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.

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.