Система визуализации для конфокальной микроскопии от Thorlabs

Система визуализации для конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (CLSM) от компании Thorlabs позволяет исследователям расширить возможности стандартных прямых и инвертированных микроскопов (см. рис.1). Все модульные компоненты системы разработаны компанией Thorlabs для максимального удобства использования и легкой интеграции с существующими системами обработки изображений, а также для получения высококачественных изображений. Эти системы обеспечивают полную интеграцию практически с любым микроскопом, прямым или инвертированным (не входит в комплект), при условии доступа к промежуточной плоскости изображения (например, порт камеры) через C-Mount. Управление системой осуществляется с помощью программного обеспечения ThorImageLS™ (входит в комплект), которое имеет интуитивно понятный графический интерфейс пользователя и обеспечивает быстрый просмотр и запись данных.

Рис. 1. Система визуализации для конфокальной микроскопии от компании Thorlabs, установленная на инвертированный микроскоп

Видео ниже демонстрирует четырехканальную систему визуализации для конфокальной микроскопии, установленную на микроскоп Nikon FN1. Данная система оснащена лазерным модулем с 4 встроенными источниками и 4-х канальным модулем детектирования с ФЭУ стандартной чувствительности. Гальвано-резонансная сканирующая головка обладает 2 оптоволоконными входами и моторизированным колесом с 16 пинхолами.

Видео 1. Четырехканальная система визуализации для конфокальной микроскопии

Конфигурация системы

Конфокальная система способна регистрировать до 400 кадров в секунду при разрешении 512 х 32 пикселя. Лазерный модуль включает в себя до четырех источников света с длинами волн возбуждения в диапазоне: 405 - 660 нм, позволяя визуализировать широкий спектр флуоресцентных красителей. Детектор может использовать от двух до четырех каналов детектирования для визуализации образцов с несколькими метками.

Предварительно сконфигурированные комбинации лазерных длин волн и наборов фильтров подобраны специально для работы с популярными флуорофорами.

Ниже представлена таблица №1, описывающая особенности и преимущества конфокальной системы.

Таблица 1 - Особенности и преимущества использования конфокальной системы

Ход лучей в оптической системе

Рис. 2. Путь света от лазерного источника к сканирующей головке и из сканирующей головки в ФЭУ

Четырехканальная конфокальная система

Подробно рассмотрим элементы системы для конфокальной микроскопии, помеченные цифрами на рис. 3

Рис. 3. Четырехканальная конфокальная система (микроскоп не входит в комплект поставки)

1. Конфокальная сканирующая головка

Конфокальная сканирующая головка состоит из трех основных компонентов (см. рис.4):

А) Высокоскоростной Гальвано-Резонансный сканер для видимого (SCAN-VIS) или УФ + видимого (SCAN-UV) диапазонов;

B) Моторизованное колесо с круглыми пинхолами;

C) Объектив сканирования с полем зрения 25 мм.

Рис. 4. Сканирующая головка конфокальной системы Thorlabs

Сканер может быть подключен практически к любому прямому или инвертированному микроскопу с доступом к промежуточной плоскости изображения через порт C-Mount (например, порт камеры) до тех пор, пока 100% света направлены на этот порт.

Свет от лазера попадает в головку сканирования отражается от гальвано-резонансных сканирующих зеркал, проходит через блок фильтров и выходит через сканирующий объектив с широким полем зрения (см. рис.5).

Рис. 5. Оптическая схема, показывающая путь света через сканирующую головку

Затем свет поступает в микроскоп и возбуждает флуорофоры в образце. Полученное флуоресцентное излучение проходит обратно через объектив с широким полем зрения и отражается от гальвано-резонансного сканера в колесо с пинхолами. Колесо с пинхолами соединено с детекторными модулями посредством оптоволокна через SMA разъем.

