Het vermogen om te observeren hoe het leven werkt op nanoschaalniveau is een grote uitdaging van onze tijd.

Standaard optische microscopen kunnen cellen en bacteriën in beeld brengen, maar niet hun nanoschaalkenmerken die vervaagd worden door een fysiek effect dat diffractie wordt genoemd.

Optische microscopen zijn de afgelopen twee decennia geëvolueerd om deze diffractielimiet te overwinnen; echter, deze zogenaamde superresolutietechnieken vereisen doorgaans dure en uitgebreide instrumentatie- of beeldvormingsprocedures.

Nutsvoorzieningen, Australische onderzoekers van het ARC Centre of Excellence for Nanoscale BioPhotonics (CNBP) rapporteren in Natuurcommunicatie een eenvoudige manier om diffractiebeperkingen te omzeilen met behulp van standaard optische beeldvormingstools.

Hoofdauteurs Dr. Denitza Denkova, en Dr. Martin Ploschner van het CNBP-knooppunt aan de Macquarie University zeggen:"De nauwe samenwerking met biologen heeft ons geïnspireerd om te zoeken naar een oplossing die superresolutie kan transformeren van een complexe en dure beeldvormingsmethode in een alledaagse bio-beeldvormingstechniek."

Dr. Ploschner legt uit hoe de techniek werkt:"We hebben een bepaald type fluorescerende markers geïdentificeerd, zogenaamde opconversie-nanodeeltjes, dat kan een regime binnengaan waarin het door de deeltjes uitgestraalde licht abrupt groeit - op een superlineaire manier - wanneer de intensiteit van het excitatielicht wordt verhoogd. Onze belangrijkste ontdekking is dat als dit effect wordt benut onder de juiste beeldcondities, elke standaard scanning optische microscoop kan spontaan beelden maken met superresolutie."

"Hoewel we ervoor hebben gekozen om deze opconversie superlineaire excitatie-emissie (uSEE) te demonstreren op een van de meest gebruikte typen optische microscopen - een confocale microscoop - kan praktisch elk type scanmicroscoop of microscoop met variaties in de verlichtingsintensiteit profiteren van deze spontane verbetering van de resolutie."

Dr. Denitza Denkova zegt dat de uSEE-benadering de resolutie boven de diffractielimiet verbetert door simpelweg de verlichtingsintensiteit te verminderen.

"Onze aanpak werkt in de tegenovergestelde richting van alle andere bestaande superresolutiemethoden:hoe lager het laservermogen, hoe beter de resolutie en hoe lager het risico op fotobeschadiging van de biomonsters, " ze zegt.

"Beste van alles, superresolutie kan worden bereikt zonder aanpassingen aan de instellingen en beeldverwerking. Dus, deze methode heeft het potentieel om elk biologisch laboratorium binnen te gaan, vrijwel zonder extra kosten."

"De waarde van ons werk zit in het realiseren van de techniek, Voor de eerste keer, in een 3D biologische setting, met behulp van biologisch geschikte deeltjes. We stellen een wijziging voor van de samenstelling van de nanodeeltjes en de beeldvormingsomstandigheden, waardoor de spontane superresolutie optreedt onder een praktisch relevante microscopieconfiguratie. We ontwikkelen ook een theoretisch raamwerk waarmee eindgebruikers de deeltjessamenstelling en de beeldvormingsomstandigheden kunnen aanpassen en superresolutie kunnen bereiken in hun eigen laboratoriumomgeving."

"Ons werk stelt microscopisten in staat om op een nieuwe manier te kijken met hun bestaande tools."

CNBP-knooppuntleider aan Macquarie University, Professor James Piper AM, die ook een auteur is op het papier, zegt dat het concept al een tijdje bestaat, maar de praktische realisatie ervan was ongrijpbaar vanwege de noodzaak om de verschillende onderzoeksgebieden van de biologie te combineren, materiaal wetenschap, optische techniek en natuurkunde.

"CNBP bood een ideaal ontmoetingsplatform voor wetenschappers met uiteenlopende expertise om hun krachten te bundelen en het idee van de tekentafel om te zetten in een praktisch hulpmiddel voor beeldvorming, ' zegt professor Piper.