Nano-microscopie voorbij de grenzen van resolutie en snelheid

Het onderzoek is gepubliceerd in Light: Science & Applications.

"Op de nanoschaal wordt wat je kunt zien met een microscoop beperkt door de golflengte van het gebruikte licht. Er zijn manieren om deze diffractielimiet te doorbreken, maar die vereisen doorgaans grote microscopen en moeilijke verwerkingsprocedures ", zegt Lyuba Amitonova. "Zulke systemen zijn niet geschikt om kleine details te bestuderen in diepere biologische weefsellagen, of op andere moeilijk bereikbare plaatsen."

Amitonova startte onlangs bij ARCNL haar onderzoeksgroep Nanoscale Imaging and Metrology. Daarnaast is ze parttime verbonden aan de VU waar ze onderzoek doet naar naald-dunne glasvezelsondes voor endomicroscopie in de groep van Johannes de Boer. Samen ontwikkelden zij een manier om de diffractielimiet te doorbreken in meetsystemen die in vivo diepere weefsellagen kunnen bestuderen.

Omgekeerde datacompressie

De sleutel is het feit dat niet alle informatie in een meetsample nodig is om een bruikbaar beeld te creëren. "Denk aan de digitale fotografie, waar het JPEG-compressieformaat gebruikt wordt om de hoeveelheid gegevens in een foto te beperken. De compressie verwijdert tot negentig procent van het beeld, maar we kunnen het verschil nauwelijks zien", zegt Amitonova. "Dit werkt omdat alle conventionele afbeeldingen van objecten ‘schaars’ zijn, wat betekent dat de meeste afbeeldingspunten geen informatie bevatten. In onze metingen gebruiken we deze schaarsheid van informatie op een omgekeerde manier, door slechts tien procent van de beschikbare gegevens te verzamelen en daaruit het hele beeld te reconstrueren via een wiskundige berekeningsmethode."

Diffuse lichtbundel

In conventionele microscopie worden samples vaak punt voor punt verlicht om een beeld van het geheel te creëren. Dit kost veel tijd, omdat voor afbeeldingen met een hoge resolutie veel datapunten nodig zijn. De aanpak van Amitonova en de Boer maakt gebruik van een fiber die een diffuse, ‘gespikkelde’ laserstraal produceert waarmee ze grote delen van het sample tegelijkertijd met een willekeurig patroon kunnen verlichten. Vervolgens verzamelen ze het gereflecteerde licht als één enkel datapunt en reconstrueren dan de relevante informatie met een berekening. "Als je punt voor punt belicht, resulteert het opnemen van 256 datapunten in een beeld van 256 pixels. Met onze methode creëert hetzelfde aantal metingen een afbeelding met ongeveer twintig keer zoveel pixels. Onze techniek van gecomprimeerde beeldverwerking is niet alleen veel sneller; we hebben ook aangetoond dat het mogelijk is om details zichtbaar te maken die meer dan twee keer zo klein zijn dan wat je kunt zien met conventionele, diffractiebeperkte technieken."

Meten zonder fluorescentie

De methode is ontwikkeld met het oog op minimaal invasieve bio-imaging, maar is ook veelbelovend voor toepassingen in de nanolithografie. Anders dan andere systemen voor superresolutie microscopie is het namelijk niet nodig om samples te markeren met fluorescerende labels. Amitonova gaat het concept dan ook verder uitwerken bij ARCNL: "Dat de glasvezelsondes zo compact zijn, maakt ze erg geschikt om betrouwbare meetinstrumenten mee te ontwikkelen voor de nanolithografie. Sondes van glasvezel leveren een unieke combinatie van hoge resolutie met een groot beeldbereik, waardoor ze eenvoudig te gebruiken zijn op plaatsen die je lastig kunt bereiken. Hopelijk resulteert de doorontwikkeling van onze methode in een hogere resolutie en snelheid. Onze resultaten zijn vooral interessant voor verbeteringen in instrumentatie en medische diagnostiek."