Elektrotechnici van de Universiteit van Californië in San Diego hebben een technologie ontwikkeld die de resolutie van een gewone lichtmicroscoop verbetert, zodat deze kan worden gebruikt om fijnere structuren en details in levende cellen direct waar te nemen.

De technologie verandert een conventionele lichtmicroscoop in een zogenaamde superresolutiemicroscoop. Het gaat om een ​​speciaal ontwikkeld materiaal dat de golflengte van het licht verkort terwijl het het monster verlicht - dit gekrompen licht is wat de microscoop in wezen in staat stelt om in hogere resolutie beelden te maken.

"Dit materiaal zet licht met een lage resolutie om in licht met een hoge resolutie, " zei Zhaowei Liu, een professor in elektrische en computertechniek aan UC San Diego. "Het is heel eenvoudig en gemakkelijk te gebruiken. Plaats gewoon een monster op het materiaal, leg het geheel dan onder een normale microscoop - geen fancy modificatie nodig."

Het werk, die werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie , overwint een grote beperking van conventionele lichtmicroscopen:lage resolutie. Lichtmicroscopen zijn nuttig voor het afbeelden van levende cellen, maar ze kunnen niet worden gebruikt om iets kleiners te zien. Conventionele lichtmicroscopen hebben een resolutielimiet van 200 nanometer, wat betekent dat objecten die dichterbij zijn dan deze afstand niet als afzonderlijke objecten worden waargenomen. En hoewel er krachtigere hulpmiddelen zijn, zoals elektronenmicroscopen, die de resolutie hebben om subcellulaire structuren te zien, ze kunnen niet worden gebruikt om levende cellen in beeld te brengen omdat de monsters in een vacuümkamer moeten worden geplaatst.

"De grootste uitdaging is het vinden van één technologie met een zeer hoge resolutie en die ook veilig is voor levende cellen, " zei Liu.

De technologie die het team van Liu heeft ontwikkeld, combineert beide functies. ermee, een conventionele lichtmicroscoop kan worden gebruikt om levende subcellulaire structuren in beeld te brengen met een resolutie tot 40 nanometer.

De technologie bestaat uit een microscoopglaasje dat is bedekt met een soort lichtkrimpend materiaal dat hyperbolisch metamateriaal wordt genoemd. Het is opgebouwd uit nanometer-dunne afwisselende lagen zilver en kwartsglas. Als het licht er doorheen gaat, de golflengten worden korter en verstrooien om een ​​reeks willekeurige gespikkelde patronen met hoge resolutie te genereren. Wanneer een monster op de dia wordt gemonteerd, het wordt op verschillende manieren verlicht door deze reeks gespikkelde lichtpatronen. Hierdoor ontstaat een reeks afbeeldingen met een lage resolutie, die allemaal worden vastgelegd en vervolgens samengevoegd door een reconstructie-algoritme om een ​​afbeelding met hoge resolutie te produceren.

De onderzoekers testten hun technologie met een commerciële omgekeerde microscoop. Ze waren in staat om fijne functies in beeld te brengen, zoals actinefilamenten, in fluorescerend gelabelde Cos-7-cellen - kenmerken die niet duidelijk waarneembaar zijn met alleen de microscoop zelf. De technologie stelde de onderzoekers ook in staat om kleine fluorescerende kralen en kwantumdots duidelijk te onderscheiden die 40 tot 80 nanometer van elkaar verwijderd waren.

De superresolutietechnologie heeft een groot potentieel voor snelle werking, aldus de onderzoekers. Hun doel is om hoge snelheid, super resolutie en lage fototoxiciteit in één systeem voor live cell imaging.

Liu's team breidt nu de technologie uit om beeldvorming met hoge resolutie in een driedimensionale ruimte te maken. Dit huidige artikel laat zien dat de technologie afbeeldingen met een hoge resolutie kan produceren in een tweedimensionaal vlak. Liu's team publiceerde eerder een paper waaruit blijkt dat deze technologie ook in staat is tot beeldvorming met ultrahoge axiale resolutie (ongeveer 2 nanometer). Ze zijn nu bezig om de twee te combineren.