Real-time billeddannelse af cellekomponenter inklusive DNA

Optiske mikroskoper, der bruger linser til at studse fotoner fra objekter, har problemer med at skelne nanometer-objekter mindre end billedstrålens bølgelængde, såsom proteiner og DNA. En innovativ 'hyperlinse' designet hos A*STAR kan overvinde optiske diffraktionsgrænser ved at fange højopløsningsinformation indeholdt af kortvarige eller flygtige bølger, der lurer nær et måls overflade.

Hyperlense-enheder – sammensat af tynde stakke af alternative metal- og plastlag – har øget mulighederne for at fange levende biologiske processer i aktion med højhastighedsoptik. Nøglen til deres funktion er oscillerende elektroner, kendt som overfladeplasmoner, der resonerer med og forstærker flygtige bølger, der vises, når fotoner rammer et fast objekt. De smalle bølgelængder af flygtige stråler giver opløsning i nanoskala til billeder, når hyperlinsen forplanter billederne til et standardmikroskop.

Masseproduktion af nuværende hyperlinser er imidlertid gået i stå på grund af deres komplicerede fremstilling - op til 18 forskellige lagaflejringer kan være påkrævet, hver med strenge krav for at undgå signalforringelse. "For perfekt billeddannelse, disse lag har brug for præcis kontrolleret tykkelse og renhed, " siger Linda Wu, fra A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology. "Ellers, det er svært at forstørre objektet tilstrækkeligt til, at et konventionelt mikroskop kan opfange det."

Wu og hendes kolleger foreslog en anden type hyperlens, der eliminerer behovet for flere grænseflader i lysudbredelsesretningen-en stor kilde til energitab og billedforvrængning. Holdets koncept indlejrer en halvkugleformet række af nanorods i en central isolerende kerne, giver hyperlenserne en form, der ligner en tornet søpindsvin. Denne geometri muliggør mere effektiv høst af flygtige bølger, samt forbedret billedprojektion.

"For søpindsvins geometri, de metalliske strukturer i nanostørrelse flugter i samme retning af lysets udbredelsesretning, og de er meget mindre end bølgelængden af ​​anvendt infrarødt lys, " forklarer Wu. "Derfor 'ser' lyset ikke nogen forhindringer, og formerer sig effektivt og naturligt, uden tab."

Forskernes simuleringer afslørede, at de piggede hyperlens kunne adskille den komplekse bølgeinformation til dens komponentfrekvenser, og derefter overføre disse data til mikroskopet som en intens, let at få øje på band. Denne tilgang var også effektiv - den viste sig i stand til at løse indviklede objekter, 50 til 100 nanometer bred, uden behov for billedefterbehandling.

Wu bemærker, at fremstilling af søpindsvin-hyperlinser burde være meget enklere end flerlagsstrukturer. "De metalliske strukturer i nanostørrelse kunne dannes ved hjælp af porer og skabeloner til fleksible linser, uden reelle størrelsesbegrænsninger, " siger hun. "Denne hyperlinse kunne være et vigtigt værktøj til bio-molekylær billeddannelse i realtid."