Plug-and-play linse forenkler adaptiv optik til mikroskopi

Forskere har udviklet en ny plug-and-play-enhed, der kan tilføje adaptiv optikkorrektion til kommercielle optiske mikroskoper. Adaptiv optik kan i høj grad forbedre kvaliteten af ​​billeder erhvervet dybt i biologiske prøver, men har, indtil nu, været ekstremt kompliceret at implementere.

"At forbedre den teknologi, der er tilgængelig for livsforskere, kan fremme vores forståelse af biologi, hvilket vil, på tur, føre til bedre lægemidler og terapier til rådighed for læger, " sagde lederen af ​​forskningsgruppen, Paolo Pozzi fra University of Modena og Reggio Emilia i Italien.

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik bogstaver , Pozzi og et tværfagligt team af forskere fra Delft University of Technology (TU Delft), CNR-Institut for Photonics and Nanotechnology (CNR-IFL) og University Medical Center Rotterdam beskriver deres nye adaptive linseanordning. De viser også, hvordan det nemt kan installeres på objektivlinsen i et kommercielt multifotonmikroskop for at forbedre billedkvaliteten.

"Denne tilgang vil tillade avancerede optiske teknikker såsom multifotonmikroskopi at afbilde dybere under overfladen af ​​hjernen i levende organismer, " sagde Stefano Bonora, gruppeleder ved CNR-IFL. "Vi ser frem til at se, hvordan det også kan implementeres i andre systemer, såsom lysarkmikroskoper, superopløsningssystemer, eller endda simple epifluorescensmikroskoper."

Billeddannelse dybere

Optisk mikroskopi kan bruges til at afbilde biologiske prøver under naturlige forhold, gør det muligt at observere forskellige biologiske processer over tid. Imidlertid, som lys rejser gennem væv, bliver det forvrænget. Denne forvrængning bliver værre, efterhånden som lys bevæger sig dybere ind i væv, får billeder til at se slørede ud og slører vigtige detaljer.

Adaptiv optik, en teknologi, der oprindeligt blev udviklet til at kompensere for atmosfærisk turbulens, når man bruger teleskoper til at se himmellegemer, kan bruges til at korrigere de optiske aberrationer, der opstår ved billeddannelse gennem tykt væv. Imidlertid, at gøre det kræver typisk at bygge et brugerdefineret mikroskop, der indeholder et deformerbart spejl. Dette spejl bruges til at kompensere for forvrængningerne, skabe et billede, der ser skarpt og klart ud.

"At inkludere et deformerbart spejl i et eksisterende mikroskop er næsten umuligt, og intet kommercielt adaptivt mikroskop er tilgængeligt på markedet endnu, " sagde Pozzi. "Dette betyder, at den eneste mulighed for en livsforsker til at bruge adaptiv optik er at bygge hele mikroskopet fra bunden, en operation, der er for vanskelig og tidskrævende for de fleste biovidenskabelige laboratorier."

En enklere tilgang

For at forenkle denne opsætning, forskerne skabte en smart linse lavet af glas så tynd, at den kan bøjes uden at gå i stykker. Linsen består af en skiveformet glasbeholder fyldt med en gennemsigtig væske. Et sæt på 18 mekaniske aktuatorer på glaskanterne kan styres med en computer for at bøje glasset til en ønsket form.

Linsen fungerer som det deformerbare spejl, der bruges i de fleste adaptive optiske opsætninger, men i stedet for at reflektere lys, det transmitterer lys. Når lyset bevæger sig gennem væsken inde i linsen, det bliver forvrænget forskelligt afhængigt af linsens form. "Dette ligner de forvrængede billeder, du ser, når du kigger gennem en flaske vand, mens du klemmer den med dine hænder, " sagde Bonora.

Brug af linsen til adaptiv optikkorrektion kræver en kompleks algoritme til at styre aktuatorerne. "Effektiv optisk korrektion blev muliggjort af DONE-algoritmen (database online ikke-lineær ekstremum-søgende), en meget elegant løsning baseret på machine learning-lignende principper, som vi tidligere har udviklet på TU Delft, " sagde Pozzi.

Hurtige resultater

Forskerne testede den nye software, som også gøres tilgængelig for andre via github, og adaptiv linse ved at anvende den på objektivlinsen i et kommercielt multifotonmikroskop. De brugte mikroskopet til at udføre calcium-billeddannelse på hjernen på levende mus, et af de mest komplekse biovidenskabelige eksperimenter udført med mikroskoper.

"Vi overgik vores forventninger ved at opnå meget flotte resultater inden for et par timer, " sagde Pozzi. "Denne teknologi kan eftermonteres på ethvert eksisterende mikroskop, der har udskiftelige objektiver og viser billeder på en computerskærm."

Forskerne tester nu systemet på andre typer mikroskoper og prøver, mens de også undersøger, om flere adaptive linser kan bruges til at opnå en bedre korrektion, end det er muligt med mere komplekse teknikker ved hjælp af deformerbare spejle. Holdet har også grundlagt et spin-off selskab, Dynamic Optics srl, at kommercialisere multiaktuator adaptive linser.

Den nye linse kan også være nyttig til applikationer ud over mikroskopi. "Vores nye enhed kan også anvendes inden for andre områder, såsom frirumsoptikkommunikation, hvor det kunne øge dataforbindelseshastighederne og bringe dataforbindelser til fjerntliggende og isolerede områder, " sagde Pozzi.