En ny Rice University-teknik tar bilder av kemiska processer som sker snabbare än de flesta laboratoriekameror kan fånga dem.

Tekniken, super temporal resolution microscopy (STReM), tillåter forskare att se och samla användbar information om fluorescerande molekyler med en bildhastighet som är 20 gånger snabbare än vanliga labbkameror normalt tillåter.

Verket av Rice kemisten Christy Landes och hennes team, tillsammans med Rice elektriska ingenjör Kevin Kelly, visas i American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters .

Rice-forskarna börjar med en nobelvinnande mikroskopiteknik som betraktar objekt som molekyler i "superupplösning" - dvs. saker under diffraktionsgränsen som är mindre än de flesta mikroskop kan se.

"Superupplösningsmikroskopi låter oss avbilda saker som är mindre än ungefär hälften av synligt ljuss våglängd - runt 250 nanometer, " sa Landes. Men hon noterade en barriär:"Du kunde inte ta bilder av något snabbare än din bildhastighet, " Hon sa.

Rislabbets nya förbättring, som använder en roterande fasmask för att koda snabb dynamik i varje kamerabild, kommer att hjälpa forskare att förstå processer som sker vid gränssnitt som adsorption och desorption av proteiner eller molekylers banor när de rör sig längs tvådimensionella ytor.

Typiska kameror med laddningskopplad enhet (CCD) maxar vid bildhastigheter på 10 till 100 millisekunder, sa Landes. Medan andra tekniker som elektronmikroskopi kan se material i subnanoskala, superupplösningsmikroskopi har en tydlig fördel för ömtåliga prover som biomolekyler:den förstör dem inte i processen.

Tekniken manipulerar ljusets fas för att ge bilden vid detektorn en mer komplicerad form. Denna process hade tidigare använts av andra forskare för att koda var objektet befinner sig i tredimensionellt utrymme i en annars tvådimensionell bild.

Rislabbets bidrag var att notera att genom att manipulera fasen över tid, det skulle också vara möjligt att koda snabbare tidsupplösningar inom en långsam bildram. Således, gruppen designade och byggde en spinnfasmask. De resulterande bilderna fångar dynamiska händelser som sker snabbare än kamerans inneboende bildhastighet. Formen på varje bild inom en ram ger den effektivt en unik tidsstämpel.

Tekniken drar fördel av mikroskopi som är bekant för alla som någonsin tagit en suddig bild. Punktspridningsfunktioner är ett mått på formen på bilder både i och ur fokus. När försökspersonerna är så små som enstaka molekyler, att flytta in och ur fokus händer lätt, och storleken och formen på den resulterande oskärpan kan berätta för forskare hur långt från fokalplanet motivet är. Fasmaskteknik gör det möjligt att göra fokusberoende oskärpa lättare att upptäcka genom att introducera distinkta punktspridningsfunktioner. På film ser de ut som loberna på en skivstång och roterar i förhållande till fokus.

STReM använder punktspridningsfunktionsändringar från den snurrande masken för att samla in tidsinformation, sa Landes. Med den nya tekniken, förändringar i lobernas vinklar avslöjar den tid en händelse har inträffat inom varje bildruta.

"Syftet är att tillåta forskare att studera snabba processer utan att behöva köpa snabbare och mycket dyrare kameror, " sa Rice doktorand Wenxiao Wang, huvudförfattare till tidningen. "Detta innebär att extrahera mer information från enstaka bilder."

Landes, som nyligen vann ACS prestigefyllda Early Career Award in Experimental Physical Chemistry för sitt arbete med att integrera superupplösningsmikroskopi med informationsteori för att förstå proteinseparationer, sa att design och konstruktion av mekanismen kostade labbet bara några hundra dollar, en bråkdel av kostnaden för att köpa en snabbare kamera. Fasmasken är baserad på arbete av Kelly, som utnyttjade hans bidrag till Rices enpixelkamera för att designa vad som motsvarar en plastbit med variabel tjocklek som förvränger ljuset på vägen till CCD.

"Som enpixelkameran, vi gör kompressionsanalys, ", sa Landes. "Med den statiska fasmasken, tredimensionell information komprimeras till en 2D-bild. I detta speciella fall, vi har komprimerat snabbare information till en långsammare kamerabildhastighet. Det är ett sätt att få mer information i de pixlar som du har."

Medförfattare är postdoktorala forskningsassistenter Hao Shen och Lawrence Tauzin; doktorander Bo Shuang, Benjamin Hoener och Nicholas