WO2014027928A1 - Nanoscopy method - Google Patents

Nanoscopy method Download PDF

Info

Publication number
WO2014027928A1
WO2014027928A1 PCT/RU2013/000667 RU2013000667W WO2014027928A1 WO 2014027928 A1 WO2014027928 A1 WO 2014027928A1 RU 2013000667 W RU2013000667 W RU 2013000667W WO 2014027928 A1 WO2014027928 A1 WO 2014027928A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
points
microscopy
scanning
image
region
Prior art date
Application number
PCT/RU2013/000667
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Игорь Викторович ЧЕБОТАРЬ
Евгений Александрович ТАЛАНИН
Юрий Николаевич ЗАХАРОВ
Original Assignee
Chebotar Igor Victorovich
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chebotar Igor Victorovich filed Critical Chebotar Igor Victorovich
Publication of WO2014027928A1 publication Critical patent/WO2014027928A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/0004Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002Scanning microscopes
    • G02B21/0024Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0036Scanning details, e.g. scanning stages
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/0004Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002Scanning microscopes
    • G02B21/0024Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0052Optical details of the image generation
    • G02B21/0072Optical details of the image generation details concerning resolution or correction, including general design of CSOM objectives
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/0004Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002Scanning microscopes
    • G02B21/0024Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0052Optical details of the image generation
    • G02B21/0076Optical details of the image generation arrangements using fluorescence or luminescence

Definitions

  • the present invention relates to optical microscopy methods, i.e. hardware methods for researching objects invisible to the naked eye, performed on the basis of the study of light waves interacting with microobjects.
  • the interaction of light waves with microobjects can occur in various ways (absorption, reflection, interference, scattering, emission, polarization, diffraction), which, in modern microscopy, individually or in various combinations can be used to obtain an image of a microobject having dimensions significantly smaller than half wavelengths of light used to obtain an image.
  • the method is intended for use in production (technological control), research work (biology, physics, chemistry, pharmacology, materials science, etc.), nanotechnology, medicine (diagnosis of diseases), education.
  • Light microscopy is one of the most common methods for studying microobjects.
  • the resolution of traditional variants of light microscopy is limited by the wave properties of light and cannot exceed the Abbe diffraction limit, which is about half the wavelength of light used in illuminating an object (Panov V.A., Andreev L.N. Optics of microscopes. Calculation and design . L., "Mechanical Engineering", 1976. - 432 s). This significantly limits the scope of application of traditional methods of light microscopy in the fields of science and technology, where it is required to study objects with much smaller sizes - nanoscale objects.
  • SMI microscopy or spatially modulated illumination (the acronym SMI for Spatially Modulated Illumination) is based on the so-called “point spread function engineering” (Reymann J., Baddeley D., Lemmer P., Stadter W., Jegou T., Rippe K., Cremer C, Birk U. High precision structural analysis of subnuclear complexes in fixed and live cells via Spatially Modulated Illumination (SMI) microscopy. Chromosome Research. 2008. - 16, p. 367 -382).
  • a special system modifies the point spread function in a predetermined manner. For example, two laser beams interfering along the same optical axis are used for this.
  • the studied fluorescent point of the object using a special positioning device is moved along the specified optical axis by means of high-precision nanoscale steps so that it falls into areas with different phase shifts.
  • changes in the scattering pattern of the studied point of the object are recorded.
  • the object is scanned at individual points.
  • the results obtained are processed using a complex mathematical apparatus (for example, wavelet analysis is used), the result is a virtually reconstructed image with high resolution (up to 10 nm).
  • SMI microscopy involves the use of precision optical and mechanical technologies, and, therefore, expensive equipment and highly qualified personnel.
  • the method of localization microscopy is based on the ability to determine the position of an object (localization) from its image with subdiffraction accuracy (website of the Research Institute of Nanobiotechnology, URL http://www.nanobio.spbstu.ru/napravlenia- issledovanij / thanksizacionnaa-mikroskopia).
  • This method also involves the use of fluorochromes for coloring the studied points of an object (Hess S. T., Girirajan T. P., Mason M. D. Ultra-high resolution imaging by fluorescence photoactivation localization microscopy. Biophys J. 2006. - 91, p. 4258-4272).
  • the essence of the method is to create conditions under which the dye molecules in the sample do not fluoresce simultaneously, but in turn. In this case, their images in different frames do not overlap, which allows each molecule to be localized with high accuracy, limited only by the signal-to-noise ratio and the number of registered photons. Thus, having accumulated a sufficient number of frames and determining the coordinates of all the molecules in them, the map of the distribution of the fluorophore molecules in the sample (its image) is reconstructed, which will have a significantly better resolution than the usual image of the sample.
  • STED microscopy the STED acronym for Stimulated Emission Depletion microscopy
  • stimulated emission reduction microscopy Hell SW and Wichmann J. Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission- depletion fluorescence microscopy.
  • This type of microscopy involves the use of fluorescence microscopy, provided that the studied points of the object treated with a fluorochrome provide emission of light of a certain frequency (when illuminated from an external source). This type of microscopy simultaneously uses two types of laser pulses.
  • the first translates the fluorochrome into a normal excited state, providing its luminescence (this gives an image of a point that has a diameter no less than the diameter of the Airy disk).
  • the second type of impulse (STED impulse) is modified in such a way that it has a spot of zero intensity in the center (which coincides with the excitation zone caused by the first impulse), and at the edges after a sufficiently long exposure causes fluorochromes to “turn off” and quench their glow.
  • the luminosity of a single point corresponding to the center of the spot under study, which has a diameter much smaller than the Airy disk is determined.
  • STORM microscopy (Rust J. M., Bates M., Zhuang X. Sub-diffraction-limit imaging by stochastic optical reconstruction microscopy (STORM). Nat Methods. 2006. - 3, p .793-795).
