Molecular imaging hack gør kameraer hurtigere

En ny teknik fra Rice University tager billeder af kemiske processer, der sker hurtigere, end de fleste laboratoriekameraer er i stand til at fange dem.

Teknikken, super tidsmæssig opløsningsmikroskopi (STReM), tillader forskere at se og indsamle nyttig information om fluorescerende molekyler med en billedhastighed 20 gange hurtigere, end typiske laboratoriekameraer normalt tillader.

Værket af Rice -kemiker Christy Landes og hendes team, sammen med Rice elingeniør Kevin Kelly, fremgår af American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters .

Risforskerne starter med en nobelvindende mikroskopiteknik, der ser objekter som molekyler ved "superopløsning" - det vil sige, ting under diffraktionsgrænsen, der er mindre end de fleste mikroskoper er i stand til at se.

"Mikroskopi med superopløsning gør det muligt at forestille os ting, der er mindre end omkring halvdelen af ​​det synlige lyss bølgelængde - omkring 250 nanometer, "Landes sagde. Men hun bemærkede en barriere:" Du kunne ikke tage billeder af noget hurtigere end din billedhastighed, " hun sagde.

Rice labs nye forbedring, som bruger en roterende fasemaske til at kode hurtig dynamik i hver kameraramme, vil hjælpe forskere med at forstå processer, der forekommer ved grænseflader som adsorption og desorption af proteiner eller molekylers baner, når de bevæger sig langs todimensionelle overflader.

Typiske ladningskoblede enhed (CCD) kameraer maksimalt ved billedhastigheder på 10 til 100 millisekunder, Landes sagde. Mens andre teknikker som elektronmikroskopi kan se materialer på subnanoskalaen, superopløselig mikroskopi har en klar fordel for skrøbelige prøver som biomolekyler:Det ødelægger dem ikke i processen.

Teknikken manipulerer lysfasen for at give billedet ved detektoren en mere kompliceret form. Denne proces var tidligere blevet brugt af andre forskere til at kode, hvor objektet er i tredimensionelt rum i et ellers todimensionalt billede.

Rice labs bidrag var at bemærke, at ved at manipulere fasen over tid, det ville også være muligt at kode hurtigere tidsopløsninger inden for en langsom billedramme. Dermed, gruppen designede og byggede en roterende fasemaske. De resulterende billeder fanger dynamiske begivenheder, der sker hurtigere end kameraets iboende billedhastighed. Formen på hvert billede i en ramme giver det effektivt et unikt tidsstempel.

Teknikken drager fordel af en egenskab ved mikroskopi, der er kendt for alle, der nogensinde har taget et sløret billede. Punktspredningsfunktioner er et mål for billedernes form både i og uden for fokus. Når emnerne er så små som enkeltmolekyler, at flytte ind og ud af fokus sker let, og størrelsen og formen på den resulterende sløring kan fortælle forskere, hvor langt fra brændplanet motivet er. Fasemasketeknik gør det muligt at gøre fokusafhængig sløring lettere at opdage ved at indføre forskellige punktspredningsfunktioner. På film ligner de lobberne på en vægtstang og roterer med hensyn til fokus.

STReM bruger punktspredningsfunktionsændringer fra den roterende maske til at indsamle tidsmæssig information, Landes sagde. Med den nye teknik, ændringer i lobernes vinkler afslører det tidspunkt, hvor en hændelse har fundet sted inden for hver ramme.

"Formålet er at give forskere mulighed for at studere hurtige processer uden at skulle købe hurtigere og meget dyrere kameraer, "sagde Ris -kandidatstuderende Wenxiao Wang, hovedforfatter til papiret. "Dette indebærer at udtrække flere oplysninger fra enkeltbilleder."

Landes, der for nylig vandt ACS 'prestigefyldte Early Career Award i eksperimentel fysisk kemi for sit arbejde med at integrere superopløselig mikroskopi med informationsteori for at forstå proteinseparationer, sagde at designe og bygge mekanismen kostede laboratoriet kun et par hundrede dollars, en brøkdel af omkostningerne ved at købe et hurtigere kamera. Fasemasken er baseret på arbejde af Kelly, der trak på sine bidrag til Rices enkeltpikselskamera til at designe, hvad der svarer til et stykke plast med variabel tykkelse, der forvrænger lys undervejs til CCD.

"Ligesom enkeltpikselskameraet, vi laver komprimerende analyser, "Landes sagde." Med den statiske fasemaske, tredimensionel information komprimeres til et 2-D billede. I dette særlige tilfælde, vi har komprimeret hurtigere information til en langsommere kamerahastighed. Det er en måde at få flere oplysninger i de pixels, du har. "

Medforfattere er postdoktorale forskningsassistenter Hao Shen og Lawrence Tauzin; kandidatstuderende Bo Shuang, Benjamin Hoener og Nicholas