Ljusarkfluorescensmikroskopi är en spännande ny avbildningsmetod som utnyttjar tunna ljusark för att göra bilder av stora biologiska prover som flug- och fiskembryon, möss och till och med bitar av mänsklig vävnad. Och dess användning kan leda till mindre påträngande och mer effektiv diagnos för patienter.

Vid University of St Andrews, vi har nyligen utnyttjat de ovanliga egenskaperna hos formade laserstrålar för att få en klarare bild djupare inuti exemplar - med hjälp av strålar som böjer och kurvar runt hörn och blir ljusare, snarare än mörkare, när de reser.

I kontrast, om du håller ett finger kort framför en konventionell laserpekare kommer du att märka att ditt finger lyser när strålen sprider ljuset i alla riktningar och bara en liten mängd ljus – om någon – kommer igenom.

Mikroskopi har utvecklats i stor takt sedan utvecklingen för mer än 350 år sedan, men det är fortfarande utmanande att avbilda stora tredimensionella (3-D) prover. Detta betyder att biologiska prover tenderar att vara enstaka cellskikt odlade på en tunn glasskiva, vilket inte är ett väldigt realistiskt scenario.

Människor är 3D-varelser och sjukdomsforskning måste ta hänsyn till det. Om en person får en drog för en sjukdom, det skulle vara trevligt om det inte orsakade en till. Det är av denna anledning som mycket biomedicinsk forskning går mot 3D-modeller för att mer exakt studera sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons.

Dock, light-sheet fluorescensmikroskopi är en teknik som är särskilt lämpad för att snabbt och utan att orsaka några skador avbilda stora volymer. Geometrin för denna form av mikroskopi utvecklades ursprungligen i början av 1900-talet för att underlätta studiet av nanopartiklar.

Richard Zsigmondy vann Nobelpriset i kemi 1925 delvis för att utveckla denna teknik - men den gick senare ur användning. Det var först med tillkomsten av laserbelysning och naturligt förekommande fluorescerande biomarkörer som ljusarkmikroskopi, under de senaste två decennierna, såg en renässans inom biomedicinsk bildbehandling.

En bok man sträckläser

Bristen på kontrast i en bild kan visa sig vara en betydande vägspärr när det gäller att avbilda stora prover. Det motsvarar att försöka läsa en bok med transparenta sidor i mörkret.

Om du lyser med en fackla mot boken kommer orden på sidan att synas, men du kommer också att se orden framför och bakom sidan du läser - vilket gör det extremt svårt att avgöra vilket ord som kom från vilken sida. Samma problem gäller att försöka se inuti stora prover med fluorescensmikroskopi.

När du läser på ljusbladssättet, boken blir tillgänglig igen helt enkelt genom att hålla ficklampan mot sidan av boken och lysa den över varje sida separat.

I ljusarksmikroskopi, ett tunt ljusark skickas in på sidan av provet som skär tvärs över den del du vill titta på. Den här vägen, fluorescens genereras fortfarande i det intressanta planet men inte någon annanstans och slutresultatet är ett skarpt, tydlig bild. Genom att göra ljusarket tunnare, mindre föremål blir synliga.

Den verkliga utmaningen är att göra ett supertunt ljusark som skär över ett helt prov. Trots den innovativa avbildningsmetoden, ljusarket styrs fortfarande av optikreglerna. En vanlig laserstråle - känd som en gaussisk stråle - begränsas av divergens.

Om du fokuserar en gaussisk stråle ner till en punkt, det kommer att divergera och expandera efteråt. Om du fokuserar ner det mer hårt, det kommer att expandera snabbare. Detta begränsar längden på supertunna ljusark, och därför kan den inte användas för att avbilda stora föremål.

Forskare började utforska användningen av exotiska strålar med ovanliga egenskaper för att skapa ljusark under 2010. Dessa strålar fuskar divergens och ändrar inte sin form eller storlek när de reser och kan därför förbli tunna över mycket större avstånd än en vanlig gaussisk stråle, ger ett mikroskop med hög upplösning och en stor bildyta.

Exotiska balkar för vinsten

Besselbjälkar och luftiga balkar, som sägs ge en "trippel-vinst" för mikroskopi, är de mest anmärkningsvärda av exotiska strålar för att böja reglerna.

Inte bara möjliggör dessa exotiska strålar större upplösning över ett stort bildområde, men de sprider också ut sin energi och skyddar därigenom provet från intensiva laserbestrålningsskador. De motstår också spridning och blir därför inte förvrängda, vilket resulterar i ljusark och bilder av hög kvalitet.

Nyligen, vi har tagit ytterligare kontroll över formen på dessa specialbalkar, använder strålar och ljusark som kan växa i intensitet och bli ljusare när de reser. Att använda ljusark som blir ljusare innebär att vi får mer signal från djupt inuti prover där absorption normalt skulle göra att ljusskivan och bilden blir bullriga och mycket svagare.

Tekniken bygger på att kontrollera hur energi sprids ut i provet. Det naiva sättet att få mer signal från djupare områden i ett prov skulle vara att skruva upp lasereffekten vilket kan orsaka mycket skada på ytan av provet. Genom att selektivt koncentrera mer energi endast i de djupa skikten, vi kan öka signalen på ett sätt som inte ska skada provet.

Vår forskning har visat att detta formade ljusmetod är fördelaktigt för ljusarkavbildning, men vi förväntar oss också att det kan skjuta gränserna för en rad andra tekniker för optisk avbildning, såsom optisk koherens -tomografi - en slags "optisk ultraljud" -metod för att hitta många kliniska tillämpningar, inklusive retinalavbildning.

Det är en spännande tid att arbeta med sådana exotiska balkar.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.