Моторизованное колесо пинхолов Моторизированное колесо – стеклянная пластина с 16 круглыми пинхолами диаметром от 25 мкм до 2 мм. Все пинхолы имеют высокую степень допуска. Это гарантирует сохранение юстировки при повороте колеса. Выбор оптимального размера пинхола очень важен для получения конфокальных изображений с хорошим отношением сигнал/ шум и разрешением. Часто необходимо согласовать размер пинхола с числовой апертурой объектива. В других случаях, например, при работе с тонкими образцами, которые дают меньше света вне фокальной плоскости, может быть использован больший размер пинхола для повышения пропускной способности. Размер пинхола выбирается в качестве дополнения к общей числовой апертуре объектива, что позволяет адаптировать конфокальную систему к условиям эксперимента. Как показано справа, круглый конфокальный пинхол является идеальной формой для максимального пропускания света в фокальной плоскости при оптимизации отклонения света вне фокуса, который создается выше и ниже слоя сканируемого образца. В результате, системы, использующие круглые пинхолы, позволяют обеспечить более высокое разрешение и отношение сигнал/шум.

Объектив с широким полем зрения

В дополнение к объективу с большим угловым диапазоном, который используется в резонансном сканере, инженеры Thorlabs разработали сканирующий объектив с широким полем обзора.

Объектив имеет отличную коррекцию хроматических аберраций в диапазоне от 405 до 1100 нм (просветляющее покрытие: от 405 до 750 нм), превосходную плоскостность поля и очень низкий уровень искажений в пределах поля зрения. Такой широкий диапазон длин волн добавляет системе функциональности, обеспечивая возможность использования лазерных источников до 400 нм.

2. Лазерный источник света

Твердотельный лазерный модуль с несколькими источниками позволяет минимизировать затраты на техническое обслуживание системы. Каждый источник, соединен с оптоволокном, которые объединяются в общий волоконный ответвитель. Такая конструкция гарантирует сохранение юстировки системы и полной мощности лазеров. Для обеспечения дополнительных функциональных возможностей модуль оснащен дополнительным волоконным выводом для лазерного диода с длиной волны 405 нм.

Оптоволоконный вывод для излучения источников модуля - одномодовое волокно с разъемом FC/PC. Излучение разных выводов модуля объединяется после расширителя луча в модуле сканирующей головки. После этого в оптический путь можно ввести излучение УФ лазера с диаметром пучка 4 мм, что повышает стабильность и поддерживает цветовую коррекцию системы.

Управление лазерным источником (см.рис.6) осуществляется с помощью единого USB интерфейса, что позволяет пользователю включать и выключать каждый лазер, а также контролировать его интенсивность.

Рис. 6. Четырехканальный лазерный источник света

Доступные комбинации длин волн лазерного источника и наборы фильтров, входящие в набор, перечислены в таблице 2.

Таблица 2 - Параметры лазерного источника света

а. Лазерные источники не поставляются отдельно от конфокальной системы

b. Эти источники совместимы только со сканирующей головкой, которая имеет второй входной волоконный порт для УФ источника света.

3. Фильтры

Каждая конфокальная система включает в себя набор запирающих фильтров, которые блокируют попадание света лазерных источников на ФЭУ и обеспечивают полосу пропускания на длинах волн флуоресценции стандартных флуорофоров. Точная конфигурация определяется длинами волн лазеров в вашей конфокальной системе. На рис. 7. продемонстрирован специальный куб для быстрой смены фильтров.

Рис. 7. Наборы фильтров устанавливаются в специальный куб для быстрой замены

Несколько общих конфигураций и совместимых флуорофоров приведены ниже.

Рис. 8. Сплошные линии на графике показывают полосы пропускания фильтров, а заштрихованные участки нормированный спектр излучения для флуорофоров

Таблица 3 - Набор запирающих фильтров

График и таблица, представленные выше, демонстрируют набор эмиссионных фильтров с наиболее часто запрашиваемыми четырьмя лазерными источниками света (405 нм, 488 нм, 561 нм и 642 нм). Спектры излучения четырех совместимых флуорофоров накладываются на профили пропускания фильтров.

Вторая наиболее распространенная конфигурация с четырьмя лазерными источниками света состоит из лазера с длиной волны 532 нм, вместо 561 нм. Данная длина волны необходима для образцов, которые помечены ярко-оранжевым флуоресцентным красителем (TRITC).

Для получения такой длины волны, два полосовых фильтра с центральной длиной волны 525 нм и 593 нм заменяются на более узкий полосовой фильтр (ширина полосы пропуская 25 нм) с центральной длиной волны 512 нм и более широкий полосовой фильтр (ширина полосы пропуская 75 нм) с центральной длиной волны 582 нм.

