Het kunnen visualiseren van transparante objecten zoals biologische cellen is van fundamenteel belang in de biologie en medische diagnostiek. Conventionele benaderingen om dit te bereiken omvatten fasecontrastmicroscopie en technieken die afhankelijk zijn van chemische kleuring van biologische cellen. Deze technieken, echter, afhankelijk zijn van dure en omvangrijke optische componenten of moeten worden vervangen, en in sommige gevallen schadelijk, de cel door het inbrengen van chemische contrastmiddelen. Aanzienlijke recente ontwikkelingen in nanofabricagetechnologie maken het mogelijk om materialen op nanoschaal met ongekende precisie te structureren. Dit heeft geleid tot het revolutionaire veld van meta-optica dat tot doel heeft ultracompacte optische componenten te ontwikkelen die hun bulk-optische tegenhangers, zoals bijvoorbeeld lenzen en optische filters, vervangen. Dergelijke meta-optische apparaten vertonen ongebruikelijke eigenschappen waarvoor ze recentelijk aanzienlijke wetenschappelijke belangstelling hebben gewekt als nieuwe platforms voor beeldvormingstoepassingen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , een team van wetenschappers, onder leiding van professor Ann Roberts van de University of Melbourne node van het Australian Research Council Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems hebben een ultracompact, nanogestructureerde microscoop dekglaasje dat de visualisatie van ongekleurde biologische cellen mogelijk maakt. Het apparaat wordt een nanofotonica-verbeterd dekglaasje (NEC) genoemd, omdat het fase-beeldvormingsvermogen toevoegt aan een normaal dekglaasje van een microscoop. In hun onderzoek toonden de onderzoekers aan dat door simpelweg biologische cellen op de NEC te plaatsen, contrastrijke pseudo-3D-beelden van anders onzichtbare cellen worden verkregen. De wetenschappers gebruikten het voorbeeld van menselijke kankercellen (HeLa-cellen) om het potentieel van deze nieuwe fase-beeldvormingsmethode aan te tonen. De methode maakte niet alleen visualisatie van de algemene vorm van de kankercellen mogelijk, maar maakte ook details van de celkern zichtbaar. Dit vermogen is cruciaal omdat de detectie van veranderingen in de structuur van biologische cellen de detectie van ziekten ondersteunt, zoals bijvoorbeeld in het geval van malaria.

De versie van de NEC die in de publicatie wordt gepresenteerd, verschilt van een normaal dekglaasje aan door de toevoeging van een dunne optische film en een rooster op nanometerafstand. Het onderzoeksteam, echter, overwegen meer complexe variaties van dit concept om de mogelijkheden van de methode verder uit te breiden tot werking op verschillende golflengten en integratie in zeer gespecialiseerde optische beeldvorming of microfluïdische systemen. Tot slot, dit onderzoek heeft een geheel nieuwe fase-beeldvormingsmethode aangetoond die een aanzienlijk potentieel heeft om deel uit te maken van toekomstige biologische beeldvormingssystemen en mobiele medische diagnostische hulpmiddelen.

De wetenschappers vatten het potentieel van hun fase-beeldvormingsmethode samen:"We ontwierpen een nanogestructureerde microscoop dekglaasje waarmee we anders transparante biologische cellen kunnen visualiseren door ze simpelweg op het apparaat te plaatsen en er licht doorheen te laten schijnen. Dit is een opwindende doorbraak in de gebied van fasebeeldvorming, aangezien onze methode noch het gebruik van bulk-optische componenten vereist, chemische kleuring of computationele nabewerking zoals het geval is met conventionele methoden, "legde prof. Roberts uit.

"De onbeschikbaarheid van medische diagnostische hulpmiddelen in veel ontwikkelingslanden wordt beschouwd als een reden waarom infectieziekten zoals malaria en tuberculose nog steeds de belangrijkste doodsoorzaak zijn. Onze aanpak heeft een aanzienlijk potentieel om een ​​goedkope, ultracompact hulpmiddel voor fasebeeldvorming dat kan worden geïntegreerd in smartphonecamera's en andere mobiele apparaten om mobiele medische diagnostiek breed beschikbaar te maken." voegde Dr. Wesemann toe.