Onderzoekers van ARCNL en Vrije Universiteit Amsterdam hebben een compacte opstelling ontwikkeld voor snelle, superresolutiemicroscopie door een ultradunne vezel. Met behulp van slimme signaalverwerking, ze overtroffen de theoretische grenzen van resolutie en snelheid. Omdat de methode geen speciale fluorescerende etikettering vereist, het is veelbelovend voor zowel medische toepassingen als karakterisering van 3D-structuren in nanolithografie. Op 7 mei, de resultaten zijn gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen , een wetenschappelijk tijdschrift in de Natuur familie.

"Beeldvorming op nanoschaal wordt beperkt door de golflengte van het licht dat wordt gebruikt. Er zijn manieren om deze diffractielimiet te overwinnen, maar ze vereisen meestal grote microscopen en moeilijke verwerkingsprocedures, " zegt Lyuba Amitonova. "Deze systemen zijn ongeschikt voor beeldvorming in diepe lagen biologisch weefsel of op andere moeilijk bereikbare plaatsen."

Amitonova startte onlangs een onderzoeksgroep over Nanoscale Imaging and Metrology bij ARCNL. Daarnaast is ze parttime verbonden aan de VU Amsterdam waar ze in de groep van Johannes de Boer werkt aan ultradunne vezels voor endommicroscopie. Amitonova en de Boer hebben een manier ontwikkeld om de diffractielimiet in kleine systemen te overwinnen om diepe weefselbeeldvorming met superresolutie mogelijk te maken.

Inverse datacompressie

De sleutel tot Amitonova's aanpak is het feit dat niet alle informatie in een gegevensmonster nodig is om een ​​zinvol beeld te creëren. "Denk aan digitale fotografie, die het JPEG-compressieformaat gebruikt om de hoeveelheid gegevens in een afbeelding te beperken. De compressie verwijdert tot negentig procent van het beeld, maar we kunnen het verschil nauwelijks zien, "zegt ze. "Dit werkt, omdat alle conventionele afbeeldingen van echte objecten 'schaars, ' wat betekent dat de meeste beeldpunten geen informatie bevatten. In onze metingen we gebruiken deze schaarste aan informatie op een omgekeerde manier, door slechts tien procent van de beschikbare gegevens te verwerven en het hele beeld te reconstrueren via een wiskundige berekeningsmethode."

Gespikkelde balk
Bij conventionele microscopie, monsters worden vaak punt voor punt verlicht om een ​​beeld van het gehele monster te creëren. Dit kost veel tijd, omdat afbeeldingen met een hoge resolutie veel gegevenspunten vereisen. De door Amitonova en de Boer ontwikkelde aanpak maakt gebruik van een vezel die een gespikkelde laserstraal produceert, die het mogelijk maakt om veel gebieden in het monster tegelijkertijd op een willekeurige manier te verlichten. Het veelzijdige licht dat door het monster wordt gereflecteerd, wordt vervolgens verzameld als een enkel gegevenspunt, waaruit relevante informatie wordt geëxtraheerd door berekening. "Met punt voor punt verlichting, het nemen van 256 datapunten zou resulteren in een afbeelding van 256 pixels. Met onze methode, hetzelfde aantal metingen levert een beeld op van ongeveer twintig keer zoveel pixels, " zegt Amitonova. "Dus, compressieve beeldvorming is veel sneller, maar we laten ook zien dat het in staat is details op te lossen die meer dan twee keer kleiner zijn dan met conventionele diffractie beperkte beeldvorming."

Labelvrije detectie

De methode is ontwikkeld met minimaal invasieve bio-imaging in het achterhoofd. Maar het is ook veelbelovend voor detectietoepassingen in nanolithografie, omdat het geen fluorescerende etikettering vereist, wat nodig is bij andere methoden voor beeldvorming met superresolutie. Amitonova zal het concept bij ARCNL verder ontwikkelen:"De compactheid van de vezels maakt ze erg handig voor het ontwikkelen van meetinstrumenten in nanolithografie. De op vezels gebaseerde sondes bieden een unieke combinatie van hoge resolutie met een groot gezichtsveld en kunnen gemakkelijk worden gebruikt in moeilijk bereikbare plaatsen. Het verder ontwikkelen van onze methoden zal hopelijk resulteren in een nog hogere resolutie en snelheid. Metrologische hulpmiddelen en medische diagnostiek zijn de meest waarschijnlijke gebieden om te profiteren van onze bevindingen."