Let krympende materiale lader almindeligt mikroskop se i superopløsning

Elektriske ingeniører ved University of California San Diego udviklede en teknologi, der forbedrer opløsningen af ​​et almindeligt lysmikroskop, så det kan bruges til direkte at observere finere strukturer og detaljer i levende celler.

Teknologien gør et konventionelt lysmikroskop til det, der kaldes et superopløsningsmikroskop. Det involverer et specielt konstrueret materiale, der forkorter lysets bølgelængde, når det belyser prøven - dette krympede lys er det, der i det væsentlige gør det muligt for mikroskopet at tage billeder i højere opløsning.

"Dette materiale konverterer lys med lav opløsning til høj opløsning, "sagde Zhaowei Liu, professor i el- og computerteknik ved UC San Diego. "Det er meget enkelt og let at bruge. Placer bare en prøve på materialet, Sæt derefter det hele under et normalt mikroskop - ingen fancy ændring er nødvendig. "

Arbejdet, som blev offentliggjort i Naturkommunikation , overvinder en stor begrænsning af konventionelle lysmikroskoper:lav opløsning. Lysmikroskoper er nyttige til billeddannelse af levende celler, men de kan ikke bruges til at se noget mindre. Konventionelle lysmikroskoper har en opløsningsgrænse på 200 nanometer, hvilket betyder, at objekter tættere end denne afstand ikke vil blive observeret som separate objekter. Og selvom der findes mere kraftfulde værktøjer som elektronmikroskoper, som har opløsningen til at se subcellulære strukturer, de kan ikke bruges til at forestille levende celler, fordi prøverne skal placeres inde i et vakuumkammer.

"Den største udfordring er at finde en teknologi, der har meget høj opløsning og også er sikker for levende celler, "sagde Liu.

Teknologien, som Lius team udviklede, kombinerer begge funktioner. Med det, et konventionelt lysmikroskop kan bruges til at billede levende subcellulære strukturer med en opløsning på op til 40 nanometer.

Teknologien består af et objektglas, der er belagt med en form for lys-krympende materiale kaldet et hyperbolsk metamateriale. Det består af nanometers tynde skiftevis lag af sølv og silicaglas. Når lyset passerer igennem, dets bølgelængder forkortes og spredes for at generere en række tilfældige, højopløselige, flekkede mønstre. Når en prøve er monteret på diaset, det bliver oplyst på forskellige måder af denne serie af plettede lysmønstre. Dette skaber en række billeder med lav opløsning, som alle fanges og derefter deles sammen af ​​en rekonstruktionsalgoritme for at producere et billede i høj opløsning.

Forskerne testede deres teknologi med et kommercielt omvendt mikroskop. De var i stand til at forestille sig fine funktioner, såsom aktinfilamenter, i fluorescensmærkede Cos-7-celler-funktioner, der ikke kan ses tydeligt ved hjælp af kun selve mikroskopet. Teknologien gjorde det også muligt for forskerne at tydeligt skelne mellem små fluorescerende perler og kvantepunkter, der var mellem 40 og 80 nanometer fra hinanden.

Superopløsningsteknologien har et stort potentiale for højhastighedsdrift, sagde forskerne. Deres mål er at indarbejde høj hastighed, superopløsning og lav fototoksicitet i ét system til billeddannelse af levende celler.

Lius team udvider nu teknologien til at lave billedbehandling i høj opløsning i tredimensionelt rum. Dette aktuelle papir viser, at teknologien kan producere billeder i høj opløsning i et todimensionalt plan. Lius team har tidligere udgivet et papir, der viser, at denne teknologi også er i stand til at afbilde med ultrahøj aksial opløsning (ca. 2 nanometer). De arbejder nu på at kombinere de to sammen.