  • STORM microscopy is based on stochastic optical image reconstruction (the acronym STORM comes from the English “stochastic optical reconstruction microscopy”) by combining information about the exact localization of each fluorophore in the sample. This type of microscopy involves the use of sequential activation (simultaneously with the determination of localization) of photo-switched fluorophores staining the studied points of the drug.
  • a certain set of fluorophores with a certain emission wavelength is activated so that it becomes possible to determine the localization of each fluorophore. Then, “turning off” the first set of fluorophores, they activate the fluorophores and evaluate their localization by a different emission wavelength.
  • Sophisticated mathematical processing of the obtained images allows you to restore the original image of the object with a resolution of 20 nm in the horizontal plane and 50 nm along the Z axis (vertical).
  • the main difficulty of all variants of localization microscopy is the creation of conditions for the separation of the fluorescence of molecules in time.
  • the undoubted advantage of the method described in the prototype is the ability to obtain a resolution significantly less than betrayed by Abba - about 20 nm. This allows you to get high-quality images of objects whose dimensions are measured in tens of nanometers.
  • the objective of the invention is the creation of a new effective method of nanoscopy, which allows you to explore colored and unpainted preparations.
  • the technical result from the use of the invention is to achieve superresolving ability - the ability to explore objects with a resolution of 1 nm or more; the possibility of researching drugs that do not contain in their structure fluorescent molecules, the possibility of repeated and repeated studies of the studied objects.
  • the specified technical result is achieved by the fact that in the method of nanoscopy, which includes obtaining an enlarged image of the points of the studied object, registration of the enlarged image and optical characteristics of the points of the studied object, storing and processing information about the optical characteristics of the points of the studied object, restoring the image of the studied object, the region is selected on the studied object scanning, inside which form an area with standard homogeneous optical properties, multiple o scan the points of the selected scanning area with a laser beam, each time moving the start of the scan to a distance of no more than the required resolution, while recording and saving information about the optical characteristics of the enlarged image of the points of the scan area and the coordinates of the points of the scan area, restore the image of the object under study based on the use of information on the optical characteristics of points in a region with standard homogeneous optical properties and information uu the optical properties of other points of the scanning area. Moving the beginning of the scan is carried out at a distance from 0.5 nm to 1000 nm.
  • FIG. 1 shows a diagram of scanning an object along the X axis with the start of scanning from a line passing through X 0 ;
  • FIG. 2 shows a diagram of scanning an object along the X axis with the start of scanning the point X 0 + ⁇ ;
  • FIG. 3 shows a diagram of scanning an object along the X axis with the start of scanning from a line passing X 0 + 2 ⁇ ;
  • FIG. 4 shows a diagram of scanning an object along the Y axis with the start of scanning from a line passing through ⁇ 0 + ⁇ ; in FIG.
  • FIG. 5 shows a diagram of scanning an object along the supplementary Service axis with the start of scanning from a line passing ⁇ 0 + 2 ⁇ ; in FIG. Figure 6 shows the reconstructed image of the surface of a metal plate with grain having a “grain” diameter of about 100 nm, obtained: A — using the known method of laser scanning (confocal) microscopy, B — using the proposed method. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  • the proposed method is as follows.
  • the studied object is placed on a microscope stage equipped with an automatically controlled positioning device with a controlled movement step, which is from 0.5 nm to 1000 nm or more.
  • a controlled movement step which is from 0.5 nm to 1000 nm or more.
  • examples of such devices are nanoposition devices with a pitch of less than 1 nm manufactured by Piezosystem Jena GmbH (website: http://www.piezosystem.com, nanoSXY 400 device) and PI Engineer (website: http: // www .nanopositioning.net).
  • Fig. 1 Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5, a region with standard homogeneous optical properties is schematically depicted as a region of a figure painted in gray.
  • Photo recorder the device is associated with a storage device that provides storage of information about the image of each point obtained by scanning.
  • the second (Fig. 2) and subsequent scans (Fig. 3) of each line of the scan area of the preparation along the X axis is carried out by moving along the "X" axis by the value " ⁇ " relative to the previous scan, the value " ⁇ " should be equal to the resolution d , which is planned to be obtained when implementing this method.
  • the second scan starts from the point “X 0 + ⁇ ”
  • the third scan starts from the point “X 0 + 2 ⁇ ”
  • the fourth scan starts from the point “X 0 + 3 ⁇ ” and so on, the process is repeated many times each time with a shift + ⁇ along the "X" axis until the point X p is reached as the starting point of the scan.
  • the resolution d is determined according to the following regularity: j _ 1.22X / AQ- ( L 1.22 Q / A ⁇ - 1) 1, 22 ⁇ , where d is the resolution, ⁇ is the wavelength of the used laser light, and A 0 is the aperture axial beam, ⁇ - step length of the movement of the investigated object relative to the light beam or beam relative to the object.
  • the proposed method was used to obtain an image of the surface of a native (unpainted) metal plate, on the surface of which there was a granularity with a diameter of "grain" of about 100 nm.
  • FIG. 6 shows images obtained by the method of traditional laser scanning (confocal) microscopy (A) and reconstructed using the proposed method (B). Using these methods, scanning along the X axis was performed. Investigating the object using the method considered by the authors as a prototype — nanoscopy — was fundamentally impossible, since the object was not amenable to coloring with fluorochrome dyes. The result of image reconstruction showed that it is impossible to detect the surface structure of an object using laser scanning (confocal) microscopy, while the proposed method demonstrates the striation corresponding to the natural surface of the object under study.
  • the above example proves that the proposed method can be successfully used in practice.
  • the example shows only one possible embodiment of the method.
  • the method can be carried out not only by reflecting the laser beam illuminating the object at an angle of 90 °, but also in transmitted light, and when illuminating the object at angles in the range from 0 to 360 °.
  • the method can be used in the study of unpainted objects and objects painted with fluorescent and non-fluorescent dyes.
  • the method allows the study of objects not only along the X and Y axes, but also Z, as well as to study changes in the geometric dimensions of the object under study in time (T).

