Bi4170 Bi417 Optické kon Optic trastn ké kon trastn a zobrazova a zob razova metody metody

Podobné dokumenty
Optická konfokální mikroskopie a mikrospektroskopie. Pavel Matějka

Viková, M. : MIKROSKOPIE V Mikroskopie V M. Viková

Princip rastrovacího konfokálního mikroskopu

MIKROSKOP. Historie Jeden z prvních jednoduchých mikroskopů sestavil v roce 1676 holandský obchodník a vědec Anton van Leeuwenhoek.

Fluorescenční mikroskopie

M I K R O S K O P I E

Fluorescenční a konfokální mikroskopie

Metoda Live/Dead aneb využití fluorescenční mikroskopie v bioaugmentační praxi. Juraj Grígel Inovativní sanační technologie ve výzkumu a praxi

ODŮVODNĚNÍ VEŘEJNÉ ZAKÁZKY

Fluorescenční mikroskopie

Zoologická mikrotechnika - FLUORESCENČNÍ MIKROSKOPIE

Bioimaging rostlinných buněk, CV.2

M I K R O S K O P I E

Konfokální mikroskop vybavený FLIM modulem pro detekci interakce molekul u živých buněk

F l u o r e s c e n c e

Technické parametry příloha č. 2 k veřejné zakázce s názvem: Mikroskopy pro Centrum modelových organismů

Principy a instrumentace

MIKROSKOPIE JAKO NÁSTROJ STUDIA MIKROORGANISMŮ

Viková, M. : MIKROSKOPIE II Mikroskopie II M. Viková

Fluorescenční mikroskopie. -fluorescenční mikroskopie -konfokální mikroskopie

FLUORESCENČNÍ MIKROSKOP

Techniky mikroskopie povrchů

DODATEČNÉ INFORMACE dle 49 zákona č. 137/2006 Sb., o veřejných zakázkách

7. Měření fluorescence při excitaci kontinuálním světlem ( steady-state )

VEŘEJNÁ ZAKÁZKA S NÁZVEM: Mikroskopy

M I K R O S K O P I E

Pokročilé biofyzikální metody v experimentální biologii

-fluorescenční mikroskopie. -konfokální mikroskopie -multifotonová konfokální mikroskopie

STUDIUM DOBY ŽIVOTA A SPEKTRÁLNÍCH ZMĚN FLUORESCENCE NANOČÁSTIC V BUNĚČNÉ BIOLOGII

lní mikroskop LEXT OLS 3100

Laboratoř Konfokální a Fluorescenční Mikroskopie. Představení činností sekčních servisních laboratoří. Mgr. Ondřej Šebesta

ÚVOD POROVNÁNÍ VLASTNOSTÍ LEXT, SEM A KONVENČNÍCH SYSTÉMŮ

Typy světelných mikroskopů

Týmový projekt Organizace, vybavení a zprovoznění experimentální laboratoře tkáňových kultur

Vybrané spektroskopické metody

Fluorescenční mikroskopie

Optika pro mikroskopii materiálů I

1. Teorie mikroskopových metod

Měření rozměrů ve SM Rozlišujeme: 1, 2 rozměry kolmé k optické ose 3 rozměry podél optické osy. Měření délky - stanovení příčných rozměrů

Příloha C. zadávací dokumentace pro podlimitní veřejnou zakázku Mikroskopy pro LF MU TECHNICKÉ PODMÍNKY (technická specifikace)

Viková, M. : MIKROSKOPIE I Mikroskopie I M. Viková

Integrita povrchu a její význam v praktickém využití

MOLEKULÁRNÍ METODY V EKOLOGII MIKROORGANIZMŮ

1.1 Zobrazovací metody v optické mikroskopii

Stereomikroskop. Stativ pro dopadající světlo

Fluorescence (luminiscence)

METODY ANALÝZY POVRCHŮ

Mikroskopy. Světelný Konfokální Fluorescenční Elektronový

Využití a princip fluorescenční mikroskopie

Elektronová mikroskopie SEM, TEM, AFM

Technická specifikace předmětu veřejné zakázky

Fluorescenční vyšetření rostlinných surovin. 10. cvičení

Proč elektronový mikroskop?

