Onderzoekers hebben een nieuwe meet- en beeldvormingsbenadering ontwikkeld die nanostructuren kan oplossen die kleiner zijn dan de diffractielimiet van licht zonder dat er kleurstoffen of labels nodig zijn. Het werk vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang in de richting van een nieuwe en krachtige microscopiemethode die ooit zou kunnen worden gebruikt om de fijne kenmerken van complexe monsters te zien die verder gaan dan wat mogelijk is met conventionele microscopen en technieken.

De nieuwe methode, beschreven in Optica journal, is een modificatie van laser scanning microscopie, die een sterk gerichte laserstraal gebruikt om een ​​monster te verlichten. De onderzoekers breidden de techniek uit door niet alleen de helderheid of intensiteit van het licht te meten nadat het in wisselwerking stond met een bestudeerd exemplaar, maar ook door andere parameters te detecteren die in het lichtveld zijn gecodeerd.

"Onze aanpak zou kunnen helpen de microscopie-toolbox uit te breiden die wordt gebruikt om nanostructuren in verschillende monsters te bestuderen", zei onderzoeksteamleider Peter Banzer van de Universiteit van Graz in Oostenrijk. "In vergelijking met superresolutietechnieken die zijn gebaseerd op een vergelijkbare scanbenadering, is onze methode volledig niet-invasief, wat betekent dat er geen fluorescerende moleculen in een monster hoeven te worden geïnjecteerd voordat beeldvorming plaatsvindt."

De onderzoekers laten zien dat ze de positie en grootte van gouden nanodeeltjes kunnen meten met een nauwkeurigheid van enkele nanometers, zelfs wanneer meerdere deeltjes elkaar raken.

"Onze nieuwe benadering van laserscanmicroscopie zou de kloof tussen conventionele microscopen kunnen dichten met beperkte resolutie en superresolutietechnieken die wijziging van het bestudeerde specimen vereisen", zei Banzer.

Meer vastleggen met licht

Bij laserscanmicroscopie wordt een lichtstraal over het monster gescand en wordt het doorgelaten, gereflecteerde of verstrooide licht dat uit het monster komt gemeten. Hoewel de meeste microscopiemethoden de intensiteit of helderheid meten van het licht dat uit het monster komt, wordt veel informatie ook opgeslagen in andere kenmerken van het licht, zoals de fase, polarisatie en de verstrooiingshoek. Om deze aanvullende informatie vast te leggen, onderzochten de onderzoekers de ruimtelijke resolutie van de intensiteit en polarisatie-informatie.

"De fase en polarisatie van licht, samen met zijn intensiteit, variëren ruimtelijk op een manier die fijne details bevat over het monster waarmee het interageert - net zoals de schaduw van een object ons iets vertelt over de vorm van het object zelf," zei Banzer. "Veel van deze informatie wordt echter genegeerd als alleen het totale lichtvermogen wordt gemeten na de interactie."

Ze demonstreerden de nieuwe aanpak door deze te gebruiken om eenvoudige monsters te bestuderen die metalen nanodeeltjes van verschillende groottes bevatten. Ze deden dit door het interessegebied te scannen en vervolgens polarisatie- en hoek-opgeloste beelden van het doorgelaten licht vast te leggen. De gemeten gegevens zijn geëvalueerd met behulp van een algoritme dat een model van de deeltjes creëert dat zich automatisch aanpast om zo nauwkeurig mogelijk op de gemeten gegevens te lijken.

"Hoewel de deeltjes en hun afstanden veel kleiner waren dan de resolutielimiet van veel microscopen, was onze methode in staat om ze op te lossen", zei Banzer. "Bovendien, en nog belangrijker, was het algoritme in staat om andere parameters over het monster te verstrekken, zoals de precieze grootte en positie van de deeltjes."

De onderzoekers zijn nu bezig om de methode aan te passen, zodat deze ook met complexere monsters kan worden gebruikt. De functionaliteit van de benadering kan ook worden uitgebreid door de structuur van het licht dat met het monster in wisselwerking staat aan te passen en door op kunstmatige intelligentie gebaseerde benaderingen op te nemen in de beeldverwerkingsstappen. Op het gebied van detectie ontwikkelen de auteurs momenteel samen met andere experts een speciale camera als onderdeel van een Europees project genaamd SuperPixels. Dit detectieapparaat van de volgende generatie zal naast intensiteit ook polarisatie- en fase-informatie kunnen oplossen.

"Onze studie is opnieuw een demonstratie van de cruciale rol die de structuur van licht kan spelen op het gebied van optica en op licht gebaseerde technologieën", zei Banzer. "Er zijn al veel intrigerende toepassingen en fenomenen aangetoond, maar er komt nog meer." + Verder verkennen

Engineered lichtgolven maken snelle opname van 3D-microscoopbeelden mogelijk