специальному оборудованию, буферам или флюорофорам.

Работа при низких температурах

Для получения изображений образцов при низких температурах использовались два основных подхода, оба основанные на архитектуре лазерной сканирующей конфокальной микроскопии. Один из подходов заключается в использовании криостата с проточной системой охлаждения: только образец охлаждается до низкой температуры и подвергается оптическому воздействию через прозрачное окно. Другой возможный подход – размещение части оптических элементов (особенно объектива микроскопа) в криогенной емкости хранения. Этот второй подход, хотя и более сложный в реализации, обеспечивает лучшую механическую стабильность и позволяет избежать потерь, связанных с использованием окна.

Молекулярные взаимодействия

Для изучения молекулярных взаимодействий с помощью CLSM можно использовать перенос энергии резонансного типа Форстера (FRET) для подтверждения того, что два белка находятся на определенном расстоянии друг от друга.

Начало: 19401957

В 1940 году Ганс Голдманн, офтальмолог из Берна (Швейцария), разработал щелевую лампу для документирования обследований глаз. Некоторые более поздние авторы считают эту систему первой конфокальной оптической системой. В 1943 году Цюнь Коана опубликовал описание конфокальной системы. Первый конфокальный сканирующий микроскоп был создан Марвином Мински в 1955 году, а патент на него был подан в 1957 году. Сканирование точки освещения в фокальной плоскости осуществлялось путем перемещения стола. Научные публикации по результатам работы не были представлены, и ни одно изображение, полученное с помощью этого микроскопа, не сохранилось.

Тандемный сканирующий микроскоп

В 1960-х годах чехословацкий Моймир Петрань из медицинского факультета Карлова университета в Пльзене разработал тандемный сканирующий микроскоп – первый коммерчески доступный конфокальный микроскоп. Он продавался небольшой компанией в Чехословакии, а в Соединенных Штатах – компаниями Tracor Northern (позже Noran) и использовал вращающийся диск Нипкова для создания множества отверстий для возбуждения и эмиссии. Чехословацкий патент был подан в 1966 году Петранем и Миланом Хадравским, его чехословацким коллегой. Первая научная публикация с данными и изображениями, полученными с помощью этого микроскопа, вышла в журнале Science в 1967 году, ее авторами были М. Дэвид Эггер из Йельского университета и Петрань. В сноске к этой статье указано, что Петрань спроектировал микроскоп и руководил его созданием, а также частично являлся «исследователем-стажером» в Йельском университете. Вторая публикация, вышедшая в 1968 году, описывала теорию и технические детали прибора, а Хадравский и Роберт Галамбос, руководитель группы в Йельском университете, были указаны в качестве соавторов. В 1970 году был получен патент США, заявка на который была подана в 1967 году.

1969: Первый конфокальный лазерный сканирующий микроскоп

В 1969 и 1971 годах М. Дэвид Эггер и Пол Давидовиц из Йельского университета опубликовали две статьи, описывающие первый конфокальный лазерный сканирующий микроскоп. Это был точечный сканер, то есть генерировалась лишь одна точка освещения. Для наблюдения нервной ткани использовалась эпи-иллюминационная рефлекторная микроскопия. Лазер на гелиевом неоне мощностью 5 мВт, излучающий свет с длиной волны 633 нм, отражался от полупрозрачного зеркала на объектив. Объектив представлял собой простую линзу с фокусным расстоянием 8,5 мм. В отличие от всех предыдущих и большинства последующих систем, сканирование образца осуществлялось перемещением этой линзы (сканирование объективом), что приводило к перемещению фокусной точки. Отраженный свет возвращался к полупрозрачному зеркалу, а прошедшая часть фокусировалась другой линзой на детекционную апертуру, за которой располагалась фотоумножительная трубка. Сигнал визуализировался на экране кинескопа осциллографа, катодный луч которого перемещался синхронно с объективом. Специальное устройство позволяло получать фотографии Polaroid, три из которых были представлены в публикации 1971 года. Авторы высказывают предположения об использовании флуоресцентных красителей для исследований in vivo. Они ссылаются на патент Минского, благодарят Стива Баера, в то время аспиранта Медицинской школы Альберта Эйнштейна в Нью-Йорке, где он разработал конфокальный линейный сканирующий микроскоп, за предложение использовать лазер с «микроскопом Минского», а также благодарят Галамбоса, Хадравски и Петрань за обсуждения, способствовавшие разработке их микроскопа. Мотивом для разработки послужило то, что в тандемном сканирующем микроскопе лишь доля 10−7 света, используемого для освещения, участвует в формировании изображения в окуляре. Таким образом, качество изображения было недостаточно для большинства биологических исследований.

