In de zoektocht om uiterst kleine structuren en fenomenen met hogere precisie in beeld te brengen, wetenschappers hebben de grenzen van optische microscoopresolutie verlegd, maar deze vooruitgang gaat vaak gepaard met verhoogde complicatie en kosten.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers in Japan hebben aangetoond dat een glazen oppervlak ingebed met zelf-geassembleerde gouden nanodeeltjes de resolutie kan verbeteren met weinig extra kosten, zelfs met behulp van een conventionele groothoekmicroscoop, het vergemakkelijken van fluorescentiemicroscopie met hoge resolutie die in staat is tot snelle beeldvorming van levende cellen.

Omdat optische microscopen licht vergroten om gedetailleerde beelden van een structuur te verkrijgen, de grootte van objecten die kunnen worden onderscheiden, is lang beperkt geweest door diffractie - een eigenschap van licht die ervoor zorgt dat het zich verspreidt wanneer het door een opening gaat.

Onderzoekers hebben technieken ontwikkeld om deze limieten te overwinnen met zeer geavanceerde optische systemen, maar velen van hen zijn afhankelijk van het gebruik van sterke lasers, die levende cellen kunnen beschadigen of zelfs doden, en scannen van het monster of verwerking van meerdere afbeeldingen, die real-time beeldvorming belemmert.

"Recente technieken kunnen verbluffende beelden opleveren, maar velen van hen vereisen zeer gespecialiseerde apparatuur en zijn niet in staat om de beweging van levende cellen waar te nemen, " zegt Kaoru Tamada, vooraanstaand professor aan het Kyushu University's Institute for Materials Chemistry and Engineering.

Beeldvorming van cellen met behulp van real-time fluorescentiemicroscopiemethoden, Tamada en haar groep ontdekten dat ze de resolutie onder een conventionele groothoekmicroscoop konden verbeteren tot dichtbij de diffractielimiet door het oppervlak onder de cellen te veranderen.

Bij fluorescentiemicroscopie, celstructuren van belang zijn gelabeld met moleculen die energie absorberen van binnenkomend licht en, door het proces van fluorescentie, opnieuw uitzenden als licht van een andere kleur, die wordt verzameld om het beeld te vormen.

Hoewel cellen meestal worden afgebeeld op gewoon glas, Tamada's groep bedekte het glasoppervlak met een zelf-geassembleerde laag gouden nanodeeltjes bedekt met een dunne laag siliciumdioxide, het creëren van een zogenaamd meta-oppervlak met speciale optische eigenschappen.

Slechts 12 nm in diameter, de georganiseerde metalen nanodeeltjes vertonen een fenomeen dat bekend staat als gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie, waardoor het meta-oppervlak energie kan verzamelen van nabijgelegen lichtemitterende moleculen voor een zeer efficiënte heremissie, waardoor een verbeterde emissie wordt geproduceerd die beperkt is tot het 10 nm dikke nanodeeltjesoppervlak.

"Door de nanodeeltjes te introduceren, we hebben effectief een lichtgevend vlak gecreëerd dat slechts enkele nanometers dik is, " legt Tamada uit. "Omdat het betreffende licht uit zo'n dunne laag wordt uitgestraald, kunnen we ons er beter op concentreren."

Bijkomende voordelen vloeien voort uit de snelle energieoverdracht naar het metaoppervlak, emissiepunten verder lokaliseren door diffusie te verminderen, en de hoge brekingsindex van het metaoppervlak, wat helpt om de resolutie te verbeteren volgens de diffractielimiet van Abbe.

Met behulp van het meta-oppervlak, de onderzoekers beeldden zich af in realtime muiscellen die bekend staan ​​als 3T3-fibroblasten en die genetisch zijn gemanipuleerd om een ​​eiwit te produceren dat paxilline wordt genoemd en dat is aangepast om groen licht uit te zenden wanneer het wordt opgewonden. Paxilline speelt een sleutelrol bij het creëren van focale adhesies - punten waar moleculen in het celmembraan interageren met de buitenwereld.

Belichten van het gehele monster met laserlicht loodrecht op het oppervlak, de onderzoekers konden veranderingen in paxilline nabij het celmembraan met een hogere resolutie afbeelden met behulp van het meta-oppervlak in plaats van glas.

Het verlichtingslicht kantelen om totale interne reflectie te bereiken, de onderzoekers konden beelden met een nog hoger contrast verkrijgen omdat het meeste verlichtingslicht door het oppervlak wordt gereflecteerd en slechts een kleine hoeveelheid de celzijde bereikt, waardoor de verdwaalde emissie die wordt geproduceerd door verlichting die diep in de cel doordringt, wordt verminderd.

Analyse van beelden die om de 500 milliseconden zijn opgenomen met een digitale camera met superresolutie, onthulde duidelijke verschillen in intensiteit over plekken die slechts enkele pixels beslaan, wat aangeeft dat de resolutie ongeveer 200 nm was - dicht bij de diffractielimiet.

Cellen konden ook langer worden afgebeeld op het meta-oppervlak omdat de emissie werd verbeterd ondanks een lagere input-energie, waardoor de celbeschadiging in de loop van de tijd wordt verminderd.

"Metasurfaces zijn een veelbelovende optie voor het verbeteren van de resolutie voor onderzoekers over de hele wereld die conventionele optische microscopen gebruiken die ze al hebben, ", zegt Tamada.

Naast het blijven verbeteren van de oppervlakken voor gebruik met conventionele microscopen, de onderzoekers onderzoeken ook de voordelen die ze kunnen hebben voor meer geavanceerde microscoopsystemen.