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さらに理解を深めるための顕微鏡知識

界面近傍のみを高感度に観察できる「全反射照明蛍光顕微鏡 (TIRF)」

1.落射蛍光観察法と全反射照明蛍光観察法のちがい

様々な機能性蛍光試薬(イオン感受性蛍光試薬やCaged化合物 *1など)や蛍光性蛋白質(Green Fluorescence Proteinなど)の開発により、分子・細胞生物学の研究において蛍光顕微鏡がひとつの重要なツールとなっています。蛍光観察の原理は、一般的に蛍光性のない生物試料に蛍光物質を導入し(もしくは蛍光性蛋白を発現させ)、観察対象となる分子や構造を「光る画像」としてとらえることです。

従来の蛍光観察としては「落射蛍光観察法」がありましたが、さらなる観察法として「全反射照明蛍光観察法」が注目を集めています。二つの観察方法の大きな違いは、「落射蛍光観察」では光軸方向全体に励起光を照射し、その中で発する蛍光を観察するのに対して、「全反射照明蛍光観察法」ではその励起光を光軸方向全体ではなくカバーガラス近傍のごく限定された領域(図2参照:カバーガラス表面から100nm程度)にのみ発生させ(エバネッセント光:次項に詳細)、その限定された領域における励起により生じる蛍光現象を観察するという点です。そのような特殊な励起方法を用いることで、境界面近傍でのみ起こる現象の画像化や背景光の少ない高感度な蛍光分子検出が可能となります。

複雑な説明の前に実際の細胞での観察例を示します。【観察例-1】に示す画像は、通常の落射蛍光観察と全反射照明蛍光観察法を比較した画像です。2つの画像は同じ試料を異なった励起方法で観察しており、落射照明では細胞全体が強く光っているのに対して全反射照明画像では細胞の先端部のみが励起されていることが分かります。これは、細胞の先端部分がカバーガラスに密着し、その部分に蛍光染色されたアクチンフィラメントが存在していることを示しています。

  • (A) 落射照明蛍光像

  • (B) 全反射照明蛍光像

観察例-1

画像提供

Yale大学Paul Forcher教授 TE2000+PlanApo60xTIRF

*1Caged化合物とは
Caged化合物とは、生理活性物質・蛍光物質等の機能性分子の機能発現部位を遮蔽(caging)したもので、本来の機能を発現していない化合物である。しかし、光(近紫外光)を照射すると遮蔽されていた部分が脱離して本来の機能を復元する、つまり、光を利用することにより特定場所・特定時刻に機能性分子を発現させることができる。言い換えれば、機能性分子を特定の系内へ光により導入することができるツールである。

2. エバネッセント光とは

境界面近傍での限定された領域における励起のために用いられる特殊な光である「エバネッセント光」がどのようなものかを説明します。

図-1に示すように、屈折率の異なる媒質の一方から界面に対して光を入射させると、入射角が小さい場合は透過光と反射光の両方が発生し、その入射角と屈折角の関係は、スネルの法則 *2)と呼ばれる関係となります(図-1A)。さらに、媒質1の屈折率が媒質2の屈折率よりも大きいときに、入射角θ1を大きくしてゆくと屈折角θ2が90°に達し、それ以上の入射角に対して屈折光が観測されず、反射のみとなります(図-1B)。このような現象を「全反射」とよび、屈折角θ2が90°になる入射角θcを臨界角(critical angle)と呼びます。このような全反射状態では、媒質1と2の界面から媒質2側へ指数関数的に減衰する電磁場(定在波)が生じ、このように全反射からしみだす場を「エバネッセント場(光)」と呼びます(図-2)。

全反射面からしみだす場の領域(深さ)は理論的に次式のように表されます。

d = λ /4π〔n 12・sin 2 θ-n 221/2
(但し θ>θc 臨界角:θc = Sin-1(n2 /n1))
d(nm):光の強度が1/eとなる界面からの距離
λ(nm):入射光の波長
n1:溶媒1の屈折率
n2:溶媒2の屈折率
θ:入射角

これらの式に顕微鏡下で一般に使用される値
(n1:nガラス = 1.52、n2:n = 1.33) を代入すると、入射角(75°)にてd = 0.128 x λとなることが分かります。顕微鏡で使用される波長を400~700nmとすると、入射角によって大きく値に幅を持つことになりますが、50~150nm程度の狭い領域にのみエバネッセント光が染み出すことが分かります。光の波長と比べても、エバネッセント光のしみだす領域(深さ)は非常に小さいことが分かります。このようなエバネッセント光を蛍光物質の励起に利用するというのが全反射照明蛍光顕微鏡の特徴となります。

