Ny fase til syntetisk aperturmikroskopi

Mikroskopi er et vigtigt værktøj inden for flere forskningsfelter og industrier, såsom biologi, medicin, materialevidenskab, og kvalitetskontrol, for at nævne et par stykker. Selvom der findes mange mikroskopiteknikker, hver har fordele og ulemper, mest med hensyn til rumlig opløsning, hastighed (billeder pr. sekund), og anvendelighed. For eksempel, scanningselektronmikroskopi kan tage billeder med nanometrisk opløsning, men det giver lavere hastighed og er upraktisk til visse prøver. Andre enklere lysbaserede mikroskopiteknikker, såsom fluorescensmikroskopi, er ikke egnede til at visualisere levende celler eller andre små strukturer, fordi disse generelt er gennemsigtige og tynde, hvilket resulterer i lav lysabsorption.

Forskere har udviklet en teknik kaldet syntetisk aperturmikroskopi (SAM), som gør brug af en iboende egenskab ved lys, kaldet fase. Denne egenskab refererer til den relative forsinkelse mellem to elektromagnetiske bølger. Når lysbølger passerer gennem en målprøve, deres relative faser ændrer sig forskelligt i henhold til de optiske egenskaber ved hvert punkt i prøven og lysets indfaldsvinkel. I SAM, flerfasebilleder kan tages hurtigt efter hinanden med forskellige indfaldsvinkler. Disse billeder behandles derefter og kombineres for at danne et skarpere billede.

Selvom SAM utvivlsomt er en lovende tilgang, nuværende implementeringer mangler både rumlig opløsning og billedhastighed for at være nyttige til nye applikationer. For at løse disse problemer, et team af forskere ledet af Renjie Zhou fra The Chinese University of Hong Kong udviklede for nylig en ny SAM-metode. I deres undersøgelse, udgivet i Avanceret fotonik , holdet præsenterer et innovativt setup til SAM-billeddannelse baseret på digitale mikrospejlenheder (DMD'er).

DMD'er er elektroniske komponenter, der er meget udbredt i kommercielle digitale projektorer. De har en matrix af mikrospejle, hvis orientering kan styres individuelt og elektronisk ved høje hastigheder. Brug af to DMD'er og passende linser, forskerne udtænkte et skema, hvor vinklen på en laserstråle, der når prøven, kan ændres tusindvis af gange i sekundet. Når lyset er gået gennem prøven, det kombineres med en del af den originale laser for at producere et lysmønster kendt som et interferogram, som bærer faseinformationen. For at skabe slutfasebilledet, flere interferogrammer for forskellige indfaldsvinkler kombineres ved hjælp af specialdesignede algoritmer.

Forskerne testede deres nye metode ved hjælp af forskellige typer prøver, såsom nanometriske gitre, røde blodlegemer, og kræftceller. Resultaterne var meget lovende over hele linjen, som Zhou bemærker, "Ved at bruge vores DMD-baserede tilgang, vi kunne nøjagtigt afbilde materialestrukturer med funktioner så små som 132 nm, kvantificere millisekundsudsving i membranerne af røde blodlegemer, og observere dynamiske ændringer i cellulær struktur som reaktion på eksponering for kemikalier." Denne teknik er også etiketfri, hvilket betyder, at man kan observere levende celler uden at skade dem med fluorescerende kemikalier.

En anden bemærkelsesværdig fordel ved denne nye metode er annulleringen af ​​laserspletter, en type uønsket interferens, der opstår, når en prøve belyses med en laser. Brugen af ​​flere interferogrammer til at beregne ét billede fjerner de tilfældige bidrag fra pletter i hvert interferogram, gør det endelige sammensatte billede skarpere. I øvrigt, man kan øge billedfrekvensen efter behov ved at bruge et lavere antal interferogrammer, så længe den ønskede billedkvalitet er nået.

Zhou mener, at deres SAM-metode kan være en game changer på forskellige områder, hvor mikroskopi er afgørende, "Vi forestiller os, at vores højhastighedsbilleddannelsesteknik vil finde anvendelse i biologi og materialeforskning, såsom at studere levende cellers bevægelser og interaktioner og overvåge materialefremstillingsprocesser i realtid til kvalitetskontrolformål." Han bemærker også, at der er plads til forbedring med hensyn til hastighed ved at bruge endnu hurtigere kameraer, og at de underliggende principper for deres tilgang kunne tilpasses med forskellige algoritmer til at bygge et 3-D billeddannelsessystem.