Konfokalmikroskopie: Anwendungen und 3D-Bildgebung erklärt

Die gewöhnliche Lichtmikroskopie kann nicht verwendet werden, um ein dreidimensionales Gewebe zu beobachten, ohne die Probe physikalisch zu schneiden. Die konfokal-Scanning-Mikroskopie ist jedoch eine alternative Beobachtungsmethode, die eine direktere Möglichkeit bietet, die dreidimensionale Architektur eines gesamten, ungeschnittenen Exemplars zu sehen. Elektronische Bildgebungsmethoden ermöglichen es dem Benutzer, auf eine bestimmte Ebene in einem dicken Exemplar zu fokussieren, während Licht, das von oben und unterhalb der Fokusebene kommt, abgelehnt wird.

Warum Konfokalmikroskopie?

Die konfokal-Scanning-Mikroskopie wird von Forschern in der Biowissenschaft und anderen Branchen verwendet, um ein Bild der dreidimensionalen Architektur eines Exemplars, wie einer Zelle oder eines Gewebes, zu erhalten. Außerdem wird das Verfahren verwendet, um die mikroskopische Struktur einer Probe zu beobachten, die aus irgendeinem Grund nicht im Voraus in Schnitte geschnitten werden kann. Obwohl diese Herausforderungen durch die Verwendung eines komplexen, computerbasierten Bildverarbeitungsprogramms bewältigt werden können, ist diese Methode langsam und erfordert eine große Menge an Rechenleistung.

Konfokalmikroskopie vs. Standardlichtmikroskopie

Wenn ein dickes Exemplar mit einem herkömmlichen Lichtmikroskop betrachtet wird, wird das durch Fokussierung auf eine bestimmte Ebene erhaltene Bild durch unscharfe, außermittige Messwerte verschlechtert, die von den Teilen der Probe oberhalb und unterhalb der Fokusebene stammen. Damit die gewöhnliche Lichtmikroskopie gut funktioniert, muss eine Probe in dünne Schnitte geschnitten werden, um analysiert zu werden, und die Dicke des Schnitts ist umgekehrt proportional zur Klarheit des Bildes. Allerdings geht möglicherweise wertvolle Informationen über die dritte Dimension verloren, wenn eine Probe geschnitten wird, und, wie erwähnt, können einige Proben überhaupt nicht leicht geschnitten werden.

Funktionsweise

Das konfokal-Scanning-Mikroskop fokussiert auf eine bestimmte Ebene in einer dicken Probe, während es Licht ablehnt, das aus außermittigen Regionen oberhalb und unterhalb dieser Ebene kommt. Dies ergibt einen sauberen „optischen Schnitt“, und aus einer Sequenz dieser Schnitte, die in verschiedenen Tiefen aufgenommen werden, kann ein Computerprogramm ein dreidimensionales Bild rekonstruieren. Diese Strategie ist ziemlich ähnlich dem, was ein CT-Scanner für Radiologen tut, die einen gesamten menschlichen Körper untersuchen, da beide Methoden saubere Schnittansichten des Inneren einer intakten Struktur präsentieren.

Funktionsweise: Die Details

Das Gerät wird allgemein mit Fluoreszenzoptik verwendet, und zu jedem beliebigen Zeitpunkt fokussiert das optische System der Maschine seinen Lichtstrahl auf einen einzelnen Punkt in einer bestimmten Tiefe der Probe. Eine extrem helle Punktbeleuchtungsquelle ist erforderlich, und diese wird normalerweise durch einen Laser bereitgestellt, dessen Licht durch ein Lochblende geleitet wird. Ein Detektor mit einer Lochblendenöffnung sammelt die von der beleuchteten Probe emittierte Fluoreszenz. Nur das Licht vom spezifischen Fokuspunkt gelangt in den Detektor, und das Gerät schließt Licht aus Bereichen außerhalb der Fokusebene aus.

Spezifische Anwendungen

Das konfokal-Scanning-Mikroskop wird oft verwendet, um die Struktur verschiedener komplexer dreidimensionaler Objekte zu klären, wie Netzwerke von Zytoskelettfasern im Zytoplasma von Zellen und die Anordnungen von Chromosomen und Genen im Zellkern einer Zelle zu verschiedenen Punkten im Zellteilungszyklus. Pollenkörner haben beispielsweise eine komplexe skulptierte Zellwand, die nur mit konfokaler Mikroskopie klar gesehen werden kann. Die Elektronikindustrie verwendet diese Maschine und Methodik ebenfalls, um Halbleiter zu überprüfen.