Визуализирующая микроскопия на основе флуоресценции или FLIM представляет собой метод визуализации, основанный на различиях в скорости экспоненциального затухания флуорофора из образца. Его можно использовать в качестве метода визуализации в конфокальной микроскопии, микроскопии с двухфотонным возбуждением и многофотонной томографии.
Для создания изображения в FLIM используется время жизни (FLT) флуорофора, а не его интенсивность. Время жизни флуоресценции зависит от локальной микросреды флуорофора, что исключает любые ошибочные измерения интенсивности флуоресценции из-за изменения яркости источника света, интенсивности фонового света или ограниченного фотообесцвечивания. Этот метод также имеет то преимущество, что сводит к минимуму эффект рассеяния фотонов в толстых слоях образца. В зависимости от микросреды измерения срока службы использовались в качестве индикатора для pH, вязкости и концентрации химических веществ.
A флуорофор, который возбуждается фотон перейдет в основное состояние с определенной вероятностью, основанной на скорости распада через ряд различных (радиационных и / или безызлучательных) путей распада. Чтобы наблюдать флуоресценцию, одним из этих путей должно быть спонтанное излучение фотона. В описании ансамбля излучаемая флуоресценция со временем затухает в соответствии с
где
В приведенном выше примере - время, - время жизни флуоресценции, - начальная флуоресценция при и - скорости для каждого пути распада, по крайней мере одна из которых должна быть скоростью затухания флуоресценции . Что еще более важно, время жизни не зависит от начальной интенсивности и испускаемого света. Это можно использовать для проведения измерений, не основанных на интенсивности, при химическом зондировании.
Визуализация времени жизни флуоресценции дает изображения с интенсивностью каждого пикселя, определяемой параметром , который позволяет видеть контраст между материалами с разной скоростью затухания флуоресценции (даже если эти материалы флуоресцируют на одной и той же длине волны), а также создает изображения, которые показывают изменения в других путях затухания, например, в Визуализация FRET.
Время жизни флуоресценции можно определить во временной области с помощью импульсного источника. Когда популяция флуорофоров возбуждается ультракоротким или дельта импульсом света, флуоресценция с временным разрешением будет затухать экспоненциально, как описано выше. Однако, если импульс возбуждения или отклик обнаружения широкие, измеренная флуоресценция d (t) не будет чисто экспоненциальной. Инструментальная функция отклика IRF (t) будет свернута или смешана с функцией затухания F (t).
Инструментальный отклик источник, детектор и электронику можно измерить, обычно по рассеянному возбуждающему свету. Восстановление функции затухания (и соответствующего времени жизни) создает дополнительные проблемы, так как деление в частотной области имеет тенденцию производить высокий шум, когда знаменатель близок к нулю.
Коррелированный по времени подсчет одиночных фотонов (TCSPC ) обычно используется, поскольку он компенсирует изменения в интенсивности источника и амплитуде импульсов одиночных фотонов. Используя коммерческое оборудование TCSPC, можно записать кривую затухания флуоресценции с временным разрешением до 405 фс. Записанная гистограмма затухания флуоресценции подчиняется статистике Пуассона, которая учитывается при определении степени соответствия во время подгонки. Более конкретно, TCSPC регистрирует время, в которое отдельные фотоны обнаруживаются быстрым однофотонным детектором (обычно фотоумножителем (PMT ) или однофотонным лавинным фотодиодом (SPAD).)) относительно возбуждающего лазерного импульса. Записи повторяются для нескольких лазерных импульсов, и после достаточного количества записанных событий можно построить гистограмму количества событий по всем этим записанным временным точкам. Затем эту гистограмму можно подогнать к экспоненциальной функции, которая содержит интересующую экспоненциальную функцию уменьшения времени жизни, и, соответственно, можно извлечь параметр времени жизни. Многоканальные системы ФЭУ с 16–64 элементами имеются в продаже, тогда как недавно продемонстрированные системы однофотонных лавинных диодов CMOS (SPAD) -TCSPC FLIM могут предложить еще большее количество каналов обнаружения и дополнительные недорогие опции.
Импульсное возбуждение все еще используется в этом методе. Прежде чем импульс достигнет образца, часть света отражается дихроичным зеркалом и обнаруживается фотодиодом, который активирует генератор задержки, управляющий стробируемым оптическим усилителем (GOI), который находится перед детектором CCD. GOI позволяет обнаруживать только ту долю времени, когда он открыт после задержки. Таким образом, с помощью настраиваемого генератора задержки можно собирать излучение флуоресценции после нескольких времен задержки, охватывающих временной диапазон затухания флуоресценции образца. В последние годы на рынок вышли интегрированные усиленные ПЗС-камеры. Эти камеры состоят из усилителя изображения, ПЗС-матрицы и встроенного генератора задержки. Камеры ICCD с самым коротким временем стробирования до 200ps и шагом задержки 10ps позволяют использовать FLIM с субнаносекундным разрешением. В сочетании с эндоскопом этот метод используется для интраоперационной диагностики опухолей головного мозга.