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Abstract

The essence of the nanoscopy method is that a scanning region is selected on the object under examination, within which region a region with standard, uniform optical properties is formed, points of the selected scanning region are repeatedly scanned with a laser beam, the scanning start point being moved each time by a distance no greater than the required resolution, and information about the optical characteristics of the magnified image of the points of the scanning region as well as the coordinates of the points of the scanning region are recorded and stored. An image of the object under examination is reconstructed on the basis of information about the optical characteristics of the points of the region with standard, uniform optical properties and information about the optical properties of other points of the scanning region. The scanning start point is moved by a distance of from 0.5 nm to 1000 nm.

Description

Способ наноскопии  Nanoscopy Method
Область техники, к которой относится изобретение FIELD OF THE INVENTION
Предлагаемое изобретение относится к способам оптической микроскопии, т.е. аппаратным методам исследования объектов, невидимых невооруженным глазом, выполняемых на основе исследования световых волн, взаимодействующих с микрообъектами. Взаимодействие световых волн с микрообъектами может происходить в различных вариантах (поглощение, отражение, интерференция, рассевание, эмиссия, поляризация, дифракция), которые в современной микроскопии по отдельности или в различных сочетаниях могут использоваться для получения изображения микрообъекта, имеющего размеры существенно меньшие, чем половина длины волны света, используемого для получения изображения. Способ предназначен для применения в производстве (технологический контроль), научно-исследовательской работе (биология, физика, химия, фармакология, материаловедение и др.), нанотехнологиях, медицине (диагностика заболеваний), образовании. The present invention relates to optical microscopy methods, i.e. hardware methods for researching objects invisible to the naked eye, performed on the basis of the study of light waves interacting with microobjects. The interaction of light waves with microobjects can occur in various ways (absorption, reflection, interference, scattering, emission, polarization, diffraction), which, in modern microscopy, individually or in various combinations can be used to obtain an image of a microobject having dimensions significantly smaller than half wavelengths of light used to obtain an image. The method is intended for use in production (technological control), research work (biology, physics, chemistry, pharmacology, materials science, etc.), nanotechnology, medicine (diagnosis of diseases), education.
Предшествующий уровень техники State of the art
Инструменты для исследования микроскопических объектов необходимы для современных технологий, используемых в промышленности, биологии, медицине. Световая микроскопия относится к числу наиболее распространенных методов исследования микрообъектов. Однако разрешающая способность традиционных вариантов световой микроскопии ограничена волновыми свойствами света и не может превышать дифракционный предел Аббе, который составляет примерно половину от длины волны света, используемого в освещении объекта (Панов В. А., Андреев Л.Н. Оптика микроскопов. Расчет и проектирование. Л., «Машиностроение», 1976. - 432 с). Это существенно ограничивает области применения традиционных методов световой микроскопии в областях науки и техники, где требуется исследовать объекты, имеющие значительно меньшие размеры, - наноразмерные объекты. Для исследования таких объектов применяются методы сканирующей электронной микросокпии (СЭМ), трансмиссивной электронной микроскопии (ТЭМ), зондовая микроскопия (Echlin Р. Handbook of Sample preparation for Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. Springer Science+Business Media, LLC 2009. - P. 330; сайт «NT-MTD», URL-адрес http://www.ntmdt.ru/spm-principles; http://ru.wikipedia.org ). Методы электронной и зондовой микроскопии, которые позволяют достичь нанометрового и субнанометрового разрешения требуют сложной, длительной и дорогостоящей пробоподготовки и осуществляются на очень сложных и дорогостоящих микроскопах; для выполнения таких методик требуется специальный персонал, что, безусловно, ограничивает применение электронно-микроскопических и зондово-микроскопических методов. Tools for the study of microscopic objects are necessary for modern technologies used in industry, biology, medicine. Light microscopy is one of the most common methods for studying microobjects. However, the resolution of traditional variants of light microscopy is limited by the wave properties of light and cannot exceed the Abbe diffraction limit, which is about half the wavelength of light used in illuminating an object (Panov V.A., Andreev L.N. Optics of microscopes. Calculation and design . L., "Mechanical Engineering", 1976. - 432 s). This significantly limits the scope of application of traditional methods of light microscopy in the fields of science and technology, where it is required to study objects with much smaller sizes - nanoscale objects. For the study of such objects, the methods of scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), probe microscopy (Echlin P. Handbook of Sample preparation for Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. Springer Science + Business Media, LLC 2009. - P. 330; NT-MTD website, URL http://www.ntmdt.ru/spm-principles; http://ru.wikipedia.org). The methods of electron and probe microscopy, which make it possible to achieve nanometer and subnanometer resolution, require complex, lengthy and expensive sample preparation and carried out on very complex and expensive microscopes; To perform such techniques, special personnel are required, which, of course, limits the use of electron microscopy and probe microscopy methods.
За последние десятилетия появились новые системы, основанные на световой микроскопии, которые позволяют достичь разрешения, существенно меньшего, чем предел Аббе. Такая микроскопия получила название сверхразрешающей микроскопии (сайт http://en.wikipedia.org/wiki/Super resolution microscopy ). Наиболее известны и применяемы несколько методов сверхразрешающей оптической микроскопии. Это методы, получившие названия SMI-микроскопия, локализационная микроскопия, STORM-микроскопия In recent decades, new systems based on light microscopy have appeared, which allow one to achieve a resolution substantially lower than the Abbe limit. Such microscopy is called superresolution microscopy (website http://en.wikipedia.org/wiki/Super resolution microscopy). The most famous and used are several methods of superresolution optical microscopy. These methods are called SMI microscopy, localization microscopy, STORM microscopy.
SMI-микроскопия или пространственно-модулированная иллюминация (акроним SMI от англ. Spatially Modulated Illumination) основана на так называемом «инженеринге функции рассеяния точки» (Reymann J., Baddeley D., Lemmer P., Stadter W., Jegou Т., Rippe K., Cremer C, Birk U. High precision structural analysis of subnuclear complexes in fixed and live cells via Spatially Modulated Illumination (SMI) microscopy. Chromosome Research. 2008. - 16, p. 367 -382). Специальная система изменяет заданным образом функцию рассеяния точки. Например, для этого используется два лазерных луча, интерферирующих вдоль одной оптической оси. Изучаемую флуоресцирующую точку объекта при помощи специального устройства позиционирования перемещают вдоль указанной оптической оси посредством высокоточных наноразмерных шагов таким образом, чтобы она попадала в участки с различными фазовыми сдвигами. Одновременно регистрируется изменения картины рассеяния изучаемой точки объекта. Таким образом, объект сканируется по отдельным точкам. Полученные результаты обрабатываются с использованием сложного математического аппарата (например, применяют вейвлет-анализ), результатом является виртуально восстановленное изображение с высоким разрешением (до 10 нм). SMI- микроскопия предполагает использование прецизионных оптических и механических технологий, а, следовательно, дорогостоящего оборудования и высококвалифицированного персонала. SMI microscopy or spatially modulated illumination (the acronym SMI for Spatially Modulated Illumination) is based on the so-called “point spread function engineering” (Reymann J., Baddeley D., Lemmer P., Stadter W., Jegou T., Rippe K., Cremer C, Birk U. High precision structural analysis of subnuclear complexes in fixed and live cells via Spatially Modulated Illumination (SMI) microscopy. Chromosome Research. 2008. - 16, p. 367 -382). A special system modifies the point spread function in a predetermined manner. For example, two laser beams interfering along the same optical axis are used for this. The studied fluorescent point of the object using a special positioning device is moved along the specified optical axis by means of high-precision nanoscale steps so that it falls into areas with different phase shifts. At the same time, changes in the scattering pattern of the studied point of the object are recorded. Thus, the object is scanned at individual points. The results obtained are processed using a complex mathematical apparatus (for example, wavelet analysis is used), the result is a virtually reconstructed image with high resolution (up to 10 nm). SMI microscopy involves the use of precision optical and mechanical technologies, and, therefore, expensive equipment and highly qualified personnel.
