Forskare från Rice University har lagt till en ny dimension i deras genombrottsteknik som utökar kapaciteten hos vanliga laboratoriemikroskop.

Två år sedan, Rice lab of chemist Christy Landes introducerade super temporal resolution microscopy, en teknik som gjorde det möjligt för forskare att avbilda fluorescerande molekyler 20 gånger snabbare än traditionella labkameror normalt tillåter. De har nu utvecklat en allmän metod för att låta ett mikroskop fånga 3D-rumslig information tillsammans med den fjärde dimensionen, molekylär rörelse över tid.

Detta, de säger, kommer att hjälpa forskare som studerar dynamiska processer se var intressanta molekyler finns och hur snabbt de rör sig - till exempel i levande celler.

Rismetoden för att utöka möjligheterna för befintliga bredfältsfluorescensmikroskop beskrivs i teamets öppna åtkomstpapper i Optik Express .

Den beskriver skapandet av anpassade fasmasker:transparent, snurrskivor som manipulerar ljusets fas för att ändra formen på bilden som tas av mikroskopets kamera. Formen innehåller information om en molekyls 3D-position i rymden och hur den beter sig över tiden inom kamerans synfält.

En fasmask vänder det som verkar som ett besvär, den suddiga klumpen i en mikroskopbild, till en tillgång. Forskare ger denna blob ett namn - punktspridningsfunktion - och använder den för att få detaljer om objekt under diffraktionsgränsen som är mindre än alla synliga ljusmikroskop kan se.

Det ursprungliga verket använde en roterande fasmask som omvandlade ljus från en enda fluorescerande molekyl till vad forskarna kallade en roterande dubbel helix. Den tagna bilden syntes på kameran som två glödande skivor, som loberna på en skivstång. I det nya arbetet, de roterande skivstångarna låter dem inte bara se var molekylerna befann sig i det tredimensionella rummet, men gav också varje molekyl en tidsstämpel.

Hjärtat i det nya verket ligger i algoritmer av huvudförfattare och Rice el- och datatekniker alumn Wenxiao Wang. Algoritmerna gör det praktiskt att designa anpassade fasmasker som ändrar formen på punktspridningsfunktionen.

"Med dubbel helix fasmask, tiden information och rumslig information var anslutna, "sa medförfattaren Chayan Dutta, en postdoktor i Landes lab. "Lobernas rotation kan uttrycka antingen 3D-utrymme eller snabb tidsinformation, och det fanns inget sätt att se skillnaden mellan tid och rum. "

Bättre fasmasker löser det problemet, han sa. "Den nya fasmaskdesignen, som vi kallar en sträcklobsfasmask, avkopplar utrymme och tid, "Sa Dutta." När målen är på olika djup, loberna sträcker sig längre ifrån varandra eller kommer närmare, och tidsinformationen är nu kodad precis i rotationen. "

Tricket är att manipulera ljus vid den snurrande fasmasken för att optimera mönstret för olika djup. Det åstadkoms med brytningsmönstret som programmeras in i masken av algoritmen. "Varje lager är optimerat i algoritmen för olika detekteringsdjup, "sade doktorand och medförfattare Nicholas Moringo." Var tidigare, vi kunde se föremål i två dimensioner över tid, nu kan vi se alla tre rumsliga dimensioner och snabb tidsbeteende samtidigt. "

"Wide-field fluorescensmikroskop används på många områden, särskilt cellbiologi och medicinsk bildbehandling, "Landes sa." Vi har precis börjat visa hur manipulering av ljusets fas i ett mikroskop är ett relativt enkelt sätt att förbättra utrymme och tidsupplösning jämfört med att utveckla nya fluorescerande taggar eller konstruera nya hårdvaruförbättringar. "

Ett viktigt resultat som kan ha ett stort överklagande, Hon sa, är att forskarna generaliserade fasmasksdesignen så att forskare kan tillverka masker för att skapa praktiskt taget alla godtyckliga mönster. Att demonstrera, gruppen designade och tillverkade en mask för att skapa en komplex punktspridningsfunktion som stavar ut RICE på olika fokaldjup. En video visar de spöklika bokstäverna dyka upp och försvinna när mikroskopet rör sig till olika djup ovanför och under fokalplanet.

Sådan flexibilitet kommer att vara användbar för applikationer som att analysera processer inuti levande cancerceller, ett projekt som labbet hoppas kunna driva snart med Texas Medical Center -partners.

"Om du har en cell på en glasskiva, du kommer att kunna förstå var objekt i cellen är i relation till varandra och hur snabbt de rör sig, "Sa Moringo." Kameror är inte tillräckligt snabba för att fånga allt som händer i en cell, men vårt system kan. "