4 ZKOUŠENÍ A ANALÝZA MIKROSTRUKTURY

Fluorescenční mikroskopie

Spektroskopické metody. převážně ve viditelné, ultrafialové a blízké infračervené oblasti

C Mapy Kikuchiho linií 263. D Bodové difraktogramy 271. E Počítačové simulace pomocí programu JEMS 281. F Literatura pro další studium 289

Bioscience Imaging Centre

Luminiscence. emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) fluorescence, fosforescence. chemicky (chemiluminiscence)

Základní pojmy a vztahy: Vlnová délka (λ): vzdálenost dvou nejbližších bodů vlnění kmitajících ve stejné fázi

Analýza vrstev pomocí elektronové spektroskopie a podobných metod

Spektrometr pro měření Ramanovy optické aktivity: proč a jak. Optická sestava a využití motorizovaných jednotek.

Základy světelné mikroskopie

Základy mikroskopie. Úkoly měření: Použité přístroje a pomůcky: Základní pojmy, teoretický úvod: Úloha č. 10

Mikroskopické metody Přednáška č. 3. Základy mikroskopie. Kontrast ve světelném mikroskopu

Luminiscence. Luminiscence. Fluorescence. emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) chemicky (chemiluminiscence)

Vlnová délka světla je cca 0,4 µm => rozlišovací schopnost cca. 0,2 µm 1000 x víc než oko

Luminiscence. Luminiscence. Fluorescence. emise světla látkou, která je způsobená: světlem (fotoluminiscence) chemicky (chemiluminiscence)

Časově rozlišená fluorescence

ANALÝZA FLUORESCENCE ORGANICKÉHO BARVIVA S VYUŽITÍM KONFOKÁLNÍ MIKROSKOPIE

CT-prostorové rozlišení a citlivost z

Barevné hry se světlem - co nám mohou říci o biomolekulách?

- Rayleighův rozptyl turbidimetrie, nefelometrie - Ramanův rozptyl. - fluorescence - fosforescence

Metody povrchové analýzy založené na detekci iontů. Pavel Matějka

Implementace laboratorní medicíny do systému vzdělávání na Univerzitě Palackého v Olomouci. reg. č.: CZ.1.07/2.2.00/

Optické metody a jejich aplikace v kompozitech s polymerní matricí

Optická mikroskopie a spektroskopie nanoobjektů. Nanoindentace. Pavel Matějka

3.3. Mikroskopie Základní součásti světelného mikroskopu

ABSORPČNÍ A EMISNÍ SPEKTRÁLNÍ METODY

IMUNOFLUORESCENCE. Mgr. Petr Bejdák Ústav klinické imunologie a alergologie Fakultní nemocnice u sv. Anny a Lékařská fakulta MU

Funkční a biomechanické vlastnosti pojivových tkání (sval, vazy, chrupavka, kost, kloub)

Přístrojové vybavení pro detekci absorpce a fluorescence

ZÁKLADNÍ ČÁSTI SPEKTRÁLNÍCH PŘÍSTROJŮ

SOFTWAROVÉ ŘEŠENÍ SYSTÉMU FLIM S VYUŽITÍM PULSNÍHO LADITELNÉHO LASERU V KONFOKÁLNÍ MIKROSKOPII

Fotoelektronová spektroskopie Instrumentace. Katedra materiálů TU Liberec

IZOLACE, SEPARACE A DETEKCE PROTEINŮ I. Vlasta Němcová, Michael Jelínek, Jan Šrámek

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ. Diplomová práce. magisterský navazující studijní obor Biomedicínské a ekologické inženýrství

Historie světelné mikroskopie. Světelná mikroskopie. Robert Hook (1670) a Antonie van Leeuwenhoek (1670) zakladatelé světelné mikroskopie

Optická mikroskopie. Petra Grznárová Jan Lipov

Mikroskop ECLIPSE E200 STUDENTSKÝ NÁVOD K POUŽITÍ. určeno pro studenty ČZU v Praze

Zobrazovací systémy v transmisní radiografii a kvalita obrazu. Kateřina Boušková Nemocnice Na Františku

Fluorescenční rezonanční přenos energie

13. Spektroskopie základní pojmy

ZAHRADA FLUORESCENČNÍ KORELAČNÍ SPEKTROSKOPIE. LENKA BERANOVÁ, JANA HUMPOLÍČKOVÁ a MARTIN HOF. Obsah

Pořízení rastrového obrazu

FOTOAKUSTIKA. Vítězslav Otruba

Leica-microsystems nově v Pragolab

Buňky živočichů Iva Dyková

Metody skenovací elektronové mikroskopie SEM a analytické techniky Jiří Němeček

Konstrukční varianty systému pro nekoherentní korelační zobrazení

Transkript:

Bi4170 Optické kontrastní a zobrazovací metody Fluorescence a Konfokální mikroskopie Šárka Mašová 1 Podzim 2014

