Förmågan att observera hur livet fungerar på nanoskalanivå är en stor utmaning i vår tid.

Standard optiska mikroskop kan avbilda celler och bakterier men inte deras nanoskala egenskaper som är suddiga av en fysisk effekt som kallas diffraktion.

Optiska mikroskop har utvecklats under de senaste två decennierna för att övervinna denna diffraktionsgräns; dock, dessa så kallade superupplösningstekniker kräver vanligtvis dyra och utarbetade instrumentering eller avbildningsprocedurer.

Nu, Australiska forskare från ARC Center of Excellence for Nanoscale BioPhotonics (CNBP) rapporterar i Naturkommunikation ett enkelt sätt att kringgå diffraktionsbegränsningar med hjälp av vanliga optiska bildverktyg.

Huvudförfattarna Dr. Denitza Denkova, och Dr. Martin Ploschner från CNBP-noden vid Macquarie University säger, "Ett nära samarbete med biologer har inspirerat oss att leta efter en lösning som kan förvandla superupplösning från en komplex och dyr avbildningsmetod till en vardaglig bioavbildningsteknik."

Dr. Ploschner förklarar hur tekniken fungerar:"Vi har identifierat en speciell typ av fluorescerande markörer, så kallade uppkonverteringsnanopartiklar, som kan komma in i en regim där ljus som emitteras från partiklarna växer abrupt - på ett superlinjärt sätt - när det ökar excitationsljusintensiteten. Vår nyckelupptäckt är att om denna effekt utnyttjas under rätt avbildningsförhållanden, alla vanliga skanningsoptiska mikroskop kan spontant avbilda med superupplösning."

"Medan vi har valt att demonstrera denna uppkonverterings superlinjära excitationsemission (uSEE) på en av de mest använda typerna av optiska mikroskop - ett konfokalt mikroskop - kan praktiskt taget alla typer av skanningsmikroskop eller mikroskop som involverar variationer i belysningsintensiteten gynnas från denna spontana förbättring av resolutionen."

Dr. Denitza Denkova säger att uSEE-metoden förbättrar upplösningen bortom diffraktionsgränsen helt enkelt genom att minska belysningsintensiteten.

"Vårt tillvägagångssätt fungerar i motsatt riktning mot alla andra befintliga superupplösningsmetoder; ju lägre lasereffekt, ju bättre upplösning och desto lägre risk för fotoskador på bioproverna, " hon säger.

"Bäst av alla, superupplösning kan uppnås utan installationsändringar och bildbehandling. Således, denna metod har potential att komma in i alla biologiska labb, praktiskt taget utan extra kostnad."

"Värdet av vårt arbete är att förverkliga tekniken, för första gången, i en 3D biologisk miljö, med hjälp av biologiskt lämpliga partiklar. Vi föreslår en modifiering av nanopartiklarnas sammansättning och avbildningsförhållandena, vilket utlöser den spontana superupplösningen att inträffa under en praktiskt relevant mikroskopikonfiguration. Vi utvecklar också ett teoretiskt ramverk som tillåter slutanvändare att justera partikelsammansättningen och bildförhållandena och uppnå superupplösning i sin egen laboratoriemiljö."

"Vårt arbete gör det möjligt för mikroskopister att se på ett nytt sätt med sina befintliga verktyg."

CNBP nodledare vid Macquarie University, Professor James Piper AM, som också är författare på tidningen, säger att konceptet har funnits ett tag, men dess praktiska förverkligande var svårfångat på grund av behovet av att kombinera de distinkta forskningsfälten inom biologi, materialvetenskap, optisk teknik och fysik.

"CNBP erbjöd en idealisk mötesplattform för forskare med olika expertis att gå samman och ta idén från ritbordet till ett praktiskt bildverktyg, " säger professor Piper.