Forskare vid ARCNL och Vrije Universiteit Amsterdam har utvecklat en kompakt installation för snabb, superupplösningsmikroskopi genom en ultratunn fiber. Genom att använda smart signalbehandling, de slår de teoretiska gränserna för upplösning och hastighet. Eftersom metoden inte kräver någon speciell fluorescerande märkning, det är lovande för både medicinska tillämpningar och karakterisering av 3D-strukturer i nanolitografi. Den 7 maj, resultaten publicerades i Ljus:Vetenskap och tillämpningar , en vetenskaplig tidskrift i Natur familj.

"Bildbehandling på nanoskala begränsas av våglängden på ljuset som används. Det finns sätt att övervinna denna diffraktionsgräns, men de kräver vanligtvis stora mikroskop och svåra bearbetningsprocedurer, " säger Lyuba Amitonova. "Dessa system är olämpliga för avbildning i djupa lager av biologisk vävnad eller på andra svåråtkomliga platser."

Amitonova startade nyligen en forskargrupp om Nanoscale Imaging and Metrology vid ARCNL. Hon är också ansluten på deltid till VU Amsterdam där hon arbetar med ultratunna fibrer för endomikroskopi i gruppen Johannes de Boer. Amitonova och de Boer har utvecklat ett sätt att övervinna diffraktionsgränsen i små system för att möjliggöra djupvävnadsavbildning med superupplösning.

Invers datakomprimering

Nyckeln till Amitonovas tillvägagångssätt är det faktum att inte all information i ett dataprov behövs för att skapa en meningsfull bild. "Tänk på digital fotografering, som använder JPEG-komprimeringsformatet för att begränsa mängden data i en bild. Kompressionen tar bort upp till nittio procent av bilden, men vi kan knappt se skillnaden, " säger hon. "Det här fungerar, eftersom alla konventionella bilder av verkliga objekt är "glesa, ' vilket innebär att de flesta bildpunkter inte innehåller någon information. I våra mått, vi använder denna sparsamma information på ett omvänt sätt, genom att bara förvärva tio procent av tillgänglig data och rekonstruera hela bilden via en matematisk beräkningsmetod."

Spräcklig stråle
I konventionell mikroskopi, prover belyses ofta punkt för punkt för att skapa en bild av hela provet. Detta tar mycket tid, eftersom högupplösta bilder kräver många datapunkter. Tillvägagångssättet som utvecklats av Amitonova och de Boer använder en fiber som producerar en fläckig laserstråle, som gör det möjligt att belysa många områden i provet samtidigt på ett slumpmässigt sätt. Det mångfacetterade ljuset som reflekteras av provet samlas sedan in som en enda datapunkt, från vilken relevant information extraheras genom beräkning. "Med punkt för punkt belysning, att ta 256 datapunkter skulle resultera i en bild på 256 pixlar. Med vår metod, samma antal mätningar skapar en bild med ungefär tjugo gånger så många pixlar, säger Amitonova. Alltså, kompressionsavbildning är mycket snabbare, men vi visar också att det är kapabelt att lösa detaljer som är mer än två gånger mindre än vad som kan lösas med konventionell diffraktionsbegränsad avbildning."

Etikettfri avkänning

Metoden utvecklades med minimalt invasiv bioavbildning i åtanke. Men det är också mycket lovande för avkänningstillämpningar inom nanolitografi, eftersom det inte kräver fluorescerande märkning, vilket är nödvändigt i andra metoder för superupplösningsavbildning. Amitonova kommer att utveckla konceptet ytterligare på ARCNL:"Fibrernas kompakthet gör dem mycket bekväma för att utveckla mätverktyg inom nanolitografi. De fiberbaserade sonderna ger en unik kombination av hög upplösning med ett stort synfält och kan enkelt användas i svåråtkomliga platser. Att vidareutveckla våra metoder kommer förhoppningsvis att resultera i ännu högre upplösning och hastighet. Metrologiska verktyg och medicinsk diagnostik är de mest sannolika områdena att dra nytta av våra resultat."