Fluorescenční mikroskopie Excitace a pozorovní fluorescenčních molekul Velmi často používaná: vysoké rozlišení, citlivost, nízké pozaní, více kanálů Mnoho různých variací dekonvoluce, OMX (Structured Illumination Microscopy), deltavision konfokál, spining disk, 2 foton TIRF, FRAP, FRET, FLIM, ifrap, FCS PALM, STED, STORM, SIM, (super-resolution) Stále ve vývoji 2

K čemu je fluprescence dobrá? Např.: Určení lokalizace specifických proteinů Určení tvaru orgánů, buněk, intracelulárních struktur Zkoumání dynamiky proteinů Studium interakce proteinů a proteinových konformací Zkoumání iontových koncentrací atd. 3

Fluorescence Jablonského diagram Aleksander Jabłoński (PL) Excitovaný stav excitace Kratší vlnová délka Vyšší energie emise Delší vlnová délka, méně energie Základní stav Stokesův posuv 5

Fluorescenční techniky Standartní techniky: wide-field konfokál 2-photon Special techniky : FRET FLIM FRAP Fotoactivace TIRF 6

Rozlišení 7

Konfokální mikroskop confocal laser scanning microscope (CLSM) Confocal - conjugate (sbíhat) + focal (ohniskový) Termín "konfokální" znamená "mít stejné ohnisko/zaostření ". Toho je dosaženo tak, že se zaostří kondenzorové čočky do stejné ohniskové roviny jako čočky objektivu. Konfokální mikroskop je druhem optického (fluorescenčního) mikroskopu, jehož výhodou je vyšší rozlišovací schopnost daná detekcí světla pouze z ohniskové roviny mikroskopu. 8

Konfokální mikroskop Na detektor dopadá pouze obraz řezu objektu v rovině fokusace (modrá) Odstranění nezaostřené (blurred) části obrazu a) opticky (pinhole) b) výpočtem dekonvoluce Pinhole 1 vzorek Pinhole 2 kondenzerová čočka objektivová čočka zaostřená rovina detektor Podle: Handbook of Biological Confocal Microscopy. J.B.Pawley, Plennum Press, 1989 9

optický řez mšice 10

Fluorescenční mikroskopop Oblouková lampa Excitační diafragma/clona Excitační filtr Okulár Objektiv Emisní (bariériový) filtr

Konfokální princip Laser Excitační pinhole Excitační filtr dělič paprsků a rastrovací zařízení PMT (photo multiplier tube) Objektiv Emisní Pinhole Emisní filtr

Fluorescenční mikroskop Konfokální mikroskop Oblouková lampa Laser Excitační diafragma Excitační filtr Excitační pinhole Excitační filtr okulár PMT objektiv Emisní filtr objektiv Emisní filtr Emisní pinhole 13

Výhody konfokální mikroskopie Redukované rozostření obrazu způsobené rozptylem světla Zvýšené efektivní rozlišení Lepší poměr signálu ku šumu Jasné / čisté pozorování tlustých vzorků Možnost skenování v ose Z Vnímání hloubky obrazu a prostorového uspořádání v řezech v ose Z

Schéma současného konfokálního mikroskopu (s rozmítaným laserovým paprskem) Bodový zdroj světla: laserový paprsek fokusovaný na clonu Clona je objektivem zobrazena do bodu (průměr = rozlišovací schopnosti objektivu) Objektiv sbírá světlo odražené a rozptýlené zpětný průchod objektivem: obraz bodové clonky Druhá konfokální bodová clonka (blokuje nezaostřené roviny) Fotonásobič (Vesmír, a detektor 1995) světla laser informace o intenzitě světla informace o souřadnicích bodů (X - Y) zrcadlová bodová clonka objektiv zaostřená rovina detektor světla konfokální bodová clonka dělič paprsků a rastrovací zařízení objekt 15

16

Bodové skenování x y Laser - výstup k mikroskopu Laser - vstup 17

Olympus Fluoview 500 b c a a mikroskop IX 81 b konfokální nástavec c lasery d řídící jednotky d Info: http://www.olympusfluoview.com/products/fv500/index.html 18

Olympus Fluoview 500 optické řezy v rovinách XY, XZ, XYZ, XZY schopnost zaznamenat změny i v časové rovině XYt, XYZt současné snímání obrazu v procházejícím a fluorescenčním světle použití 4 kanálů zároveň sekvenční snímání volitelnost rychlosti a typu rastrování => kvalita snímku kompenzace šumu, zesíleni signálu 3D rekonstrukce obrazu a rotace - Imaris Skenování str. 7, 3D imaging str. 8: http://www.olympusfluoview.com/brochures/pdfs/fluoview.pdf 19