В основе метода локализационной микроскопии лежит возможность определения положения объекта (локализации) по его изображению с субдифракционной точностью (сайт НИИ нанобиотехнологий, URL-адрес http://www.nanobio.spbstu.ru/napravlenia- issledovanij/lokalizacionnaa-mikroskopia ). Этот метод также подразумевает использование флуорохромов для окраски изучаемых точек объекта (Hess S. Т., Girirajan Т. P., Mason М. D. Ultra-high resolution imaging by fluorescence photoactivation localization microscopy. Biophys J. 2006. - 91 , p.4258-4272). Суть метода заключается в создании условий, при которых молекулы красителя в образце флуоресцируют не одновременно, а по очереди. В таком случае их изображения в различных кадрах не перекрываются, что позволяет локализовать каждую молекулу с высокой точностью, ограниченной только соотношением «сигнал-шум» и количеством зарегистрированных фотонов. Таким образом, накопив достаточное количество кадров и определив координаты всех молекул в них, реконструируется карта распределения молекул флуорофора в образце (его изображение), которая будет иметь существенно лучшее разрешение по сравнению с обычным изображением образца. The method of localization microscopy is based on the ability to determine the position of an object (localization) from its image with subdiffraction accuracy (website of the Research Institute of Nanobiotechnology, URL http://www.nanobio.spbstu.ru/napravlenia- issledovanij / lokalizacionnaa-mikroskopia). This method also involves the use of fluorochromes for coloring the studied points of an object (Hess S. T., Girirajan T. P., Mason M. D. Ultra-high resolution imaging by fluorescence photoactivation localization microscopy. Biophys J. 2006. - 91, p. 4258-4272). The essence of the method is to create conditions under which the dye molecules in the sample do not fluoresce simultaneously, but in turn. In this case, their images in different frames do not overlap, which allows each molecule to be localized with high accuracy, limited only by the signal-to-noise ratio and the number of registered photons. Thus, having accumulated a sufficient number of frames and determining the coordinates of all the molecules in them, the map of the distribution of the fluorophore molecules in the sample (its image) is reconstructed, which will have a significantly better resolution than the usual image of the sample.
Одним из вариантов локализационной микроскопии является STED-микроскопия (акроним STED от англ. «Stimulated Emission Depletion microscopy»), или «микроскопия снижения стимулированной эмиссии» (Hell S.W. and Wichmann J. Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy. OPTICS LETTERS. - 1994. - Vol. 19, No. 1 1. - P. 780-782) . Этот тип микроскопии подразумевает использование флуоресцентной микроскопии при условии, что исследуемые точки объекта, обработанные флуорохромом, обеспечивают эмиссию света определенной частоты (при освещении от внешнего источника). Этот тип микроскопии одновременно использует два типа лазерных импульсов. Первый переводит флуорохром в обычное возбужденное состояние, обеспечивая его свечение (так получается изображение точки, которая имеет диаметр не меньше, чем диаметр диска Эйри). Второй тип импульса (STED-импульс) модифицирован таким образом, что в центре имеет пятно нулевой интенсивности (которое совпадает с зоной возбуждения, вызванного первым импульсом), а по краям после достаточно длительного воздействия вызывает «выключение» флуорохромов и гашение их свечения. После такой обработки определяют интенсивность свечения отдельной точки, соответствующей центру исследуемого пятна, который имеет диаметр значительно меньше, чем диск Эйри. Разрешение метода определяется законом One option for localization microscopy is STED microscopy (the STED acronym for Stimulated Emission Depletion microscopy), or “stimulated emission reduction microscopy” (Hell SW and Wichmann J. Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission- depletion fluorescence microscopy. OPTICS LETTERS. - 1994. - Vol. 19, No. 1 1. - P. 780-782). This type of microscopy involves the use of fluorescence microscopy, provided that the studied points of the object treated with a fluorochrome provide emission of light of a certain frequency (when illuminated from an external source). This type of microscopy simultaneously uses two types of laser pulses. The first translates the fluorochrome into a normal excited state, providing its luminescence (this gives an image of a point that has a diameter no less than the diameter of the Airy disk). The second type of impulse (STED impulse) is modified in such a way that it has a spot of zero intensity in the center (which coincides with the excitation zone caused by the first impulse), and at the edges after a sufficiently long exposure causes fluorochromes to “turn off” and quench their glow. After this treatment, the luminosity of a single point corresponding to the center of the spot under study, which has a diameter much smaller than the Airy disk, is determined. Method resolution is determined by law
2л sin α (1 + alnigi/IJ)1'2 ' где 1„ — мощность излучения, необходимая для обеспечения преимущественного перехода Si— >S0; Imax— мощность излучения тушения. Таким образом, объект сканируют по отдельным точкам и при помощи сложного математического аппарата виртуально восстанавливают изображение. STED-микроскопия предполагает использование прецизионных оптических и механических технологий, а, следовательно, дорогостоящего оборудования и высококвалифицированного персонала. 2l sin α (1 + al nigi / I J ) 1 ' 2 ' where 1 „is the radiation power necessary to ensure the preferential transition Si—> S 0 ; I max - extinguishing radiation power. Thus, the object is scanned at individual points and, using a complex mathematical apparatus, the image is virtually restored. STED microscopy involves the use of precision optical and mechanical technologies, and, therefore, expensive equipment and highly qualified personnel.
В качестве одного из вариантов локализационной микроскопии можно расценивать STORM-микроскопию (Rust J. М., Bates М., Zhuang X. Sub-diffraction-limit imaging by stochastic optical reconstruction microscopy (STORM). Nat Methods. 2006. - 3, p.793-795). STORM-микроскопия основана на стохастической оптической реконструкции изображения (акроним STORM происходит от англ. «stochastic optical reconstruction microscopy») при помощи объединения информации о точной локализации каждого флуорофора в образце. Этот тип микроскопии подразумевает использование последовательной активации (одновременно с определением локализации) фотопереключаемых флуорофоров, окрашивающих исследуемые точки препарата. Одновременно активируется некое множество флуорофоров с определенной длиной волны эмиссии так, что появляется возможность определить локализацию каждого флуорофора. Затем, «выключив» первое множество флуорофоров, производят активацию флуорофоров и оценку их локализации по другой длине волны эмиссии. Сложная математическая обработка полученных изображений позволяет восстановить исходное изображение объекта с разрешающей способностью 20 нм в горизонтальной плоскости и 50 нм по оси Z (по вертикали). Основной сложностью всех вариантов локализационной микроскопии является создание условий для разделения флуоресценции молекул во времени. Для этого существует несколько методик: 1) использование экзотических фотопереключаемых или фотоактивируемых красителей, переходами которых в активное состояние можно управлять при помощи света определенных длин волн; 2) создание условий для обратимого перехода стандартных флуоресцентных красителей в долгоживущее «темное» состояние и спонтанного возвращения оттуда («мигания» флуорофоров). One of the options for localization microscopy is STORM microscopy (Rust J. M., Bates M., Zhuang X. Sub-diffraction-limit imaging by stochastic optical reconstruction microscopy (STORM). Nat Methods. 2006. - 3, p .793-795). STORM microscopy is based on stochastic optical image reconstruction (the acronym STORM comes from the English “stochastic optical reconstruction microscopy”) by combining information about the exact localization of each fluorophore in the sample. This type of microscopy involves the use of sequential activation (simultaneously with the determination of localization) of photo-switched fluorophores staining the studied points of the drug. At the same time, a certain set of fluorophores with a certain emission wavelength is activated so that it becomes possible to determine the localization of each fluorophore. Then, “turning off” the first set of fluorophores, they activate the fluorophores and evaluate their localization by a different emission wavelength. Sophisticated mathematical processing of the obtained images allows you to restore the original image of the object with a resolution of 20 nm in the horizontal plane and 50 nm along the Z axis (vertical). The main difficulty of all variants of localization microscopy is the creation of conditions for the separation of the fluorescence of molecules in time. There are several methods for this: 1) the use of exotic photo-switchable or photoactivable dyes, the transitions of which into an active state can be controlled using light of certain wavelengths; 2) creation of conditions for a reversible transition of standard fluorescent dyes to a long-lived “dark” state and spontaneous return from there (“blinking” of fluorophores).
