Microscopen vormen al eeuwenlang de kern van veel van de belangrijkste ontwikkelingen in de biologie. Nutsvoorzieningen, KAUST-onderzoekers hebben laten zien hoe een standaardmicroscoop kan worden aangepast om nog meer informatie te geven.

In zijn eenvoudigste vorm, microscopie creëert een afbeelding van een object door de intensiteit van het licht dat er doorheen gaat te meten. Hiervoor is een monster nodig dat op verschillende manieren licht verstrooit en absorbeert. Veel levende cellen, echter, absorberen zeer weinig zichtbaar licht, wat betekent dat er slechts een klein verschil is tussen lichte en donkere gebieden, bekend als de tegenstelling. Dit maakt het moeilijk om de fijnere details te zien.

Maar het licht dat door het monster gaat, verandert niet alleen de intensiteit, maar ook de fase ervan:de relatieve timing van de pieken in de optische golf. "Fasecontrastmicroscopie zet fase om in grotere amplitudevariaties en maakt zo het bekijken van fijne, gedetailleerde transparante structuren, " legt KAUST promovendus Congli Wang uit.

Het meten van de lichtfase is lastiger dan het meten van de intensiteit. De meeste fasecontrastmicroscopen moeten een component bevatten die de faseverandering omzet in een meetbare intensiteitsverandering. Maar deze conversie is niet precies; het benadert alleen de fase-informatie.

Wang en zijn collega's van het KAUSTVisual Computing Center, onder toezicht van Wolfgang Heidrich, een professor in de informatica, hebben nu een nieuwe methode ontwikkeld voor kwantitatieve fase- en intensiteitsbeeldvorming. Cruciaal voor de prestaties van hun microscoop was een element dat bekend staat als een golffrontsensor. Wavefront-sensoren zijn speciaal ontworpen optische sensoren die het wavefront kunnen coderen, of fase, informatie omzetten in intensiteitsbeelden.

Het team ontwierp een innovatieve golffrontsensor met hoge resolutie, en de teamleden nemen het nu op in een commerciële microscoop om de prestaties van microscopiebeeldvorming te verbeteren. Vervolgens reconstrueerden ze het fasecontrastbeeld met behulp van een computeralgoritme dat ze ontwikkelden om numeriek de kwantitatieve fase uit een beeldpaar te halen:een kalibratiebeeld verkregen zonder het monster en een meetbeeld verkregen met het monster op zijn plaats.

Deze aanpak stroomlijnt verschillende aspecten van microscopie. Terwijl andere methoden in het verleden kwantitatieve fasebeeldvorming hebben bereikt, ze hebben dure of gecompliceerde opstellingen nodig, gespecialiseerde lichtbronnen of een lange tijd om het beeld te genereren. "Onze methode maakt snapshot-acquisitie mogelijk van heldere veldbeelden met hoge resolutie en nauwkeurige kwantitatieve fasebeelden via betaalbare, eenvoudige optica, gemeenschappelijke witlichtbron en snelle berekeningen met videosnelheden in realtime, " zegt Heidrich. "Het is de eerste keer, voor zover we weten, dat al deze voordelen worden gecombineerd in één techniek."