Flytning af mikroskopi ud over opløsningsgrænsen

Det polsk-israelske hold fra fakultetet for fysik ved universitetet i Warszawa og Weizmann Institute of Science har opnået endnu en betydelig præstation inden for fluorescensmikroskopi. På siderne i Optica journal præsenterede holdet en ny metode til mikroskopi, som, i teorien, har ingen opløsningsgrænse. I praksis, holdet formåede at demonstrere en firedobbelt forbedring i forhold til diffraktionsgrænsen.

Den fortsatte udvikling af biologiske videnskaber og medicin kræver evnen til at undersøge mindre og mindre objekter. Forskere skal se ind i strukturen af, og de gensidige forhold mellem, for eksempel, proteiner i celler. På samme tid, de prøver, der observeres, bør ikke afvige fra de strukturer, der naturligt forekommer i biologiske organismer, som udelukker brugen af ​​aggressive procedurer og reagenser. Selvom det revolutionerede naturvidenskaben, det klassiske optiske mikroskop er klart utilstrækkeligt i dag. På grund af lysets bølgelignende natur, et optisk mikroskop tillader ikke billeddannende strukturer mindre end omkring 250 nanometer. Som resultat, objekter tættere på hinanden end halvdelen af ​​lysets bølgelængde (som er omkring 250 nm for grønt lys) kan ikke skelnes. Dette fænomen, kendt som diffraktionsgrænsen, en af ​​de største hindringer for at observere de mindste biologiske strukturer, videnskabsmænd har længe forsøgt at overvinde. Elektronmikroskoper giver størrelsesordener bedre opløsning, men tillader kun undersøgelse af livløse genstande, som skal placeres i et vakuum og bombarderes af en elektronstråle. Af denne grund, elektronmikroskopi kan ikke bruges til at studere levende organismer og de naturlige processer, der forekommer i dem. Det er her fluorescensmikroskopi træder ind, derfor den hurtige udvikling af superopløsningsfluorescensmikroskopi som et område inden for fysiske videnskaber og de to nobelpriser, der allerede er uddelt for relateret forskning - i 2008 og 2014.

I dag er flere teknikker til fluorescensmikroskopi tilgængelige, og nogle af dem er blevet udbredt inden for biologisk billeddannelse. Nogle metoder, såsom PALM, STORM eller STED mikroskopi, er kendetegnet ved en ultrahøj opløsning og tillader kræsne objekter placeret kun et dusin eller deromkring nanometer fra hinanden. Imidlertid, disse teknikker kræver lange eksponeringstider og en kompleks procedure for biologisk præparatbehandling. Andre teknikker, såsom SIM- eller ISM-mikroskopi, er nemme at bruge, men tilbyder en meget begrænset opløsningsforbedring, gør det muligt at identificere strukturer kun halvdelen af ​​størrelsen af ​​diffraktionsgrænsen.

Aleksandra Sroda, Adrian Makowski og Dr. Radek Lapkiewicz fra Quantum Optics Lab ved Det Fysiske Fakultet ved Warszawa Universitet, i samarbejde med Dr. Ron Tenne, Uri Rossman, Gur Lubin og prof. Dan Oron fra Weizmann Institute of Science i Israel, har introduceret en ny teknik til superopløsningsmikroskopi, kaldet Super-resolution optisk fluktuationsbilledscanningsmikroskopi (SOFISM). I SOFISME, de naturligt forekommende fluktuationer i emissionsintensiteten af ​​fluorescerende markører bruges til yderligere at forbedre den rumlige opløsning af et billedscanningsmikroskop (ISM). ISM, en ny superopløsningsmetode, er allerede blevet implementeret i kommercielle produkter og har vist sig at være værdifuld for bio-billeddannelsessamfundet. I det store hele, da det opnår en beskeden forbedring i lateral opløsning (x2), med meget få ændringer i den optiske opsætning og uden det fælles handicap med lange eksponeringstider. Dermed, det muliggør en naturlig udvidelse af mulighederne for et standard konfokalmikroskop. ISM bruger et konfokalt mikroskop, hvor en enkelt detektor er erstattet med et detektorarray. I SOFISM beregnes korrelationer af intensiteter detekteret af flere detektorer. I princippet, målingen af ​​n-te ordens korrelation kan føre til en faktor på 2n opløsningsforbedring i forhold til diffraktionsgrænsen. I praksis, opløsningen, der kan opnås for korrelationer af højere orden, er begrænset af målingernes signal-til-støj-forhold.

"SOFISM er et kompromis mellem brugervenlighed og opløsning. Vi tror på, at vores metode vil udfylde nichen mellem komplekset, vanskelige at bruge teknikker, der giver meget høj opløsning og de nemme at bruge lavere opløsning metoder. SOFISM har ikke en teoretisk opløsningsgrænse, og i vores artikel, vi viser resultater, som er fire gange bedre end diffraktionsgrænsen. Vi viser også, at SOFISM-metoden har et stort potentiale i billeddannelsen af ​​tredimensionelle biologiske strukturer, " sagde Dr. Radek Lapkiewicz.

Afgørende, SOFISM er, i sine tekniske aspekter, meget tilgængelig, da det kun kræver at introducere en lille modifikation til det meget udbredte konfokale mikroskop - at erstatte dets fotomultiplikatorrør med en SPAD-arraydetektor. Ud over, det er nødvendigt at øge måletiden lidt og ændre databehandlingsproceduren. "Indtil for nylig, SPAD-arraydetektorer var dyre, og deres specifikationer var ikke tilstrækkelige til korrelationsbaseret mikroskopi. Denne situation har for nylig ændret sig. De nye SPAD-detektorer, der blev introduceret sidste år, fjernede både de teknologiske og prisrelaterede barrierer. Dette får os til at tro, at fluorescensmikroskopiteknikker som SOFISM kan, om nogle år, blive meget brugt inden for mikroskopisk undersøgelse, " understregede Dr. Lapkiewicz.