Forskere demonstrerer etiketfri superopløsningsmikroskopi

Forskere har udviklet en ny metode til måling og billeddannelse, der kan løse nanostrukturer mindre end lysets diffraktionsgrænse uden at kræve farvestoffer eller etiketter. Arbejdet repræsenterer et vigtigt fremskridt hen imod en ny og kraftfuld mikroskopimetode, der en dag kunne bruges til at se de fine træk ved komplekse prøver ud over, hvad der er muligt med konventionelle mikroskoper og teknikker.

Den nye metode, beskrevet i Optica journal, er en modifikation af laserscanningsmikroskopi, som bruger en stærkt fokuseret laserstråle til at belyse en prøve. Forskerne udvidede teknikken ved at måle ikke kun lysstyrken eller intensiteten af ​​lyset, efter at det interagerer med en prøve under undersøgelse, men også detektere andre parametre kodet i lysfeltet.

"Vores tilgang kan hjælpe med at udvide den mikroskopiske værktøjskasse, der bruges til at studere nanostrukturer i en række prøver," sagde leder af forskningsteamet Peter Banzer fra universitetet i Graz i Østrig. "I sammenligning med superopløsningsteknikker baseret på en lignende scanningstilgang er vores metode fuldstændig ikke-invasiv, hvilket betyder, at den ikke kræver, at nogen fluorescerende molekyler injiceres i en prøve før billeddannelse."

Forskerne viser, at de kan måle positionen og størrelsen af ​​guldnanopartikler med en nøjagtighed på flere nanometer, selv når flere partikler rører ved hinanden.

"Vores nye tilgang til laserscanningsmikroskopi kunne lukke kløften mellem konventionelle mikroskoper med begrænset opløsning og superopløsningsteknikker, der kræver modifikation af prøven, der undersøges," sagde Banzer.

Fang mere fra lys

Ved laserscanningsmikroskopi scannes en lysstråle hen over prøven, og det transmitterede, reflekterede eller spredte lys, der kommer fra prøven, måles. Selvom de fleste mikroskopimetoder måler intensiteten eller lysstyrken af ​​lys, der kommer fra prøven, lagres en stor mængde information også i andre karakteristika ved lyset, såsom dets fase, polarisering og spredningsvinklen. For at fange denne yderligere information undersøgte forskerne den rumlige opløsning af intensitets- og polarisationsinformationen.

"Lysets fase og polarisering, sammen med dets intensitet, varierer rumligt på en måde, der inkorporerer fine detaljer om prøven, som det interagerer med - ligesom skyggen af ​​et objekt fortæller os noget om formen på selve objektet," sagde Banzer. "Menge af denne information ignoreres dog, hvis kun den samlede lysstyrke måles efter interaktionen."

De demonstrerede den nye tilgang ved at bruge den til at studere simple prøver, der indeholder metalliske nanopartikler af forskellig størrelse. De gjorde dette ved at scanne interesseområdet og derefter optage polarisering og vinkelopløste billeder af det transmitterede lys. De målte data blev evalueret ved hjælp af en algoritme, der skaber en model af partiklerne, der automatisk tilpasser sig for at ligne de målte data så præcist som muligt.

"Selvom partiklerne og deres afstande var meget mindre end opløsningsgrænsen for mange mikroskoper, var vores metode i stand til at løse dem," sagde Banzer. "Derudover, og endnu vigtigere, var algoritmen i stand til at give andre parametre om prøven, såsom den præcise størrelse og position af partiklerne."

Forskerne arbejder nu på at tilpasse metoden, så den kan bruges med mere komplekse prøver. Funktionaliteten af ​​tilgangen kan også udvides ved at skræddersy strukturen af ​​lyset, der interagerer med prøven, og inkorporere kunstig intelligens-baserede tilgange i billedbehandlingstrinnene. På detektionssiden er forfatterne sammen med andre eksperter i gang med at udvikle et særligt kamera som en del af et europæisk projekt kaldet SuperPixels. Denne næste generations detektionsenhed vil være i stand til at løse polarisering og faseinformation ud over intensitet.

"Vores undersøgelse er endnu en demonstration af den afgørende rolle, som lysets struktur kan spille inden for optik og lysbaserede teknologier," sagde Banzer. "Mange spændende applikationer og fænomener er allerede blevet demonstreret, men der er mere på vej." + Udforsk yderligere

Konstruerede lysbølger muliggør hurtig optagelse af 3D-mikroskopbilleder