Сверхразрешающие микроскопы позволяют рассматривать мельчайшие детали, однако их ограниченность заключается в необходимости использования флуоресцентных меток. Такие метки обеспечивают структурную информацию, но не позволяют точно определить химический состав исследуемых объектов. В то же время вибрационные методы визуализации способны идентифицировать молекулы по их химическим связям без вмешательства в структуру образца.
Современные вибрационные методы сталкиваются с существенными трудностями. При поглощении светом средней инфракрасной области (MIR) в образце возникают физические изменения, например, сдвиги показателя преломления или акустические сигналы. Однако уровень сигнала при этом остается очень низким, что затрудняет достижение высокой разрешающей способности и ярко выраженного химического контраста одновременно.
Решение этой проблемы предложили исследователи Чжэцзянского университета (Китай) под руководством профессора Дэлонга Чжана. Их новая методика ― структурированная подсветка в среднеинфракрасной фототермальной микроскопии (SIMIP) ― описана в журнале Advanced Photonics. Эта технология обеспечивает разрешение, в два раза превышающее возможности традиционных микроскопов, и представляет собой значительный шаг вперед в области вибрационной визуализации для химического и биологического анализа на наноуровне.
SIMIP сочетает в себе два ключевых подхода. Первый — это технология структурированной подсветки (SIM), которая искусственно повышает пространственное разрешение. Второй — инфракрасная фототермальная детекция, предоставляющая химическую избирательность. В системе используются квантово-каскадный лазер (QCL) для возбуждения определенных молекулярных связей и создания локального нагрева, а также 488-нм непрерывноволновой лазер и пространственный модулятор света (SLM) для формирования полосовых (структурированных) узоров света под разными углами. Сигналы регистрируются научной CMOS-камерой.
Процесс работы построен на формировании полосовых интерференционных узоров, так называемых муаровых полос, которые кодируют высокочастотные детали в доступные для регистрации сигналы. Для получения изображения высокого разрешения сравниваются снимки, сделанные с поглощением вибраций и без него; далее с помощью вычислительных методов восстанавливаются изображения, обладающие как высокой химической, так и пространственной информативностью.
В системе задействованы алгоритмы Hessian SIM и разреженной деконволюции, что позволяет достигать пространственного разрешения до 60 нм. Скорость визуализации превышает 24 кадра в секунду. В тестовых экспериментах были использованы 200-нм микросферы из полиметилметакрилата с термочувствительными флуоресцентными красителями, а квантово-каскадный лазер сканировал спектральный диапазон 1420–1778 см-1. Результаты, полученные с помощью SIMIP, полностью совпали с данными классической Фурье-спектроскопии (FTIR).
SIMIP обеспечивает улучшение разрешения в 1,5 раза по сравнению со стандартной MIR-фототермальной микроскопией: ширина на полувысоте (FWHM) составила 335 нм против 444 нм у обычных методов. Также SIMIP позволяет различать полистирол и полиметилметакрилат даже в сверхплотных скоплениях, что невозможно для стандартной флуоресцентной микроскопии.
Дополнительная функциональность достигается переходом к точечному сканированию или применением зондирующего луча меньшей длины волны для широкополосного фототермального детектирования, что существенно расширяет совместимость с существующими оптическими платформами. Объединение SIM и MIP (среднеинфракрасной фототермальной микроскопии) обеспечивает высокоскоростную сверхразрешающую химическую визуализацию за пределами дифракционного предела.
SIMIP открывает новые перспективы для материаловедения, биомедицинских исследований, химического анализа, а также для детекции малых молекул и их взаимодействия с клеточными структурами. Среди ближайших задач — повышение точности временной синхронизации для увеличения скорости и достоверности съемки, а также исследование новых температурочувствительных красителей для повышения чувствительности. Для внедрения SIMIP в лабораторную практику требуются минимальные доработки оборудования, что делает метод доступным для широкого круга исследователей.
Изображение носит иллюстративный характер
Современные вибрационные методы сталкиваются с существенными трудностями. При поглощении светом средней инфракрасной области (MIR) в образце возникают физические изменения, например, сдвиги показателя преломления или акустические сигналы. Однако уровень сигнала при этом остается очень низким, что затрудняет достижение высокой разрешающей способности и ярко выраженного химического контраста одновременно.
Решение этой проблемы предложили исследователи Чжэцзянского университета (Китай) под руководством профессора Дэлонга Чжана. Их новая методика ― структурированная подсветка в среднеинфракрасной фототермальной микроскопии (SIMIP) ― описана в журнале Advanced Photonics. Эта технология обеспечивает разрешение, в два раза превышающее возможности традиционных микроскопов, и представляет собой значительный шаг вперед в области вибрационной визуализации для химического и биологического анализа на наноуровне.
SIMIP сочетает в себе два ключевых подхода. Первый — это технология структурированной подсветки (SIM), которая искусственно повышает пространственное разрешение. Второй — инфракрасная фототермальная детекция, предоставляющая химическую избирательность. В системе используются квантово-каскадный лазер (QCL) для возбуждения определенных молекулярных связей и создания локального нагрева, а также 488-нм непрерывноволновой лазер и пространственный модулятор света (SLM) для формирования полосовых (структурированных) узоров света под разными углами. Сигналы регистрируются научной CMOS-камерой.
Процесс работы построен на формировании полосовых интерференционных узоров, так называемых муаровых полос, которые кодируют высокочастотные детали в доступные для регистрации сигналы. Для получения изображения высокого разрешения сравниваются снимки, сделанные с поглощением вибраций и без него; далее с помощью вычислительных методов восстанавливаются изображения, обладающие как высокой химической, так и пространственной информативностью.
В системе задействованы алгоритмы Hessian SIM и разреженной деконволюции, что позволяет достигать пространственного разрешения до 60 нм. Скорость визуализации превышает 24 кадра в секунду. В тестовых экспериментах были использованы 200-нм микросферы из полиметилметакрилата с термочувствительными флуоресцентными красителями, а квантово-каскадный лазер сканировал спектральный диапазон 1420–1778 см-1. Результаты, полученные с помощью SIMIP, полностью совпали с данными классической Фурье-спектроскопии (FTIR).
SIMIP обеспечивает улучшение разрешения в 1,5 раза по сравнению со стандартной MIR-фототермальной микроскопией: ширина на полувысоте (FWHM) составила 335 нм против 444 нм у обычных методов. Также SIMIP позволяет различать полистирол и полиметилметакрилат даже в сверхплотных скоплениях, что невозможно для стандартной флуоресцентной микроскопии.
Дополнительная функциональность достигается переходом к точечному сканированию или применением зондирующего луча меньшей длины волны для широкополосного фототермального детектирования, что существенно расширяет совместимость с существующими оптическими платформами. Объединение SIM и MIP (среднеинфракрасной фототермальной микроскопии) обеспечивает высокоскоростную сверхразрешающую химическую визуализацию за пределами дифракционного предела.
SIMIP открывает новые перспективы для материаловедения, биомедицинских исследований, химического анализа, а также для детекции малых молекул и их взаимодействия с клеточными структурами. Среди ближайших задач — повышение точности временной синхронизации для увеличения скорости и достоверности съемки, а также исследование новых температурочувствительных красителей для повышения чувствительности. Для внедрения SIMIP в лабораторную практику требуются минимальные доработки оборудования, что делает метод доступным для широкого круга исследователей.
