Een team van de Universiteit van Tokio heeft een verbeterde midden-infraroodmicroscoop gebouwd, waarmee ze de structuren in levende bacteriën op nanometerschaal kunnen zien. Midden-infraroodmicroscopie wordt doorgaans beperkt door de lage resolutie, vooral in vergelijking met andere microscopietechnieken. Hun werk is gepubliceerd in Nature Photonics .

Deze nieuwste ontwikkeling produceerde beelden op 120 nanometer, wat volgens de onderzoekers een 30-voudige verbetering is ten opzichte van de resolutie van typische midden-infraroodmicroscopen. Het duidelijker kunnen bekijken van monsters op deze kleinere schaal kan meerdere onderzoeksgebieden helpen, waaronder naar infectieziekten, en opent de weg voor de ontwikkeling van nog nauwkeurigere, op midden-infrarood gebaseerde beeldvorming in de toekomst.

Het microscopische rijk is waar virussen, eiwitten en moleculen verblijven. Dankzij moderne microscopen kunnen we naar beneden gaan om de innerlijke werking van onze eigen cellen te zien.

Maar zelfs deze indrukwekkende tools hebben beperkingen. Voor fluorescentiemicroscopen met superresolutie moeten monsters bijvoorbeeld worden gelabeld met fluorescentie. Dit kan soms giftig zijn voor monsters en langdurige blootstelling aan licht tijdens het bekijken kan monsters verbleken, wat betekent dat ze niet langer bruikbaar zijn. Elektronenmicroscopen kunnen ook zeer indrukwekkende details opleveren, maar monsters moeten in een vacuüm worden geplaatst, zodat levende monsters niet kunnen worden bestudeerd.

Ter vergelijking:midden-infraroodmicroscopie kan zowel chemische als structurele informatie over levende cellen verschaffen, zonder dat deze hoeven te worden gekleurd of beschadigd. Het gebruik ervan in biologisch onderzoek is echter beperkt vanwege het relatief lage resolutievermogen. Terwijl fluorescentiemicroscopie met superresolutie beelden kan beperken tot tientallen nanometers (1 nanometer is een miljoenste van een millimeter), kan mid-infraroodmicroscopie doorgaans slechts ongeveer 3 micron bereiken (1 micron is een duizendste van een millimeter). /P>

Door een nieuwe doorbraak hebben onderzoekers van de Universiteit van Tokio echter een hogere resolutie van midden-infraroodmicroscopie bereikt dan ooit tevoren.

"We hebben een ruimtelijke resolutie van 120 nanometer bereikt, dat wil zeggen 0,12 micron. Deze verbazingwekkende resolutie is ongeveer 30 keer beter dan die van conventionele midden-infraroodmicroscopie", legt professor Takuro Ideguchi van het Institute for Photon Science and Technology van de Universiteit van Californië uit. Tokio.

Het team gebruikte een 'synthetisch diafragma', een techniek waarbij verschillende beelden uit verschillende belichte hoeken worden gecombineerd om een ​​duidelijker totaalbeeld te creëren. Meestal wordt een monster tussen twee lenzen geplaatst. De lenzen absorberen echter onbedoeld een deel van het midden-infraroodlicht.

Ze losten dit probleem op door een monster, bacteriën (E. coli en Rhodococcus jostii RHA1 werden gebruikt), op een siliciumplaat te plaatsen die zichtbaar licht reflecteerde en infrarood licht doorliet. Hierdoor konden de onderzoekers één enkele lens gebruiken, waardoor ze het monster beter konden belichten met het midden-infraroodlicht en een gedetailleerder beeld konden krijgen.

"We waren verrast hoe duidelijk we de intracellulaire structuren van bacteriën konden waarnemen. De hoge ruimtelijke resolutie van onze microscoop zou ons in staat kunnen stellen bijvoorbeeld antimicrobiële resistentie te bestuderen, wat een wereldwijd probleem is", aldus Ideguchi.

“Wij geloven dat we de techniek in verschillende richtingen kunnen blijven verbeteren. Als we een betere lens en een kortere golflengte van zichtbaar licht gebruiken, zou de ruimtelijke resolutie zelfs onder de 100 nanometer kunnen komen. Met superieure helderheid willen we verschillende celmonsters bestuderen om fundamentele en toegepaste biomedische problemen aan te pakken."

Meer informatie: Midden-infrarood breedveldnoscopie, Natuurfotonica (2024). DOI:10.1038/s41566-024-01423-0

Journaalinformatie: Natuurfotonica

Aangeboden door Universiteit van Tokio