211service.com
Contra-intuïtieve defocustechniek produceert 3D-microscoopbeelden
Een van de grote uitvindingen in de geschiedenis was de ontwikkeling van de microscoop. Het vermogen om de enorme verscheidenheid aan leven en patronen op zo'n kleine schaal te zien, veranderde ons begrip van de wereld en onze relatie ermee.
Sindsdien hebben microscopistes hun instrumenten drastisch verbeterd, zodat ze niet alleen met zichtbaar licht kunnen opnemen, maar ook met andere golflengten en zelfs met andere volledige opnamemedia zoals elektronen en neutronen enzovoort.
Een van de moeilijkste uitdagingen is echter het bepalen van de driedimensionale structuur van kleine objecten. Gezonde rode bloedcellen hebben bijvoorbeeld een beroemde donutvormige structuur en veranderingen in deze structuur zijn een belangrijke indicator van verschillende ziekten en aandoeningen.
Deze vormen zijn eenvoudig te zien, maar het bepalen van hun volledige 3D-structuur met een resolutie van een paar honderd nanometer is lastig; niet in de laatste plaats omdat rode bloedcellen grotendeels transparant zijn en moeilijk te zien met gewone helderveldmicroscopie.
Vandaag onthullen Paula Roma en vrienden van de Federale Universiteit van Minas Gerais in Brazilië een nieuwe en relatief eenvoudige techniek voor het bepalen van de volledige 3D-structuur van rode bloedcellen op basis van de contra-intuïtieve techniek van defocussering.
Biologen erkennen al lang de beperkingen van helderveldmicroscopie met biologische monsters, omdat veel ervan grotendeels transparant zijn. (Helderveldmicroscopie is de gewone microscooptechniek die de meeste mensen op de middelbare school tegenkomen.)
Licht schijnt op of door het monster en onthult alles dat licht sterk absorbeert of verstrooit.
Het probleem is dat alles wat transparant is min of meer onzichtbaar is omdat het licht er dwars doorheen gaat. En helaas vallen veel biologische monsters in deze categorie, inclusief rode bloedcellen die grotendeels transparant zijn.
Een manier om dit te omzeilen is om het beeld enigszins onscherp te maken. Omdat de rode bloedcellen een brekingsindex hebben, buigen ze het licht dat er doorheen gaat. Deze buiging introduceert een faseverandering in het licht.
Deze faseverandering maakt het gemakkelijker om dit licht te scheiden van licht dat niet door de cel is gegaan. En door dit te doen, worden de rode bloedcellen donkerder en gemakkelijker te zien.
Dat maakt een meer gedetailleerde analyse van de cellen mogelijk. Door de veranderingen in intensiteit te meten die dit proces met zich meebrengt, is het mogelijk om de vorm van het oppervlak te bepalen dat de faseveranderingen genereert. Dus dat geeft een driedimensionaal beeld van het bovenoppervlak van de cel.
Nu zeggen Roma en co dat het mogelijk is om verder te gaan. Ze laten zien dat door twee foto's van de cel te maken, beide in verschillende hoeveelheden onscherp, het ook mogelijk is om de vorm van het bodemoppervlak van de cel te bepalen. Met andere woorden, dit rare soort onscherpe stereobeeld geeft je de 3D-vorm van de hele cel.
De resultaten zijn indrukwekkend. De techniek werkt met gewoon wit licht, hoewel dit moet worden gefilterd om de rode golflengten te verwijderen die rode bloedcellen zouden kunnen absorberen.
Om twee beelden van dezelfde cel te krijgen, gebruiken Roma en co een bundelsplitser om licht naar twee camera's te sturen die beide in verschillende mate onscherp zijn. De resultaten kunnen vervolgens worden verwerkt met behulp van een eenvoudig algoritme om 3D-afbeeldingen van de cellen te maken
Om het idee te testen, plaatsten Roma en co rode bloedcellen in verschillende concentraties zoutoplossingen om ze te laten zwellen. Ze namen beelden van 25 cellen op en verwerkten de resultaten, die hierboven zijn weergegeven.
Ze zeggen dat de afbeeldingen een resolutie hebben van binnen 300 nanometer, aanzienlijk beter dan mogelijk is met vergelijkbare technieken. Ze laten vooral zien hoe de cellen zich hechten aan het oppervlak waaraan ze gehecht zijn.
De setup is ook relatief eenvoudig. De techniek zou gemakkelijk kunnen worden overgenomen door niet-specialisten, zeggen ze.
Dat is een interessant resultaat dat laat zien hoe fascinerende, goedkope vooruitgang nog steeds kan worden geboekt in de microscopie.
Referentie: http://arxiv.org/abs/1404.2968 : Totale 3D-beeldvorming van fase-objecten met behulp van defocusingmicroscopie: toepassing van rode bloedcellen