Bilden Sie Photon für Photon Bilder, um den Informationsgehalt von Mikroskopen zu erhöhen

Die Welt der Laser-Scanning-Mikroskopie entwickelt sich dank der Einführung schneller und kompakter Detektorarrays rasant weiter. Diese Arrays ersetzen den typischen Einzelelementdetektor herkömmlicher konfokaler Laser-Scanning-Mikroskope und ermöglichen neue und einzigartige Funktionen.

Während herkömmliche Detektoren nur den Intensitätswert des gesammelten Lichts liefern, ermöglicht ein pixelierter Detektor auch die Aufzeichnung der räumlichen Verteilung des einfallenden Lichts, wodurch effektiv für jeden Scanpunkt ein kleines Bild des beleuchteten Bereichs erstellt wird.

Die zusätzlichen räumlichen Informationen, die von den Detektorarrays bereitgestellt werden, ermöglichen eine hochauflösende Technik, die als Bildscanmikroskopie (ISM) bekannt ist. ISM erstellt rechnerisch ein einzelnes Bild aus einem mehrdimensionalen Rohdatensatz, der von einem Mikroskop erstellt wurde. Das endgültige Bild wird mit einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), einem besseren optischen Schnitt und einer besseren räumlichen Auflösung als bei einem herkömmlichen konfokalen Mikroskop erstellt.

Im Detail kann die laterale Auflösung des ISM-Bildes die Abbe-Grenze um den Faktor zwei überschreiten. Diese Vorteile werden jedoch dadurch erreicht, dass nur räumliche Informationen genutzt werden; Die moderne Fluoreszenz-Biobildgebung kann durch zeitaufgelöste Erfassung weiter bereichert werden, die den Zugriff auf strukturelle und funktionelle Informationen ermöglicht, die in der Fluoreszenzdynamik kodiert sind (z. B. Fluoreszenzlebensdauer).

Kürzlich haben Forscher am Italian Institute of Technology (IIT) in Genua ein kompaktes und effektives ISM-Mikroskop entwickelt, das mit einem Single-Photon-Avalanche-Dioden-Array-Detektor (SPAD) ausgestattet ist, der hochauflösende strukturelle und funktionale Bildgebung in einer einzigen Architektur liefern kann. Die Forschung ist veröffentlicht in Fortgeschrittene Photonik.

Der beschriebene SPAD-Array-Detektor besteht aus 25 unabhängigen Dioden, die in einem quadratischen Gitter angeordnet sind. Die geringe Größe und das asynchrone Auslesen ermöglichen eine schnelle Erkennung auftreffender Fluoreszenzphotonen. Das Datenerfassungsschema, das auf der DFD-Methode (Digital Frequency Domain) basiert, ist eine Heterodyn-Abtasttechnik, die die Erstellung des Fluoreszenzabklinghistogramms mit einer Zeitauflösung von bis zu 400 ps ermöglicht, was für die meisten Fluoreszenzbildgebungsanwendungen geeignet ist.

Die Technik ist einfach genug, um die Histogrammberechnung auf derselben FPGA-Karte (Field Programmable Gate Array) zu ermöglichen, die auch zur Steuerung des Mikroskops und zur Aufzeichnung des erkannten Signals verwendet wird, wodurch die Mikroskoparchitektur vereinfacht wird.

Dank der einzigartigen räumlichen und zeitlichen Informationen, die der SPAD-Array-Detektor liefert, demonstrierten die Autoren die Kombination von Fluoreszenzlebensdauermessungen (FL) mit ISM (FLISM). Zusätzlich zu den herkömmlichen ISM-Vorteilen ermöglicht das verbesserte SNR der FLISM-Bilder eine robustere Schätzung der Fluoreszenzlebensdauer.

Der Bericht beleuchtet die Vielseitigkeit des Mikroskops durch die Kombination von ISM und zeitaufgelösten Messungen mit der STED-Mikroskopie (Stimulated Emission Depletion) unter Verwendung der SPLIT-Technik (Separation by Lifetime Tuning). Das Ergebnis ist ein Bild mit verbesserter lateraler Auflösung und verbessertem Kontrast, das ohne Änderung des Aufnahmeschemas erhalten wird. Darüber hinaus ermöglichen zeitaufgelöste Messungen die Bildgebung mehrerer Spezies mit einem einzigen Detektor für eine erhöhte Strukturspezifität.

Dank der Zeigerdarstellung der Fluoreszenzdynamik kann das System verschiedene Farbstoffe anhand ihrer Fluoreszenzlebensdauerwerte unterscheiden. Selbst bei Verwendung von Farbstoffen mit ähnlichen Lebensdauerwerten und überlappenden Anregungsspektren können mithilfe der Pulsed-Interleaving-Anregungstechnik die verschiedenen Fluorophore unterschieden werden.

Tatsächlich werden die spektralen Informationen durch abwechselnde Laseranregungsimpulse mit unterschiedlichen Farben effektiv in die zeitliche Dimension kodiert. Dank der hervorragenden Zeitauflösung des vorgeschlagenen Mikroskops kann der Beitrag der beiden Fluoreszenzfarbstoffe später getrennt werden, um Übersprechen zu vermeiden.

Laut Giuseppe Vicidomini, Hauptforscher am Labor für Molekularmikroskopie und Spektroskopie am IIT und korrespondierender Autor: „Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, dass die Zukunft der Laser-Scanning-Mikroskopie eng mit SPAD-Array-Detektoren verbunden ist, die in der Lage sind, den Mikroskopiedatensatz mit zusätzlichen Informationen anzureichern.“ räumliche und zeitliche Informationen, ohne dass die optische Architektur eines konfokalen Mikroskops geändert werden muss.“

Die Arbeit zeigt, dass SPAD-Array-Detektoren in Kombination mit einem maßgeschneiderten Erfassungssystem photonenaufgelöste ISM leicht zugänglich und nutzbar machen.