Джеффри Филд, ученый-исследователь в области электротехники и директор Microscope Imaging Network CSU, спроектировал и построил флуоресцентный микроскоп, который сочетает в себе трехмерную обработку изображений с высоким разрешением, что также быстрее, чем сопоставимые методы.Работа, в соавторстве с Рэнди Бартелсом, профессором электротехники и компьютерной инженерии, и бывшим докторантом Дэвидом Винтерсом, была опубликована в Оптике, журнале Оптического общества Америки. Они назвали свой новый микроскоп CHIRPT: когерентная реконструкция голографического изображения с помощью фазового перехода.Полевые и другие ученые-оптики работают в мире компромиссов.
Например: в усовершенствованной методике визуализации глубоких тканей, называемой многофотонной флуоресцентной микроскопией, используется короткий яркий лазерный импульс, сфокусированный точно в одном пятне, и регистрируется интенсивность флуоресценции от этого одного пятна. Затем лазер перемещается к следующему пятну, затем к следующему, чтобы построить 3D-изображения с высоким разрешением.
Этот метод предлагает детализацию на субклеточном уровне, но он относительно медленный, поскольку освещает только одно крошечное пятно за раз.Другие методы, такие как конфокальная микроскопия с вращающимся диском, работают быстрее, потому что они освещают несколько точек, а не только одно, и одновременно сканируют большую площадь. Но в отличие от многофотонных, эти методы требуют получения изображения камерой.
В результате флуоресцентный свет, излучаемый образцом, размывается на камере, что приводит к потере разрешения и, как следствие, субклеточных деталей.Назовите их жадными, но Филд и его коллеги хотят всего этого.
Их цель — обойти каждое из этих ограничений — скорость, разрешение, размер поля — и преодолеть установленные границы в световой микроскопии.Новый микроскоп Филда и Бартелса основан на ранее опубликованной методике и позволяет осуществлять цифровую перефокусировку флуоресцентного света. Он освещает не одну точку, а несколько точек, используя делокализованное освещение, распределенное по большой площади.
Физические принципы, которые они используют, аналогичны голографии, в которой рассеянный свет используется для построения трехмерного изображения.Используя большое поле освещения с последующей внутренней обработкой сигнала, микроскоп может определять различные модели модуляции света многих точек в пределах поля зрения. Он создает трехмерное изображение, комбинируя сигналы от всех этих различных паттернов.«Идея состоит в том, что у вас есть флуорофор в любой точке образца, и временная структура его флуоресценции будет отличаться от всех остальных», — сказал Филд. «Таким образом, у вас может быть этот огромный массив флуорофоров, и только с помощью этого однопиксельного детектора вы можете определить, где каждый из них находится в этом 2D-поле».
Так что же позволяет эта новая техника? Трехмерные изображения глубоких тканей с большей глубиной резкости, чем у сопоставимых методов.
Глубина резкости, как и в фотографии, означает, что фоновые изображения находятся в четком фокусе вместе с основным изображением. И исследователи CSU могут работать со скоростью 600 кадров в секунду, что во много раз быстрее, чем традиционные методы.С их новым микроскопом изображения также можно подвергнуть последующей обработке для удаления аберраций, скрывающих интересующий объект.
Это похоже на возможность сфокусировать фотографию после того, как она была сделана.Микроскоп CHIRPT может позволить биомедицинским исследователям получать четкие трехмерные изображения клеток или тканей в гораздо большем объеме, чем позволяют традиционные методы флуоресцентной микроскопии.
Это может привести к таким вещам, как визуализация многоклеточных процессов в реальном времени, которые с помощью обычного светового микроскопа можно было бы увидеть только по одной клетке за раз.