En forskargrupp från Northwestern University har utvecklat en ny metod för att utföra spektroskopisk nanoskopi, ett tillvägagångssätt som kan hjälpa forskare att förstå mer komplicerade biomolekylära interaktioner och karakterisera celler och sjukdomar på singelmolekylnivå.

Det nya systemet, kallas asymmetriskt dispergerad spektroskopisk enkelmolekyllokaliseringsmikroskopi (SDsSMLM), bygger på befintliga sSMLM-tekniker utvecklade vid McCormick School of Engineering för att tillhandahålla mer exakt spektroskopisk analys av en enda molekyl för att studera hur celler bakom vissa cancerformer, eller sjukdomar som diabetisk retinopati, fungera i sina lokaliserade miljöer.

Medan nuvarande spektroskopiska enmolekylära lokaliseringsmikroskopitekniker uppnår superupplösningsavbildning och enmolekylspektroskopi samtidigt, nuvarande sSMLM-designer lider av minskad bildupplösning och spektral precision. Detta orsakas av att systemet delar ett ändligt antal emitterade fotoner - atomära partiklar som överför elektromagnetiskt ljus - mellan två separata kanaler för rumslig och spektral avbildning.

"Vi bör inte vara nöjda med att bara veta var en viss molekyl är eller var många molekyler finns utan att skilja deras egenskaper, " sa Hao Zhang, professor i biomedicinsk teknik, som ledde forskningen. "Vår metod gör det möjligt för oss att fullt ut använda alla fotoner från varje emission för både rumslig avbildning och spektralanalyser. Som ett resultat, vi förbättrade den rumsliga bildupplösningen och spektralprecisionen avsevärt jämfört med befintliga sSMLM-tekniker."

Ett papper som beskriver arbetet, med titeln "Symmetriskt dispergerad spektroskopisk enkelmolekyl lokaliseringsmikroskopi, " publicerades den 25 maj i tidskriften Ljus:Vetenskap och tillämpningar . Cheng Sun, professor i maskinteknik, var medförfattare på tidningen.

Till skillnad från befintliga sSMLM-metoder, som ofta använder ett 1:3-förhållande för att dela foton mellan de rumsliga och spektrala kanalerna, SDsSMLM förpliktar alla tillgängliga foton för att skapa två speglade spektralbilder. Detta tillvägagångssätt extraherar spektral information med högsta möjliga upplösning. Dessutom, eftersom bilderna är symmetriska, forskare kan fortfarande identifiera rumslig information genom att identifiera mittpunkten mellan de två spektrala bilderna.

Jämfört med en befintlig sSMLM som använder samma antal foton, forskarna fann att SDsSMLM förbättrade den rumsliga precisionen med 42 procent och den spektrala precisionen med 10 procent.

"Vi insåg att den rumsliga informationen totalt förbises i spektralbilden i befintliga sSMLM-tekniker, "Det här tillvägagångssättet tillåter oss att tillämpa alla tillgängliga fotoner för spektralanalys för att pressa upplösningsgränsen samtidigt som vi skaffar rumslig avbildning."

När det används tillsammans med spektroskopiska enmolekylära avbildningstekniker, SDsSMLM kan anpassas för 3-D cellulär avbildning, ett viktigt verktyg inom cellbiologi och materialvetenskap som gör det möjligt för forskare att spåra hur celler interagerar i sina miljöer.

"Denna teknik gäller för alla molekyler, oavsett deras emissionsspektra och minimala spektrala variationer, även bland samma arter av molekyler, ", sa Zhang. "Med förbättrad rumslig upplösning och spektral precision, sSMLM kommer att hitta bredare tillämpningar inom multimolekylavbildning i celler och tredimensionell spårning för individuella nanopartiklar i biologiska och kemiundersökningar."

Förutom systemets avancerade bildbehandlingsmöjligheter, SDsSMLMs kompakta karaktär möjliggör enkel integration och tillförlitlig drift med konventionella fluorescensmikroskopsystem. I kombination med ett plug-in med öppen källkod som forskarna utvecklade kallat RainbowSTORM, Zhang hoppas att andra medlemmar av det biologiska forskarsamhället kommer att införliva denna avancerade teknik i sitt eget arbete.

"Vår design är fristående och kan installeras i de flesta mikroskopsystem, " sade Zhang. "Vi hoppas att andra forskare drar nytta av det vi har skapat."