4. Детектор

Для получения дополнительных возможностей можно увеличить количество ФЭУ с двух до четырёх. Перед каждым ФЭУ находится быстрозаменяемое дихроичное зеркало и эмиссионный фильтр (включая наборов фильтров, см. таблицу выше).

Детекторный модуль может работать со стандартным чувствительным многощелочным ФЭУ или высокочувствительным ФЭУ на GaAsP с низким уровнем шума. Стандартная чувствительность многощелочного ФЭУ обеспечивает низкий уровень шума изображения с высоким динамическим диапазоном, который подходит для большинства применений связанных с медициной, биологией и промышленностью. Для слабо флуоресцентных или сильно фоточувствительных образцов, предлагается высокочувствительный ФЭУ на GaAsP с термоэлектрическим охлаждением. При любом выборе, коэффициент усиления детектора, а также динамический диапазон цифрового преобразователя регулируется с помощью программного обеспечения ThorImageLS.

На рис.9 показан четырехканальный модуль со стандартной чувствительностью ФЭУ.

Рис. 9. Четырехканальный модуль со стандартной чувствительностью ФЭУ

В комплект поставки представленной системы визуализации для конфокальной микроскопии входит компьютер с 24 дюймовым монитором (см. рис.10). Стандартные конфигурации используют 64-битный системный блок от Dell с установленным программным обеспечением ThorImageLS. Для систем, требующих более высокой вычислительной мощности, предлагается сервер Superlogics. Включенное программное обеспечение ThorImageLS, предоставляет комплексное решение для управления микроскопом, автоматизированного сбора данных и просмотра изображений.

Рис. 10. Системный блок от Dell (32 или 64 бита) или от Superlogics (64 бит) с установленным ПО ThorImageLS и 24-х дюймовым монитором для сбора и анализа данных

Изображения, полученные с помощью системы визуализации для конфокальной микроскопии от Thorlabs

Рассмотрим изображения, полученные с помощью представленной системы.

Рис. 11.Изображение почки мыши

Большое изображение справа было создано путем объединения большого количество отдельных изображений, полученных с помощью системы визуализации для конфокальной микроскопии. Выделен и увеличен один фрагмент, демонстрирующий уровень контрастности и детализации, присутствующий в каждом изображении.

Рис. 12. Фотография объемной проекции насекомого, полученная с помощью конфокальных изображений при автофлюоресценции. Изображение показывает часть его живота и ног. (Размер объекта: 330 мкм х 330 мкм, Длина волны возбуждения: 488 нм, Длина волны эмиссии (обнаружения): 500 - 550 нм, Иммерсионный водяной объектив: 60X, NA 1.0)

Рис. 13. Живые нейроны гиппокампа, окрашенные флуоресцентным красителем (Lucifer Yellow)

Программное обеспечение для сбора данных

ПО ThorImageLS для получения и анализа изображений было разработано совместно с конфокальной микроскопической системой.

Для оптимизации рабочего процесса интерфейс отображает только параметры, необходимые для каждой серии сканирования (например, Z серии для объемного сканирования или временные серии для получения динамики). Каждый программный режим прост в использовании, позволяя регистрировать изображение по щелчку мыши.

Все экспериментальные данные сохраняются в формате OME-TIFF без потерь. Изображение, сохраненные в стандартном формате, совместимы с программой ImageJ и другими подобными программами. Каждый файл сохраненного изображения содержит метаданные, позволяющие масштабировать в ImageJ изображения при открытии их для обзора.

ThorImageLS также предоставляет инструмент обзора для просмотра ранее полученных изображений, позволяя проводить дальнейший анализ.

Используйте ползунки, чтобы просмотреть последовательность сбора данных во времени, визуализировать плоскости изображения вдоль оси Z или выбрать одно изображение из всего потока. Полученные Z серии, временные ряды или потоки изображений могут быть напрямую экспортированы в видео формата AVI с помощью встроенного видеоредактора в ThorImageLS.

Особенности:

Рис. 14. Интерфейс ПО ThorImageLS