Onderzoekers van de ITMO University hebben een opstelling gebouwd voor het opnemen van hologrammen van kleine objecten zoals levende cellen met snelheden van femtoseconden. De nieuwe methode reconstrueert de fasetopografie van een monster op basis van vervormingen die optreden in een laserpuls wanneer deze door het monster gaat. In vergelijking met elektronenmicroscopen, het apparaat kan transparante biologische structuren visualiseren zonder contrastmiddelen te introduceren. De krant is gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven .

De vitale activiteit van levende cellen is een complexe opeenvolging van biochemische reacties en fysieke processen; veel van hen vinden plaats met een hoge temporele resolutie. Om zulke snelle transformaties te registreren, wetenschappers hebben nauwkeurigere en snellere apparatuur nodig. Biologisch weefsel kan worden bestudeerd met een elektronenmicroscoop, maar deze methode vereist het introduceren van een speciale kleurstof in het monster. De kleurstof laat cellen contrasteren, hoewel het hun metabolisme kan beïnvloeden. Digitale holografische microscopen kunnen dit nadeel opvangen, maar hebben een lage ruimtelijke resolutie.

De nieuwe camera gemaakt door ITMO-wetenschappers kan snelle processen registreren in transparante exemplaren en zorgt voor een hogere resolutie van afbeeldingen in een breed bereik. Het apparaat registreert fasevervormingen van ultrakorte femtoseconde laserpulsen die ontstaan ​​wanneer licht door het monster gaat. De fasebeelden, of hologrammen, zal bijdragen aan een beter begrip van de mechanismen van auto-immuun, oncologische en neurodegeneratieve ziekten, evenals het bewaken van cellen tijdens chirurgische ingrepen zoals kankertherapie.

"Ons apparaat zal biologen en genetische ingenieurs helpen om te volgen wat er in een levende cel gebeurt met een resolutie van ongeveer 50 femtoseconden - dit is genoeg om veel biochemische reacties op te lossen. Theoretisch, de camera kan zelfs een elektron vastleggen dat naar een andere baan springt. We kunnen nu de levensvatbaarheid van cellen bestuderen bij het initiëren van bepaalde processen, bijvoorbeeld, verwarming of overdracht van virussen en cellen in een driedimensionale ruimte met behulp van femtoseconde laserstraling. Het apparaat ondersteunt ook het volgen van celstatussen tijdens het veranderen van de pH, toevoegen en bewerken van genetisch materiaal, " zegt Arseny Chipegin, hoofdauteur van de paper en onderzoeker bij het Laboratory of Digital and Display Holography aan de ITMO University.

Voor de analyse, een femtoseconde laserstraal wordt in drieën gesplitst. De eerste straal heeft 95 procent energie en start het proces; twee andere stralen worden gebruikt voor diagnostiek. De seconde, bekend als de objectstraal, gaat door het monster. De derde, een referentiestraal, wordt afgebogen door spiegels en gaat rond. De stralen ontmoeten elkaar achter het monster, waar ze een interferentiepatroon van heldere banden vormen. De stroken ontstaan ​​wanneer toppen van lichtgolven elkaar overlappen en versterken.

Door de positie van de spiegels aan te passen, de wetenschappers vertragen de referentiestraal, dwingen om de eerste op verschillende tijdstippen te ontmoeten. Met andere woorden, de tweede bundel scant degene die door het monster gaat. Elke botsing van de bundels wordt vastgelegd op een subhologram. Een snel computeralgoritme verzamelt alle subhologrammen in een reeks.

Het apparaat neemt een van de belangrijkste problemen van digitale holografische microscopie weg die verband houden met het vergroten van het resolutievermogen van een systeem in het stadium van het opnemen van hologrammen. "Technisch gezien, we kunnen de afbeeldingen tientallen keren schalen, het instellen van het vergrotingssysteem tussen het object en de camera. Dit verbetert niet alleen de resolutie, de meetnauwkeurigheid groeit, te, aangezien het aantal interferentiebanden niet verandert. Dus, het is mogelijk om het faseverschil tussen het object en de referentiebundels nauwkeuriger te berekenen, " zegt Nikolai Petrov, hoofd van het Laboratorium voor Digitale en Display Holografie.

Volgens de wetenschappers het onderzoek wordt voortgezet. Het ontwikkelde systeem is ontworpen om eenvoudiger te zijn dan veel moderne microscopen, maar heeft verschillende voordelen wat betreft de snelheid van het opnemen en verwerken van hologrammen.