Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Hình ảnh sinh học ba chiều với độ phân giải siêu cao dưới 100 nm sử dụng gradient pha trong mặt phẳng khẩu độ của thấu kính mục tiêu
Tóm tắt
Kính hiển vi định vị vượt qua giới hạn nhiễu xạ bằng cách đo vị trí của các phân tử đơn lẻ để thu được hình ảnh quang học có độ phân giải bên ngang tốt hơn 30 nm. Kính hiển vi định vị phân tử đơn lẻ ban đầu chỉ được chứng minh trong hai chiều nhưng gần đây đã được mở rộng ra ba chiều. Ở đây chúng tôi phát triển một phương pháp mới cho kính hiển vi định vị ba chiều (3D) bằng cách kỹ thuật hóa hàm phân tán điểm (PSF) của một kính hiển vi huỳnh quang. Bằng cách giới thiệu một gradient pha tuyến tính giữa hai nửa của mặt phẳng khẩu độ thấu kính, PSF được chia thành hai nhánh bên, vị trí tương đối của chúng phụ thuộc vào độ méo. Tính toán cho thấy rằng gradient pha kết quả từ độ lệch rất nhỏ trong độ song song của các mặt kính thông thường làm từ kính nổi sẽ đủ để tạo ra một PSF có hai nhánh. Chúng tôi chứng minh rằng việc chèn một mặt kính hiển vi được chọn phù hợp chiếm một nửa khẩu độ thấu kính, kết hợp với một thuật toán khớp nhanh mới cho việc ước tính định vị 3D, cho phép hình ảnh nanoscopic với độ phân giải chi tiết tốt hơn 100 nm trong tất cả ba chiều (độ lệch chuẩn lần lượt là 20, 16 và 42 nm trong các hướng x, y và z). Tính hữu ích của phương pháp được thể hiện qua việc hình ảnh hóa phân bố 3D phức tạp của vi ống trong tế bào cơ tim đã được nhuộm bằng các fluorochromes gần hồng ngoại thông thường. Thiết lập quang học đơn giản, yêu cầu phần cứng tối thiểu và phạm vi định vị trục lớn khiến phương pháp này phù hợp cho nhiều ứng dụng hình ảnh nanoscopic.
Từ khóa
#kính hiển vi định vị #phân tử đơn lẻ #siêu độ phân giải #phân bố vi ống #tế bào cơ timTài liệu tham khảo
Abbe, E. Beiträge zur Theorie des Mikroskops und der mikroskopischen Wahrnehmung. Arch. f. Mikr. Anat. 1873, 9, 413–468.
Rust M. J.; Bates, M.; Zhuang, X. Sub-diffraction-limit imaging by stochastic optical reconstruction microscopy (STORM). Nat. Methods 2006, 3, 793–795.
Hess, S. T.; Girirajan, T. P. K.; Mason, M. D. Ultra-high resolution imaging by fluorescence photoactivation localization microscopy. Biophys. J. 2006, 91, 4258–4272.
Betzig, E.; Patterson, G. H.; Sougrat, R.; Lindwasser, O. W.; Olenych, S.; Bonifacino, J. S.; Davidson, M. W.; Lippincott-Schwartz, J.; Hess, H. F. Imaging intracellular fluorescent proteins at nanometer resolution. Science 2006, 313, 1642–1645.
Juette, M. F.; Gould, T. J.; Lessard, M. D.; Mlodzianoski, M. J.; Nagpure, B. S.; Bennett, B. T.; Hess, S. T.; Bewersdorf, J. Three-dimensional sub-100 nm resolution fluorescence microscopy of thick samples. Nat. Methods 2008, 5, 527–529.
Shtengel, G.; Galbraith, J. A.; Galbraith, C. G.; Lippincott-Schwartz, J.; Gillette, J. M.; Manley, S.; Sougrat, R.; Waterman, C. M.; Kanchanawong, P.; Davidson, M. W.; Fetter, R. D.; Hess, H. F. Interferometric fluorescent superresolution microscopy resolves 3D cellular ultrastructure. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2009, 106, 3125–3130.
Huang, B.; Wang, W.; Bates, M.; Zhuang, X. Threedimensional super-resolution imaging by stochastic optical reconstruction microscopy. Science 2008, 319, 810–813.
Kao, H. P.; Verkman, A. S. Tracking of single fluorescent particles in three dimensions: Use of cylindrical optics to encode particle position. Biophys. J. 1994, 67, 1291–1300.
Pavani, S. R. P.; Thompson, M. A.; Biteen, J. S.; Lord, S. J.; Liu, N.; Twieg, R. J.; Piestun, R.; Moerner, W. E. Threedimensional, single-molecule fluorescence imaging beyond the diffraction limit by using a double-helix point spread function. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2009, 106, 2995–2999.
Evans, A. M.; Cannell, M. B. The role of L-type Ca2+ current and Na+ current-stimulated Na/Ca exchange in triggering SR calcium release in guinea-pig cardiac ventricular myocytes. Cardiovasc. Res. 1997, 35, 294–302.
Soeller, C.; Crossman, D.; Gilbert, R.; Cannell, M. B. Analysis of ryanodine receptor clusters in rat and human cardiac myocytes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007, 104, 14958–14963.
van de Linde, S.; Kasper, R.; Heilemann, M.; Sauer, M. Photoswitching microscopy with standard fluorophores. Appl. Phys. B-Lasers O. 2008, 93, 725–731.
Tokunaga, M.; Imamoto, N.; Sakata-Sogawa, K. Highly inclined thin illumination enables clear single-molecule imaging in cells. Nat. Methods 2008, 5, 159–161.
Baddeley, D.; Jayasinghe, I. D.; Cremer, C.; Cannell, M. B.; Soeller, C. Light-induced dark states of organic fluochromes enable 30 nm resolution imaging in standard media. Biophys. J. 2009, 96, L22–24.
Mlodzianoski, M. J.; Juette, M. F.; Beane, G. L.; Bewersdorf, J. Experimental characterization of 3D localization techniques for particle-tracking and super-resolution microscopy. Opt. Express 2009, 17, 8264–8277.
Grover, G.; Pavani, S. R. P.; Piestun, R. Performance limits on three-dimensional particle localization in photon-limited microscopy. Opt. Lett. 2010, 35, 3306–3308.
Pavani, S. R. P.; Piestun, R. Three dimensional tracking of fluorescent microparticles using a photon-limited double-helix response system. Opt. Express 2008, 16, 22048–22057.
Yajima, J.; Mizutani, K.; Nishizaka, T. A torque component present in mitotic kinesin Eg5 revealed by three-dimensional tracking. Nat. Struct. Mol. Biol. 2008, 15, 1119–1121.
Baddeley, D.; Jayasinghe, I. D.; Lam, L.; Rossberger, S.; Cannell, M. B.; Soeller, C. Optical single-channel resolution imaging of the ryanodine receptor distribution in rat cardiac myocytes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2009, 106, 22275–22280.
Bates, M.; Huang, B.; Dempsey, G. T.; Zhuang, X. Multicolor super-resolution imaging with photo-switchable fluorescent probes. Science 2007, 317, 1749–1753.
Bossi, M.; Foölling, J.; Belov, V. N.; Boyarskiy, V. P.; Medda, R.; Egner, A.; Eggeling, C.; Schoönle, A.; Hell, S. W. Multicolor far-field fluorescence nanoscopy through isolated detection of distinct molecular species. Nano Lett. 2008, 8, 2463–2468.