「超解像蛍光顕微鏡」の版間の差分

提供:脳科学辞典
ナビゲーションに移動 検索に移動
(Added Airy disc function.)
(Adapted to new format.)
1行目: 1行目:
<p>: Super-resolution microscopy</p>
<p align="right">
<p>光学顕微鏡は、光の屈折、反射などを使って、物体を拡大して観察する器械である。しかし、光という電磁波を利用するため、その分解能は、光の回折限界(可視光では250 nm程度)によって制限される。そのため、従来の光学顕微鏡では、それよりも小さい構造を見る事は出来なかった。螢光顕微鏡とは、励起光を当てて、螢光色素、螢光蛋[[白質]]から発せられる螢光を観察する光学顕微鏡であるが、やはり、分解能には制限があった。それに対して、超解像螢光顕微鏡とは、励起照明法や、観察される螢光分子、解析方法などの工夫により、光の回折限界で制限される分解能を超える (超解像)螢光像を作る顕微鏡である。</p>
  <font size="+1">川岸 将彦, [http://researchmap.jp/nana 寺田 純雄]</font>
<h2><span class="mw-headline">光学顕微鏡の分解能</span></h2>
  <br>
<p>光は電磁波の一種であり、波としての性質を持つ。波である光が、限られた大きさの開口を通ると、通り抜けた光の波面はホイヘンス-フレネルの原理によって変化する。開口面から十分遠い面での光波の振幅分布は、フラウンホーファー回折と呼ばれる分布を示す。</p>
  ''東京医科歯科大学''
<p>レンズは、屈折によって、光の平面波を、収斂/発散する球面波に変化させる光学素子である。レンズの径は有限なので、フラウンホーファー回折と同様の回折が、焦点面において形成される。</p>
</p>
<p>この回折のため、点光源から発した光がレンズを通って像を形成しても、その像は完全な点には収斂せず、3次元に一定の広がりと強度分布をもったものになる。この分布を、点拡がり関数 (点像分布関数, Point spread function, PSF)と呼ぶ。顕微鏡に即して言えば、点状の物体を拡大した像は、単純に拡大された形状になるのではなく、周囲に一定の滲み、広がりを持ったものになる。</p>
英: Super-resolution microscopy
<p>円形開口を通過した光が、収差のない理想的な光学系によって像を形成した時、そこに形成されるPSFを、エアリーディスク (Airy disc)と呼ぶ。その焦点面での光強度Iの分布は</p>
{{box|text=
<p><math>I = I_0 \left ( \frac{2J_1( x)}{x} \right ) ^2</math>, <math>x = \frac{2\pi a \sin \theta }{\lambda } = </math></p>
光学顕微鏡は、光の屈折、反射などを使って、物体を拡大して観察する器械である。しかし、光という電磁波を利用するため、その分解能は、光の回折限界(可視光では250 nm程度)によって制限される。そのため、従来の光学顕微鏡では、それよりも小さい構造を見る事は出来なかった。螢光顕微鏡とは、励起光を当てて、螢光色素、螢光蛋白質から発せられる螢光を観察する光学顕微鏡であるが、やはり、分解能には制限があった。それに対して、超解像螢光顕微鏡とは、励起照明法や、観察される螢光分子、解析方法などの工夫により、光の回折限界で制限される分解能を超える (超解像)螢光像を作る顕微鏡である。
<h2><span class="mw-headline">超解像蛍光顕微鏡</span></h2>
}}
<p>超解像蛍光顕微鏡とは、上述の、対物レンズの回折限界で制限される分解能を越える (超解像)蛍光像を作る顕微鏡のことである。分解能を超える手法としては、RESOLFTを利用するもの、単分子の局在は2点分解能よりも細かく決められる事を利用するもの、励起照明を工夫して回折限界以上の高周波成分の情報を得るもの、統計学的手法を使うものなど、多くの手法が開発、実用化されている。ここでは、代表的なものを紹介する。</p>
==光学顕微鏡の分解能==
<h3><span class="mw-headline">RESOLFT (REversible Saturable OpticaL Fluorescence Transitions)</span></h3>
光は電磁波の一種であり、波としての性質を持つ。波である光が、限られた大きさの開口を通ると、通り抜けた光の波面はホイヘンス-フレネルの原理によって変化する。開口面から十分遠い面での光波の振幅分布は、フラウンホーファー回折と呼ばれる分布を示す。
<h3><span class="mw-headline">Localization Microscopy (PALM, STORM, fPALM, dSTORM, ...)</span></h3>
 
レンズは、屈折によって、光の平面波を、収斂/発散する球面波に変化させる光学素子である。レンズの径は有限なので、フラウンホーファー回折と同様の回折が、焦点面において形成される。
 
この回折のため、点光源から発した光がレンズを通って像を形成しても、その像は一点には収斂せず、3次元に一定の広がりと強度分布をもったものになる。この分布を、点拡がり関数 (点像分布関数, Point spread function, PSF)と呼ぶ。顕微鏡に即して言えば、点状の物体を拡大した像は、単純に拡大された形状になるのではなく、周囲に一定の滲み、広がりを持ったものになる。
 
無限遠にある点光源から、円形開口を通過した光が、収差のない理想的なレンズ光学系によって像を形成した時、そこに形成されるPSFを、エアリーディスク (Airy disc)と呼ぶ。その焦点面での光強度の分布<math>I( \theta )</math>
 
