JP2012521541A - ノンコヒーレント光学顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、顕微鏡に関する。より具体的には、本発明は、超解像顕微鏡とそれにより得られる三次元画像の作成に関する。従って、本発明は、物理学、光学、化学、生物学の分野に関する。
約10年前までは、ファーフィールドの光学顕微鏡の分解能は、200〜250ナノメートルに限定され、サブ細胞構造の詳細を隠し、その生物学的な用途を制限していると考えられた。誘導放出減損(“STED”)顕微鏡の将来の発展を助ける概念によってこの回折限界を破ることは、光を用いたナノスケールでの生物学的システムの画像化を可能にした。STED顕微鏡と可逆的飽和光学蛍光遷移(“RESOLFT”)ファミリの他の部材は、(蛍光)プローブ分の光学飽和遷移を通した顕微鏡の点広がり関数(“PSF”)を設計することにより回折限界を10倍より大きく超えた分解能を達成する。
三次元の全てにおいて100ナノメートル未満の分解能で3D画像化を提供し得る顕微鏡システムに対する必要性がある。本発明者らは、スキャンすることなく三次元イメージングに使用することができる顕微鏡システムの必要性を認識している。プローブ分子を用いて三次元画像を作成するための顕微鏡システム及び方法が記載されている。一実施形態によれば、高めの分解能を持つ光学顕微鏡は、三次元画像を生成するように構成される。顕微鏡は、プローブ分子を複数有するサンプルをマウントするためのサンプルステージが含まれている。顕微鏡には、少なくとも一つのノンコヒーレント光源が含まれている。レンズは、試料に向かって、ノンコヒーレント光源からの光のビームを向けるために使用することができる。ノンコヒーレント光源は、プローブ分子は、冷光を発するために引き起こす可能性がある。カメラが配置され、プローブ分子からの発光を検出するように構成される。光ビームのパスの修正モジュールは、オブジェクトの面の複数箇所にカメラの発光検出を可能にするプローブ分子の発光のパスの長さを変更することができる。
本発明を説明および主張する際に以下の用語が使用される。
三次元の光活性化または光切り替え可能な蛍光タンパク質の同時、単一分子、マルチチャンネルの買収は、スキャンすることなく達成することができる。システムが利用し、全反射顕微鏡と複葉機イメージング顕微鏡を切り替えることが可能である。これは、後述するように、追加の画像検出チャネルを可能にすることができる。図1に示した実施例に従った顕微鏡システム100は、スキャンすることなく三次元、単一の色、複葉機のイメージングのために提供されている。このような405nmの112、488nmの114および561nmの116のようなレーザーは、複数の光源として使用することができる。他の波長、光源の数、および光源のタイプも使用できる。たとえば、システムが活性化し、プローブ分子の三次元(3D)画像を得るためのプローブ分子の読み出しのためのノンコヒーレント光源の使用が可能になる。特定の光源は、記載されてもよいが、光源の他のタイプはまた、本明細書に記載の活性化と読み出しの機能を提供するために使用することができる。405nmのレーザーまたは他のレーザーは、プローブ分子のサブセットを活性化するために使用することができる。強度の選択した範囲は、例えば、一度に分子の唯一の疎サブセットを変換するために使用することができる。少なくとも一つの活性化の光子との少なくとも一つの分子を活性化する。力が異なるが、約0.01μWから1.0mWまでパワーがある場合には適していることができる。使用される電力は、特定のプローブ分子と試料の特性に依存することができる。488nmのレーザーは、変換の前に自然な状態で光変換可能な蛍光プローブを検出するために使用される。光変換可能な蛍光プローブは、変換の前に緑色のプローブ分子として存在することができる。561nmのレーザーは高出力を有して、直ちに405nmのレーザーによる変換後、続いてCCDカメラ155によって励起光のコレクションのために提供し、変換後の蛍光プローブを励起する。蛍光プローブは、その後、このように人口からプローブを削除し、退色受けることができる。特定のレーザーがここで言及されているが、他のレーザーを使用することもできる。このプロセスは、不可逆的な切り替え可能な蛍光プローブを、禁止するこれらの分子のさらなるイメージングを組み合わせた。通常は、レーザーからのハイパワーは、プロセスの全体的な時間を短縮するために使用することができる。一般的には、25mWの最小値を考慮してもよい。下の権力は、画像取得時間を増やす可能性がある、使用することができる。非常にハイパワー561nmのレーザーを使用、例えば200mWとは、例えば、励起、収集及び低出力レーザーや光の光源に起因するよりも、漂白のかなり急速なプロセスになる可能性がある。
a)のインフルエンザウイルスから発現タンパク質に結合してPAFM