Время жизни флуоресценции может быть определено в частотной области с помощью метода фазовой модуляции. В этом методе используется источник света, который является импульсным или модулируемым на высокой частоте (до 500 МГц), такой как светодиод, диодный лазер или источник непрерывной волны в сочетании с электрооптическим модулятором или акустооптический модулятор. Флуоресценция (а) демодулируется и (б) сдвигается по фазе; обе величины связаны с характерными временами затухания флуорофора. Кроме того, y-компоненты для синусоидальных волн возбуждения и флуоресценции будут модулироваться, и время жизни может быть определено из коэффициента модуляции этих y-компонентов. Следовательно, 2 значения срока службы могут быть определены методом фазовой модуляции. Время жизни определяется путем подбора этих экспериментальных параметров. Преимуществом FLIM на основе ФЭУ или камеры в частотной области является быстрое получение изображения в течение всего срока службы, что делает его пригодным для таких приложений, как исследование живых клеток.
Целью алгоритма анализа является для извлечения кривой чистого распада из измеренного распада и для оценки времени жизни (а). Последнее обычно достигается путем подбора одно- или многоэкспоненциальных функций. Для решения этой проблемы было разработано множество методов. Наиболее широко используемый метод - это итеративная повторная свертка по методу наименьших квадратов, основанная на минимизации взвешенной суммы остатков. В этом методе теоретические кривые экспоненциального затухания свертываются с функцией отклика прибора, которая измеряется отдельно, и наилучшее соответствие находится путем итеративного вычисления остатков для различных входных данных до тех пор, пока не будет найден минимум. Для набора наблюдений сигнала флуоресценции во временном интервале i оценка времени жизни выполняется с помощью минимизация:
Помимо экспериментальных трудностей, включая функцию отклика прибора, зависящую от длины волны, математическая обработка итерационной задачи дек-свертки не является прямой и медленной, и вначале дни FLIM сделали его непрактичным для попиксельного анализа. Неподходящие методы привлекательны, потому что они предлагают очень быстрое решение для оценки срока службы. Одним из основных и простых методов в этой категории является метод быстрого определения срока службы (RLD). RLD вычисляет время жизни и их амплитуды напрямую, разделяя кривую затухания на две части равной ширины t. Анализ выполняется путем интегрирования кривой затухания через равные интервалы времени t:
Ii - это записанный сигнал в i-м канале, а K - количество каналов. Срок службы можно оценить с помощью:
Для многоэкспоненциальных распадов это уравнение дает среднее время жизни. Этот метод может быть расширен для анализа биэкспоненциальных распадов. Одним из основных недостатков этого метода является то, что он не может учесть эффект отклика прибора, и по этой причине при анализе следует игнорировать раннюю часть измеренных кривых затухания. Это означает, что часть сигнала отбрасывается и точность оценки коротких времен жизни снижается.
Одна из интересных особенностей теоремы о свертке состоит в том, что интеграл свертки является произведением множителей, составляющих интеграл. Есть несколько методов, которые работают в преобразованном пространстве, которые используют это свойство для восстановления чистой кривой затухания из измеренной кривой. Преобразование Лапласа и Фурье наряду с разложением Лагерра по Гауссу использовалось для оценки времени жизни в преобразованном пространстве. Эти подходы быстрее, чем методы, основанные на деконволюции, но страдают от проблем с усечением и выборкой. Более того, применение таких методов, как разложение Лагерра-Гаусса, математически сложно. В методах Фурье время жизни одной кривой экспоненциального спада определяется как:
Где:
и n - номер гармоники, а T - общий временной диапазон обнаружения.
FLIM в первую очередь использовался в биологии как метод обнаружения фотосенсибилизаторов в клетках и опухолях, а также FRET в тех случаях, когда это сложно. Этот метод был разработан в конце 1980-х - начале 1990-х годов (метод стробирования: Bugiel et al. 1989. König 1989, Phase Modulation: Lakowicz et al. 1992) до более широкого применения в конце 1990-х годов. В культуре клеток он был использован для изучения передачи сигналов и транспорта рецептора EGF. Временная область FLIM (tdFLIM) также использовалась для демонстрации взаимодействия обоих типов ядерных белков промежуточных филаментов ламинов A и B1 в различных гомополимерах ядерной оболочки, которые в дальнейшем взаимодействуют друг с другом в структурах более высокого порядка. Визуализация FLIM особенно полезна в нейронах, где рассеяние света тканью мозга проблематично для логометрической визуализации. В нейронах визуализация FLIM с использованием импульсного освещения была использована для изучения белков семейства Ras, CaMKII, Rac и Ran. FLIM использовался в клинической многофотонной томографии для обнаружения внутрикожных раковых клеток, а также фармацевтических и косметических соединений.
Совсем недавно FLIM также использовался для обнаружения флаванолов в растительных клетках
Поскольку время жизни флуоресценции флуорофора зависит как от излучения (то есть флуоресценции) и безызлучательных (то есть тушение, FRET) процессов, передача энергии от молекулы донора к молекуле акцептора уменьшит время жизни донора. Таким образом, измерения FRET с использованием FLIM могут предоставить метод различения состояний / окружения флуорофора. В отличие от измерений FRET на основе интенсивности, измерения FRET на основе FLIM также нечувствительны к концентрации флуорофоров и, таким образом, могут отфильтровывать артефакты, вызванные изменениями концентрации и интенсивности излучения в образце.