Metoda opracowana przez naukowców z Instytutu Naukowego Weizmanna w Izraelu oraz Laboratorium Optyki Kwantowej Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW) – Quantum Image Scanning Microscopy Q-ISM – opiera się na dwóch znanych już technikach mikroskopii i łączy ich zalety. O badaniach poinformowali przedstawiciele FUW w przesłanym PAP komunikacie.

Mikroskop optyczny umożliwia tworzenie powiększonych obrazów badanych przedmiotów, co czyni go jednym z podstawowych narzędzi nauk przyrodniczych. Biologów często interesują obserwacje bardzo małych obiektów, nawet mniejszych niż mikrometr, co stanowi wyzwanie, gdyż rozdzielczość klasycznego mikroskopu jest ograniczona – obiekty będące bliżej niż połowa długości fali światła (ok. 250 nm dla światła zielonego) przestają być rozróżnialne.

Co prawda istnieje mikroskop elektronowy, który ma rozdzielczość o kilka rzędów wielkości większą, jednak pozwala badać wyłącznie martwe obiekty umieszczone w wysokiej próżni i bombardowane wiązką elektronów. Nie da się tak obserwować żywych organizmów ani naturalnie zachodzących procesów. Z kolei mikroskop sił atomowych pozwala obserwować tylko powierzchnie badanych struktur.

Aby oglądać mniejsze obiekty o delikatnej strukturze, stosuje się mikroskopię fluorescencyjną. Wykorzystuje ona specjalne znaczniki, takie jak białko zielonej fluorescencji (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.

W ominięciu ograniczeń związanych z właściwościami światła pomocna jest też mikroskopia konfokalna. Obraz powstaje poprzez przeskanowanie obiektu i rejestrację natężeń fotonów w każdym punkcie skanu za pomocą detektora. 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.

Każdy ze znaczników fluorescencyjnych, wzbudzony krótkim błyskiem światła, może wyemitować tylko jeden foton. Prowadzi to do antygrupowania fotonów (ang. 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.

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. W pracy opublikowanej w prestiżowym czasopiśmie "Nature Photonics" naukowcy porównali między innymi rozdzielczość przestrzenną metod ISM oraz Q-ISM, otrzymując poprawę rozdzielczości odpowiednio o czynnik 1,3 oraz 1,8 względem standardowego mikroskopu szerokiego pola.

Próbka biologiczna: mikrotubule znakowane kropkami kwantowymi; od lewej obraz uzyskany: w standardowym mikroskopie, metodą ISM, metodą Q-ISM. Ilustracja wykonana na podstawie danych przedstawionych w suplemencie do publikacji “Super-resolution enhancement by quantum image scanning microscopy” w ,,Nature Photonics’’. (Źródło: Alexander Krupiński-Ptaszek, Wydział Fizyki UW)

Zgodnie z wiedzą autorów jest 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.

Badania sfinansowano m.in. ze środków ERC, FNP, NCN i MNiSW.

PAP - Nauka w Polsce

lt/ ekr/