Kameraet optager mikroskopiske hologrammer ved femtosekundshastigheder

Forskere fra ITMO University har bygget et setup til at optage hologrammer af små objekter som levende celler ved femtosekunds hastigheder. Den nye metode rekonstruerer fasetopografien af ​​en prøve i henhold til deformationer, der opstår i en laserimpuls, når den passerer gennem prøven. I sammenligning med elektronmikroskoper, enheden kan visualisere gennemsigtige biologiske strukturer uden at indføre kontrastmidler. Avisen blev udgivet i Anvendt fysik bogstaver .

Levende cellers vitale aktivitet er en kompleks sekvens af biokemiske reaktioner og fysiske processer; mange af dem finder sted med høj tidsmæssig opløsning. For at registrere sådanne hurtige transformationer, forskere har brug for mere præcist og hurtigere udstyr. Biologisk væv kan studeres med et elektronmikroskop, men denne metode kræver, at der indføres et specielt farvestof i prøven. Farvestoffet får celler til at kontrastere, selvom det kan påvirke deres stofskifte. Digitale holografiske mikroskoper kan klare denne ulempe, men har lav rumlig opløsning.

Det nye kamera skabt af ITMO-forskere kan registrere hurtige processer i gennemsigtige prøver og giver øget opløsning af billeder i en bred vifte. Enheden registrerer fasedeformationer af ultrakorte femtosekund-laserimpulser, der fremkommer, når lys passerer gennem prøven. Fasebillederne, eller hologrammer, vil bidrage til bedre forståelse af autoimmune mekanismer, onkologiske og neurodegenerative sygdomme, samt overvågning af celler under kirurgiske indgreb såsom kræftbehandling.

"Vores enhed vil hjælpe biologer og geningeniører med at spore, hvad der sker inde i en levende celle med en opløsning på omkring 50 femtosekunder - dette er nok til at løse mange biokemiske reaktioner. Teoretisk set, kameraet kan endda fange en elektron, der hopper til en anden bane. Vi kan nu studere cellers levedygtighed, når vi starter visse processer, for eksempel, opvarmning eller overførsel af vira og celler i tredimensionelt rum ved hjælp af femtosekund laserstråling. Enheden understøtter også sporing af celletilstande under ændring af pH, tilføjelse og redigering af genetisk materiale, " siger Arseny Chipegin, hovedforfatter af papiret og forsker ved Laboratory of Digital and Display Holography ved ITMO University.

Til analysen, en femtosekund laserstråle er delt i tre. Den første stråle har 95 procent energi og starter processen; to andre stråler bruges til diagnostik. Sekundet, kendt som objektstrålen, passerer gennem prøven. Den tredje, en referencestråle, afbøjes af spejle og går rundt. Strålerne mødes bag prøven, hvor de danner et interferensmønster af lyse bånd. Strimlerne kommer frem, når toppene af lysbølger overlapper hinanden og forstærker hinanden.

Ved at justere spejlenes position, forskerne forsinker referencestrålen, tvinger den til at møde den første på forskellige tidspunkter. Med andre ord, den anden stråle scanner den, der passerer gennem prøven. Hver kollision af strålerne registreres på et underhologram. En hurtig computeralgoritme kompilerer alle underhologrammerne i en serie.

Enheden fjerner et af de vigtigste problemer med digital holografisk mikroskopi, der er forbundet med at øge opløsningsevnen i et system på stadiet med optagelse af hologrammer. "Teknisk set, vi kan skalere billederne snesevis af gange, indstilling af forstørrelsessystemet mellem objektet og kameraet. Dette forbedrer ikke kun opløsningen, målenøjagtigheden vokser, også, da antallet af interferensbånd ikke ændres. Dermed, det er muligt at beregne faseforskellen mellem objektet og referencestrålerne mere præcist, " siger Nikolai Petrov, leder af Laboratory of Digital and Display Holography.

Ifølge forskerne, forskningen vil fortsætte. Det udviklede system er designet til at være enklere end mange moderne mikroskoper, men har flere fordele med hensyn til hastigheden af ​​optagelse og behandling af hologrammer.