Kontraintuitiv defokuseringsteknik producerar 3D-mikroskopbilder

En av historiens stora uppfinningar var utvecklingen av mikroskopet. Förmågan att se den enorma variationen av liv och mönster i en så liten skala förändrade vår förståelse av världen och vårt förhållande till den.

Sedan dess har mikroskopister förbättrat sina instrument dramatiskt så att de spelar in inte bara med synligt ljus utan andra våglängder och till och med med andra inspelningsmedier helt som elektroner och neutroner och så vidare.

En av de svåraste utmaningarna är dock att bestämma den tredimensionella strukturen hos små föremål. Friska röda blodkroppar, till exempel, har en berömd munkformad struktur och förändringar i denna struktur är en viktig indikator på olika sjukdomar och tillstånd.

Dessa former är enkla att se men att bestämma hela deras 3D-struktur med en upplösning på några hundra nanometer är svårt; inte minst för att röda blodkroppar till stor del är genomskinliga och svåra att se med vanlig ljusfältsmikroskopi.

Idag avslöjar Paula Roma och kompisar vid det federala universitetet i Minas Gerais i Brasilien en ny och relativt enkel teknik för att bestämma hela 3D-strukturen av röda blodkroppar baserat på den kontraintuitiva tekniken att defokusera.

Biologer har länge insett begränsningarna av ljusfältsmikroskopi med biologiska prover eftersom många är till stor del genomskinliga. (Ljusfältsmikroskopi är den vanliga mikroskoptekniken som de flesta stöter på i gymnasiet.)

Ljus lyser på eller genom provet och avslöjar allt som starkt absorberar eller sprider ljus.

Problemet är att allt som är genomskinligt är mer eller mindre osynligt eftersom ljuset passerar rakt igenom det. Och tyvärr faller många biologiska prover i denna kategori - inklusive röda blodkroppar som till stor del är genomskinliga.

Ett sätt att göra detta är att oskadliggöra bilden något. Eftersom de röda blodkropparna har ett brytningsindex böjer de ljuset som passerar genom det. Denna böjning introducerar en fasförändring i ljuset.

Denna fasförändring gör det lättare att separera detta ljus från ljus som inte har passerat genom cellen. Och genom att göra detta blir de röda blodkropparna mörkare och lättare att se.

Det möjliggör mer detaljerad analys av cellerna. Genom att mäta förändringarna i intensitet som denna process introducerar, är det möjligt att räkna ut formen på den yta som genererar fasförändringarna. Så det ger en tredimensionell bild av cellens övre yta.

Nu säger Roma och co att det är möjligt att gå längre. De visar att genom att ta två bilder av cellen, båda ofokuserade i olika mängd, är det möjligt att räkna ut formen på cellens bottenyta också. Med andra ord, den här konstiga sortens ofokuserade stereobild ger dig 3D-formen av hela cellen.

Resultaten är imponerande. Tekniken fungerar med vanligt vitt ljus, även om detta måste filtreras för att ta bort de röda våglängder som röda blodkroppar kan absorbera.

För att få två bilder av samma cell använder Roma och co en stråldelare för att skicka ljus till två kameror som båda är ofokuserade olika mycket. Resultaten kan sedan bearbetas med en enkel algoritm för att producera 3D-bilder av cellerna

För att testa idén placerade Roma och co röda blodkroppar i olika koncentrationer av saltlösningar för att få dem att svälla. De spelade in bilder av 25 celler och bearbetade resultaten, som visas ovan.

De säger att bilderna har en upplösning inom 300 nanometer, betydligt bättre än vad som är möjligt med liknande tekniker. I synnerhet visar de hur cellerna fäster på ytan de är fästa vid.

Upplägget är också relativt okomplicerat. Tekniken kan lätt antas av icke-specialister, säger de.

Det är ett intressant resultat som visar hur fascinerande lågkostnadsframsteg fortfarande kan göras inom mikroskopi.

Ref: http://arxiv.org/abs/1404.2968 : Total 3D-avbildning av fasobjekt med defokuseringsmikroskopi: Användning o röda blodkroppar

Dölj