En mikroskopisk stötvåg har fotograferats som passerar genom en enda biologisk cell, tack vare en ny fotograferingsteknik. Nanosekundfotografering använder ultrasnabba elektroniska kameror för att ta bilder med en hastighet av en miljarddels sekund. Bildkvalitet och exponeringstid är dock vanligtvis begränsade.
Nu har ett team ledd av forskare vid University of Tokyo uppnått superfina bilder tagna över flera tidsskalor i hög hastighet med hjälp av ett system som de kallade spektrumkrets. Spektrumkrets överbryggar klyftan mellan optisk bildbehandling och konventionella elektroniska kameror, vilket möjliggör fotografering i ultrasnabba hastigheter med mindre oskärpa och mer precision. Denna teknik har potentiella tillämpningar för vetenskap, medicin och industri.
Timing kan vara allt inom fotografering och att ta bilder i hög hastighet är en speciell utmaning. Men tack vare framstegen inom kamerateknik kan vi nuförtiden se världen som aldrig förr. Oavsett om det är svetten på en tävlingscyklists panna, fokus i ögonen på en svepande falk eller, med den här senaste förbättringen inom nanosekundsfotografering, rörelsen av en stötvåg som passerar genom en mikroskopisk enkelcell i hög hastighet.
Uppsatsen är publicerad i tidskriften Science Advances .
"För första gången i historien, så vitt vi vet, har vi direkt observerat interaktionen mellan en biologisk cell och en chockvåg och experimentellt visat att hastigheten för chockvågen som utbreder sig inuti cellen är snabbare än utsidan av cellen. cell", förklarade Takao Saiki, doktorand från avdelningen för precisionsteknik vid University of Tokyo.
"Dessutom har vårt tillvägagångssätt gjort det möjligt för oss att demonstrera höghastighetsfotografering över ett brett tidsintervall, vilket inkluderar pikosekund (en biljondels sekund), nanosekund (en miljarddels sekund) och millisekund (en tusendels sekund) ) tidsskalor."
Att fånga tydliga bilder av celler utan att påverka deras struktur eller orsaka skada är mycket utmanande. För att säkert ta bilderna utvecklade forskarna en optisk precisionskrets, en krets som använder ljus istället för elektricitet, som de kallade spektrumkrets. Med spektrumkrets skapade de icke-skadliga laserpulser, som de ställde in för att avge vid olika tidpunkter. Genom att kombinera denna teknik med en existerande enbildsteknik för optisk bildbehandling som kallas sekventiellt tidsstyrd all-optical mapping photography, eller STAMP, kunde de ta serier av bilder med högre upplösning och mindre oskärpa än tidigare tillgängliga.
Teamet använde samma teknik för att titta på effekterna av laserablation på glas. Laserablation är användbar för att exakt ta bort fast material från en yta och används inom både industri och medicin. Forskarna fokuserade en ultrakort laserpuls bara 35 femtosekunder lång (en femtosekund är lika med en kvadrilliondels sekund) på en glasplatta. Med hjälp av spektrumkretsen observerade de laserns påverkan, de resulterande stötvågorna och effekten den hade på glaset under pikosekunder, nanosekunder och millisekunder.
"Vi kunde se samspelet mellan olika fysiska processer som äger rum över tiden, och hur de tog form", säger Keiichi Nakagawa, docent från institutionen för bioteknik och institutionen för precisionsteknik vid University of Tokyo. "Vår teknik ger möjligheter att avslöja användbara men okända höghastighetsfenomen genom att göra det möjligt för oss att observera och analysera sådana ultrasnabba processer.
"Närnäst planerar vi att använda vår avbildningsteknik för att visualisera hur celler interagerar med akustiska vågor, som de som används i ultraljud och stötvågsterapi. Genom att göra detta strävar vi efter att förstå de primära fysiska processerna som aktiverar efterföljande terapeutiska effekter hos människan kropp." Teamet vill också använda spektrumkretsar för att förbättra laserbehandlingstekniker, genom att identifiera de fysiska parametrarna som skulle möjliggöra snabbare, mer exakt, mer konsekvent och kostnadseffektiv tillverkning.
"Vi har alltid varit fascinerade av visualiseringens kraft för att förstå komplexa fenomen. Möjligheten att avslöja och visa delar av världen som tidigare var gömda drog oss verkligen till det här fältet", säger Nakagawa. "Vi förväntar oss att göra breda bidrag inom olika områden, från biomedicin till tillverkning, material, miljö och energi."
Mer information: Takao Saiki et al, Single-shot optisk bildbehandling med spektrumkretsöverbryggande tidsskalor i höghastighetsfotografering, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj8608
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av University of Tokyo
