Chokbølge fotograferet passerer gennem en enkelt celle med forbedret nanosekunds billedteknologi

"For første gang i historien har vi, så vidt vi ved, direkte observeret interaktionen mellem en biologisk celle og en chokbølge og eksperimentelt demonstreret, at hastigheden af ​​chokbølgen, der forplanter sig inde i cellen, er hurtigere end ydersiden af ​​cellen. celle," forklarede Takao Saiki, en ph.d.-studerende fra Department of Precision Engineering ved University of Tokyo.

"Yderligere har vores tilgang gjort os i stand til at demonstrere højhastighedsfotografering over et bredt tidsinterval, som omfatter picosecond (en billiontedel af et sekund), nanosekund (en milliard af et sekund) og millisekund (en-tusindedel af et sekund) ) tidsskalaer."

At tage klare billeder af celler uden at påvirke deres struktur eller forårsage skade er meget udfordrende. For sikkert at tage billederne udviklede forskerne et præcisionsoptisk kredsløb, et kredsløb, der bruger lys i stedet for elektricitet, som de kaldte spektrumkredsløb. Med spektrumkredsløb skabte de ikke-skadelige laserimpulser, som de satte til at udsende på forskellige tidspunkter. Ved at kombinere denne teknologi med en eksisterende single-shot optisk billedbehandlingsteknik kaldet sekventielt timet all-optical mapping photography, eller STAMP, var de i stand til at tage serier af billeder med højere opløsning og mindre sløring end tidligere tilgængelig.

Holdet brugte den samme teknologi til at se på virkningerne af laserablation på glas. Laserablation er nyttig til præcis fjernelse af fast materiale fra en overflade og bruges i både industri og medicin. Forskerne fokuserede en ultrakort laserpuls på kun 35 femtosekunder (et femtosekund er lig med en kvadrilliontedel af et sekund) på en glasplade. Ved hjælp af spektrumkredsløbet observerede de laserens indvirkning, de resulterende chokbølger og den effekt, den havde på glasset over picosekunder, nanosekunder og millisekunder.

"Vi kunne se samspillet mellem forskellige fysiske processer, der fandt sted over tid, og hvordan de tog form," sagde Keiichi Nakagawa, lektor fra Institut for Bioingeniørvidenskab og Institut for Præcisionsteknik ved University of Tokyo. "Vores teknologi giver muligheder for at afsløre nyttige, men ukendte højhastighedsfænomener ved at sætte os i stand til at observere og analysere sådanne ultrahurtige processer.

"Dernæst planlægger vi at bruge vores billedbehandlingsteknik til at visualisere, hvordan celler interagerer med akustiske bølger, som dem der bruges i ultralyd og chokbølgeterapi. Ved at gøre dette sigter vi mod at forstå de primære fysiske processer, der aktiverer efterfølgende terapeutiske effekter i mennesket. legeme." Holdet ønsker også at bruge spektrumkredsløb til at forbedre laserbehandlingsteknikker ved at identificere de fysiske parametre, der vil muliggøre hurtigere, mere præcis, mere konsistent og omkostningseffektiv fremstilling.

"Vi har altid været fascineret af visualiseringens kraft til at forstå komplekse fænomener. Chancen for at afdække og vise dele af verden, der var skjult før, trak os virkelig til dette felt," sagde Nakagawa. "Vi forventer at yde brede bidrag på forskellige områder, fra biomedicin til fremstilling, materialer, miljø og energi."

Flere oplysninger: Takao Saiki et al., Single-shot optisk billeddannelse med spektrumkredsløbsbro-tidsskalaer i højhastighedsfotografering, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj8608

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af University of Tokyo