生物成像
熒光顯微鏡的使用需要很多專業(yè)技術(shù),,若要全部掌握需要花費(fèi)大量的時(shí)間,。但是,只要掌握觀察時(shí)的基本拍攝方法及基礎(chǔ)性的要點(diǎn),,即使不熟悉熒光顯微鏡原理,也能夠獲得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),。下面,,基于熒光成像中容易陷入失敗的案例,總結(jié)在短時(shí)間內(nèi)高效拍攝的要點(diǎn),。
何謂熒光成像
熒光成像失敗事例1:對(duì)焦失敗
熒光成像失敗事例2:熒光信號(hào)過暗,,對(duì)比度不足
熒光成像失敗事例3:熒光發(fā)生淬滅,細(xì)胞活性下降
熒光成像(Fluorescence imaging)是指,,對(duì)無法直接觀察的無色透明的細(xì)胞器官或特定蛋白質(zhì),,通過熒光標(biāo)記試劑或熒光抗體進(jìn)行熒光標(biāo)記從而實(shí)現(xiàn)可視化的手法,由此能夠?qū)?xì)胞或蛋白質(zhì)的形態(tài)或結(jié)構(gòu),、生命活動(dòng)進(jìn)行觀察與分析,。
熒光試劑或抗體經(jīng)過特定波長(zhǎng)光(激發(fā)光)的照射后具有發(fā)光特性,通過熒光顯微鏡或激光共焦顯微鏡進(jìn)行觀察,。
從可進(jìn)行活細(xì)胞的實(shí)時(shí)觀察到分子級(jí)別或細(xì)胞級(jí)別各種各樣的實(shí)驗(yàn),,大量的生物實(shí)驗(yàn)均基于熒光顯微鏡的使用,。另一方面,使用熒光顯微鏡進(jìn)行分析或評(píng)價(jià)的結(jié)果會(huì)因選擇的相機(jī),、物鏡以及光源等的不同而產(chǎn)生差異,。
對(duì)焦是顯微鏡的重要的基本操作。通過觀察準(zhǔn)確的焦平面圖像才能進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià),,圖像(Figure)的品質(zhì)有時(shí)甚至左右論文能否受到認(rèn)可,。首先,說明拍攝對(duì)焦準(zhǔn)確的清晰圖像拍攝的要點(diǎn),。
要進(jìn)行顯微鏡觀察必須了解觀察目的與物鏡特性是否相符,。尤其在熒光觀察中重要的是數(shù)值孔徑(NA),數(shù)值孔徑越大,,越能獲取明亮,,正常情況下,數(shù)值孔徑越大分辨率也越高,,可獲取精細(xì)的圖像,,但在另一方面,景深(Depth of Field:DOF)則變淺,,被攝物體的可視對(duì)焦范圍變窄,。除此以外,物鏡亮度或觀察距離也需要考慮,,這些特性間的相關(guān)關(guān)系如下圖所示,。
一般物鏡特性
分辨率 | NA | 觀察距離 | 景深 | 亮度 |
---|---|---|---|---|
高 | 大 | 短 | 淺 | 亮 |
低 | 小 | 長(zhǎng) | 深 | 暗 |
另外還有需要蓋板玻璃校正*1及校正環(huán)調(diào)整*2的物鏡、專用于特殊觀察方法的光學(xué)設(shè)計(jì)物鏡等各種各具特點(diǎn)的物鏡*3,。根據(jù)觀察方法選擇合適的物鏡尤為重要,。
*1 蓋板玻璃校正:
蓋板玻璃校正物鏡設(shè)有蓋板玻璃校正值。正常情況下,,蓋板玻璃使用0.17 mm,,塑料培養(yǎng)皿為1.2 mm,不使用蓋板玻璃時(shí)使用0 mm物鏡,。
*2 校正環(huán)調(diào)整:
高倍率物鏡中還有外殼部分帶有校正環(huán)(類似表盤)的部件,。根據(jù)蓋板玻璃的厚度調(diào)整校正環(huán),分辨率可變化數(shù)倍,,使用前請(qǐng)務(wù)必確認(rèn)校正環(huán)的狀態(tài),。
*3 物鏡的特點(diǎn):
按照觀察方法,有時(shí)需要符合觀察方法的特定光學(xué)設(shè)計(jì)物鏡,。包括相差,、微分干涉、偏光,、熒光,、油鏡等,。請(qǐng)確認(rèn)物鏡種類。
在熒光成像中重要的是獲取目標(biāo)熒光分子或熒光蛋白質(zhì)的信號(hào)清晰可見的圖像,。為此,重要的不僅是物鏡,,還有與相機(jī)或?yàn)V光片,、光源等各種單元的組合,如果組合構(gòu)成失敗,,會(huì)使圖像的熒光信號(hào)過暗,、對(duì)比度過低,從而難以觀察,。下面,,說明獲取清晰圖像所需掌握的要點(diǎn),。
相機(jī)也有很多種類,下面介紹廣泛用于熒光顯微鏡的CCD相機(jī)的特點(diǎn),。
熒光觀察中重要的是S/N比(信號(hào)與干擾的比率)足夠高,,因此在下表中合適的是黑白制冷CCD相機(jī)。
彩色 | 黑白 | |
---|---|---|
非制冷 |
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|
制冷 |
|
|
*1 可見光:
一般是指波長(zhǎng)大約為400至700 nm的光,。彩色相機(jī)的顯示與人眼相同,,會(huì)切斷波長(zhǎng)長(zhǎng)度700 nm以上的光。因此無法觀察,。
