Een nieuwe techniek van Rice University maakt beelden van chemische processen die sneller plaatsvinden dan de meeste laboratoriumcamera's ze kunnen vastleggen.

De techniek, super temporale resolutie microscopie (STReM), stelt onderzoekers in staat om nuttige informatie over fluorescerende moleculen te bekijken en te verzamelen met een framesnelheid die 20 keer sneller is dan normale laboratoriumcamera's normaal toestaan.

Het werk van rijstchemicus Christy Landes en haar team, samen met Rice elektrotechnisch ingenieur Kevin Kelly, verschijnt in de American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters .

De Rice-onderzoekers beginnen met een Nobelprijswinnende microscopietechniek die objecten zoals moleculen met "superresolutie" bekijkt - dat wil zeggen, dingen onder de diffractielimiet die kleiner zijn dan de meeste microscopen kunnen zien.

"Superresolutiemicroscopie stelt ons in staat om dingen in beeld te brengen die kleiner zijn dan ongeveer de helft van de golflengte van zichtbaar licht - ongeveer 250 nanometer, " zei Landes. Maar ze merkte een barrière op:"Je kon geen foto's maken van iets sneller dan je framesnelheid, " ze zei.

De nieuwe verbetering van het Rice lab, die een roterend fasemasker gebruikt om snelle dynamiek in elk cameraframe te coderen, zal onderzoekers helpen processen te begrijpen die plaatsvinden op grensvlakken zoals adsorptie en desorptie van de trajecten van eiwitten of moleculen terwijl ze langs tweedimensionale oppervlakken bewegen.

Typische CCD-camera's (charge-coupled device) halen maximaal uit bij framesnelheden van 10 tot 100 milliseconden, aldus Landes. Terwijl andere technieken zoals elektronenmicroscopie materialen op subnanoschaal kunnen zien, superresolutiemicroscopie heeft een duidelijk voordeel voor fragiele monsters zoals biomoleculen:het vernietigt ze niet tijdens het proces.

De techniek manipuleert de lichtfase om het beeld bij de detector een meer gecompliceerde vorm te geven. Dit proces was eerder door andere onderzoekers gebruikt om te coderen waar het object zich in een driedimensionale ruimte bevindt binnen een anders tweedimensionaal beeld.

De bijdrage van het Rice-lab was om op te merken dat door de fase in de tijd te manipuleren, het zou ook mogelijk zijn om snellere tijdresoluties te coderen binnen een langzaam beeldframe. Dus, de groep ontwierp en bouwde een draaiend fasemasker. De resulterende beelden leggen dynamische gebeurtenissen vast die sneller plaatsvinden dan de intrinsieke framesnelheid van de camera. De vorm van elke afbeelding binnen een frame geeft het in feite een unieke tijdstempel.

De techniek maakt gebruik van een kenmerk van microscopie dat bekend is bij iedereen die ooit een wazige foto heeft gemaakt. Puntspreidingsfuncties zijn een maat voor de vorm van afbeeldingen, zowel in als onscherp. Als de proefpersonen zo klein zijn als enkele moleculen, verschuiven in en uit focus gebeurt gemakkelijk, en de grootte en vorm van de resulterende onscherpte kan onderzoekers vertellen hoe ver het onderwerp zich van het brandpuntsvlak bevindt. Phase-mask engineering maakt het mogelijk om focusafhankelijke onscherpte gemakkelijker te detecteren door verschillende puntspreidingsfuncties te introduceren. Op film lijken ze op de lobben van een halter en draaien ze ten opzichte van de focus.

STReM gebruikt puntspreidingsfunctieveranderingen van het draaiende masker om tijdelijke informatie te verzamelen, aldus Landes. Met de nieuwe techniek, veranderingen in de hoeken van de lobben onthullen de tijd dat een gebeurtenis binnen elk frame heeft plaatsgevonden.

"Het doel is om wetenschappers in staat te stellen snelle processen te bestuderen zonder dat ze snellere en veel duurdere camera's hoeven te kopen. " zei Rice afgestudeerde student Wenxiao Wang, hoofdauteur van het artikel. "Dit omvat het extraheren van meer informatie uit afzonderlijke afbeeldingen."

Landes, die onlangs de prestigieuze Early Career Award in Experimental Physical Chemistry van ACS won voor haar werk om superresolutiemicroscopie te integreren met informatietheorie om eiwitscheidingen te begrijpen, zei dat het ontwerpen en bouwen van het mechanisme het lab slechts een paar honderd dollar kostte, een fractie van de kosten van het kopen van een snellere camera. Het fasemasker is gebaseerd op werk van Kelly, die gebruik maakte van zijn bijdragen aan Rice' single-pixel camera om te ontwerpen wat neerkomt op een stuk plastic met variabele dikte dat het licht vervormt op weg naar de CCD.

"Net als de camera met één pixel, we doen compressieve analyse, ' zei Landes. 'Met het statische fasemasker, driedimensionale informatie wordt gecomprimeerd tot een 2D-beeld. In dit specifieke geval, we hebben snellere informatie gecomprimeerd tot een lagere framesnelheid van de camera. Het is een manier om meer informatie te krijgen in de pixels die je hebt."

Co-auteurs zijn postdoctorale onderzoeksmedewerkers Hao Shen en Lawrence Tauzin; afgestudeerde studenten Bo Shuang, Benjamin Hoener en Nicholas