Olympus Fluoview 500 Stavba str. 4: http://www.olympusfluoview.com/brochures/pdfs/fluoview.pdf 20

Rastrování www.bioteach.ubc.ca netvoří obraz vcelku, ale bod po bodu, řádkováním pomocí řádkování jsou snímány optické body v rovině XY i jednotlivé optické řezy v ose Z díky definovanému posuvu objektivu konfokální obrazy jsou zaostřené a představují jednotlivé optické řezy vzorkem složení trojrozměrných obrazů vychází z možnosti postupného snímání desítek až stovek optických řezů v ose Z typy mikroskopu: rastrující konfokální mikroskop - skenující zařízení zařizuje posun ohniska excitujícího laserového paprsku konfokální mikroskop s rotujícím diskem - místo skenujícího zařízení obsahuje rotující Nipkowovův kotouč, na kterém je mnoho navzájem oddělených clonek 21

Historie Marvin Minský 1957 patent neměl vhodný zdroj světla http://www.currentprotocols.com/protocol/cy0208 22 http://pt.wikipedia.org/wiki/ficheiro:primeira_p%c3%a1gina_da_patente_de_marvin_minsky_sobre_o_microsc%c3%b3pio_confocal.gif

Historie Petráň M. a Hadravský M. (1967) - konstrukce konfokálního mikroskopu pracujícího na bázi rotace Nipkowova kotouče (Tandem Scanning Confocal Microscope) rozvoj od konce 70. let 20. století - rozmítaný laserový paprsek, počítač dvou (multi-) fotonový mikroskop http://www.currentprotocols.com/protocol/cy0208 Doporučuji dokument čt: Prof. Petráň (cca 18 min): http://www.ceskatelevize.cz/program/102099 88352-07.05.2009-22:45-2-zaslapaneprojekty.html?backaddr=search&tipy=1&onlin 23 e=1

Klasická mik. Konfok. Mik. Předpoklad malé tloušťky preparátu Silné vzorky překrývání obrazu zaostřené roviny nezaostřenými (nad i pod) Vzorky o tloušťce menší než je hloubka ostrosti objektivu (závisí na numerické apertuře) obrazem ne bod, ale Airyho kroužky Potlačení mlhavého pozadí obrazu Optická tomografie Obraz vzniká skládáním z jednotlivých bodů, které jsou pozorovány přes clonky, jejíž rozměry bývají menší než Airyho kroužky 24

CLSM widefield myší mozek hippocampus myší hladká svovina pylové zrno, slunečnice Poznámka: významné množství fluorescenčního signálu obrazu v širokém 25 poli se nachází mimo ohniskové roviny.

Výhody CLSM odstranění mimoohniskových rovin vysoký kontrast obrazu neinvazní metoda zachování prostorového uspořádání schopnost vytvoření prostorové rekonstrukce digitální forma výstupu - rotace, perspektiva,... schopnost zobrazení buňky - tkáně - mnohobuněčného organismu současné použití až 4 kanálů + procházející světlo 26

Nevýhody CLSM délka zpracování materiálu i snímků,,vyhasínání fluorescence (photobleaching) neostré snímky při nízké intenzitě fluorescence pořizovací cena (mikroskop, konfokální nástavec, počítač + program) 27

ProLong Gold antifade reagent www.invitrogen.com http://abrc.sinica.edu.tw/icm/app_out/main/jpg/theorem04.jpg Prolong Gold Vectashield DABCO 28

http://microscopy.duke.edu/3d/

směr snímání 30

31

http://microscopy.duke.edu/3d/

Imaris software (Bitplane) vizualizace segmentace a interpretace 3D a 4D dat http://www.imaris.com/go/products/imarisbatch 33

Další programy: Leica LAS software, ImageJ, MetaMorph and Huygens http://microscopy.duke.edu/3d/ Metaphase : LSM510 3D module (Zeiss) Metaphase Imaris software Bitplane neurokapsule Imaris software Bitplane Tabák. b. v telofázi Imaris software Bitplane Cytoskelet a chloroplasty tabáku LSM510 3D module (Zeiss) http://www.crp-sante.lu/en/competence-centers/luxembourg-biomedical-research-resources/confocal-microscopy/activities/3d-reconstructions-and-animations

