Forskare har använt avancerade avbildningsmetoder för att uppnå superupplösande mikroskopi med aldrig tidigare skådade hastigheter. Den nya metoden bör göra det möjligt att fånga detaljer om processer som sker i levande celler med hastigheter som inte tidigare varit möjliga.

Superupplösningsteknik, kallas ofta nanoskopi, uppnå nano-skala upplösning genom att övervinna diffraktionsgränsen för ljus. Även om nanoskopi kan ta bilder av enskilda molekyler inuti celler, det är svårt att använda med levande celler eftersom hundratals eller tusentals bildrutor behövs för att rekonstruera en bild - en process som är för långsam för att fånga snabbt förändrade dynamik.

I Optica , The Optical Society's (OSA) tidskrift för högeffektiv forskning, utredare från den kinesiska vetenskapsakademien beskriver hur de använde den okonventionella bildmetoden som kallas spökbildning för att öka bildhastigheten för nanoskopi. Kombinationen ger nanometerupplösning med storleksordningar färre bildrutor än traditionella nanoskopitekniker.

"Vår avbildningsmetod kan potentiellt sondra dynamik som förekommer på millisekunders tidsskalor i subcellulära strukturer med rumslig upplösning på tiotals nanometer-den rumsliga och tidsmässiga upplösning vid vilken biologiska processer sker, "sade Zhongyang Wang, medledare för forskargruppen.

Kombinera tekniker för snabbare avbildning

Den nya metoden är baserad på stokastisk optisk rekonstruktionsmikroskopi (STORM), som var en av tre superupplösningstekniker som erkändes med Nobelpris 2014. STORM, som också ibland kallas fotoaktiverad lokaliseringsmikroskopi (PALM), är en bredfältsteknik som använder fluorescerande etiketter som växlar mellan ljusemitterande (på) och mörka (av) tillstånd. Skaffa hundratals eller tusentals ögonblicksbilder, var och en fångar delmängden av fluorescerande etiketter som är på vid en given tidpunkt, tillåter platsen för varje molekyl att bestämmas och användas för att rekonstruera en fluorescensbild.

Forskarna vände sig till spökbildning för att påskynda STORM -avbildningsprocessen. Spökbildning bildar en bild genom att korrelera ett ljusmönster som interagerar med objektet med ett referensmönster som inte gör det. Individuellt, ljusmönstren innehåller ingen meningsfull information om objektet. Forskarna använde också komprimering, en beräkningsmetod som möjliggör bildrekonstruktion med färre exponeringar eftersom den använder en algoritm för att fylla i den saknade informationen.

"Även om STORM kräver en låg densitet av fluorescerande etiketter och många bildramar, vårt tillvägagångssätt kan skapa en högupplöst bild med mycket få ramar och en hög densitet fluoroforer, "sa medledare för forskningsteamet Shensheng Han." Det behöver inte heller någon komplex belysning, vilket hjälper till att minska fotoblekning och fototoxicitet som kan skada dynamiska biologiska processer och levande celler. "

Förbättra bildeffektivitet

För att implementera den nya tekniken, forskarna använde en optisk komponent som kallas en slumpmässig fasmodulator för att förvandla fluorescens från provet till ett slumpmässigt fläckmönster. Genom att koda fluorescensen på detta sätt fick varje pixel i en mycket snabb CMOS -kamera att samla ljusintensitet från hela objektet i en enda ram. För att bilda bilden via spökbildning och komprimering, denna ljusintensitet korrelerades med ett referensljusmönster i ett enda steg. Resultatet blev mer effektivt bildförvärv och en minskning av antalet ramar som krävs för att bilda en högupplöst bild.

Forskarna testade tekniken genom att använda den för att avbilda en ring på 60 nanometer. Den nya metoden för nanoskopi kan lösa ringen med bara 10 bildramar medan traditionella STORM -tillvägagångssätt behövde upp till 4000 bilder för att uppnå samma resultat. Den nya metoden löste också en linjal på 40 nanometer med 100 bildramar.

"Vi hoppas att denna metod kan tillämpas på en mängd olika fluorescerande prover, inklusive de som uppvisar svagare fluorescens än de som används i denna forskning, "sade Wang. Forskarna vill också göra tekniken snabbare för att uppnå bildhastighetsavbildning med ett stort synfält och planerar att använda den för att skaffa 3D-bilder och färgbilder.