Nanofotonik forbedret dækglas til fasebilleddannelse i biologi

Evnen til at visualisere gennemsigtige objekter såsom biologiske celler er af fundamental betydning i biologi og medicinsk diagnostik. Konventionelle metoder til at opnå dette omfatter fasekontrastmikroskopi og teknikker, der er afhængige af kemisk farvning af biologiske celler. Disse teknikker, imidlertid, stole på dyre og omfangsrige optiske komponenter eller kræver udskiftning, og i nogle tilfælde skadelige, cellen ved at indføre kemiske kontrastmidler. Væsentlige nylige fremskridt inden for nanofabrikationsteknologi tillader strukturering af materialer på nanoskala med hidtil uset præcision. Dette har givet anledning til det revolutionerende felt af meta-optik, der har til formål at udvikle ultrakompakte optiske komponenter, der erstatter deres bulk-optiske modstykker som for eksempel linser og optiske filtre. Sådanne meta-optiske enheder udviser usædvanlige egenskaber, som de for nylig har tiltrukket sig betydelig videnskabelig interesse som nye platforme til billedbehandlingsapplikationer.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og applikationer , et hold af videnskabsmænd, ledet af professor Ann Roberts fra University of Melbourne node i Australian Research Council Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems har udviklet en ultrakompakt, nanostruktureret mikroskopdækglas, der tillader visualisering af ufarvede biologiske celler. Enheden omtales som et nanophotonics enhanced coverslip (NEC), da det tilføjer fase-billeddannelsesevne til et normalt mikroskopdækglas. I deres undersøgelse viste forskerne, at ved blot at placere biologiske celler oven på NEC, højkontrast pseudo 3D billeder af ellers usynlige celler opnås. Forskerne brugte eksemplet med humane cancerceller (HeLa-celler) til at demonstrere potentialet i denne nye fase-billeddannelsesmetode. Metoden muliggjorde ikke kun visualisering af kræftcellernes generelle form, men gjorde også detaljer om cellekernen synlige. Denne kapacitet er afgørende, da påvisningen af ​​ændringer i strukturen af ​​biologiske celler understøtter påvisningen af ​​sygdomme som for eksempel i tilfælde af malaria.

Den version af NEC, der præsenteres i publikationen, adskiller sig fra et normalt dækglas gennem tilføjelsen af ​​en tynd optisk film og et gitter med nanometerafstand. Forskerholdet, imidlertid, forestille sig mere komplekse variationer af dette koncept for yderligere at udvide metodens muligheder til drift ved forskellige bølgelængder og integration i højt specialiserede optisk billeddannelse eller mikrofluidiske systemer. Afslutningsvis, denne forskning har demonstreret en helt ny fase-billeddannelsesmetode, der rummer et betydeligt potentiale til at blive en del af fremtidige biologiske billeddannelsessystemer og mobile medicinske diagnostiske værktøjer.

Forskerne opsummerer potentialet i deres fase-billeddannelsesmetode:"Vi designede et nanostruktureret mikroskopdækglas, der giver os mulighed for at visualisere ellers gennemsigtige biologiske celler blot ved at placere dem oven på enheden og skinne lys igennem dem. Dette er et spændende gennembrud i fase-billeddannelse, da vores metode hverken kræver brug af bulk-optiske komponenter, kemisk farvning eller beregningsmæssig efterbehandling, som det er tilfældet med konventionelle metoder." forklarede prof. Roberts.

"Utilgængeligheden af ​​medicinske diagnostiske værktøjer i mange udviklingslande betragtes som en årsag til, at infektionssygdomme som malaria og tuberkulose stadig er en førende dødsårsag. Vores tilgang har et betydeligt potentiale til at blive en billig, ultrakompakt fase-billeddannelsesværktøj, der kunne integreres i smartphone-kameraer og andre mobile enheder for at gøre mobil medicinsk diagnostik bredt tilgængelig," tilføjede Dr. Wesemann.