Využití světla pro CLSM reflexe - textura a složení povrchů - elektronických součástek, studium neuronových sítí (pomocí Ag), procházející světlo fluorescence - struktura buňky a tkání, studium metabolických drah,... 35

36

37 vazba aktin-faloidin (FITC)

vazba aktin-faloidin (FITC) 38

vazba aktin-faloidin (TRITC) 39

fluorescence Gomoriho trichromu 40

vazba tubulin-protilátka (FITC) 41

vazba aktin-faloidin (FITC) vazba DNA-DAPI 42

vazba aktin-faloidin (FITC) vazba DNA-DAPI vazba mitochondrie-mitotracker red neuron, vazba mikrotubulové proteinyprotilátka (Texas-RED) 43

autofluorescence 44

Muller, Worsaae (2006) Phalloidin, F-actin: Annelida; body wall musculature 45

NERVOVÝ SYSTÉM - BONELLIA VIRIDIS (ECHIURA) Anti-tyrosinatedtubulin immunoreactivity, ventral view, depthcoding Hessling, Westheide (2002) 46

In vivo labeling of different embryonic territories with three spectrally distinct fluorescent proteins Rhee et al. 2005 47

glutaraldehyde-introduced fluorescence for the microscopic analysis of plant biotrophic interactions FESTER et al. 2008 48

Srovnání 3 metod užívaných ve fluorescenční mikroskopii rtuťová výbojka laser laser optický řez (0,5-2µm) fluorescenční konfokální 2-fotonová excitační světlo pozorovaná oblast oblast excitace ( vyhasínání ) 49 (Lacey, 1999)

Dvoufotonová mikroskopie absorbce 2 fotonů fluorochromem ve stejném okamžiku => záření s dvojnásobnou vlnovou délkou (poloviční energie) => excitační záření 700 nm (červená) => emitované záření 900 nm http://biomicroscopy.bu.edu/r_nonlinear.htm 50

Výhody se zvyšující se intenzitou záření zdroje se zvyšuje pravděpodobnost absorpce 2 fotonů fluorochromem excitace fluorochromu jen v zaostřené rovině => odpadá nutnost konfokální clonky => maximum světla velká vlnová délka (700 nm) => pomalejší vyhasínání cena Ti:Sapphire laseru Nevýhody menší rozptyl světla ve vzorku větší penetrace světla ve vzorku malá fototoxicita (x UV záření) ohřev vzorku => užití laserových pulsů než plynulé ozáření 51

Základní omezení konfokální mikroskopie ze zdroje PIXEL - picture element, obrazový prvek - někdy též pel, dále zkracováno na px - nejmenší jednotka digitální rastrové grafiky - jeden bod obrázku zadaný svou barvou VOXEL (volumetric objemový + pixel) - částice objemu, představující hodnotu v pravidelné mřížce třídimenzionálního prostoru počítačové grafiky - analogie k pixelu, který reprezentuje 2D grafiku - voxely se používají nejčastěji při vizualizaci a analýze lékařských a vědeckých dat y x 1 n 1 fotony. x,y,z 1 k detektoru 2 n 2 fotony 2 z Zdroj: Handbook of Biological Confocal Microscopy. J.B.Pawley, Plennum Press, 1989

konvoluce zkreslení díky nedokonalosti optických zařízeni bodová rozptylová funkce = PSF - Point Spread Function - důvod rozmazání obrazu dekonvoluce matematické zpracování obrazu, které redukuje rozmazání obrazu a vylepšuje kontrast a rozlišení 53

54 http://www.3d-doctor.com/hubble.jpg

AutoDeblur AutoQuant http://spectraservices.com/deblur.html 55

Informační zdroje http://www.olympusconfocal.com/theory/lscmintro.pdf http://www.fmhs.auckland.ac.nz/sms/biru/gallery/clsm-images.aspx http://www.bcm.edu/cain_foundation/noframes/html/pages/staff/robert_mcneil.htm Clypeaster subdepressus larva: http://mestrado.organelas.com/en/category/confocal/ http://www.confocal-microscopy.org/ http://measure.feld.cvut.cz/groups/edu/sz2/prednasky/2sadaprednasky/princip_konfo kalni_mikroskopie.pdf http://www.physics.emory.edu/~weeks/lab/papers/ebbe05.pdf http://www.olympusfluoview.com/theory/lscmintro.pdf http://apfyz.upol.cz/ucebnice/down/optmikro.pdf Fluorofory: http://www1.lf1.cuni.cz/~zfisar/fluorescence/soubory/fluorofory.htm 56

Literatura 57