Optinen sironta on todellinen ongelma biologisessa kuvantamisessa. Estämällä valoa keskittymästä syvälle biologiseen kudokseen, sirontavaikutukset rajoittavat kuvantamissyvyyden noin 100 mikroniin, mikä tuottaa vain epäselviä kuvia. Uusi tekniikka, jota kutsutaan ultraääni-indusoiduksi optiseksi puhdistumamikroskoopiksi, voisi lisätä tätä etäisyyttä yli kuusinkertaiseksi, koska kuvattavalle alueelle asetetaan kerros kaasumaisia kuplia. Tämän kuplakerroksen lisääminen varmistaa, että fotonit eivät poikkea, kun ne etenevät näytteen läpi.
Optinen sironta tapahtuu, kun valo on vuorovaikutuksessa sen aallonpituutta pienempien rakenteiden kanssa. Tuleva valo häiritsee elektroneja rakenteessa muodostaen värähteleviä dipolimomentteja, jotka lähettävät valoa uudelleen moniin eri suuntiin.
"Konfokaalimikroskopian kaltaisia tekniikoita käytetään laajalti life science -tutkimuksessa, kuten syövän ja aivokudoksen kuvantamisessa, mutta ne ovat tämän ongelman vuoksi rajallisia", selittää. Jin Ho Chang klo DGIST (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology) Koreassa. "Kuvaussyvyyden rajoitus johtuu pääasiassa siitä, että sattuvat fotonit poikkeavat voimakkaasti alkuperäisistä etenemissuunnistaan optisen sironnan seurauksena. Siromattomien fotonien määrä todellakin pienenee eksponentiaalisesti fotonien kulkeman matkan myötä, joten valoa ei voida tiiviisti fokusoida noin 100 mikronin syvyyden jälkeen.
Vaikka tutkijat ovat kehittäneet erilaisia valon aaltorintaman muotoilutekniikoita tämän rajoituksen korjaamiseksi, yhtäkään niistä ei voida käyttää kolmiulotteisten kuvien ottamiseen. Nämä muut tekniikat vaativat myös korkean suorituskyvyn optisia moduuleja ja kehittyneitä optisia järjestelmiä.
Ei optista sirontaa kuplapilvessä
Uusimmassa työssä Chang ja kollegat kehittivät uuden lähestymistavan, jossa he käyttävät korkean intensiteetin ultraääntä kaasukuplien tuottamiseen kuvaustason edessä sijaitsevaan kudostilavuuteen. Estääkseen kuplien romahtamisen ja mahdollisesti kudoksen vahingoittumisen tutkijat lähettivät matalan intensiteetin ultraääntä jatkuvasti laserpyyhkäisymikroskoopin kuvantamisprosessin aikana ja ylläpisivät jatkuvaa kuplien virtaa koko ajan. He havaitsivat, että kun kaasukuplien pitoisuus tilavuudessa on yli 90 %, kuvantamislaserin fotonit kokevat tuskin lainkaan optista sirontaa kaasukupla-alueella (kuplapilveksi kutsuttu). Tämä johtuu siitä, että väliaikaisesti syntyneet kaasukuplat vähentävät optista sirontaa samaan suuntaan kuin tulevan valon eteneminen, mikä lisää sen tunkeutumissyvyyttä.
"Tämän seurauksena laser voidaan kohdistaa tiukasti kuvaustasoon, jonka yli perinteisellä laserpyyhkäisymikroskopialla ei voi saada teräviä kuvia", Chang kertoo. Fysiikan maailma. "Tämä ilmiö on analoginen kemiallisiin aineisiin perustuvan optisen puhdistuksen kanssa, joten annoimme menetelmällemme nimen ultraääni-indusoitu optinen puhdistumamikroskopia (US-OCM)."
Toisin kuin perinteiset optiset poistomenetelmät, UC-OCM voi lokalisoida optisen tyhjennyksen kiinnostuksen kohteena olevalle alueelle ja palauttaa alkuperäiset optiset ominaisuudet alueelle, kun kuplavirta on kytketty pois päältä. Tämä tarkoittaa, että tekniikan tulee olla vaaraton elävälle kudokselle.
Tutkijoiden mukaan, jotka kertovat työstään luonto fotoniikka, US-OCM:n tärkeimmät edut ovat: kuvaussyvyyden lisääntyminen kertoimella yli kuusi resoluutiolla, joka on samanlainen kuin tavanomaisessa lasermikroskopiassa; nopea kuvatietojen keruu ja kuvan rekonstruktio (vain 125 millisekuntia tarvitaan yhdelle 403 x 403 pikselin kehyskuvalle); ja helposti hankittavia 3D-kuvia.
Eikä siinä vielä kaikki: tiimi huomauttaa, että uuden menetelmän käyttöönotto vaatii vain suhteellisen yksinkertaisen akustisen moduulin (yksi ultraäänianturi ja anturin ohjausjärjestelmä) lisäämisen tavanomaiseen laserpyyhkäisymikroskopiajärjestelmään. Tekniikka voitaisiin laajentaa myös muihin laserpyyhkäisymikroskopian tekniikoihin, kuten monifotoni- ja fotoakustiseen mikroskopiaan.
Ultraääni ja valo on helppo yhdistää
”Uskon henkilökohtaisesti, että hybriditeknologian kehittäminen on yksi uusista tutkimussuunnista, ja ultraääni ja valo on suhteellisen helppo yhdistää hyötyjen maksimoimiseksi ja samalla täydentää toistensa haittoja”, Chang sanoo. "Ultraäänialalla työskentelevät tutkijat ovat tienneet jo pitkään, että voimakas ultraääni voi aiheuttaa kaasukuplia biologiseen kudokseen ja että ne voivat kadota kokonaan vahingoittamatta kudosta."
Kerker-sironta paikantaa hiukkaset subatomisella tarkkuudella
Kokeen idea syntyi keskusteluissa tiimin jäsenen Jae Youn Hwangin kanssa, DGIST:n optiikan asiantuntijan kanssa. Ajatuksena oli, että ultraääni-indusoituja kaasukuplia voitaisiin käyttää optisena puhdistusaineena, jos ne voisivat jotenkin luoda tiheästi pakattuja kuplia kiinnostuksen kohteena olevalle alueelle. "Perinteinen optinen selvitys perustuu siihen tosiasiaan, että optinen sironta on minimaalista, kun kudoksen valonsirottimien taitekertoimet ovat samankaltaisia", Chang selittää. "Kemiallisia aineita käytetään vähentämään sirottajien korkeaa taitekerrointa niin, että se lähestyy itse kudoksen taitekerrointa."
DGIST-tiimin mukaan tekniikkaa voidaan käyttää korkearesoluutioiseen aivokudoskuvaukseen, Alzheimerin taudin varhaiseen diagnoosiin ja syöpäkudoksen tarkkaan diagnoosiin yhdessä endoskooppitekniikan kanssa. "Uskon myös, että tämän tutkimuksen peruskonseptia voidaan soveltaa optisiin hoitoihin, kuten fototermisiin ja fotodynaamisiin hoitoihin niiden tehokkuuden parantamiseksi, koska ne kärsivät myös rajoitetusta valon tunkeutumisesta", Chang sanoo.