На основе вышеупомянутых научно-технических документов можно утверждать, что осуществление известных способов оптической сверхразрешающей микроскопии включает следующие варианты: Based on the above scientific and technical documents, it can be argued that the implementation of known methods of optical superresolution microscopy includes the following options:
1) Восстановление изображения по данным, полученным на основании исследований функции рассеяния света точек объекта. 1) Image restoration from data obtained on the basis of studies of the light scattering function of the points of an object.
2) Восстановление изображения по данным, полученным при помощи «управляемой» флуоресценции точек объекта, окрашенных флуорофорами. Главная положительная сторона описанных способов заключаются в возможности получения разрешающей способности значительно меньше предала Аббе; это позволяет изучать объекты, размеры которых измеряются десятками нанометров. 2) Image recovery from data obtained using “controlled” fluorescence of the points of an object stained with fluorophores. The main positive side of the described methods lies in the possibility of obtaining a resolution much less than betrayed by Abba; this allows you to study objects whose dimensions are measured in tens of nanometers.
Но у указанных способов существуют и значительные недостатки. Главным принципиальным недостатком является невозможность изучения нефлуоресцирующих объектов. К другим недостаткам можно отнести: 1) сложность и дороговизну используемого оборудования; 2) необходимость применения дорогостоящих флуорохромных красителей; 3) необходимость дополнительного этапа окраски флуорохромами в ходе пробоподготовки препаратов для микросокпии, что удлиняет, осложняет и удорожает проведение процедуры микроскопии; 4) необходимость специально подготовленного высококвалифцированного персонала для выполнения микроскопии при помощи описанных способов. But these methods have significant disadvantages. The main fundamental drawback is the impossibility of studying non-fluorescent objects. Other disadvantages include: 1) the complexity and high cost of the equipment used; 2) the need to use expensive fluorochrome dyes; 3) the need for an additional stage of staining with fluorochromes during the sample preparation of preparations for microcopy, which lengthens, complicates and increases the cost of the microscopy procedure; 4) the need for specially trained highly qualified personnel to perform microscopy using the described methods.
Наиболее близким к предлагаемому решению и выбранным автором в качестве прототипа является вариант сверхразрешающей микроскопии, которьш получил название «Способ флуоресцентной наноскопии (варианты)» (патент Российской Федерации на изобретение Jfe 2305270, кл. G01N21/00, G01N21/64, опубл. 27.11.2006 г.) Этот тип микроскопии подразумевает использование флуоресцентной микроскопии при условии, что исследуемые точки объекта, обработанные флуорохромом или несколькими флуорохромами, обеспечивают эмиссию света (при освещении от внешнего источника). При освещении объекта с помощью УФ-вспышки часть нефлуоресцирующих молекул красителя превращается во флуоресцирующие. Это может происходить за счет того, что часть нефлуоресцирующих молекул красителя превращается во флуоресцирующие за счет отрыва от них блокирующих флуоресценцию химических групп. Свечение от точек, соответствующих светящимся молекулам флуорохрома регистрируется в виде раздельных пятен на кадрах видеокамеры или двух видеокамер, информация от которых передается в компьютер. Флуоресцирующие молекулы обесцвечиваются в процессе или после регистрации. Кадры с остаточным флуоресцентным излучением передаются в компьютер. По разностным кадрам осуществляют поиск центров пятен, представляющих координаты молекул флуоресцирующего красителя. Процесс повторяется до вычисления координат молекул красителя в освещаемой части объекта. Осуществляют компьютерную реконструкцию изображения объекта или его среза. Объекты могут быть прокрашены флуоресцентными наночастицами одного или разных видов. Технический результат - получение двух- и трехмерного изображения с разрешением лучше 20 нм, возможность б Closest to the proposed solution and chosen by the author as a prototype is a variant of superresolution microscopy, which was called the “Method of fluorescence nanoscopy (options)” (patent of the Russian Federation for the invention Jfe 2305270, class G01N21 / 00, G01N21 / 64, publ. 27.11. 2006) This type of microscopy involves the use of fluorescence microscopy, provided that the studied points of the object treated with a fluorochrome or several fluorochromes provide light emission (when illuminated from an external source). When an object is illuminated with a UV flash, part of the non-fluorescent dye molecules turns into fluorescent ones. This can occur due to the fact that part of the non-fluorescent dye molecules turns into fluorescent ones due to the separation of chemical groups that block fluorescence from them. The glow from the points corresponding to the luminous fluorochrome molecules is recorded as separate spots on the frames of the video camera or two video cameras, the information from which is transmitted to the computer. Fluorescent molecules become discolored during or after registration. Frames with residual fluorescence are transmitted to the computer. The difference frames search for the centers of spots representing the coordinates of the fluorescent dye molecules. The process is repeated until the coordinates of the dye molecules in the illuminated part of the object are calculated. Carry out a computer reconstruction of the image of the object or its slice. Objects can be stained with fluorescent nanoparticles of one or different types. EFFECT: obtaining two- and three-dimensional images with a resolution better than 20 nm, the possibility b
регистрации цветного изображения при прокраске различными красителями белков, нуклеиновых кислот, липидов и пр. registration of a color image when staining with various dyes proteins, nucleic acids, lipids, etc.
Несомненным достоинством способа, описанного в прототипе, является возможность получения разрешающей способности значительно меньше предала Аббе - порядка 20 нм. Это позволяет получать качественные изображения объектов, размеры которых измеряются десятками нанометров. The undoubted advantage of the method described in the prototype is the ability to obtain a resolution significantly less than betrayed by Abba - about 20 nm. This allows you to get high-quality images of objects whose dimensions are measured in tens of nanometers.
Однако, известный способ имеет существенные недостатки. However, the known method has significant disadvantages.
Во-первых, в прототипе возможно исследование только объектов, содержащих специальные флуоресцирующие молекулы. Поэтому препараты для этого типа микроскопии требуют дорогостоящей пробоподготовки, которая заключается в окраске препарата специальными флуоресцирующими красителями - флуорохромами. Firstly, in the prototype, it is possible to study only objects containing special fluorescent molecules. Therefore, preparations for this type of microscopy require expensive sample preparation, which consists in staining the drug with special fluorescent dyes - fluorochromes.
Во-вторых, объекты, однократно подвергнутые описанному в прототипе способу наноскопии, теряют свое качество из-за «выжигания» молекул флуорохромов, из-за чего их повторное исследование становится невозможным. Secondly, objects that are once subjected to the nanoscopy method described in the prototype lose their quality due to the “burning out” of fluorochrome molecules, which makes their repeated investigation impossible.
В-третьих, авторы способа-прототипа позиционируют свой вариант наноскопии в качестве способа, применяющегося только в медико-биологических науках для исследования «белков, нуклеиновых кислот, липидов и пр». Это также сужает область применения способа, не позволяя использовать его для исследования неживых объектов в физике, химии, промышленных технологиях. Thirdly, the authors of the prototype method position their version of nanoscopy as a method that is used only in biomedical sciences for the study of “proteins, nucleic acids, lipids, etc.” This also narrows the scope of the method, not allowing it to be used to study inanimate objects in physics, chemistry, industrial technology.
Все перечисленные недостатки не только количественно снижают эффективность способа, но и качественно ограничивают область его применения, не позволяя использовать его для исследования объектов, не содержащих специальные флуоресцирующие молекулы. All these disadvantages not only quantitatively reduce the effectiveness of the method, but also qualitatively limit the scope of its application, not allowing it to be used to study objects that do not contain special fluorescent molecules.
Сущность изобретения SUMMARY OF THE INVENTION
