Under 2014, en internationell trio vann Nobelpriset i kemi för att utveckla superupplöst fluorescensmikroskopi, en teknik som gjorde det möjligt att studera molekylära processer i levande celler.
Nu har ett Northwestern Engineering-team förbättrat denna banbrytande teknik genom att göra den snabbare, enklare, billigare, och öka dess upplösning med fyra gånger.
"Trots framgången med elektronmikroskopi och skannsondsmikroskoptekniker, det har funnits ett behov av en optisk avbildningsmetod som kan avslöja inte bara nanoskopiska strukturer utan även de fysikaliska och kemiska fenomen som förekommer på nanoskalanivå, sa Hao Zhang, docent i biomedicinsk teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering. "Vi föreställer oss att vår teknik kan åstadkomma detta."
Leds av Zhang, Northwestern-teamet utvecklade en ny optisk bildplattform med superupplösning baserad på spektroskopi, en typ av bildbehandling som undersöker hur materia reagerar på ljus. Kallas spektroskopisk fotonlokaliseringsmikroskopi (SPLM), plattformen kan analysera enskilda molekyler med sub-nanometer upplösning.
Den nya teknikplattformen utnyttjar fotonlokaliseringsmikroskopi (PLM), som fångar inneboende spektroskopiska signaturer av emitterade fotoner, eller lätta partiklar, för att identifiera specifika molekyler. Aktuell spektroskopisk bildbehandling och PLM-teknik kräver flera fluorescerande färgämnen för att förbättra kontrasten i de resulterande mikroskopiska bilderna. Kan inte skilja mellan färgämnen, dessa tekniker spelar in flera bilder från olika diskreta våglängdsband.
Northwestern-lagets SPLM, dock, kan karakterisera flera färgämnesmolekyler samtidigt, öka avbildningshastigheten i flerfärgade prover. Att ta bort behovet av att spela in flera bilder gör bildbehandlingsprocessen enklare och billigare. SPLM är också tillräckligt känslig för att skilja mindre skillnader från samma typ av molekyler.
"Människor behöver en serie filter och kameror för att separera fotoner med olika färger och skaffa information, ", sade Zhang. "Det kan vara ganska komplicerat och dyrt om flera kameror används. Genom att använda vår teknik, vi kan ta flerfärgsbilder utan filter eftersom vi vet vilken färg som är associerad med vilka fotoner samtidigt."
Stöds av ett Northwestern Engineering-forskningskatalysatorpris, forskningen beskrevs online den 25 juli i Naturkommunikation . Vadim Backman, Walter Dill Scott professor i biomedicinsk teknik, och Cheng Sun, docent i maskinteknik, fungerade som medförfattare till tidningen. Biqin Dong, en postdoktor i Zhangs laboratorium, och Luay Almassalha, en doktorand i Backmans laboratorium, är medförfattare till studien.
Medan Zhang planerar att tillämpa denna nya teknik på sin egen forskning inom optisk bildbehandling, han tror att det kommer att vara användbart för många områden, från materialvetenskap till biovetenskap.
"Vårt tillvägagångssätt förbättrar inte bara existerande superupplösningsavbildning genom att fånga molekylspecifika spektroskopiska signaturer, " han sa, "det kommer potentiellt att ge en universell plattform för att nysta upp nanoskalamiljöer i komplexa system på enmolekylnivå."
