“Voor zover we weten hebben we voor het eerst in de geschiedenis rechtstreeks de interactie tussen een biologische cel en een schokgolf waargenomen en experimenteel aangetoond dat de snelheid waarmee de schokgolf zich binnen de cel voortplant sneller is dan aan de buitenkant van de cel.” cel", legt Takao Saiki uit, een doctoraalstudent aan de afdeling Precision Engineering van de Universiteit van Tokio.

"Bovendien heeft onze aanpak ons ​​in staat gesteld om hogesnelheidsfotografie te demonstreren over een breed tijdsbereik, waaronder picoseconde (een biljoenste van een seconde), nanoseconde (een miljardste van een seconde) en milliseconde (een duizendste van een seconde). ) tijdschalen."

Het vastleggen van heldere beelden van cellen zonder hun structuur te beïnvloeden of schade te veroorzaken is een grote uitdaging. Om de beelden veilig te maken, ontwikkelden de onderzoekers een optisch precisiecircuit, een circuit dat licht gebruikt in plaats van elektriciteit, dat ze het spectrumcircuit noemden. Met een spectrumcircuit creëerden ze niet-schadelijke laserpulsen, die ze op verschillende tijdstippen uitzonden. Door deze technologie te combineren met een bestaande single-shot optische beeldtechniek, genaamd sequentially timed all-optical mapping photography (STAMP), konden ze reeksen foto's maken met een hogere definitie en minder onscherpte dan voorheen beschikbaar was.

Het team gebruikte dezelfde technologie om te kijken naar de effecten van laserablatie op glas. Laserablatie is nuttig voor het nauwkeurig verwijderen van vast materiaal van een oppervlak en wordt zowel in de industrie als in de geneeskunde gebruikt. De onderzoekers richtten een ultrakorte laserpuls van slechts 35 femtoseconden lang (één femtoseconde is gelijk aan een kwart miljardste van een seconde) op een glasplaat. Met behulp van het spectrumcircuit observeerden ze de impact van de laser, de resulterende schokgolven en het effect dat deze op het glas had in picoseconden, nanoseconden en milliseconden.

"We konden de wisselwerking zien tussen verschillende fysieke processen die zich in de loop van de tijd afspeelden, en hoe ze vorm kregen", zegt Keiichi Nakagawa, universitair hoofddocent van de afdeling Bioengineering en de afdeling Precision Engineering van de Universiteit van Tokio. "Onze technologie biedt mogelijkheden om nuttige maar onbekende hogesnelheidsfenomenen aan het licht te brengen door ons in staat te stellen dergelijke ultrasnelle processen te observeren en analyseren.

"Vervolgens zijn we van plan onze beeldvormingstechniek te gebruiken om te visualiseren hoe cellen interageren met akoestische golven, zoals die worden gebruikt bij echografie en schokgolftherapie. Door dit te doen, willen we de primaire fysieke processen begrijpen die daaropvolgende therapeutische effecten bij de mens activeren. lichaam." Het team wil ook spectrumcircuits gebruiken om laserverwerkingstechnieken te verbeteren, door de fysieke parameters te identificeren die een snellere, nauwkeurigere, consistentere en kosteneffectievere productie mogelijk maken.

"We zijn altijd gefascineerd geweest door de kracht van visualisatie om complexe verschijnselen te begrijpen. De kans om delen van de wereld te ontdekken en te tonen die voorheen verborgen waren, trok ons ​​echt naar dit veld", zegt Nakagawa. "We verwachten een brede bijdrage te leveren op verschillende terreinen, van medische biologie tot productie, materialen, het milieu en energie."

Meer informatie: Takao Saiki et al., Single-shot optische beeldvorming met spectrumcircuits die tijdschalen overbruggen in hogesnelheidsfotografie, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj8608

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door Universiteit van Tokio