Задачей предлагаемого изобретения является создание нового эффективного способа наноскопии, позволяющего исследовать окрашенные и неокрашенные препараты. The objective of the invention is the creation of a new effective method of nanoscopy, which allows you to explore colored and unpainted preparations.
Технический результат от использования изобретения заключается в достижении сверхразрешающей способности - возможности исследовать объекты с разрешением от 1 нм и более; возможности исследования препаратов, не содержащих в своей структуре флуоресцирующих молекул, возможности повторного и многократного исследования изучаемых объектов. The technical result from the use of the invention is to achieve superresolving ability - the ability to explore objects with a resolution of 1 nm or more; the possibility of researching drugs that do not contain in their structure fluorescent molecules, the possibility of repeated and repeated studies of the studied objects.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе наноскопии, включающем получение увеличенного изображения точек исследуемого объекта, регистрацию увеличенного изображения и оптических характеристик точек исследуемого объекта, сохранение и обработку информации об оптических характеристиках точек исследуемого объекта, восстановление изображения исследуемого объекта, на исследуемом объекте выбирают область сканирования, внутри которой формируют область со стандартными однородными оптическими свойствами, многократно сканируют точки выбранной области сканирования лазерным лучом, каждый раз перемещая начало сканирования на расстояние не более требуемой разрешающей способности, с одновременной регистрацией и сохранением информации об оптических характеристиках увеличенного изображения точек области сканирования и координатах точек области сканирования, восстанавливают изображение исследуемого объекта на основе использования информации об оптических характеристиках точек области со стандартными однородными оптическими свойствами и информации об оптических свойствах других точек области сканирования. Перемещение начала сканирования осуществляют на расстояние от 0,5 нм до 1000 нм. The specified technical result is achieved by the fact that in the method of nanoscopy, which includes obtaining an enlarged image of the points of the studied object, registration of the enlarged image and optical characteristics of the points of the studied object, storing and processing information about the optical characteristics of the points of the studied object, restoring the image of the studied object, the region is selected on the studied object scanning, inside which form an area with standard homogeneous optical properties, multiple o scan the points of the selected scanning area with a laser beam, each time moving the start of the scan to a distance of no more than the required resolution, while recording and saving information about the optical characteristics of the enlarged image of the points of the scan area and the coordinates of the points of the scan area, restore the image of the object under study based on the use of information on the optical characteristics of points in a region with standard homogeneous optical properties and information uu the optical properties of other points of the scanning area. Moving the beginning of the scan is carried out at a distance from 0.5 nm to 1000 nm.
Перечень фигур чертежей List of drawings
Вышеуказанные и иные аспекты и преимущества настоящего изобретения раскрыты в нижеследующем подробном его описании, приводимом со ссылками на фигуры чертежей, на которых на Фиг. 1 изображена схема сканирования объекта по оси X с началом сканирования от линии, проходящей через Х0; на Фиг. 2 изображена схема сканирования объекта по оси X с началом сканирования точки Х0 + Δ; на Фиг. 3 изображена схема сканирования объекта по оси X с началом сканирования от линии, проходящей Х0 + 2Δ; на Фиг. 4 изображена схема сканирования объекта по оси Y с началом сканирования от линии, проходящей через Υ0 + Δ; на Фиг. 5 изображена схема сканирования объекта по оси Υ с началом сканирования от линии, проходящей Υ0 + 2Δ; на Фиг. 6 приведено восстановленное изображение поверхности металлической пластины с зернистостью, имеющей диаметр «зерна» порядка 100 нм, полученное: А - при помощи известного способа лазерной сканирующей (конфокальной) микроскопии, Б— при помощи предлагаемого способа. Подробное описание изобретения The above and other aspects and advantages of the present invention are disclosed in the following detailed description, given with reference to the figures of the drawings, in which in FIG. 1 shows a diagram of scanning an object along the X axis with the start of scanning from a line passing through X 0 ; in FIG. 2 shows a diagram of scanning an object along the X axis with the start of scanning the point X 0 + Δ; in FIG. 3 shows a diagram of scanning an object along the X axis with the start of scanning from a line passing X 0 + 2Δ; in FIG. 4 shows a diagram of scanning an object along the Y axis with the start of scanning from a line passing through Υ 0 + Δ; in FIG. 5 shows a diagram of scanning an object along the оси axis with the start of scanning from a line passing Υ 0 + 2Δ; in FIG. Figure 6 shows the reconstructed image of the surface of a metal plate with grain having a “grain” diameter of about 100 nm, obtained: A — using the known method of laser scanning (confocal) microscopy, B — using the proposed method. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. The proposed method is as follows.
1.Исследуемый объект помещают на предметный столик микроскопа, оборудованный автоматически управляемым устройством позиционирования с управляемым шагом перемещения, который составляет от 0,5 нм до 1000 нм и более. Техническая возможность таких перемещений существует, примерами таких устройств являются нанопозиционирующие устройства с шагом менее 1 нм производства компании Piezosystem Jena GmbH (сайт: http://www.piezosystem.com , устройство nanoSXY 400) и PI Engineer (сайт: http://www.nanopositioning.net). 1. The studied object is placed on a microscope stage equipped with an automatically controlled positioning device with a controlled movement step, which is from 0.5 nm to 1000 nm or more. There is a technical possibility of such movements, examples of such devices are nanoposition devices with a pitch of less than 1 nm manufactured by Piezosystem Jena GmbH (website: http://www.piezosystem.com, nanoSXY 400 device) and PI Engineer (website: http: // www .nanopositioning.net).
2.3атем на препарате выбирают область сканирования, ее координаты по осям «X» и «Υ» фиксируют запоминающим устройством, сопряженным с устройством позиционирования препарата. Схема исследования препарата отражена на Фиг.1, Фиг. 2. ,Фиг.З, Фиг.4, Фиг.5. Координаты области сканирования составляют по оси «X» от Х0 до Х„, по оси «Υ» - от Y0 до Υ„ (шкала деления соответствует 1 диску Эйри). Далее в определенной области сканирования формируют область со стандартными однородными оптическими свойствами. Для этого можно использовать непрозрачные для лазерного луча и полностью поглощающие лазерный луч «маски», которые накладывают на две взаимно перпендикулярные полосы с внутренними границами по линиям Хп-2 и Υη-2, ширина маски составляет не менее 2-х диаметров диска Эйри. На Фиг.1 , Фиг.2, Фиг.З, Фиг.4, Фиг.5 область со стандартными однородными оптическими свойствами схематически изображена в виде области фигуры, окрашенной в серый цвет. 2.3 then on the preparation select the scanning area, its coordinates along the “X” and “Υ” axes are fixed with a storage device, paired with the positioning device of the preparation. The study design of the drug is shown in Fig.1, Fig. 2., FIG. 3, FIG. 4, FIG. 5. The coordinates of the scan area are along the “X” axis from X 0 to X „, along the“ Υ ”axis - from Y 0 to Υ„ (the division scale corresponds to 1 Airy disk). Further, in a certain scanning area, an area with standard uniform optical properties is formed. To do this, you can use “masks” that are opaque to the laser beam and completely absorb the laser beam, which are superimposed on two mutually perpendicular strips with internal boundaries along the lines X n-2 and Υ η-2 , the mask width is at least 2 diameters of the Airy disk . In Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5, a region with standard homogeneous optical properties is schematically depicted as a region of a figure painted in gray.
3. Производят микроскопию в отраженном свете. Луч лазерного света, сфокусированного системой линз до диаметра диска Эйри, наводят на точку с координатами Х=0 и Υ=0. Препарат сканируют этим лучом, сфокусированным до диаметра диска Эйри, по отдельным точкам линий по оси X до точек расположенных на линии Хп; при этом расстояние между центрами этих точек равно диаметру диска Эйри. Таким образом сканируют все точки выбранной области сканирования, область сканирования и направления сканирования отражены на Фигурах горизонтальными линиями-стрелками.3. Make a microscopy in reflected light. A beam of laser light focused by a lens system to the diameter of the Airy disk is pointed at a point with coordinates X = 0 and Υ = 0. The drug is scanned by this beam, focused to the diameter of the Airy disk, at individual points of the lines along the X axis to points located on the line X p ; the distance between the centers of these points is equal to the diameter of the Airy disk. Thus, all points of the selected scanning area are scanned, the scanning area and scanning directions are reflected in the Figures by horizontal arrow lines.