*2 暗電流和制冷:
CCD相機(jī)內(nèi)部在沒有輸入光的狀態(tài)下也會(huì)產(chǎn)生叫作“暗電流"的信號(hào),,是造成干擾的原因。曝光時(shí)間越長(zhǎng)受光元件的溫度越高,,干擾也變大,,通過冷卻相機(jī)可抑制干擾。
亮度調(diào)節(jié)功能有多種,,在相機(jī)設(shè)定中主要的調(diào)節(jié)方式是以下3個(gè)項(xiàng)目,。理解這些特點(diǎn)并熟練地區(qū)分使用對(duì)熒光成像非常重要。
曝光時(shí)間
快門處于開啟的時(shí)間,。為在此期間積蓄信號(hào),,曝光時(shí)間越長(zhǎng)亮度越高,同時(shí)暗電流干擾也會(huì)累積從而干擾增多,。
增益
對(duì)輸入CCD元件的電信號(hào)進(jìn)行電性放大,。但是,放大輸入信號(hào)后,,干擾也會(huì)同時(shí)被放大,。分辨率不因增益值而變化。
Binning(像素融合)
將臨近的像素視為1個(gè)假想像素,,提高每個(gè)單位像素的接收信號(hào)量的功能,。由于像素被合并圖片整體的像素?cái)?shù)減少,分辨率將下降,,但不會(huì)增加干擾,。
即使熒光信號(hào)明亮而發(fā)光,如果濾光片透過率過低,,仍無法充分觀察信號(hào),。重要的是盡量使用透過率高的濾光片。
熒光濾光片由激發(fā)濾光片與吸收濾光片,、二向色鏡共3部分組成,。確認(rèn)激發(fā)濾光片是否與試劑的激發(fā)光譜重疊,吸收濾光片是否與試劑的熒光光譜重疊,。假設(shè)加入濾光片上標(biāo)注470/40時(shí),,表示可涵蓋470nm±20nm的波長(zhǎng)范圍,。數(shù)值數(shù)據(jù)難以理解時(shí),觀察試劑與濾光片的光譜數(shù)據(jù)來判斷是否匹配,。各種試劑或?yàn)V光片的光譜數(shù)據(jù)可通過各廠商的網(wǎng)站等確認(rèn),。
熒光信號(hào)偏弱,,或?qū)Ρ榷炔蛔銜r(shí),,可通過更換NA值更大的物鏡,以便更明亮地觀察,。 NA值越大,,越能夠明亮地觀察熒光信號(hào)。物鏡的倍率越高,,NA值也趨于變大,,S/N比的上升不夠理想時(shí),通過使用倍率更高的物鏡也可解決問題,。
有些光源沒有發(fā)出要觀察的波長(zhǎng),。需要確認(rèn)使用的光源,了解光源的特點(diǎn)并區(qū)分使用,。
相比于水銀燈或金鹵燈是1種光源包含短波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)的大范圍波長(zhǎng),,激光或LED是1種光源只發(fā)出特定范圍的波長(zhǎng),因此需要將多個(gè)光源組合使用,。信號(hào)無法順利發(fā)光時(shí),,確認(rèn)試劑與光源波長(zhǎng)的光譜數(shù)據(jù)。
發(fā)生淬滅或細(xì)胞活性下降的原因大多在于激發(fā)光導(dǎo)致的損傷,。即使是瞬間,只要照射強(qiáng)烈的激發(fā)光,,就會(huì)出現(xiàn)淬滅現(xiàn)象,,細(xì)胞也會(huì)因光毒性影響而導(dǎo)致活性下降。為了防止此類現(xiàn)象,,首先需要盡量“降低激發(fā)光強(qiáng)度",。但是,即使降低了激發(fā)光的強(qiáng)度,,若長(zhǎng)時(shí)間照射激發(fā)光,,熒光信號(hào)仍會(huì)衰減直至淬滅,細(xì)胞將逐漸累積損傷最終失去活性,。因此,,降低激發(fā)光強(qiáng)度的同時(shí),“縮短激發(fā)光照射時(shí)間"是防止激發(fā)光對(duì)實(shí)驗(yàn)影響的重要兩點(diǎn),。
降低激發(fā)光強(qiáng)度,,熒光就會(huì)相應(yīng)地變暗,因此需要提高相機(jī)增益或延長(zhǎng)曝光時(shí)間,。但是,,提高增益或延長(zhǎng)曝光時(shí)間,就會(huì)增大暗電流的干擾,,S/N比變低,。
要在抑制淬滅及損傷的同時(shí)拍攝S/N比高的圖像,需要盡量使用靈敏度高的相機(jī),。
要縮短激發(fā)光照射時(shí)間,,需要降低基本的操作時(shí)間,因此盡量縮短對(duì)焦時(shí)間,、信號(hào)查找所用的時(shí)間,、設(shè)定曝光時(shí)間所用的時(shí)間等操作所用的時(shí)間。
另外,,對(duì)于手動(dòng)控制激發(fā)光快門開閉的顯微鏡類型,,可能發(fā)生忘記關(guān)快門而造成長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)照射激發(fā)光,導(dǎo)致淬滅,。因此拍攝結(jié)束后或臨時(shí)停止觀察時(shí),,及時(shí)關(guān)閉快門尤為重要。
熒光顯微成像系統(tǒng) 產(chǎn)品目錄
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