1977-1985: Точечные сканеры с лазерами и сканирование сценического

В 1977 году Колин Дж. Р. Шеппард и Амарджоти Чоудхури из Оксфорда, Великобритания, опубликовали теоретический анализ конфокальных и лазерно-сканирующих микроскопов. Вероятно, это первая публикация, в которой был использован термин «конфокальный микроскоп». Впервые в конструкции CLSM метод лазерного сканирования был объединен с трехмерной визуализацией биологических объектов, меченных флуоресцентными маркерами. В 1978 и 1980 годах группа Оксфордского университета под руководством Колина Шеппарда и Тони Уилсона описала конфокальный микроскоп с эпилазерной подсветкой, сканированием образца и фотоумножителями в качестве детекторов. Стол для образца мог перемещаться вдоль оптической оси (оси z), что позволяло получать оптические серийные срезы. Вскоре после этого многие другие исследовательские группы начали использовать конфокальную микроскопию для решения научных задач, которые до этого оставались неразрешимыми из-за технологических ограничений. В 1983 году И. Дж. Кокс и К. Шеппард из Оксфорда опубликовали первую работу, в которой управление конфокальным микроскопом осуществлялось с помощью компьютера. Первый коммерческий лазерно-сканирующий микроскоп, сканер SOM 25, был предложен компанией Oxford Optoelectronics (впоследствии приобретенной BioRad после нескольких поглощений) начиная с 1982 года. Он был основан на конструкции, разработанной Оксфордской группой.

Начиная с 1985 года: лазерные точечные сканеры с пульсовым сканированием

В середине 1980-х годов Уильям Брэдшоу Амос, Джон Грэм Уайт и их коллеги, работавшие в Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, создали первый конфокальный сканирующий микроскоп. Объект с образцом не перемещался, вместо этого перемещалось место освещения, что позволяло быстрее получать изображения: четыре изображения в секунду с 512 строками каждое. Значительное увеличение промежуточных изображений, благодаря протяженности оптического пути в 1–2 метра, позволило использовать обычную ирисовую диафрагму в качестве пинольного отверстия диаметром около 1 мм. Первые микрофотографии были получены путем длительной экспозиции на пленку, до добавления цифровой камеры. Дальнейшее усовершенствование позволило впервые осуществлять увеличение изображения препарата. Компании Zeiss, Leitz и Cambridge Instruments не проявляли интереса к коммерческому производству. Медицинский исследовательский совет (MRC) в конечном итоге профинансировал разработку прототипа. Дизайн был приобретен компанией Bio Rad, модифицирован с использованием компьютерного управления и коммерциализирован под названием "MRC 500". Модель MRC 600, последовавшая за ней, впоследствии стала основой для разработки первого двухфотонного флуоресцентного микроскопа, созданного в 1990 году в Корнелльском университете. В 1990 году предприятие было приобретено компанией Molecular Dynamics, но в конечном итоге производство CLSM было прекращено. В Германии компания Heidelberg Instruments, основанная в 1984 году, разработала CLSM, который изначально предназначался для промышленных применений, а не для биологических исследований. В 1990 году этот прибор был приобретен компанией Leica Lasertechnik. Компания Zeiss уже выпускала на рынок неконфокальный лазерный сканирующий микроскоп с летящим пятном, который был модернизирован до конфокального. В отчете за 1990 год упоминались следующие производители конфокальных микроскопов: Sarastro, Technical Instrument, Meridian Instruments, Bio Rad, Leica, Tracor Northern и Zeiss, которые также совместно основали компанию Lasentec для его коммерциализации. В 2001 году компания Lasentec была приобретена компанией Mettler Toledo. Они в основном используются в фармацевтической промышленности для обеспечения контроля процесса кристаллизации in situ в крупных системах очистки.

2010-е годы: вычислительные методы удаления выходной отверстия

В стандартных конфокальных приборах для фильтрации излучаемого или рассеянного света используется вторая, или "выходная" апертура. Традиционно эта апертура является пассивным компонентом, блокирующим свет для оптической фильтрации освещения. Однако в новых конструкциях предпринимаются попытки выполнить эту фильтрацию цифровым способом. Недавние разработки заменили пассивную апертуру на составной детекторный элемент. Как правило, после цифровой обработки этот подход обеспечивает лучшее разрешение и эффективность использования фотонов, поскольку предел разрешения может приближаться к пределу, достигаемому бесконечно малой апертурой. Другие исследователи пытались цифровым образом перефокусировать свет от точечного источника возбуждения, используя глубокие сверточные нейронные сети.