Højere opløsning billeddannelse af levende, bevæger celler ved hjælp af plasmoniske metasoverflader

I søgen efter at afbilde overordentlig små strukturer og fænomener med højere præcision, videnskabsmænd har skubbet grænserne for optisk mikroskopopløsning, men disse fremskridt kommer ofte med øgede komplikationer og omkostninger.

Nu, forskere i Japan har vist, at en glasoverflade indlejret med selvsamlede guld-nanopartikler kan forbedre opløsningen med små ekstra omkostninger, selv ved brug af et konventionelt widefield-mikroskop, lette højopløsnings fluorescensmikroskopi, der er i stand til højhastighedsbilleddannelse af levende celler.

Fordi optiske mikroskoper forstørrer lyset for at få detaljerede billeder af en struktur, størrelsen af ​​genstande, der kan skelnes, har længe været begrænset af diffraktion - en egenskab ved lys, der får det til at sprede sig, når det passerer gennem en åbning.

Forskere har udviklet teknikker til at overvinde disse grænser med meget avancerede optiske systemer, men mange af dem afhænger af brugen af ​​stærke lasere, som kan beskadige eller endda dræbe levende celler, og scanning af prøven eller behandling af flere billeder, som hæmmer billeddannelse i realtid.

"Nyligere teknikker kan producere fantastiske billeder, men mange af dem kræver højt specialiseret udstyr og er ude af stand til at observere levende cellers bevægelse, " siger Kaoru Tamada, fremtrædende professor ved Kyushu University's Institute for Materials Chemistry and Engineering.

Billeddannelse af celler ved hjælp af realtidsfluorescensmikroskopimetoder, Tamada og hendes gruppe fandt ud af, at de kunne forbedre opløsningen under et konventionelt bredfeltsmikroskop til nær diffraktionsgrænsen blot ved at ændre overfladen under cellerne.

Ved fluorescensmikroskopi, cellestrukturer af interesse er mærket med molekyler, der absorberer energi fra indkommende lys og, gennem processen med fluorescens, genudsende det som lys af en anden farve, som er samlet for at danne billedet.

Selvom celler normalt afbildes på almindeligt glas, Tamadas gruppe coated glasoverfladen med et selvsamlet lag af guld nanopartikler dækket med et tyndt lag siliciumdioxid, skabe en såkaldt metasurface med særlige optiske egenskaber.

Kun 12 nm i diameter, de organiserede metalnanopartikler udviser et fænomen kendt som lokaliseret overfladeplasmonresonans, som gør det muligt for metaoverfladen at indsamle energi fra nærliggende lysemitterende molekyler til højeffektiv re-emission, derved producerer øget emission begrænset til den 10-nm tykke nanopartikeloverflade.

"Ved at introducere nanopartiklerne, vi har effektivt skabt et lysemitterende fly, der kun er flere nanometer tykt, " forklarer Tamada. "Fordi lyset af interesse udsendes fra et så tyndt lag, vi kan bedre fokusere på det."

Yderligere fordele opstår ved, at energioverførslen til metasfladen er hurtig, yderligere lokalisering af emissionspunkter ved at reducere diffusion, og metasoverfladens høje brydningsindeks, som hjælper med at forbedre opløsningen i henhold til Abbes diffraktionsgrænse.

Ved at bruge metasfladen, forskerne afbildede i real-time museceller kendt som 3T3-fibroblaster, der blev gensplejset til at producere et protein kaldet paxillin, der er modificeret til at udsende grønt lys, når det exciteres. Paxillin spiller en nøglerolle i at skabe fokale adhæsioner - punkter, hvor molekyler i cellemembranen interagerer med omverdenen.

Belysning af hele prøven med laserlys vinkelret på overfladen, forskerne var i stand til at afbilde ændringer i paxillin nær cellemembranen med en højere opløsning ved hjælp af metasoverfladen i stedet for glas.

Vipning af belysningslyset for at opnå total intern refleksion, forskerne kunne få billeder med endnu højere kontrast, fordi det meste af belysningslyset reflekteres fra overfladen med kun en lille mængde, der når cellesiden, derved reduceres herreløse emission produceret af belysning, der trænger dybt ind i cellen.

Analyse af billeder optaget hvert 500. millisekund med et digitalkamera med superopløsning afslørede klare forskelle i intensitet over pletter, der kun dækker nogle få pixels, hvilket indikerer, at opløsningen var omkring 200 nm - tæt på diffraktionsgrænsen.

Celler kunne også afbildes længere på metaoverfladen, fordi emissionen blev forbedret på trods af en lavere inputenergi, og derved reducere celleskader over tid.

"Metasurfaces er en lovende mulighed for at forbedre opløsningen for forskere over hele verden ved hjælp af konventionelle optiske mikroskoper, som de allerede har, " kommenterer Tamada.

Ud over at fortsætte med at forbedre overfladerne til brug med konventionelle mikroskoper, forskerne undersøger også de fordele, de kan have for mere sofistikerede mikroskopsystemer.