Tán xạ quang học là một vấn đề thực sự đối với hình ảnh sinh học. Bằng cách ngăn ánh sáng tập trung sâu vào mô sinh học, hiệu ứng tán xạ giới hạn độ sâu hình ảnh ở khoảng 100 micron, chỉ tạo ra những hình ảnh mờ ở xa hơn. Một kỹ thuật mới gọi là kính hiển vi quang học cảm ứng siêu âm có thể tăng khoảng cách này lên hơn hệ số sáu, nhờ vào bước có phần phản trực giác là chèn một lớp bong bóng khí vào khu vực được chụp ảnh. Việc thêm lớp bong bóng này đảm bảo rằng các photon không bị lệch khi chúng truyền qua mẫu.
Tán xạ quang học xảy ra khi ánh sáng tương tác với các cấu trúc nhỏ hơn bước sóng của nó. Ánh sáng tới làm nhiễu loạn các electron trong cấu trúc, hình thành các mômen lưỡng cực dao động tái phát ra ánh sáng theo nhiều hướng khác nhau.
“Các kỹ thuật như kính hiển vi đồng tiêu được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học đời sống như chụp ảnh ung thư và mô não, nhưng chúng bị hạn chế vì vấn đề này,” giải thích Jin Ho Chang tại DGIST (Viện Khoa học và Công nghệ Daegu Kyungbuk) tại Hàn Quốc. “Giới hạn độ sâu hình ảnh chủ yếu là do các photon tới bị lệch nghiêm trọng khỏi hướng truyền ban đầu của chúng do sự tán xạ quang học. Thật vậy, số lượng photon không tán xạ giảm theo cấp số nhân theo quãng đường di chuyển của các photon, do đó ánh sáng không thể tập trung chặt chẽ sau độ sâu khoảng 100 micron.”
Mặc dù các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều loại kỹ thuật định hình mặt sóng ánh sáng khác nhau để giải quyết hạn chế này, nhưng không loại nào trong số chúng có thể được sử dụng để chụp ảnh ba chiều. Những kỹ thuật khác này cũng yêu cầu các mô-đun quang hiệu suất cao và hệ thống quang học phức tạp.
Không có tán xạ quang học trong đám mây bong bóng
Trong công trình mới nhất, Chang và các đồng nghiệp đã phát triển một phương pháp mới trong đó họ sử dụng siêu âm cường độ cao để tạo ra bọt khí trong thể tích mô nằm phía trước mặt phẳng hình ảnh. Để ngăn các bong bóng xẹp xuống và có thể làm hỏng mô, các nhà nghiên cứu đã truyền siêu âm cường độ thấp liên tục trong quá trình chụp ảnh kính hiển vi quét laser, duy trì dòng bong bóng liên tục trong suốt. Họ phát hiện ra rằng khi nồng độ của bọt khí trong thể tích cao hơn 90%, các photon từ tia laser tạo ảnh hầu như không chịu bất kỳ sự tán xạ quang học nào bên trong vùng bọt khí (được gọi là “đám mây bong bóng”). Điều này là do các bong bóng khí được tạo ra tạm thời làm giảm sự tán xạ quang học theo cùng hướng truyền của ánh sáng tới, do đó làm tăng độ sâu xuyên thấu của nó.
Chang cho biết: “Kết quả là tia laser có thể được tập trung chặt chẽ vào mặt phẳng hình ảnh, ngoài ra kính hiển vi quét laser thông thường không thể thu được hình ảnh sắc nét”. Thế giới vật lý. “Hiện tượng này tương tự như hiện tượng làm sạch quang học dựa trên các tác nhân hóa học, vì vậy chúng tôi đặt tên cho phương pháp tiếp cận của mình là kính hiển vi làm sạch quang học cảm ứng bằng sóng siêu âm (US-OCM).”
Không giống như các phương pháp xóa quang thông thường, UC-OCM có thể định vị độ xóa quang trong vùng quan tâm và khôi phục các đặc tính quang học ban đầu cho vùng sau khi dòng bong bóng bị tắt. Điều này ngụ ý rằng kỹ thuật này sẽ vô hại đối với mô sống.
Theo các nhà nghiên cứu, những người trình bày chi tiết công việc của họ trong Thiên nhiên Quang tử, ưu điểm chính của US-OCM là: tăng độ sâu hình ảnh lên gấp hơn sáu lần với độ phân giải tương tự như kính hiển vi laser thông thường; thu thập dữ liệu hình ảnh nhanh và tái tạo hình ảnh (chỉ cần 125 mili giây cho một khung hình gồm 403 x 403 pixel); và hình ảnh 3D dễ dàng thu được.
Và đó chưa phải là tất cả: nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng việc thực hiện phương pháp mới chỉ cần một mô-đun âm thanh tương đối đơn giản (một đầu dò siêu âm duy nhất và một hệ thống điều khiển đầu dò) được thêm vào thiết lập kính hiển vi quét laser thông thường. Kỹ thuật này cũng có thể được mở rộng sang các kỹ thuật kính hiển vi quét laser khác như kính hiển vi đa photon và kính hiển vi quang âm.
Siêu âm và ánh sáng dễ kết hợp
Chang nói: “Cá nhân tôi tin rằng sự phát triển của công nghệ lai là một trong những hướng nghiên cứu mới, siêu âm và ánh sáng tương đối dễ kết hợp để phát huy tối đa ưu điểm của chúng đồng thời bổ sung cho những nhược điểm của nhau”. “Các nhà nghiên cứu làm việc trong lĩnh vực siêu âm từ lâu đã biết rằng siêu âm mạnh có thể tạo ra bọt khí trong mô sinh học và chúng có thể biến mất hoàn toàn mà không làm hỏng mô”.
Sự tán xạ của Kerker định vị các hạt với độ chính xác hạ nguyên tử
Ý tưởng cho thí nghiệm này nảy ra trong cuộc thảo luận với thành viên nhóm Jae Youn Hwang, một chuyên gia quang học tại DGIST. Ý tưởng là các bong bóng khí do siêu âm gây ra có thể được sử dụng làm chất làm sạch quang học nếu bằng cách nào đó chúng có thể tạo ra các bong bóng dày đặc trong khu vực quan tâm. Chang giải thích: “Việc làm sạch quang học thông thường dựa trên thực tế là sự tán xạ quang học là tối thiểu khi chiết suất của các chất tán xạ ánh sáng trong mô tương tự nhau”. “Các tác nhân hóa học được sử dụng để làm giảm chỉ số khúc xạ cao của các vật tán xạ sao cho nó tiệm cận với chỉ số khúc xạ của chính mô.”
Theo nhóm DGIST, kỹ thuật này có thể được sử dụng để chụp ảnh mô não có độ phân giải cao, chẩn đoán sớm bệnh Alzheimer và chẩn đoán chính xác mô ung thư kết hợp với công nghệ nội soi. Chang nói: “Tôi cũng tin rằng khái niệm cơ bản của nghiên cứu này có thể được áp dụng cho các liệu pháp quang học, chẳng hạn như liệu pháp quang nhiệt và quang động để cải thiện hiệu quả của chúng vì chúng cũng bị hạn chế khả năng thâm nhập ánh sáng”.