4. Лучи, отраженные от каждой точки, проходят через объектив, увеличенное изображение каждой точки попадает на фоторегистрирующее устройство, которое регистрирует оптические характеристики изображения точек (яркость или/и спектральные характеристики, или/и характеристики поляризации и др.). Фоторегистрирующее устройство сопряжено с запоминаюищм устройством, которое обеспечивает сохранение информации об изображении каждой точки, полученной в результате сканирования. 4. The rays reflected from each point pass through the lens, an enlarged image of each point falls on a photo-recording device that registers the optical characteristics of the image of the points (brightness and / or spectral characteristics, and / or polarization characteristics, etc.). Photo recorder the device is associated with a storage device that provides storage of information about the image of each point obtained by scanning.
5. Второе (Фиг.2) и последующие сканирования (Фиг. 3) каждой линии области сканирования препарата по оси X производится с перемещением по оси «X» на величину «Δ» относительно предыдущего сканирования, величина «Δ» должна быть равна разрешению d, которое планируется получить при реализации данного способа. Таким образом, второе сканирование начинается с точки «Х0 + Δ», третье сканирование начинается с точки «Х0 + 2Δ», четвертое сканирование начинается с точки «Х0 + 3Δ» и так далее, процесс повторяется многократно каждый раз со сдвигом +Δ по оси «X» до тех пор, пока в качестве начальной точки сканирования не будет достигнута точка Хп. Подобным образом сканируются все линии выбранной области сканирования по оси X. 6. Затем производится аналогичная серия сканирований с перемещением на величину +Δ по оси Y, начиная с точки «Х0+ Δ; Υ0+ Δ»; схема двух первых сканирований из этой серии отражена на Фиг. 4 и Фиг. 5. 5. The second (Fig. 2) and subsequent scans (Fig. 3) of each line of the scan area of the preparation along the X axis is carried out by moving along the "X" axis by the value "Δ" relative to the previous scan, the value "Δ" should be equal to the resolution d , which is planned to be obtained when implementing this method. Thus, the second scan starts from the point “X 0 + Δ”, the third scan starts from the point “X 0 + 2Δ”, the fourth scan starts from the point “X 0 + 3Δ” and so on, the process is repeated many times each time with a shift + Δ along the "X" axis until the point X p is reached as the starting point of the scan. Similarly, all lines of the selected scanning area are scanned along the X axis. 6. Then a similar series of scans is performed with a movement of + Δ along the Y axis, starting from the point "X 0 + Δ; Υ 0 + Δ "; the first two scans of this series are shown in FIG. 4 and FIG. 5.
7.3атем производят математическую обработку полученных результатов. При помощи специального алгоритма восстанавливается изображение с разрешающей способностью, равной величине Δ. Суть алгоритма в том, что он предполагает сравнение светосумм в каждой из линий сканирования, полученных до каждого перемещения и после каждого перемещения. После этого сравнения делается вывод об оптических характеристиках области, геометрически соответствующей каждому сдвигу Δ. Напомним, что каждый сдвиг Δ может иметь размеры от 0,5 нм до 1000 нм и более. На основании полученной информации об оптических свойствах каждой области Δ восстанавливают изображение обо всем исследуемом объекте. Разрешающая способность d определяется согласно следующей закономерности: j _ 1,22X/AQ- ( L1,22 Q/A δ - 1) 1 ,22ХУАдД , где d - разрешающая способность, λ - длина волны используемого лазерного света, А0 - апертура осевого пучка, Δ - длина шага перемещения исследуемого объекта относительно светового луча или луча относительно объекта. 7.3 then carry out mathematical processing of the results. Using a special algorithm, an image with a resolution equal to Δ is reconstructed. The essence of the algorithm is that it involves comparing the light sums in each of the scan lines obtained before each movement and after each movement. After this comparison, a conclusion is made about the optical characteristics of the region geometrically corresponding to each shift Δ. Recall that each shift Δ can have sizes from 0.5 nm to 1000 nm or more. Based on the obtained information about the optical properties of each region Δ, the image of the entire object under investigation is restored. The resolution d is determined according to the following regularity: j _ 1.22X / AQ- ( L 1.22 Q / A δ - 1) 1, 22 ХУАДД, where d is the resolution, λ is the wavelength of the used laser light, and A 0 is the aperture axial beam, Δ - step length of the movement of the investigated object relative to the light beam or beam relative to the object.
Предлагаемый способ применяли для получения изображения поверхности нативной (неокрашенной) металлической пластины, на поверхности которой присутствовала зернистость с диаметром «зерна» примерно 100 нм. На Фиг. 6 показаны изображения, полученные методом традиционной лазерно-сканирующей (конфокальной) микроскопии (А) и реконструированная при помощи предлагаемого способа (Б). С использованием указанных методов было произведено сканирование по оси X. Исследование объекта при помощи метода, рассматриваемого авторами в качестве прототипа - наноскопии - было принципиально невозможным, так как объект не поддавался окраске флуорохромными красителями. Результат реконструкции изображения показал, что при помощи лазерно-сканирующей (конфокальной) микроскопии невозможно выявить поверхностную структуру объекта, тогда как предлагаемый способ демонстрирует исчерченность, соответствующую естественной поверхности исследуемого объекта. The proposed method was used to obtain an image of the surface of a native (unpainted) metal plate, on the surface of which there was a granularity with a diameter of "grain" of about 100 nm. In FIG. 6 shows images obtained by the method of traditional laser scanning (confocal) microscopy (A) and reconstructed using the proposed method (B). Using these methods, scanning along the X axis was performed. Investigating the object using the method considered by the authors as a prototype — nanoscopy — was fundamentally impossible, since the object was not amenable to coloring with fluorochrome dyes. The result of image reconstruction showed that it is impossible to detect the surface structure of an object using laser scanning (confocal) microscopy, while the proposed method demonstrates the striation corresponding to the natural surface of the object under study.
Приведенный пример доказывает, что предлагаемый способ может успешно использоваться в практике. Пример показывает только один из возможных вариантов осуществления способа. Способ может осуществляться не только за счет отражения лазерного луча, освещающего объект под углом 90°, но и в проходящем свете, и при освещении объекта под углами в диапазоне от 0 до 360°. Способ может быть использован при изучении неокрашенных объектов и объектов, окрашенных флуоресцирующими и нефлуоресцирующими красителями. Способ позволяет проводить исследование объектов не только по осям X и Y, но и Z, а также исследовать изменения геометрических размеров исследуемого объекта во времени (Т). The above example proves that the proposed method can be successfully used in practice. The example shows only one possible embodiment of the method. The method can be carried out not only by reflecting the laser beam illuminating the object at an angle of 90 °, but also in transmitted light, and when illuminating the object at angles in the range from 0 to 360 °. The method can be used in the study of unpainted objects and objects painted with fluorescent and non-fluorescent dyes. The method allows the study of objects not only along the X and Y axes, but also Z, as well as to study changes in the geometric dimensions of the object under study in time (T).
Достоинствами и преимуществами предлагаемого способа являются: The advantages and advantages of the proposed method are:
1) Достижение сверхразрешающей способности - возможность исследовать объекты с разрешением от 1 нм и более. 1) Achievement of superresolution ability - the ability to explore objects with a resolution of 1 nm or more.
2) Возможность исследования препаратов, не содержащих в своей структуре флуоресцирующих молекул, что существенно расширяет область использования предлагаемого способа по сравнению с прототипом и другими известными способами сверхразрешающей микроскопии. 2) The ability to study drugs that do not contain fluorescent molecules in their structure, which significantly expands the scope of the proposed method in comparison with the prototype and other known methods of superresolution microscopy.
3) Возможность повторного и многократного исследования изучаемых объектов. 3) The possibility of repeated and repeated research of the studied objects.
4) Упрощение и удешевление пробоподготовки объектов для исследования при помощи предлагаемого способа за счет возможности не использовать флуорохромные красители. 4) Simplification and cheapening of sample preparation of objects for research using the proposed method due to the possibility not to use fluorochrome dyes.

