In 2014, een internationaal trio won de Nobelprijs voor Scheikunde voor de ontwikkeling van superresolutie-fluorescentiemicroscopie, een techniek die het mogelijk maakte om moleculaire processen in levende cellen te bestuderen.

Nu heeft een Northwestern Engineering-team deze baanbrekende technologie verbeterd door deze sneller, eenvoudiger, minder duur, en de resolutie verviervoudigen.

"Ondanks het succes van elektronenmicroscopie en scanning probe-microscooptechnieken, er is nog steeds behoefte aan een optische beeldvormingsmethode die niet alleen nanoscopische structuren kan blootleggen, maar ook de fysische en chemische verschijnselen die optreden op nanoschaalniveau, " zei Hao Zhang, universitair hoofddocent biomedische technologie aan de McCormick School of Engineering van Northwestern. "We stellen ons voor dat onze techniek dit kan bereiken."

Onder leiding van Zhang, het Northwestern-team heeft een nieuw optisch beeldvormingsplatform met superresolutie ontwikkeld op basis van spectroscopie, een soort beeldvorming die onderzoekt hoe materie op licht reageert. Spectroscopische fotonlokalisatiemicroscopie (SPLM) genoemd, het platform kan individuele moleculen analyseren met een resolutie van minder dan nanometer.

Het nieuwe technologieplatform maakt gebruik van fotonlokalisatiemicroscopie (PLM), die inherente spectroscopische handtekeningen van uitgezonden fotonen vastlegt, of lichte deeltjes, om specifieke moleculen te identificeren. Huidige spectroscopische beeldvorming en PLM-technologieën vereisen meerdere fluorescerende kleurstoffen om het contrast in de resulterende microscopische beelden te verbeteren. Kan geen onderscheid maken tussen kleurstoffen, deze technieken nemen meerdere beelden op van verschillende discrete golflengtebanden.

De SPLM van het noordwestelijke team, echter, kan meerdere kleurstofmoleculen tegelijk karakteriseren, het verhogen van de beeldsnelheid in multi-gekleurde monsters. Door de noodzaak voor het opnemen van meerdere afbeeldingen weg te nemen, wordt het beeldvormingsproces eenvoudiger en goedkoper. SPLM is ook gevoelig genoeg om kleine verschillen van hetzelfde type moleculen te onderscheiden.

"Mensen hebben een reeks filters en camera's nodig om fotonen met verschillende kleuren te scheiden en informatie te verkrijgen, "Zei Zhang. "Het kan nogal ingewikkeld en duur zijn als er meerdere camera's worden gebruikt. Met behulp van onze technologie, we kunnen meerkleurenbeelden krijgen zonder filters, omdat we weten welke kleur gelijktijdig met welke fotonen wordt geassocieerd."

Ondersteund door een Northwestern Engineering Research Catalyst Award, het onderzoek werd online beschreven op 25 juli in Natuurcommunicatie . Vadim Backman, de Walter Dill Scott hoogleraar biomedische technologie, en Cheng Sun, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, diende als co-auteurs van het papier. Biqin Dong, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Zhang, en Luay Almassalha, een afgestudeerde student in het laboratorium van Backman, zijn co-eerste auteurs van de studie.

Terwijl Zhang van plan is deze nieuwe technologie toe te passen op zijn eigen onderzoek naar optische beeldvorming, hij gelooft dat het voor veel gebieden nuttig zal zijn, van materiaalkunde tot de levenswetenschappen.

"Onze aanpak verbetert niet alleen bestaande beeldvorming met superresolutie door molecuulspecifieke spectroscopische handtekeningen vast te leggen, " hij zei, "het zal mogelijk een universeel platform bieden voor het ontrafelen van nanoschaalomgevingen in complexe systemen op het niveau van één molecuul."