Elingenjörer vid University of California San Diego utvecklade en teknik som förbättrar upplösningen av ett vanligt ljusmikroskop så att det kan användas för att direkt observera finare strukturer och detaljer i levande celler.

Tekniken förvandlar ett konventionellt ljusmikroskop till det som kallas ett superupplöst mikroskop. Det handlar om ett specialkonstruerat material som förkortar ljusets våglängd när det belyser provet - detta krympta ljus är det som i huvudsak gör det möjligt för mikroskopet att avbilda i högre upplösning.

"Detta material konverterar ljus med låg upplösning till högupplöst ljus, "sa Zhaowei Liu, professor i el- och datateknik vid UC San Diego. "Det är väldigt enkelt och lätt att använda. Lägg bara ett prov på materialet, lägg sedan det hela under ett normalt mikroskop - ingen snygg modifiering behövs. "

Arbetet, som publicerades i Naturkommunikation , övervinner en stor begränsning av konventionella ljusmikroskop:låg upplösning. Ljusmikroskop är användbara för avbildning av levande celler, men de kan inte användas för att se något mindre. Konventionella ljusmikroskop har en upplösningsgräns på 200 nanometer, vilket innebär att objekt som är närmare än detta avstånd inte kommer att observeras som separata objekt. Och även om det finns mer kraftfulla verktyg som elektronmikroskop, som har upplösningen att se subcellulära strukturer, de kan inte användas för att avbilda levande celler eftersom proverna måste placeras inuti en vakuumkammare.

"Den stora utmaningen är att hitta en teknik som har mycket hög upplösning och som också är säker för levande celler, "sa Liu.

Tekniken som Lius team utvecklade kombinerar båda funktionerna. Med det, ett konventionellt ljusmikroskop kan användas för att avbilda levande subcellulära strukturer med en upplösning på upp till 40 nanometer.

Tekniken består av ett mikroskopglas som är belagt med en typ av ljuskrympande material som kallas ett hyperboliskt metamaterial. Den består av nanometer-tunna alternerande lager av silver- och kiseldioxidglas. När ljuset passerar, dess våglängder förkortas och sprids för att generera en serie slumpmässiga fläckiga mönster med hög upplösning. När ett prov är monterat på bilden, det blir upplyst på olika sätt av denna serie av fläckiga ljusmönster. Detta skapar en serie bilder med låg upplösning, som alla fångas och sedan sammanfogas av en rekonstruktionsalgoritm för att producera en högupplöst bild.

Forskarna testade sin teknik med ett kommersiellt inverterat mikroskop. De kunde avbilda fina funktioner, såsom aktinfilament, i fluorescerande märkta Cos-7-celler-funktioner som inte är tydligt märkbara med hjälp av själva mikroskopet. Tekniken gjorde det också möjligt för forskarna att tydligt skilja små fluorescerande pärlor och kvantpunkter som var mellan 40 och 80 nanometer från varandra.

Superupplösningstekniken har stor potential för höghastighetsdrift, sa forskarna. Deras mål är att införliva hög hastighet, superupplösning och låg fototoxicitet i ett system för avbildning av levande celler.

Lius team utökar nu tekniken för att göra högupplöst bildbehandling i tredimensionellt utrymme. Detta aktuella papper visar att tekniken kan producera bilder med hög upplösning i ett tvådimensionellt plan. Lius team publicerade tidigare ett papper som visar att denna teknik också kan avbilda med ultrahög axiell upplösning (cirka 2 nanometer). De arbetar nu med att kombinera de två tillsammans.