Dodano: 18 styczeń 2019r.

Polsko-izraelski zespół badaczy zademonstrował pierwszy kwantowy obraz próbki biologicznej

Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego wraz z kolegami z Instytutu Naukowego Weizmanna w Izraelu zademonstrowali nową metodę mikroskopii – Quantum Image Scanning Microscopy. Metoda ta wykorzystuje kwantowe właściwości światła fluorescencji do obrazowania próbek biologicznych.

 

Opracowana przez polsko-izraelski zespół metoda Quantum Image Scanning Microscopy (Q-ISM) znacznie poprawia rozdzielczość uzyskiwanych obrazów w porównaniu do standardowych metod. Q-ISM oparta jest na dwóch znanych już wcześniej technikach mikroskopii i łączy ich zalety. Wyniki badań zespołu badaczy ukazały się na łamach „Nature Photonics”.

Mikroskop to jedno z podstawowych narzędzi badaczy zajmujących się naukami przyrodniczymi. Umożliwia tworzenie powiększonych obrazów analizowanych obiektów. Ale naukowców często interesują niezwykle małe obiekty, mniejsze niż mikrometr, a to jest wyzwaniem dla standardowych mikroskopów.

 

„Rozdzielczość klasycznego mikroskopu jest ograniczona – obiekty będące bliżej niż połowa długości fali światła (ok. 250 nm dla światła zielonego) przestają być rozróżnialne. Jedną z podstawowych technik mikroskopowych używanych w naukach przyrodniczych jest mikroskopia fluorescencyjna. Wykorzystuje ona specjalne znaczniki, takie jak białko zielonej fluorescencji (green fluorescent protein, GFP), za którego odkrycie i badanie przyznano w 2008 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Użycie znaczników fluorescencyjnych pozwala obserwować wyłącznie interesujące części badanego obiektu. Jak się okazuje, umiejętne wykorzystanie własności znaczników fluorescencyjnych pozwala też przekroczyć ograniczenia rozdzielczości w klasycznej mikroskopii, za co również przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w roku 2014” – czytamy w komunikacie prasowym na stronach internetowych Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW).

Ograniczona rozdzielczość mikroskopu optycznego wynika z ograniczeń dyfrakcyjnych, jednak obecnie istnieje wiele technik pozwalających je ominąć. Jedną z takich metod jest mikroskopia konfokalna, w której obraz powstaje poprzez przeskanowanie obiektu i rejestrację natężeń w każdym punkcie skanu za pomocą detektora bez rozdzielczości przestrzennej (np. 1 piksela kamery). Zmniejszając rozmiar detektora można poprawić rozdzielczość kosztem ilości zarejestrowanego światła, w praktyce uzyskując rozdzielczość ok. 1,5 raza większą niż w klasycznym mikroskopie.

„Mikroskop konfokalny można zmodyfikować zastępując pojedynczy detektor wieloma detektorami małych rozmiarów. Dzięki temu uzyskuje się wiele przesuniętych względem siebie obrazów o wyższej rozdzielczości, które następnie nakłada się na siebie. Ta metoda, nazwana Image Scanning Microscopy (ISM) pozwala uzyskać obraz o wyższej rozdzielczości bez zbędnej utraty sygnału, w przeciwieństwie do mikroskopu konfokalnego, w którym poprawa rozdzielczości jest uzyskiwana kosztem poziomu sygnału” – dowiadujemy się z informacji FUW.

Próbka biologiczna: mikrotubule znakowane kropkami kwantowymi; od lewej obraz uzyskany: w standardowym mikroskopie, metodą ISM, metodą Q-ISM. Fot. Nature Photonics/ Alexander Krupiński-Ptaszek/ Wydział Fizyki UW

Wspomniane wcześniej znaczniki fluorescencyjne potraktowane krótkim błyskiem światła mogą wyemitować tylko jeden foton. Powoduje to antygrupowanie fotonów (photon antibunching). Ten kwantowomechaniczny efekt jest podstawą mikroskopii korelacji kwantowych, którą intuicyjnie rozumieć można jako wykrywanie brakujących (względem klasycznego światła) par fotonów w danym punkcie. Detekcja pary może być traktowana podobnie do detekcji pojedynczego fotonu o dwukrotnie mniejszej długości fali, co przekłada się na dwukrotnie wyższą rozdzielczość przestrzenną.

Polsko-izraelski zespół naukowców zaproponował połączenie ISM oraz mikroskopii korelacji kwantowych. Quantum Image Scanning Microscopy łączy zalety obu technik. „Rejestracja informacji o brakujących parach wymaga detektorów zdolnych do wykrywania pojedynczych fotonów, których nie wykorzystywano dotychczas w standardowym ISM. Mikroskopia korelacji kwantowych liczy brakujące pary fotonów w każdym punkcie skanu przy pomocy detektora bez rozdzielczości przestrzennej. Zastosowanie wielopikselowego detektora oraz adaptacja metody analizy danych do mikroskopii korelacji kwantowych umożliwiła pomiary korelacji w przestrzeni, zwiększając rozdzielczość układu. Mikroskopia korelacji kwantowych dostarcza informacji komplementarnych do tych otrzymywanych z ISM, co pozwala poprawić rozdzielczość i jakość otrzymywanych obrazów” – czytamy dalej. 

W publikacji naukowcy porównali między innymi rozdzielczość przestrzenną metod ISM oraz Q-ISM, zademonstrowali poprawę rozdzielczości odpowiednio o czynnik 1,3 oraz 1,8 względem standardowego mikroskopu szerokiego pola.

Jak twierdzą autorzy badań, to pierwsze wykorzystanie kwantowych własności światła fluorescencji do obrazowania próbek biologicznych. Połączenie wysokiej rozdzielczości Q-ISM z wysokim stosunkiem sygnału do szumu standardowej ISM może prowadzić do metody obrazowania znacznie przekraczającej możliwości każdej z technik z osobna.

 

Źródło: FUW, fot. Nature Photonics/ Alexander Krupiński-Ptaszek/ Wydział Fizyki UW