Forbedret mid-infrarød nanoskopi giver 30 gange klarere udsyn til bakteriernes indre

Et hold ved University of Tokyo har konstrueret et forbedret melleminfrarødt mikroskop, der gør det muligt for dem at se strukturerne inde i levende bakterier på nanometerskala. Mid-infrarød mikroskopi er typisk begrænset af dens lave opløsning, især sammenlignet med andre mikroskopiteknikker. Deres arbejde er blevet udgivet i Nature Photonics .

Denne seneste udvikling producerede billeder på 120 nanometer, hvilket forskerne siger er en 30-fold forbedring af opløsningen af ​​typiske melleminfrarøde mikroskoper. At være i stand til at se prøver mere tydeligt i denne mindre skala kan hjælpe adskillige forskningsfelter, herunder i infektionssygdomme, og åbner vejen for udvikling af endnu mere præcis mid-infrarød-baseret billeddannelse i fremtiden.

Det mikroskopiske område er, hvor vira, proteiner og molekyler bor. Takket være moderne mikroskoper kan vi vove os ned for at se den indre funktion af vores helt egne celler.

Men selv disse imponerende værktøjer har begrænsninger. For eksempel kræver fluorescerende mikroskoper med superopløsning, at prøver skal mærkes med fluorescens. Dette kan nogle gange være giftigt for prøver og forlænget lyseksponering, mens visning kan blege prøver, hvilket betyder, at de ikke længere er nyttige. Elektronmikroskoper kan også give meget imponerende detaljer, men prøver skal placeres i et vakuum, så levende prøver ikke kan studeres.

Til sammenligning kan mid-infrarød mikroskopi give både kemisk og strukturel information om levende celler uden at skulle farve eller beskadige dem. Imidlertid har dens anvendelse været begrænset i biologisk forskning på grund af dens forholdsvis lave opløsningsevne. Mens fluorescerende mikroskopi med superopløsning kan indsnævre billeder til snesevis af nanometer (1 nanometer er en milliontedel af en millimeter), kan mid-infrarød mikroskopi typisk kun opnå omkring 3 mikron (1 mikron er en tusindedel af en millimeter).

Men i et nyt gennembrud har forskere ved University of Tokyo opnået en højere opløsning af mid-infrarød mikroskopi end nogensinde før.

"Vi opnåede en rumlig opløsning på 120 nanometer, det vil sige 0,12 mikron. Denne fantastiske opløsning er omtrent 30 gange bedre end den for konventionel melleminfrarød mikroskopi," forklarede professor Takuro Ideguchi fra Institute for Photon Science and Technology ved University of Tokyo.

Holdet brugte en "syntetisk blænde", en teknik, der kombinerer flere billeder taget fra forskellige oplyste vinkler for at skabe et klarere overordnet billede. Typisk er en prøve klemt mellem to linser. Linserne absorberer dog utilsigtet noget af det mellem-infrarøde lys.

De løste dette problem ved at placere en prøve, bakterier (E. coli og Rhodococcus jostii RHA1 blev brugt) på en siliciumplade, som reflekterede synligt lys og transmitterede infrarødt lys. Dette gjorde det muligt for forskerne at bruge en enkelt linse, hvilket gjorde dem i stand til bedre at belyse prøven med det mellem-infrarøde lys og få et mere detaljeret billede.

"Vi var overraskede over, hvor tydeligt vi kunne observere bakteriers intracellulære strukturer. Den høje rumlige opløsning af vores mikroskop kunne give os mulighed for at studere for eksempel antimikrobiel resistens, som er et verdensomspændende problem," sagde Ideguchi.

"Vi tror på, at vi kan fortsætte med at forbedre teknikken i forskellige retninger. Hvis vi bruger en bedre linse og en kortere bølgelængde af synligt lys, kan den rumlige opløsning endda være under 100 nanometer. Med overlegen klarhed vil vi gerne studere forskellige celleprøver at tackle fundamentale og anvendte biomedicinske problemer."

Flere oplysninger: Mid-infrarød bredfelts nanoskopi, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01423-0

Journaloplysninger: Naturfotonik

Leveret af University of Tokyo