Hyperbolisches Metamaterial verwandelt konventionelles Lichtmikroskop in Super-Resolution Imager | Materialwissenschaft, Physik

Die von Forschern der University of California in San Diego entwickelte Speckle-MAIN-Technologie verwendet ein speziell entwickeltes Material, das die Wellenlänge des Lichts verkürzt, wenn es die Probe beleuchtet.

Speckle-MAIN-Bildgebung von Cos-7-Zellen: (a) beugungsbegrenztes Bild; Maßstabsleiste – 20 μm; (b) rekonstruiertes Speckle-MAIN-Bild; (c, d) vergrößerte Ansicht des weißen Kastenbereichs in (a); (e, f) vergrößerte Ansicht des weißen Kastenbereichs in (b); Maßstabsbalken: 2 μm. Bildnachweis: Lee et al., doi: 10.1038/s41467-021-21835-8.

Herkömmliche Lichtmikroskope haben eine Auflösungsgrenze von 200 Nanometern (nm), was bedeutet, dass Objekte, die näher als diese Entfernung sind, nicht als separate Objekte betrachtet werden.

Und obwohl es leistungsstärkere Werkzeuge wie Elektronenmikroskope gibt, die die Auflösung haben, subzelluläre Strukturen zu sehen, können sie nicht zur Abbildung lebender Zellen verwendet werden, da die Proben in einer Vakuumkammer platziert werden müssen.

„Die größte Herausforderung besteht darin, eine Technologie zu finden, die eine sehr hohe Auflösung hat und auch für lebende Zellen sicher ist“, sagte Professor Zhaowei Liu, Forscher am Department of Electrical and Computer Engineering, Material Science and Engineering Program, und Center for Memory and Aufnahmeforschung an der University of California, San Diego.

Mit der Speckle-MAIN-Technologie können mit einem herkömmlichen Lichtmikroskop lebende subzelluläre Strukturen mit einer Auflösung von bis zu 40 nm abgebildet werden.

Die Technologie besteht aus einem Objektträger, der mit einer Art lichtschrumpfendem Material beschichtet ist, das als hyperbolisches Metamaterial bezeichnet wird. Es besteht aus nanometerdünnen abwechselnden Schichten aus Silber- und Quarzglas.

Beim Durchgang von Licht verkürzen und streuen sich seine Wellenlängen, um eine Reihe zufälliger hochauflösender gesprenkelter Muster zu erzeugen.

Wenn eine Probe auf dem Objektträger montiert wird, wird sie durch diese Reihe von gesprenkelten Lichtmustern auf unterschiedliche Weise beleuchtet.

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Dadurch wird eine Reihe von Bildern mit niedriger Auflösung erstellt, die alle erfasst und dann von einem Rekonstruktionsalgorithmus zusammengesetzt werden, um ein Bild mit hoher Auflösung zu erzeugen.

„Das hyperbolische Metamaterial wandelt Licht mit niedriger Auflösung in Licht mit hoher Auflösung um“, Professor Liu.

„Es ist sehr einfach und leicht zu bedienen. Legen Sie einfach eine Probe auf das Material und legen Sie das Ganze dann unter ein normales Mikroskop – keine aufwendigen Modifikationen erforderlich.“

Professor Liu und Kollegen testeten ihre Technologie mit einem kommerziellen inversen Mikroskop.

Sie konnten feine Merkmale wie Aktinfilamente in fluoreszenzmarkierten Cos-7-Zellen abbilden – Merkmale, die mit dem Mikroskop selbst nicht klar erkennbar sind.

Die Technologie ermöglichte es den Wissenschaftlern auch, winzige fluoreszierende Kügelchen und Quantenpunkte mit einem Abstand von 40 bis 80 nm deutlich zu unterscheiden.

„Die Super-Resolution-Technologie hat großes Potenzial für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb“, sagten sie.

„Unser Ziel ist es, hohe Geschwindigkeit, Superauflösung und geringe Phototoxizität in einem System für die Bildgebung lebender Zellen zu vereinen.“

Die Arbeit des Teams wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

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Yu lee et al. 2021. Metamaterial-unterstützte Beleuchtungs-Nanoskopie über zufällige Super-Resolution-Speckles. Nat Common 12, 1559; doi: 10.1038/s41467-021-21835-8

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