*2スネルの法則とは
波が屈折率n1の均質等方性の媒質から屈折率n2の均質等方性の媒質に入って屈折する場合、屈折波の(波面法線の)方向は入射面内に含まれ、かつ入射角をθi、屈折角をθrとしたときsinθi/sinθr = n2/n1が入射角によらず一定であるという法則。光の場合については、1621年スネルが実験的に見出したのでこの名がある。屈折の法則ともいう。(以下省略)(理化学辞典 第4版 岩波書店)

3. プリズム利用型と対物レンズ利用型

顕微鏡下において全反射照明観察を行なう場合には、主に2種類の光学配置が用いられています。ひとつは、プリズムを利用して光学系を組み、レーザ光を導入することにより全反射をカバーガラス界面に発生させ、その照射領域を対物レンズで観察する「プリズム型」(図-3A)(カバーガラスとプリズムの密着にはガラスと同じ屈折率を持ったオイルなどを使用する)です。もうひとつは、開口数 *3 の大きな対物レンズ(NA1.45など)の対物レンズ辺縁部から試料へ向けてレーザ光を導入し、ガラスと試料の境界面にて全反射を起こし、さらにその対物レンズを観察にそのまま使用する「対物レンズ型」です
(図-3B)。

プリズム利用型の利点は、比較的容易に安価で構築可能であり、油浸・水浸以外の低倍対物でも観察可能な点です。対物レンズ利用型の利点は、試料近傍にプリズムを配置する必要がないため透過観察や溶液交換・電極設置など試料操作が容易となるという点、観察視野を動かした場合でも照明領域の維持が容易である点になります。現状は、NA1.45の対物レンズと光学系が市販品として一般化されており、倒立型顕微鏡のステージ空間を活用する意味でも「対物レンズ型」が広く普及しつつあるといえます。

*3開口数とは
光学機器で入射ひとみ(→絞り)の半径が物点において張る角uの正弦と物体空間の絶対屈折率nとの積n×sin uを開口数という。記号はNA。顕微鏡の場合には、互いに分離して認めうる2点の最短間隔(分解能)は開口数に逆比例する。したがって高倍率で小さい間隔の2点を分離してみようとするほど開口数を大きくしなければならない。開口数を大きくするには、uとnを大きくする。Uを大きくするときは照明光も広角に焦光し、nを大きくするには液浸法を用いる。(理化学辞典 第4版 岩波書店)

4. 対物レンズ型で全反射照明を実現するには

対物レンズ型で全反射照明を実現するには対物レンズの後焦点面 *4 の辺縁部へレーザを集光します。図-4で示すΔrevaが全反射照明を起こす事ができる範囲(以下、辺縁部と呼ぶ)となります。対物レンズの後方焦点面へレーザを入射することにより標本面において入射光は平行光となり均一な照明ができることになります。

さらに、具体的に辺縁部の大きさを計算してみると以下のようになります。

60x, NA1.45の対物レンズとして計算(結像レンズの焦点距離は200mmとする)
Δreva = rNA - rsample
= fobj x NAobj - fobj x NAsample
= (ftube/M) x NA - (ftube/M) x nsample
= 200/60 x 1.45 - 200/60 x 1.33
= 0.4(mm)
対物レンズの後方焦点面での全反射照明領域:Δreva
対物レンズの後方焦点面の半径:rNA
対物レンズの開口数:NA 1.45(弊社60xTIRF)
試料が水溶液中に存在する場合の対物レンズの後方焦点面の実行半径:rsample
試料が水溶液中に存在する場合の実行開口数:NAsample 1.33(水を想定)
対物レンズの倍率:M 60
顕微鏡結像レンズ焦点距離:ftube 200mm
対物レンズの焦点距離:fobj 200/60=3.33mm
試料(水)の屈折率:nsample 1.33(水を想定)

NAsample = nsampleについての補足説明

試料側から対物レンズへ光を入れようとしたときの入射最大角度は上記の条件では屈折率の低い媒体(水:1.33)から高い媒体(ガラス:1.52)となるため90°(=θmax)ということになります。
つまり、試料側(水)でのSinθmax = 1と計算されます。そこで、開口数の定義 *3をこれにあてはめるとNAsample = nsample x Sinθmax = nsample x 1 = nsampleとなります。