b)脂質に接続されているPAFM
c)PAFMsは、を含む癌の生物学に装着が、がんと核アーキテクチャのすべての形態に限定されない
d)膜を含む生物学ではなく、機能、細胞間相互作用や疾患に関連する欠陥の重要な蛋白質の表面での限られたウイルスの取り込みおよび発現、および
e)これらに限定されない、末梢神経障害、アルツハイマー病、多発性硬化症、シナプス機能、脊髄損傷や神経の変性と再生を含む、神経科学の生物学と疾患に添付されたPAFM。
例の複葉機蛍光光活性化ローカライゼーション顕微鏡(複葉FPALMが)について説明する。ティルフォトニクスIMIC顕微鏡のバージョンは、この手法で使用するために変更されました。顕微鏡自体は、従来の商用システムに比べて、非常に型破りであるという点で、それはモジュラーであり、他のシステム、例えば、接眼レンズに見られる基礎を欠いているユニークなプラットフォームを提供する。さらに、IMICは全体の光パスへのアクセスが容易に本明細書に記載したすべての反復で使用するためにシステムを操作することができる。さらに、システムは、全反射のコンデンサーの除去と、それが正常範囲に添付される顕微鏡、から離して配置することができる。これは、全反射ミラーと、スコープの内部コンポーネントであるビームステアリング装置との間の複葉機のための追加の光学系の配置を可能に。最後に、画像取得ソフトウェアは、ビジョンまでは、少しの適応と複葉機と複葉機FPALMの画像のキャプチャに最適であることが判明した。コレクションは、ソフトウェアの内因性の関数であり、画像解析ソフトウェアで使用可能な形式にファイルをエクスポートすることができる。
Claims (25)
- 増強した分解能を有し、かつ三次元イメージを提供することが可能である光学顕微鏡であって、該光学顕微鏡は、
複数のプローブ分子を有するサンプルを取り付けるためのサンプルステージと、
少なくとも一つのノンコヒーレント光源と、
該プローブ分子に発光させる、該少なくとも一つのノンコヒーレント光源からの光のビームを該サンプルに向けるように構成される少なくとも一つのレンズと、
該プローブ分子からの発光を検出するように構成されるカメラと、
複数の対物面においてカメラの発光検出を可能にするために、該プローブ分子の発光のパスの長さを変更するように構成される光ビームパス修正モジュールと
を含む、光学顕微鏡。 - 前記光ビームパス修正モジュールは、前記プローブ分子の発光を少なくとも二つのビームパスに分けるように構成されるビームスプリッターを含み、少なくとも一つのカメラは、該少なくとも二つのビームパスから該プローブ分子の発光を検出するように構成される、請求項1に記載のデバイス。
- 前記デバイスは、前記プローブ発光を少なくとも二つの光波長に分離するための二色性ビームスプリッターをさらに含み、該プローブ発光が分けられる該少なくとも二つのビームパスのうちの第1の少なくとも一つのパスは、該少なくとも二つの波長のうちの第1の波長に対応し、該プローブ発光が分けられる該少なくとも二つのビームパスのうちの第2の少なくとも一つのパスは、該少なくとも二つの波長のうちの第2の波長に対応する、請求項2に記載のデバイス。
- 前記光ビームパス修正モジュールは、前記プローブ分子の発光を少なくとも四つのビームパスに分けるように構成される少なくとも二つのビームスプリッターを含み、少なくとも一つのカメラは、該少なくとも四つのビームパスから該プローブ分子の発光を検出するように構成される、請求項1に記載のデバイス。
- 前記光ビームパス修正モジュールは、三次元イメージの生成のために、前記複数の対物面においてプローブ発光に対して前記サンプルをスキャンするように構成される線形スキャンデバイスを含む、請求項1に記載のデバイス。
- 前記システムは、対物レンズの側面に近い領域と、該対物レンズの中心に近い領域との間に前記光ビームのビームパスを変更するように構成される全内部反射蛍光(TIRF)集光器をさらに含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記少なくとも一つのノンコヒーレント光源は、複数の光源を含み、該複数の光源のうちの少なくとも一つは、二光子レーザーを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記カメラは、少なくとも二つの検出チャンネルを含む電子倍増型電荷結合素子(EMCCD)を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記システムは、任意の他のフィルタと無関係に、前記光源の照射強度および方向または位置を変えるために、AOTFをコントロールするように構成されるソフトウェアをさらに含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記ビームスプリッターは、異なる波長の蛍光を分離ように構成される二色性ミラーと、偏光ビームスプリッターと、50:50ビームスプリッターとのうちの一つ以上を含む、請求項2に記載のシステム。
