Японские эксперты в области оптической физики разработали новый способ более детального изучения живых клеток. Они используют существующую технологию микроскопии, но расширяют динамический диапазон прибора. Метод, названный количественной фазовой визуализацией с адаптивным сдвигом динамического диапазона (ADRIFT-QPI), позволяет повысить четкость изображения, не добавляя флуоресцентные красители, сообщает пресс-служба Токийского университета. Подробное описание разработки появилось в журнале Light: Science & Applications.
Поскольку отдельные клетки почти прозрачны, объектив микроскопа должен обнаруживать очень тонкие различия в фазах света, проходящем через части клетки. Датчики изображения ограничены тем, какую разницу фаз света они могут обнаружить. Это ограничение называется динамическим диапазоном.
«Чтобы увидеть больше деталей с помощью того же датчика изображения, мы должны расширить динамический диапазон, который позволит обнаруживать меньшие фазовые изменения света», – отмечает Такуро Идегучи из Института фотонной науки и технологий Токийского университета.
Как это работает?
Количественная визуализация фазы посылает импульс светового потока к клетке, а затем измеряет фазовый сдвиг световых волн после того, как они проходят через клетку. После компьютерный анализ восстанавливает изображение основных структур внутри клетки.
Количественная фазовая визуализация – это мощный инструмент для исследования отдельных клеток, поскольку он позволяет исследователям проводить подробные измерения: например, отслеживать скорость 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 при традиционном подходе.
Новый метод ADRIFT-QPI преодолел ограничение динамического диапазона количественной фазовой визуализации. С помощью технологии ADRIFT-QPI камера микроскопа делает два изображения (в фотографии этот прием называется мультиэкспозицией) для отдельного измерения больших и малых изменений фазы света. Изображения затем накладываются друг на друга – и получается итоговая картинка, которая имеет в семь раз большую чувствительность, чем традиционные изображения количественной фазовой микроскопии.
Первая экспозиция получается с помощью обычного количественного фазового изображения – плоский световой пучок посылается в направлении образца, и фазовые сдвиги света измеряются после того, как он проходит через образец. Программа компьютерного анализа изображений создает снимок образца на основе первой экспозиции, а затем быстро создает «скульптурный» волновой фронт световой волны, который отражает изображение образца. Отдельный компонент, называемый устройством формирования волнового фронта, затем генерирует эту «световую скульптуру» с более высокой интенсивностью света (чтобы создать более мощное освещение) и направляет его в сторону образца для второй экспозиции.
Если при первой экспозиции получилось изображение, которое было идеальным представлением образца, сформированные на заказ световые волны второй экспозиции будут входить в образец в разных фазах, проходить через образец, а затем проявляться в виде плоского светового полотна.
Вторая экспозиция показывает 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, которое используются для второй экспозиции.
Дополнительный компьютерный анализ восстанавливает окончательное изображение образца с расширенным динамическим диапазоном по результатам двух измерений.
Преимущества метода
Тестирование метода показало, что ADRIFT-QPI создает изображения с чувствительностью, которая в семь раз больше, чем дает обычная количественная фазовая визуализация.
Метод ADRIFT-QPI не требует специального лазера, специального микроскопа или датчиков изображения. С его помощью ученые могут рассматривать живые клетки, не используя дополнительно флуоресценцию.
Еще одно преимущество: вероятность фототоксичности очень мала. Фототоксичность означает уничтожение клеток светом, что может стать проблемой при использовании некоторых других методов визуализации, таких как флуоресцентная визуализация.
[Иллюстрация: S-GRAPHICS.CO.JP, CC BY-NC-ND]
