Optiline hajumine on bioloogilise pildistamise jaoks tõeline probleem. Vältides valguse fokuseerimist sügavale bioloogilisse koesse, piiravad hajumise efektid pildistamise sügavust umbes 100 mikronini, tekitades ainult häguseid pilte. Uus tehnika, mida nimetatakse ultraheliga indutseeritud optiliseks puhastusmikroskoopiaks, võib seda kaugust suurendada rohkem kui kuus korda tänu mõnevõrra vastupidisele sammule, milleks on gaasimullide kihi sisestamine pildistatavasse piirkonda. Selle mullikihi lisamine tagab, et footonid ei kaldu läbi proovi levides kõrvale.
Optiline hajumine tekib siis, kui valgus interakteerub selle lainepikkusest väiksemate struktuuridega. Langev valgus häirib struktuuris elektrone, moodustades võnkuvaid dipoolmomente, mis kiirgavad valgust mitmes erinevas suunas.
"Tehnikaid, nagu konfokaalne mikroskoopia, kasutatakse laialdaselt eluteaduste uuringutes, nagu vähk ja ajukoe kuvamine, kuid need on selle probleemi tõttu piiratud, " selgitab. Jin Ho Chang kell DGIST (Daegu Gyeongbuki teaduse ja tehnoloogia instituut) Koreas. "Kujutise sügavuse piirang on peamiselt tingitud sellest, et langevad footonid on optilise hajumise tõttu oma esialgsest levimissuunast tugevalt kõrvale kaldunud. Tõepoolest, hajutamata footonite arv väheneb eksponentsiaalselt koos footonite läbitud vahemaaga, nii et valgust ei saa pärast umbes 100 mikroni sügavust tihedalt fokuseerida.
Kuigi teadlased on selle piirangu kõrvaldamiseks välja töötanud erinevat tüüpi valguse lainefrondi kujundamise tehnikaid, ei saa neist ühtki kasutada kolmemõõtmeliste kujutiste tegemiseks. Need muud tehnikad nõuavad ka suure jõudlusega optilisi mooduleid ja keerukaid optikasüsteeme.
Mullipilves pole optilist hajumist
Viimases töös töötasid Chang ja kolleegid välja uue lähenemisviisi, mille kohaselt nad kasutavad suure intensiivsusega ultraheli, et tekitada gaasimulle kujutise tasapinna ees asuvas koes. Et vältida mullide kokkuvarisemist ja võimalikku koe kahjustamist, edastasid teadlased laserskaneeriva mikroskoobi kuvamisprotsessi ajal pidevalt madala intensiivsusega ultraheli, säilitades kogu aeg pideva mullide voo. Nad leidsid, et kui gaasimullide kontsentratsioon mahus on suurem kui 90%, ei koge kujutislaseri footonid gaasimullide piirkonnas (mida nimetatakse "mullipilveks") peaaegu üldse optilist hajumist. Selle põhjuseks on asjaolu, et ajutiselt tekitatud gaasimullid vähendavad optilist hajumist langeva valguse levimisega samas suunas, suurendades seega selle läbitungimissügavust.
"Selle tulemusel saab laserit tihedalt fokuseerida pildistamistasandile, millest kaugemale ei saa tavaline laserskaneeriv mikroskoopia teravaid pilte," räägib Chang. Füüsika maailm. "See nähtus on analoogne keemilistel ainetel põhineva optilise puhastamisega, mistõttu nimetasime oma lähenemisviisi ultraheliga indutseeritud optilise puhastusmikroskoopiaks (US-OCM)."
Erinevalt tavapärastest optiliste puhastusmeetoditest suudab UC-OCM lokaliseerida optilise puhastuse huvipakkuvas piirkonnas ja taastada selle piirkonna algsed optilised omadused, kui mullivoog on välja lülitatud. See tähendab, et meetod peaks olema eluskoele kahjutu.
Teadlaste sõnul, kes kirjeldavad oma tööd loodus Fotoonika, US-OCM-i peamised eelised on järgmised: kujutise sügavuse suurenemine rohkem kui kuue korda eraldusvõimega, mis on sarnane tavapärase lasermikroskoopia omaga; kiire pildiandmete kogumine ja kujutise taastamine (ühe 125 x 403 pikslist koosneva kaadripildi jaoks on vaja vaid 403 millisekundit); ja lihtsalt saadavad 3D-pildid.
Ja see pole veel kõik: meeskond juhib tähelepanu sellele, et uue meetodi rakendamiseks on tavapärase laserskaneeriva mikroskoopia seadistusse vaja lisada ainult suhteliselt lihtne akustiline moodul (üks ultraheliandur ja muunduri juhtimissüsteem). Seda tehnikat võiks laiendada ka teistele laserskaneeriva mikroskoopia tehnikatele, nagu multifotoon- ja fotoakustiline mikroskoopia.
Ultraheli ja valgust on lihtne kombineerida
"Ma isiklikult usun, et hübriidtehnoloogia arendamine on üks uusi uurimissuundi ning ultraheli ja valgust on suhteliselt lihtne kombineerida, et maksimeerida nende eeliseid, täiendades samal ajal üksteise puudusi, " ütleb Chang. "Ultraheli alal töötavad teadlased on juba pikka aega teadnud, et tugev ultraheli võib tekitada bioloogilises koes gaasimulle ja need võivad kudesid kahjustamata täielikult kaduda."
Kerkeri hajumine määrab osakesed subatomilise täpsusega
Katse idee tekkis aruteludel DGISTi optikaspetsialisti Jae Youn Hwangiga. Mõte oli, et ultraheliga indutseeritud gaasimulle võiks kasutada optilise puhastusainena, kui need suudavad huvipakkuvas piirkonnas kuidagi tihedalt pakitud mullid tekitada. "Tavapärane optiline puhastamine tugineb asjaolule, et optiline hajumine on minimaalne, kui valguse hajutajate murdumisnäitajad koes on üksteisega sarnased, " selgitab Chang. "Hajutajate kõrge murdumisnäitaja vähendamiseks kasutatakse keemilisi aineid, nii et see läheneb koe enda murdumisnäitajale."
DGIST-i meeskonna sõnul võib seda tehnikat kasutada kõrge eraldusvõimega ajukoe kuvamiseks, Alzheimeri tõve varaseks diagnoosimiseks ja vähikoe täpseks diagnoosimiseks koos endoskoobitehnoloogiaga. "Usun ka, et selle uuringu põhikontseptsiooni saab rakendada optiliste teraapiate puhul, nagu fototermilised ja fotodünaamilised teraapiad, et parandada nende tõhusust, kuna need kannatavad ka piiratud valguse läbitungimise tõttu, " ütleb Chang.