- 透過光のチャンネルは、微分干渉コントラストによってイメージ化される、請求項1に記載のシステム。
- 前記システムは、粒子追跡の分析を提供するように構成される粒子分析モジュールをさらに含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記サンプルは、生物的膜に存在する光活性可能または光スイッチ可能な蛍光性分子(PAFM)のうちの少なくとも2種を有する細胞を含み、該生物的膜は、光活性可能または光スイッチ可能な蛍光性タンパク質、または光活性可能または光スイッチ可能な蛍光性脂質、または化学結合によって付着された光活性可能または光スイッチ可能な蛍光性分子を有する脂質を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記システムは、イメージ取得モジュールをさらに含み、該イメージ取得モジュールは、活性の蛍光色素分子の数が所定の閾値の間にある場合に、自動的に前記蛍光イメージを監視し、そして自動的にイメージ取得をトリガするように構成される、請求項13に記載のシステム。
- 前記システムは、前記カメラの全蛍光の出力を表すアナログ電圧を用いて、ユーザーにイメージ取得をトリガするフィードバックを提供するように構成されるフィードバックモジュールをさらに含み、該フィードバックモジュールは、電圧に取り付けられるスピーカーを含み、該スピーカーは、前記イメージの全蛍光に比例するピッチとしてオーディオ出力を提供する、請求項1に記載のシステム。
- 前記プローブ分子は、色素蛍光分子を含み、前記システムは、三次元において各色素蛍光分子を局在化させるように構成される色素蛍光分子局在モジュールをさらに含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記プローブ分子のうちの少なくとも一つは、光活性可能な蛍光分子(PAFM)であり、他のプローブ分子にエネルギーを転送するために、フォースターエネルギー転送を使用するように構成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記システムは、自動的に最適TIRF角を決定するように構成される自動TIRFモジュールをさらに含む、請求項6に記載のシステム。
- 前記システムは、TIRFに対する限界角と広視野顕微鏡との間に高速に変調するように構成される自動TIRFモジュールをさらに含む、請求項6に記載のシステム。
- 前記システムは、異なるTIRF侵入度の間に高速に変調するように構成される自動TIRFモジュールをさらに含む、請求項6に記載のシステム。
- 前記システムは、電子顕微鏡をさらに含み、該電子顕微鏡は、前記カメラを用いて、同時にまたは連続的に前記サンプルの電子顕微鏡イメージを取得するように構成される、請求項1に記載のシステム。
- 増強した分解能を有し、かつ三次元イメージを提供することが可能である光学顕微鏡のための動作方法であって、該方法は、
サンプルをステージに取り付けることであって、該サンプルは、複数のプローブ分子を有する、ことと、
第1の対物面においてプローブ発光を引き起こすために、ノンコヒーレント光源を用いて該サンプルを照射することと、
カメラを用いて、該プローブ分子の該第1の対物面から発光を検出することと、
光ビームパス修正モジュールを用いて、第2の対物面においてプローブ発光の検出を可能にするために、プローブ分子の発光のパスの長さを変更することと、
該カメラを用いて、該プローブ分子の該第2の対物面から発光を検出することと
含む、方法。 - ノンコヒーレント光源を用いて前記サンプルを照射することは、
前記複数のプローブ分子のうちの少なくとも一つのサブセットを活性化させるために、ノンコヒーレント活性光を用いて該サンプルを照射することと、
前記第1の対物面においてプローブ発光を引き起こすために、ノンコヒーレント励起光を用いて該サンプルを照射することと
をさらに含む、請求項22に記載の方法。 - 前記方法は、少なくとも二つのビームスプリッターを用いて、前記プローブ分子の蛍光を少なくとも四つのビームに分けることをさらに含む、請求項22に記載の方法。
- 前記方法は、前記プローブ蛍光を分ける前に、または後に該プローブ蛍光を少なくとも二つの光波長に二色性的に分離することをさらに含み、該プローブ発光が分けられる該少なくとも四つのパスのうちの第1の少なくとも二つは、該少なくとも二つの波長のうちの第1の波長に対応し、該プローブ発光が分けられる該少なくとも四つのパスのうちの第2の少なくとも二つのパスは、該少なくとも二つの波長のうちの第2の波長に対応する、請求項24に記載の方法。
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