Claims

Формула изобретения Claim
1. Способ наноскопии, включающий получение увеличенного изображения точек исследуемого объекта, регистрацию увеличенного изображения и оптических характеристик точек исследуемого объекта, сохранение и обработку информации об оптических характеристиках точек исследуемого объекта, восстановление изображения исследуемого объекта, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что на исследуемом объекте выбирают область сканирования, внутри которой формируют область со стандартными однородными оптическими свойствами, многократно сканируют точки выбранной области сканирования лазерным лучом, каждый раз перемещая начало сканирования на расстояние не более требуемой разрешающей способности, с одновременной регистрацией и сохранением информации об оптических характеристиках увеличенного изображения точек области сканирования и координатах точек области сканирования, восстанавливают изображение исследуемого объекта на основе использования информации об оптических характеристиках точек области со стандартными однородными оптическими свойствами и информации об оптических свойствах других точек области сканирования. 1. The method of nanoscopy, including obtaining an enlarged image of the points of the studied object, registration of the enlarged image and optical characteristics of the points of the studied object, storing and processing information about the optical characteristics of the points of the studied object, restoring the image of the studied object, I mean that on the object under study, a scanning region is selected, inside which a region with standard homogeneous optical properties is formed, the points are scanned repeatedly the scanning area of the laser beam, each time moving the start of scanning to a distance of no more than the required resolution, while recording and saving information about the optical characteristics of the enlarged image of the points of the scanning area and the coordinates of the points of the scanning area, restore the image of the object under study based on the use of information about the optical characteristics of the points areas with standard homogeneous optical properties and optical property information other points in the scan area.
2. Способ по п.1 , о т л и ч а ю щ и й с я тем, что перемещение начала сканирования осуществляют на расстояние от 0,5 нм до 1000 нм.  2. The method according to claim 1, with the fact that the movement of the beginning of the scan is carried out at a distance from 0.5 nm to 1000 nm.
PCT/RU2013/000667 2012-08-17 2013-08-02 Nanoscopy method WO2014027928A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012135542/28A RU2502983C1 (en) 2012-08-17 2012-08-17 Method of nanoscopy
RU2012135542 2012-08-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014027928A1 true WO2014027928A1 (en) 2014-02-20

Family

ID=49817782

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2013/000667 WO2014027928A1 (en) 2012-08-17 2013-08-02 Nanoscopy method

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2502983C1 (en)
WO (1) WO2014027928A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL2020622B1 (en) * 2018-01-24 2019-07-30 Lllumina Cambridge Ltd Reduced dimensionality structured illumination microscopy with patterned arrays of nanowells

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005128086A (en) * 2003-10-21 2005-05-19 Olympus Corp Scanning type microscope system
RU2305270C2 (en) * 2005-05-18 2007-08-27 Андрей Алексеевич Климов Fluorescent nanoscopy method (variants)
WO2008115258A2 (en) * 2006-08-01 2008-09-25 Washington University Multifunctional nanoscopy for imaging cells

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3678297B2 (en) * 1996-01-24 2005-08-03 ソニー株式会社 Material surface inspection apparatus and material surface inspection method
RU2111478C1 (en) * 1997-01-10 1998-05-20 Бийский технологический институт Алтайского государственного технического университета им.И.И.Ползунова Method for determination of object geometrical parameters on picture
DE102004039035A1 (en) * 2004-04-07 2005-10-27 EuroPhoton GmbH Gesellschaft für optische Sensorik Method and apparatus for fluorescence lifetime imaging nanoscopy

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005128086A (en) * 2003-10-21 2005-05-19 Olympus Corp Scanning type microscope system
RU2305270C2 (en) * 2005-05-18 2007-08-27 Андрей Алексеевич Климов Fluorescent nanoscopy method (variants)
WO2008115258A2 (en) * 2006-08-01 2008-09-25 Washington University Multifunctional nanoscopy for imaging cells

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MICHAEL J.RUST: "SUB-DIFFRACTION LIMIT IMAGING BY STOCHASTIC OPTICAL RECONSTRUCTION MICROSCOPY", NATURE METHODS, vol. 3, no. 10, October 2006 (2006-10-01), pages 793 *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2502983C1 (en) 2013-12-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8705172B2 (en) Microscopy method and microscope with enhanced resolution
Gustafsson Extended resolution fluorescence microscopy
Saxena et al. Structured illumination microscopy
US10795144B2 (en) Microscopy with structured plane illumination and point accumulation for imaging and nanoscale topography
Dan et al. Structured illumination microscopy for super-resolution and optical sectioning
EP2801854B1 (en) Method and apparatus for combination of localization microscopy and structured illumination microscopy
US8217992B2 (en) Microscopic imaging techniques
US20200150446A1 (en) Method and System for Improving Lateral Resolution in Optical Scanning Microscopy
Rossberger et al. Combination of structured illumination and single molecule localization microscopy in one setup
JP2016507078A (en) Depth of field 3D imaging SLM microscope
WO2013008033A1 (en) Improvements relating to fluorescence microscopy
NL2008873C2 (en) Method and apparatus for multiple points of view three-dimensional microscopy.
Dominguez et al. Fourier plane imaging microscopy for detection of plasmonic crystals with periods beyond the optical diffraction limit
WO2008144434A1 (en) Structured standing wave microscope
He et al. Background-free volumetric two-photon microscopy by side-lobes-cancelled bessel beam
Stemmer et al. Widefield fluorescence microscopy with extended resolution
RU2502983C1 (en) Method of nanoscopy
JP2023505115A (en) Dark Tracking, Hybrid Methods, Conical Diffraction Microscopy, and Dark Addressing
US11867893B2 (en) Scattering-assisted super-localization microscopy method and relative apparatus
RU2319948C2 (en) Mode of receiving an image with increased resolution
Wang et al. Super-resolution microscopy and its applications in neuroscience
US11156818B2 (en) Flexible light sheet generation by field synthesis
US20240231068A9 (en) High effective refractive index materials for ultra-high resolution illumination nanoscopy
Denz Through the looking glass-the adventures of seeing beyond the diffraction limit.
Miklyaev et al. Optical near-field scanning by microparticles suspended in immersion fluid

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13879662

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13879662

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1