図のスライダーを左から右へ移動すると、入射光による変化をご覧いただけます。

辺縁部の幅は試料の屈折率の想定などによっても若干値が変わりますが、約400μm幅となります。小さいように感じるかもしれませんが、レーザを上手く集光させることにより散乱などのない全反射画像を得ることができます。さらに、焦点位置を後焦点面内で移動させることにより、落射照明と全反射照明をすばやく切り替えることができることも提唱されています(ページ下部の参考文献を参照ください)。

*4後焦点面とは
対物レンズの瞳とも呼ばれ、対物レンズの胴付から少し内側に入った位置になります。その位置は対物レンズによって異なります。

5. 全反射照明による観察例

蛍光観察としてのエバネッセント顕微鏡の応用は、日本の研究者によって推し進められている部分が大きく、それらの応用範囲も擬似生体(invitro)系での分子の挙動観察から細胞骨格の構造変化や細胞内信号伝達までと様々な分野に広がっています。以下にいくつかの観察例を紹介します。

全反射蛍光顕微鏡を利用した分子観察

観察例ご提供:船津高志先生(東京大学大学院薬学系研究科 生体分析化学教室)

シャぺロニン GroEL は、ATP 加水分解を伴いながら GroES と結合解離を繰返し、タンパク質分子の折れたたみを助ける分子です。画像は、Avidin-Biotin 系を利用してカバーガラスに固定された GroEL(CI5 染色)に対して、水溶液中の GroES(Cy3 染色)が結合解離を繰り返す様子を示すものです。1個の蛋白分子に対して1個の蛍光分子が結合しています。後半の Cy3 励起による全反射顕微鏡画像では、円で囲まれた部分にGroELが存在し(この波長では励起されない)、結合した GroES が輝点として瞬く様子が観察されます。詳細に関しては、東京大学薬学系研究科 生体分析化学教室Webサイトをご参照ください。

カバーガラスに固定された微小管(動画の開始部分で円弧状に観察される繊維状の分子集合体)上を、0.1μmの蛍光ポリスチレンビーズを結合したキネシン分子が移動してゆく様子を捉えた蛍光の画像です。1個のモータ分子(キネシン分子)が数μm にわたって連続的に微小管の上を移動していることが観察できます。

図右上のスライダーを左から右へ移動すると、蛍光物質の移動をご覧いただけます。

補足説明

前述の計算などでも確認されたように、全反射照明蛍光顕微鏡ではエバネッセント光により界面から100nm程度の限られた領域に存在する蛍光物質しか励起されません。これらの特長を分子レベルの実験に応用するとガラス面上に固定された分子と溶液中にブラウン運動をしているような色素との結合・解離の観察が可能となります。

Focal adhesion の可視化

観察例ご提供:小畑秀一先生(北里大学 一般教育部 自然科学教育センター生物学教室)

マウス骨髄由来のストローマ細胞(ST2細胞)の全反射照明蛍光観察

4% formaldehydeで固定した後、0.25% Triton X-100で処理し、抗パキシリン抗体及びTRITC-phalloidinで2重染色。

共焦点顕微鏡観察像

細胞の底面近傍の画像です。緑はパキシリン分子、赤はF-アクチンの局在を示します。細胞の進行方向前端部に多量のF-アクチンがベルト状に存在しており、ストレスファイバーはおおむね細胞の後方に向かっていることが分かります(右に向かって移動中の細胞の一部が示されています)。

全反射照明蛍光観察像

エバネッセント領域のパキシリン分子の局在を示す画像です。ガラスとの接着面に存在するFocal adhesionがパキシリン分子の局在を通してはっきり分かります。

表面反射干渉観察像

落射蛍光装置を用いた簡易型の表面反射像観察法の画像です。黒く見える部分がガラス面と近接していることを意味し、黒く細長い斑点はパキシリン分子(すなわちFocal adhesion)の局在と一致する事がわかります。表面反射干渉画像と全反射照明蛍光観察画像を比べることにより、ガラス面近傍領域の同定が可能となります。

参考文献
  • Axelrod D., Total internal reflection fluorescence microscopy, Method in Cell Biology, 30, p245-270 (1989)
  • 鶴田匡夫:『応用光学I』, p37-42, 培風館(1990)
  • Funatsu T. et al., Imaging of single fluorescent molecules and individual ATP turnovers by single myosin molecules in aqueous solution, Nature, 374, p555-559 (1995)
  • 「光による究極の操作・観察」,『生命科学を拓く新しい光学技術』, 日本光生物学協会編, 共立出版, p135-173 (2000)
  • 「表面のみを高画質に観察できる全反射蛍光顕微鏡法」, 『バイオイメージングでここまで理解(わか)る』楠見明弘・小林剛・吉村昭彦・徳永万喜洋編, 羊土社, p104-113(2002)