33.10
Hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie
Die hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie (SRFM) bietet eine bessere Auflösung als die herkömmliche Fluoreszenzmikroskopie, indem sie die Punktspreizf…
Die konventionelle Fluoreszenzmikroskopie kann nur Strukturen auflösen, die weiter als 200 nm voneinander entfernt sind. Denn unter dem Mikroskop lassen die Beugung des Lichts die fluoreszierenden Moleküle als verschwommene Flecken statt als scharfe Punkte erscheinen. Wenn Objekte sehr nahe beieinander liegen, überlappen sich ihre Bilder.
Daher haben Wissenschaftler Superauflösungstechniken entwickelt, die eine bessere Auflösung bieten, um selbst kleine subzelluläre Strukturen abzubilden. Diese Techniken überwinden die Beugungsgrenzen, indem sie bestimmte Lichtmuster verwenden, um die Fluorophore in der Probe anzuregen.
Bei der Mikroskopie mit strukturierter Beleuchtung wird beispielsweise ein Streifenmuster verwendet, das dann gedreht wird, um mehrere Bilder aufzunehmen. Die Bilder werden kombiniert, wodurch ein Interferenzmuster entsteht, das rechnerisch verarbeitet wird, um das endgültige Bild zu erstellen.
Die stimulierte Emissionsverarmungsmikroskopie erzeugt mit zwei Lasern ein Muster. Ein primärer Laser regt die Probe an, während ein Donut-förmiger Strahl die Fluoreszenz um sie herum unterdrückt, wodurch der Fluoreszenzpunkt kleiner erscheint.
Andere Techniken vermeiden überlappende Signale durch den Einsatz von Fluoreszenzsonden, die ein- und ausgeschaltet werden können. Für jedes Bild werden nur einige Sonden aktiviert, wodurch die Signalüberlappung minimiert und die Lokalisierung eines einzelnen fluoreszierenden Moleküls ermöglicht wird.
Viele dieser Bilder können zu einem einzigen hochauflösenden Kompositbild kombiniert werden.
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Q1: Why does conventional fluorescence microscopy have a 200 nm resolution limit?
Conventional fluorescence microscopy cannot resolve structures closer than 200 nm due to light diffraction. When light passes through a microscope, it diffracts and causes fluorescent molecules to appear as blurry spots rather than sharp points. When objects are very close together, their blurred images overlap, making it impossible to distinguish them as separate structures.
Q2: What is the point spread function and how does it affect microscopy images?
The point spread function (PSF) is the light intensity distribution from a single point that causes it to appear blurred under a microscope. PSF makes each fluorescing point appear larger than its actual size. When nearby fluorophores have overlapping PSFs, their images merge into a single blurred spot, reducing image clarity and resolution.
Q3: How does structured illumination microscopy improve resolution?
Structured illumination microscopy uses a striped pattern of light to excite fluorophores in the sample. The pattern is rotated to capture multiple images from different angles. These images are computationally combined to create an interference pattern that reveals finer details, effectively overcoming the diffraction limit and producing higher-resolution images.
Q4: What role do photo-switchable probes play in stochastic optical reconstruction microscopy?
In stochastic optical reconstruction microscopy (STORM), photo-switchable probes can be activated and deactivated using different wavelengths of light. Only a small subset of probes is activated at any time, minimizing signal overlap. The center of each activated fluorophore is precisely located, and the process repeats until all probes are recorded, then images are superimposed to create a high-resolution composite.
Q5: How does stimulated emission depletion microscopy create smaller fluorescent points?
Stimulated emission depletion (STED) microscopy uses two lasers to achieve super-resolution. A primary laser excites the sample, while a donut-shaped beam from a second laser suppresses fluorescence around the excited area. This suppression makes the fluorescent point appear much smaller, allowing visualization of structures that would otherwise appear as overlapping blurs.
Q6: What is photoactivated localization microscopy and when is it useful?
Photoactivated localization microscopy (PALM) uses single-molecule detection to resolve closely spaced fluorophores. A variant of green fluorescent protein with high fluorescence is activated in small groups and imaged with high precision. Step-by-step activation of all GFPs across the specimen, followed by computational processing, generates a high-resolution image suitable for live-cell imaging applications.
Q7: How do super-resolution techniques combine multiple images into a final high-resolution image?
Super-resolution techniques capture multiple images of the same specimen using different excitation patterns or sequential activation of fluorophores. These individual images are computationally processed and combined through interference pattern analysis or superimposition. The result is a single composite image with resolution far exceeding that of imaging biological samples with optical microscopy alone.