Ett "kemiskt avbildningssystem" som använder en speciell typ av laserstråle för att tränga djupt in i vävnad kan leda till teknik som eliminerar behovet av att dra blod för analyser, inklusive drogtester och tidig upptäckt av sjukdomar som cancer och diabetes.

Systemet, kallad stimulerad Raman -projektionsmikroskopi och tomografi, möjliggör "volymetrisk avbildning" utan att använda fluorescerande färgämnen som kan påverka biologiska funktioner och hindra noggrannhet, sa Ji-Xin Cheng, professor i Purdue Universitys Weldon School of Biomedical Engineering, Institutionen för kemi och Birck Nanotechnology Center.

"Volymetrisk kemisk avbildning möjliggör en bättre förståelse av den kemiska sammansättningen av tredimensionella komplexa biologiska system som celler, " han sa.

Tekniken använder en typ av laserstråle som kallas en Besselstråle, som behåller fokus för ett längre avstånd än en traditionell "gaussisk stråle" som används i annan bildteknik, gör det möjligt att tränga djupt in i vävnaden. Stimulerad Raman -spektroskopi eliminerar behovet av fluorescerande färgämnen. Tekniken ger mer exakta data än andra metoder eftersom den tillåter avbildning av hela cellen genom att "lägga till" signaler som produceras från skanningsstrålen, Sa Cheng.

Eftersom Bessel-strålen möjliggör avbildning av djupvävnad, det kan leda till system som eliminerar behovet av att dra blod för analyser som läkemedelsprovning och upptäckt av biomarkörer för icke-invasiv tidig diagnos av sjukdomar, Sa Cheng.

"Detta är ett långsiktigt mål, "sa han." Under tiden, det behövs mycket mer forskning för att förbättra systemet. "

Forskarna bevisade konceptet genom att avbilda fettlagring i levande celler. Resultaten beskrivs i ett forskningsdokument som publiceras den 24 april i tidskriften Naturkommunikation .

Den rapporterade tekniken ger information om kemisk sammansättning, samla in en serie bilder samtidigt som provet roteras och 3D-strukturen rekonstrueras genom bildrekonstruktionsalgoritmer.

Bessel-strålen produceras med ett par konformade "axicon"-linser och kombineras med ett mikroskopobjektiv. Dess användning för volymetrisk fluorescensavbildning visades tidigare av fysikern Eric Betzig, som vann Nobelpriset i kemi 2014 för sitt banbrytande bidrag till superupplösningsfluorescensmikroskopi. Superupplösningsteknik gör det möjligt för forskare att lösa strukturella egenskaper som är mycket mindre än våglängden för synligt ljus, att undvika "diffraktionsgränsen" som normalt förhindrar avbildning av funktioner som är mindre än cirka 250 nanometer, som är stor jämfört med vissa biologiska molekyler och strukturer i celler.

Dock, fluorescensmikroskopi kräver vanligtvis användning av fluorescerande taggar, som kan störa biologiska processer och hindra noggrannhet vid bestämning av kemisk struktur.

Framtida forskning kommer att omfatta arbete för att öka systemets detekteringskänslighet och förbättra bildkvaliteten och hastigheten.

"Det finns gott om utrymme för förbättringar, "Sa Cheng." Systemet är baserat på en skrymmande och relativt dyr femtosekundlaser, vilket begränsar dess potential för bred användning och klinisk översättning. Ändå, vi räknar med att denna begränsning kan kringgås genom tekniska innovationer för att minska kostnaden och storleken på vår teknik. Vi noterar också att Bessel-strålen kan produceras med fibrer, vilket kan förenkla systemet och möjliggöra endoskopiska applikationer. "

Tidningen var författad av Xueli Chen, en gästforskare från Xidian University i Kina; Purdue postdoktoral forskningsassistent Chi Zhang; Purdue doktorander Peng Lin och Kai-Chih Huang; Xidian University forskare Jimin Liang och Jie Tian; och Cheng.