Forskare från ITMO University har byggt en installation för att spela in hologram av små föremål som levande celler med femtosekundhastigheter. Den nya metoden rekonstruerar fas -topografin för ett prov enligt deformationer som uppstår i en laserpuls när det passerar genom provet. I jämförelse med elektronmikroskop, enheten kan visualisera transparenta biologiska strukturer utan att införa kontrastmedel. Tidningen publicerades i Tillämpad fysikbokstäver .

Levande cellers vitala aktivitet är en komplex sekvens av biokemiska reaktioner och fysiska processer; många av dem sker med hög tidsupplösning. För att registrera sådana snabba omvandlingar, forskare behöver mer exakt och snabbare utrustning. Biologisk vävnad kan studeras med ett elektronmikroskop, men denna metod kräver att ett speciellt färgämne införs i provet. Färgämnet gör att celler kontrasterar, även om det kan påverka deras ämnesomsättning. Digitala holografiska mikroskop kan hantera denna nackdel, men har låg rumslig upplösning.

Den nya kameran som skapats av ITMO -forskare kan registrera snabba processer i transparenta exemplar och ger ökad upplösning av bilder inom ett brett spektrum. Enheten registrerar fasdeformationer av ultrakorta femtosekundlaserpulser som dyker upp när ljus passerar genom provet. Fasbilderna, eller hologram, kommer att bidra till bättre förståelse av autoimmuna mekanismer, onkologiska och neurodegenerativa sjukdomar, samt övervakning av celler under kirurgiska ingrepp som cancerterapi.

"Vår enhet hjälper biologer och genetiska ingenjörer att spåra vad som händer inne i en levande cell med en upplösning på cirka 50 femtosekunder - detta är tillräckligt för att lösa många biokemiska reaktioner. Teoretiskt sett, kameran kan till och med fånga en elektron som hoppar till en annan bana. Vi kan nu studera cellernas livskraft när vi påbörjar vissa processer, till exempel, värma eller överföra virus och celler i tredimensionellt utrymme med hjälp av femtosekundlaserstrålning. Enheten stöder också spårning av celltillstånd vid förändring av pH, lägga till och redigera genetiskt material, "säger Arseny Chipegin, huvudförfattare till uppsatsen och forskare vid Laboratory of Digital and Display Holography vid ITMO University.

För analysen, en femtosekund laserstråle delas i tre. Den första strålen har 95 procent energi och startar processen; två andra balkar används för diagnostik. Den andra, känd som objektstrålen, passerar genom provet. Den tredje, en referensstråle, böjs av speglar och går runt. Strålarna möts bakom provet, där de bildar ett interferensmönster av ljusa band. Remsorna uppstår när toppar av ljusvågor överlappar och förstärker varandra.

Genom att justera speglarnas position, forskarna fördröjer referensstrålen, tvingar den att möta den första vid olika tidpunkter. Med andra ord, den andra strålen skannar den som passerar genom provet. Varje kollision av strålarna registreras på ett subhologram. En snabb datoralgoritm sammanställer alla subhologram i en serie.

Enheten tar bort en av de viktigaste frågorna för digital holografisk mikroskopi som är förknippad med ökande upplösningskapacitet hos ett system vid inspelning av hologram. "Tekniskt, vi kan skala bilderna dussintals gånger, inställning av förstoringssystemet mellan objektet och kameran. Detta förbättrar inte bara upplösningen, mätnoggrannheten ökar, för, eftersom antalet störningsband inte ändras. Således, det är möjligt att beräkna fasskillnaden mellan objektet och referensstrålarna mer exakt, "säger Nikolai Petrov, chef för Laboratory of Digital and Display Holography.

Enligt forskarna, forskningen kommer att fortsätta. Det utvecklade systemet är utformat för att vara enklare än många moderna mikroskop, men har flera fördelar när det gäller inspelning och bearbetning av hologram.