Az optikai szóródás valódi probléma a biológiai képalkotásban. Azáltal, hogy megakadályozza, hogy a fény mélyen a biológiai szövetekbe fókuszálódjon, a szórási hatások körülbelül 100 mikronra korlátozzák a képmélységet, és csak homályos képeket eredményeznek. Az ultrahang-indukált optikai tisztítómikroszkópiának nevezett új technika több mint hatszorosára növelheti ezt a távolságot annak a némileg ellentétes lépésnek köszönhetően, hogy egy réteg gázbuborékot helyeznek a leképezett területre. Ennek a buborékrétegnek a hozzáadása biztosítja, hogy a fotonok ne térjenek el a mintán való terjedésük során.
Optikai szórás akkor következik be, amikor a fény kölcsönhatásba lép a hullámhosszánál kisebb szerkezetekkel. A beeső fény megzavarja az elektronokat a szerkezetben, oszcilláló dipólusmomentumokat hozva létre, amelyek sok különböző irányba bocsátják ki a fényt.
"Az olyan technikákat, mint a konfokális mikroszkópia széles körben alkalmazzák az élettudományi kutatásokban, például a rák és az agyszövet képalkotásában, de e probléma miatt korlátozottak" - magyarázza. Jin Ho Chang a DGIST (Daegu Gyeongbuk Tudományos és Technológiai Intézet) Koreában. „A képalkotási mélység korlátozása főként annak tudható be, hogy a beeső fotonok erősen eltérnek eredeti terjedési irányuktól az optikai szórás következtében. Valójában a nem szórt fotonok száma exponenciálisan csökken a fotonok által megtett távolsággal, így a fényt nem lehet szorosan fókuszálni körülbelül 100 mikron mélység után.
Míg a kutatók különféle típusú fényhullámfront-alakító technikákat fejlesztettek ki ennek a korlátnak a kezelésére, ezek egyike sem használható háromdimenziós képek készítésére. Ezek az egyéb technikák szintén nagy teljesítményű optikai modulokat és kifinomult optikai rendszereket igényelnek.
Nincs optikai szóródás a buborékfelhőben
A legújabb munkájukban Chang és munkatársai egy új megközelítést dolgoztak ki, amelyben nagy intenzitású ultrahanggal gázbuborékokat generálnak a képalkotó sík előtt elhelyezkedő szövettérfogatban. A buborékok összeomlásának és a szövet esetleges károsodásának megakadályozása érdekében a kutatók a lézeres pásztázó mikroszkópos képalkotás során folyamatosan alacsony intenzitású ultrahangot továbbítottak, és a buborékok folyamatos áramlását tartották fenn. Azt találták, hogy amikor a gázbuborékok koncentrációja a térfogatban meghaladja a 90%-ot, a képalkotó lézerből származó fotonok alig észlelnek optikai szóródást a gázbuborék-tartományban (ezt „buborékfelhőnek” nevezik). Ennek az az oka, hogy az ideiglenesen létrejövő gázbuborékok a beeső fény terjedésével megegyező irányba csökkentik az optikai szórást, így növelik a behatolási mélységet.
„Ennek eredményeként a lézer szorosan a képalkotó síkra fókuszálható, amelyen túl a hagyományos lézeres pásztázó mikroszkóppal nem lehet éles képeket készíteni” – mondja Chang. Fizika Világa. „Ez a jelenség a kémiai anyagokon alapuló optikai tisztításhoz analóg, ezért megközelítésünket ultrahang-indukált optikai tisztítómikroszkópiának (US-OCM) neveztük el.
A hagyományos optikai törlési módszerekkel ellentétben az UC-OCM képes lokalizálni az optikai törlést a kívánt területen, és visszaállítja az eredeti optikai tulajdonságokat a régióban, miután a buborékfluxust kikapcsolják. Ez azt jelenti, hogy a technikának ártalmatlannak kell lennie az élő szövetekre.
A munkájukat részletező kutatók szerint Természet Photonics, az US-OCM fő előnyei a következők: a képmélység hatszoros növekedése a hagyományos lézermikroszkópiához hasonló felbontás mellett; gyors képadatgyűjtés és képrekonstrukció (mindössze 125 ezredmásodperc szükséges egy 403 x 403 pixelből álló képkockához); és könnyen beszerezhető 3D képek.
És ez még nem minden: a csapat rámutat arra, hogy az új módszer megvalósításához mindössze egy viszonylag egyszerű akusztikus modult (egyetlen ultrahang-átalakítót és egy transzducer-meghajtó rendszert) kell hozzáadni a hagyományos lézeres pásztázó mikroszkópiához. A technika kiterjeszthető más lézeres pásztázó mikroszkópos technikákra is, mint például a multifoton- és fotoakusztikus mikroszkópiára.
Az ultrahang és a fény könnyen kombinálható
"Személy szerint úgy gondolom, hogy a hibrid technológia fejlesztése az egyik új kutatási irány, és az ultrahang és a fény viszonylag könnyen kombinálható, hogy maximalizálják előnyeiket, miközben kiegészítik egymás hátrányait" - mondja Chang. "Az ultrahang területén dolgozó kutatók régóta tudják, hogy az erős ultrahang gázbuborékokat tud létrehozni a biológiai szövetekben, és ezek a szövetek károsítása nélkül teljesen eltűnhetnek."
A Kerker-szórás szubatomi pontossággal lokalizálja a részecskéket
A kísérlet ötlete Jae Youn Hwang csapattaggal, a DGIST optikai szakértőjével folytatott megbeszélések során merült fel. Az volt a gondolat, hogy az ultrahang által kiváltott gázbuborékok optikai tisztítószerként használhatók, ha valahogyan sűrűn tömött buborékokat tudnak létrehozni az érdeklődési körben. "A hagyományos optikai tisztítás azon a tényen alapul, hogy az optikai szórás minimális, ha a szövetben lévő fényszórók törésmutatói hasonlóak egymáshoz" - magyarázza Chang. "Vegyi anyagokat alkalmaznak a szóródók magas törésmutatójának csökkentésére, hogy az megközelítse magának a szövetnek a törésmutatóját."
A DGIST csapata szerint a technika alkalmazható nagy felbontású agyszöveti képalkotásra, az Alzheimer-kór korai diagnosztizálására és a rákos szövetek pontos diagnosztizálására endoszkópos technológiával kombinálva. "Úgy gondolom, hogy ennek a tanulmánynak az alapkoncepciója alkalmazható az optikai terápiákra, például a fototermikus és fotodinamikus terápiákra, hogy javítsák azok hatékonyságát, mivel ezek is korlátozott fénypenetrációtól szenvednek" - mondja Chang.
