Forbedring af molekylær billeddannelse med lys

I 2014, en international trio vandt Nobelprisen i kemi for at udvikle superopløselig fluorescensmikroskopi, en teknik, der gjorde det muligt at studere molekylære processer i levende celler.

Nu har et Northwestern Engineering -team forbedret denne banebrydende teknologi ved at gøre den hurtigere, enklere, billigere, og øger dens opløsning med fire gange.

"På trods af succesen med elektronmikroskopi og scanning sonde mikroskop teknikker, der er fortsat behov for en optisk billeddannelsesmetode, der ikke blot kan afdække nanoskopiske strukturer, men også de fysiske og kemiske fænomener, der forekommer på nanoskala -niveau, "sagde Hao Zhang, lektor i biomedicinsk teknik i Northwestern's McCormick School of Engineering. "Vi forestiller os, at vores teknik kan opnå dette."

Anført af Zhang, det nordvestlige team udviklede en ny superopløselig optisk billeddannelsesplatform baseret på spektroskopi, en type billeddannelse, der undersøger, hvordan stof reagerer på lys. Kaldes spektroskopisk fotonlokaliseringsmikroskopi (SPLM), platformen kan analysere individuelle molekyler med sub-nanometeropløsning.

Den nye teknologiplatform udnytter fotonlokaliseringsmikroskopi (PLM), som fanger iboende spektroskopiske signaturer af udsendte fotoner, eller lette partikler, at identificere specifikke molekyler. Nuværende spektroskopisk billeddannelse og PLM -teknologier kræver flere fluorescerende farvestoffer for at øge kontrasten i de resulterende mikroskopiske billeder. Kan ikke skelne mellem farvestoffer, disse teknikker optager flere billeder fra forskellige diskrete bølgelængdebånd.

Det nordvestlige teams SPLM, imidlertid, kan karakterisere flere farvestofmolekyler samtidigt, øge billedhastigheden i flerfarvede prøver. Fjernelse af behovet for at optage flere billeder gør billeddannelsesprocessen enklere og billigere. SPLM er også følsom nok til at skelne mindre forskelle fra den samme type molekyler.

"Folk har brug for en række filtre og kameraer for at adskille fotoner med forskellige farver og erhverve information, "Sagde Zhang." Det kan være ret kompliceret og dyrt, hvis der bruges flere kameraer. Ved hjælp af vores teknologi, vi kan erhverve billeder i flere farver uden filtre, fordi vi ved, hvilken farve der er forbundet med hvilke fotoner samtidigt. "

Understøttet af en Northwestern Engineering forskningskatalysatorpris, forskningen blev beskrevet online den 25. juli i Naturkommunikation . Vadim Backman, Walter Dill Scott, professor i biomedicinsk teknik, og Cheng Sun, lektor i maskinteknik, fungerede som medforfattere af avisen. Biqin Dong, en postdoktor i Zhangs laboratorium, og Luay Almassalha, en kandidatstuderende i Backmans laboratorium, er første forfattere af undersøgelsen.

Mens Zhang planlægger at anvende denne nye teknologi til sin egen forskning inden for optisk billeddannelse, han mener, at det vil være nyttigt på mange områder, fra materialevidenskab til biovidenskab.

"Vores tilgang forbedrer ikke kun eksisterende superopløsningsbilleddannelse ved at fange molekylspecifikke spektroskopiske signaturer, " han sagde, "det vil potentielt give en universel platform til at opklare nanoskala-miljøer i komplekse systemer på enkeltmolekylniveau."