Автор AZoNano 4 января 2021

Эксперты в области оптической физики разработали новый способ более детального изучения живых клеток с использованием существующей технологии микроскопии и без необходимости добавления красителей или флуоресцентных красителей.

Поскольку отдельные клетки почти прозрачны, камеры микроскопов должны обнаруживать очень тонкие различия в свете, проходящем через части клетки.

Эти различия известны как фаза света. Датчики изображения камеры ограничены тем, какое количество разности фаз света они могут обнаружить, что называется динамическим диапазоном.

«Чтобы увидеть больше деталей с помощью того же датчика изображения, мы должны расширить динамический диапазон, чтобы мы могли обнаруживать более мелкие фазовые изменения света», – сказал доцент Такуро Идегучи из института Токийского университета. Фотонная наука и технология.

Исследовательская группа разработала технику, позволяющую делать две экспозиции для отдельного измерения больших и малых изменений фазы света, а затем плавно соединять их для создания окончательного изображения с высокой детализацией.

Они назвали свой метод количественной фазовой визуализации с адаптивным сдвигом динамического диапазона (ADRIFT-QPI) и недавно опубликовали свои результаты в Light: Science & Applications .

«Нашему методу ADRIFT-QPI не нужен специальный лазер, специальный микроскоп или датчики изображения; мы можем использовать живые клетки, нам не нужны никакие пятна или флуоресценция, и вероятность фототоксичности очень мала», сказал Идегучи.

Фототоксичность означает уничтожение клеток светом, что может стать проблемой при использовании некоторых других методов визуализации, таких как флуоресцентная визуализация.

Количественная фазовая визуализация посылает импульс плоского листа света к ячейке, а затем измеряет фазовый сдвиг световых волн после того, как они проходят через ячейку.

Компьютерный анализ затем восстанавливает изображение основных структур внутри клетки. Идегучи и его сотрудники ранее были пионерами других методов для улучшения количественной фазовой микроскопии.

Количественная фазовая визуализация является мощным инструментом для исследования отдельных клеток, поскольку позволяет исследователям проводить подробные измерения, такие как отслеживание скорости роста клетки на основе сдвига световых волн.

Однако количественный аспект метода имеет низкую чувствительность из-за низкой насыщающей способности датчика изображения, поэтому отслеживание наноразмерных частиц внутри и вокруг клеток невозможно с помощью обычного подхода.

Новый метод ADRIFT-QPI преодолел ограничение динамического диапазона количественной фазовой визуализации. Во время ADRIFT-QPI камера делает две экспозиции и создает окончательное изображение, которое имеет в семь раз большую чувствительность, чем традиционные изображения количественной фазовой микроскопии.

Первая экспозиция производится с помощью обычного количественного фазового изображения – плоский световой пучок направляется в направлении образца, и фазовые сдвиги света измеряются после того, как он проходит через образец.

Компьютерная программа анализа изображений создает изображение образца на основе первого экспонирования, а затем быстро создает скульптурный волновой фронт света, который отражает это изображение образца.

Отдельный компонент, называемый устройством формирования волнового фронта, затем генерирует эту «световую скульптуру» с более интенсивным светом для более сильного освещения и направляет его к образцу для второй экспозиции.

Если бы первая экспозиция давала изображение, которое было идеальным представлением образца, специально созданные световые волны второй экспозиции входили бы в образец в разных фазах, проходили через образец, а затем появлялись бы как плоский лист света , в результате чего камера не видит ничего, кроме темного изображения.

" Это интересная вещь: мы как бы стираем изображение образца. Мы не хотим видеть почти ничего. Мы отменяем большие структуры, чтобы мы могли видеть более мелкие в деталях, " Идегучи объяснил.

На самом деле первая экспозиция несовершенна, поэтому световые волны появляются с небольшими фазовыми отклонениями.

Вторая экспозиция выявила крошечные различия фазы света, которые были «размыты» большими различиями в первой экспозиции. Эта оставшаяся крошечная разница фаз света может быть измерена с повышенной чувствительностью из-за более сильного освещения, используемого во второй экспозиции.

Дополнительный компьютерный анализ восстанавливает окончательное изображение образца с расширенным динамическим диапазоном по результатам двух измерений.

В ходе демонстрации концепции, исследователи подсчитали, что ADRIFT-QPI создает изображения с в семь раз большей чувствительностью, чем обычная количественная фазовая визуализация.

Идегучи говорит, что истинным преимуществом ADRIFT-QPI является его способность видеть крошечные частицы в контексте всей живой клетки без необходимости каких-либо этикеток или пятен.

«Например, небольшие сигналы от наноразмерных частиц, таких как вирусы или частицы, движущиеся внутри и снаружи клетки, могут быть обнаружены, что позволяет одновременно наблюдать за их поведением и состоянием клетки», – сказал Идегучи.

Источник: https://www.u-tokyo.ac.jp/en/