En ny bildteknik utvecklad av forskare vid MIT, Harvard Universitet, och Massachusetts General Hospital (MGH) syftar till att belysa cellulära strukturer i djup vävnad och andra täta och ogenomskinliga material. Deras metod använder små partiklar inbäddade i materialet, som avger laserljus.

Teamet syntetiserade dessa "laserpartiklar" i form av små ätpinnar, var och en mäter en liten bråkdel av ett människohårs bredd. Partiklarna är gjorda av blyjodidperovskit - ett material som också används i solpaneler, och som effektivt absorberar och fångar ljus. När forskarna lyser en laserstråle mot partiklarna, partiklarna lyser upp, avger normalt, diffust fluorescerande ljus. Men om de ställer in den inkommande laserns effekt till en viss "lasertröskel, "partiklarna kommer omedelbart att generera laserljus.

Forskarna, ledd av MIT -doktoranden Sangyeon Cho, visade att de kunde stimulera partiklarna att avge laserljus, skapa bilder med en upplösning sex gånger högre än de för nuvarande fluorescensbaserade mikroskop.

"Det betyder att om ett fluorescensmikroskops upplösning är satt till 2 mikrometer, vår teknik kan ha en upplösning på 300 nanometer-ungefär en sexfaldig förbättring jämfört med vanliga mikroskop, "Cho säger." Idén är väldigt enkel men mycket kraftfull och kan vara användbar i många olika bildbehandlingstillämpningar. "

Cho och hans kollegor har publicerat sina resultat i tidningen Fysiska granskningsbrev . Hans medförfattare inkluderar Seok Hyun Yun, en professor vid Harvard; Nicola Martino, forskare vid Harvard och MGH:s Wellman Center for Photomedicine; och Matjaž Humar, en forskare vid Jozef Stefan Institute. Forskningen gjordes som en del av Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology.

Ett ljus i mörkret

När du tänder en ficklampa i ett mörkt rum, att ljuset framstår som en relativt diffus, disig stråle av vitt ljus, representerar ett virvar av olika våglängder och färger. I skarp kontrast, laserljus är spetsigt fokuserat, monokromatisk ljusstråle, av en specifik frekvens och färg.

I konventionell fluorescensmikroskopi, forskare kan injicera ett prov av biologisk vävnad med partiklar fyllda med fluorescerande färgämnen. De pekar sedan en laserstråle genom en lins som leder strålen genom vävnaden, vilket gör att alla fluorescerande partiklar i dess väg tänds.

Men dessa partiklar, som mikroskopiska ficklampor, producera en relativt otydlig, luddigt sken. Om sådana partiklar skulle avge mer fokuserat, laserliknande ljus, de kan producera skarpare bilder av djupa vävnader och celler. Under de senaste åren har forskare har utvecklat laserljusemitterande partiklar, men Chos arbete är det första som applicerar dessa unika partiklar på avbildningsapplikationer.

Laserstickor

Teamet syntetiserade först smått, 6-mikron långa nanotrådar från blyjodidperovskit, ett material som gör ett bra jobb med att fånga och koncentrera fluorescerande ljus. Partiklarnas stavformade geometri-som Cho beskriver som "ätpinne-liknande"-kan tillåta en specifik våglängd av ljus att studsa fram och tillbaka längs partiklarnas längd, genererar en stående våg, eller mycket regelbunden, koncentrerat ljusmönster, liknar en laser.

Forskarna byggde sedan en enkel optisk installation, liknande konventionella fluorescensmikroskop, i vilken en laserstråle pumpas från en ljuskälla, genom en lins, och på en provplattform som innehåller laserpartiklarna.

För det mesta, forskarna fann att partiklarna avgav diffust fluorescerande ljus som svar på laserstimuleringen, liknande konventionella fluorescerande färgämnen, vid låg pumpeffekt. Dock, när de ställde in laserns effekt till en viss tröskel, partiklarna lyser avsevärt, avger mycket mer laserljus.

Cho säger att den nya optiska tekniken, som de har kallat LAser -partikelstimulerad utsläpp (LASE) mikroskopi, kan användas för att avbilda ett specifikt fokusplan, eller ett särskilt lager av biologisk vävnad. Teoretiskt sett han säger, forskare kan lysa in en laserstråle i ett tredimensionellt prov av vävnad inbäddad i hela med laserpartiklar, och använd en lins för att fokusera strålen på ett specifikt djup. Endast de partiklarna i strålens fokus kommer att absorbera tillräckligt med ljus eller energi för att tändas som lasrar själva. Alla andra partiklar uppströms banans stråle bör absorbera mindre energi och bara avge fluorescerande ljus.

"Vi kan samla allt detta stimulerade utsläpp och kan mycket enkelt skilja laser från fluorescerande ljus med hjälp av spektrometrar, "Cho säger." Vi förväntar oss att detta kommer att vara mycket kraftfullt när det appliceras på biologisk vävnad, där ljuset normalt sprids runt, och upplösningen är förstörd. Men om vi använder laserpartiklar, de kommer att vara de smala punkterna som kommer att avge laserljus. Så vi kan skilja från bakgrunden och uppnå bra upplösning. "

Giuliano Scarcelli, en biträdande professor vid University of Maryland, säger att teknikens framgång kommer att bero på framgångsrik implementering av den på ett standardfluorescensmikroskop. När det är uppnått, laseravbildningsapplikationer, han säger, är lovande.

"Det faktum att du har en laser kontra fluorescens betyder förmodligen att du kan mäta djupare i vävnad eftersom du har ett högre signal-brusförhållande, "säger Scarcelli, som inte var inblandad i arbetet. "Vi måste se i praktiken, men å andra sidan, med optik, vi har inget bra sätt att avbilda djup vävnad. Så all forskning om detta ämne är ett välkommet tillskott. "

För att implementera denna teknik i levande vävnad, Cho säger att laserpartiklar måste vara biokompatibla, vilka blyjodidperovskitmaterial inte är. Dock, teamet undersöker för närvarande sätt att själva manipulera celler för att lysa som lasrar.

"Vår idé är, varför inte använda cellen som en intern ljuskälla? "säger Cho." Vi börjar tänka på det problemet. "