Введение
4Pi-микроскоп — это лазерный сканирующий флуоресцентный микроскоп с улучшенным осевым разрешением. Он позволяет улучшить типичный диапазон осевого разрешения с 500–700 нм до 100–150 нм, что соответствует почти сферической форме фокального пятна с объемом, в 5–7 раз меньшим, чем у стандартной конфокальной микроскопии.
Принцип работы
Улучшение разрешения достигается с помощью двух противоположных объективных линз, обе из которых сфокусированы в одной геометрической точке. Также разница в длине оптического пути через каждую из двух объективных линз тщательно выравнивается для минимизации. При этом молекулы, находящиеся в общей фокусной области обеих объективных линз, могут быть освещены когерентно с обеих сторон, а отраженный или испускаемый свет также может быть собран когерентно, то есть возможна когерентная суперпозиция испускаемого света на детекторе. Угол телесного угла, используемый для освещения и детектирования, увеличивается и приближается к своему максимуму. В этом случае образец освещается и детектируется одновременно со всех сторон. Режим работы микроскопа 4Pi показан на рисунке. Лазерный свет разделяется разделителем луча и направляется зеркалами к двум противоположным объективным линзам. В общей фокусной точке происходит суперпозиция обоих сфокусированных световых пучков. Возбужденные молекулы в этой точке излучают флуоресцентный свет, который собирается обеими объективными линзами, объединяется тем же разделителем луча и отклоняется дихроическим зеркалом на детектор. Там может произойти повторная суперпозиция обоих путей испускаемого света. В идеальном случае каждая объективная линза может собирать свет с телесного угла . С двумя объективными линзами можно собирать свет со всех направлений (телесный угол ). Название этого типа микроскопии происходит от максимально возможного телесного угла для возбуждения и детектирования. На практике можно достичь только апертурных углов около 140° для объективной линзы, что соответствует . Микроскоп может работать тремя различными способами: в 4Pi микроскопе типа A для генерации повышенного разрешения используется когерентная суперпозиция возбуждающего света. Испускаемый свет детектируется либо только с одной стороны, либо в некогерентной суперпозиции с обеих сторон. В 4Pi микроскопе типа B интерферирует только испускаемый свет. При работе в режиме типа C интерферируют как возбуждающий, так и испускаемый свет, что приводит к максимально возможному увеличению разрешения (~в 7 раз вдоль оптической оси по сравнению с конфокальной микроскопией). В реальном 4Pi микроскопе свет не может быть применен или собран равномерно со всех направлений, что приводит к так называемым боковым лепесткам в функции рассеяния точки. Обычно (но не всегда) в 4Pi микроскопе используется двухфотонная возбудительная микроскопия в сочетании с эмиссионной диафрагмой для снижения этих боковых лепестков до допустимого уровня.
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.
История
В 1971 году Кристоф Кремер и Томас Кремер предложили создать идеальную голограмму, то есть голограмму, несущую полную информацию о поле излучения точечного источника во всех направлениях. Однако публикация 1978 года пришла к неверному физическому выводу (а именно, к представлению о точечном световом пятне) и полностью упустила из виду увеличение осевого разрешения как основное преимущество добавления другой стороны телесного угла. Первое описание практически реализуемой системы 4Pi-микроскопии, то есть установки с двумя противостоящими интерферирующими линзами, было предложено Стефаном Хеллом в 1991 году. Он продемонстрировал это экспериментально в 1994 году. В последующие годы число областей применения этого микроскопа возросло. Например, параллельное возбуждение и детектирование 64 точек в образце одновременно, в сочетании с улучшенным пространственным разрешением, позволило успешно зарегистрировать динамику митохондрий в клетках дрожжей с помощью 4Pi-микроскопа в 2002 году. Коммерческая версия была выпущена производителем микроскопов Leica Microsystems в 2004 году, а затем снята с производства. На сегодняшний день наилучшее качество изображения в 4Pi-микроскопе достигается в сочетании с методами сверхразрешения, такими как принцип стимулированного излучательного истощения (STED). Используя 4Pi-микроскоп с соответствующими лучами возбуждения и дезбуждения, удалось создать однородное пятно размером 50 нм, что соответствует уменьшению фокусного объема по сравнению с конфокальной микроскопией в фиксированных клетках в 150–200 раз. Комбинация 4Pi-микроскопии и RESOLFT-микроскопии с переключаемыми белками позволяет теперь получать изображения живых клеток при низкой освещенности с изотропным разрешением менее 40 нм.