<math>I( \theta ) = I_0 \left ( \frac{2J_1( x( \theta ) )}{x( \theta )} \right ) ^2</math>, <math>x( \theta ) = \frac{2\pi a \sin \theta }{ \lambda }</math>
 
<math>\theta</math>: レンズの中心から、焦点面上の観察点を見た観察角。光軸方向を0とする。
<br>
<math>I_0</math>: 光軸上の、つまり、最も明るい点での光強度。
<br>
<math>J_1(.)</math>: 一次の第一種ベッセル函数。
<br>
<math>a</math>: 円形開口の半径。顕微鏡のレンズの半径に当たる。
<br>
<math> \lambda </math>: 光の波長。
 
と表される。この分布は、中心に高い山があり、それを同心円状の低い縞が囲むような形になる。
 
光学顕微鏡の分解能は、2点分解能で表現される事が多い。つまり、2つの点光源を、異なる点として識別できるような、2点間の最小距離である。収差のない理想的な光学系では、レイリー基準により、一つの点光源によるエアリーディスクの中心の極大と、もう一つの点光源によるエアリーディスクの最初の極小が重なるような距離とされる。具体的には、
 
<math>x( \theta ) = \frac{2\pi a \sin \theta }{ \lambda } = 3.831706...</math>
<math></math>
 
==超解像蛍光顕微鏡==
超解像蛍光顕微鏡とは、上述の、対物レンズの回折限界で制限される分解能を越える (超解像)蛍光像を作る顕微鏡のことである。分解能を超える手法としては、RESOLFTを利用するもの、単分子の局在は2点分解能よりも細かく決められる事を利用するもの、励起照明を工夫して回折限界以上の高周波成分の情報を得るもの、統計学的手法を使うものなど、多くの手法が開発、実用化されている。ここでは、代表的なものを紹介する。
===RESOLFT (REversible Saturable OpticaL Fluorescence Transitions)===
===Localization Microscopy (PALM, STORM, fPALM, dSTORM, ...)===
==参考文献==
<references />

2014年9月5日 (金) 00:36時点における版

川岸 将彦, 寺田 純雄
東京医科歯科大学

英: Super-resolution microscopy

光学顕微鏡は、光の屈折、反射などを使って、物体を拡大して観察する器械である。しかし、光という電磁波を利用するため、その分解能は、光の回折限界(可視光では250 nm程度)によって制限される。そのため、従来の光学顕微鏡では、それよりも小さい構造を見る事は出来なかった。螢光顕微鏡とは、励起光を当てて、螢光色素、螢光蛋白質から発せられる螢光を観察する光学顕微鏡であるが、やはり、分解能には制限があった。それに対して、超解像螢光顕微鏡とは、励起照明法や、観察される螢光分子、解析方法などの工夫により、光の回折限界で制限される分解能を超える (超解像)螢光像を作る顕微鏡である。

光学顕微鏡の分解能

光は電磁波の一種であり、波としての性質を持つ。波である光が、限られた大きさの開口を通ると、通り抜けた光の波面はホイヘンス-フレネルの原理によって変化する。開口面から十分遠い面での光波の振幅分布は、フラウンホーファー回折と呼ばれる分布を示す。

レンズは、屈折によって、光の平面波を、収斂/発散する球面波に変化させる光学素子である。レンズの径は有限なので、フラウンホーファー回折と同様の回折が、焦点面において形成される。

この回折のため、点光源から発した光がレンズを通って像を形成しても、その像は一点には収斂せず、3次元に一定の広がりと強度分布をもったものになる。この分布を、点拡がり関数 (点像分布関数, Point spread function, PSF)と呼ぶ。顕微鏡に即して言えば、点状の物体を拡大した像は、単純に拡大された形状になるのではなく、周囲に一定の滲み、広がりを持ったものになる。

無限遠にある点光源から、円形開口を通過した光が、収差のない理想的なレンズ光学系によって像を形成した時、そこに形成されるPSFを、エアリーディスク (Airy disc)と呼ぶ。その焦点面での光強度の分布

,

: レンズの中心から、焦点面上の観察点を見た観察角。光軸方向を0とする。
: 光軸上の、つまり、最も明るい点での光強度。
: 一次の第一種ベッセル函数。
: 円形開口の半径。顕微鏡のレンズの半径に当たる。
: 光の波長。

と表される。この分布は、中心に高い山があり、それを同心円状の低い縞が囲むような形になる。

光学顕微鏡の分解能は、2点分解能で表現される事が多い。つまり、2つの点光源を、異なる点として識別できるような、2点間の最小距離である。収差のない理想的な光学系では、レイリー基準により、一つの点光源によるエアリーディスクの中心の極大と、もう一つの点光源によるエアリーディスクの最初の極小が重なるような距離とされる。具体的には、

超解像蛍光顕微鏡

超解像蛍光顕微鏡とは、上述の、対物レンズの回折限界で制限される分解能を越える (超解像)蛍光像を作る顕微鏡のことである。分解能を超える手法としては、RESOLFTを利用するもの、単分子の局在は2点分解能よりも細かく決められる事を利用するもの、励起照明を工夫して回折限界以上の高周波成分の情報を得るもの、統計学的手法を使うものなど、多くの手法が開発、実用化されている。ここでは、代表的なものを紹介する。

RESOLFT (REversible Saturable OpticaL Fluorescence Transitions)

Localization Microscopy (PALM, STORM, fPALM, dSTORM, ...)

参考文献