Una nuova tecnica della Rice University acquisisce immagini di processi chimici che avvengono più velocemente di quanto la maggior parte delle fotocamere di laboratorio siano in grado di catturarli.

La tecnica, microscopia a risoluzione super temporale (STReM), consente ai ricercatori di visualizzare e raccogliere informazioni utili sulle molecole fluorescenti a un frame rate 20 volte più veloce di quanto normalmente consentito dalle normali fotocamere da laboratorio.

Il lavoro della chimica della Rice Christy Landes e del suo team, insieme all'ingegnere elettrico della Rice Kevin Kelly, appare nell'American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters .

I ricercatori della Rice iniziano con una tecnica di microscopia vincitrice del Nobel che visualizza oggetti come molecole a "super risoluzione", ovvero, cose al di sotto del limite di diffrazione che sono più piccole di quanto la maggior parte dei microscopi sia in grado di vedere.

"La microscopia a super risoluzione ci consente di visualizzare cose più piccole di circa la metà della lunghezza d'onda della luce visibile - circa 250 nanometri, " ha detto Landes. Ma ha notato una barriera:"Non potevi scattare foto di qualcosa a una velocità superiore alla tua frequenza fotogrammi, " lei disse.

Il nuovo miglioramento del laboratorio del riso, che utilizza una maschera di fase rotante per codificare le dinamiche veloci in ogni fotogramma della fotocamera, aiuterà i ricercatori a comprendere i processi che si verificano alle interfacce come l'adsorbimento e il desorbimento delle proteine ​​o le traiettorie delle molecole mentre si muovono lungo superfici bidimensionali.

Le tipiche fotocamere con dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD) raggiungono il massimo a frame rate da 10 a 100 millisecondi, disse Landes. Mentre altre tecniche come la microscopia elettronica possono vedere i materiali su scala subnano, La microscopia a super risoluzione ha un netto vantaggio per i campioni fragili come le biomolecole:non li distrugge nel processo.

La tecnica manipola la fase della luce per dare all'immagine al rivelatore una forma più complicata. Questo processo era stato precedentemente utilizzato da altri ricercatori per codificare la posizione dell'oggetto nello spazio tridimensionale all'interno di un'immagine altrimenti bidimensionale.

Il contributo di The Rice lab è stato notare che manipolando la fase nel tempo, sarebbe anche possibile codificare risoluzioni temporali più veloci all'interno di una cornice di immagine lenta. Così, il gruppo ha progettato e costruito una maschera di fase rotante. Le immagini risultanti catturano eventi dinamici che si verificano più velocemente della frequenza di fotogrammi intrinseca della fotocamera. La forma di ogni immagine all'interno di una cornice conferisce effettivamente un timestamp unico.

La tecnica sfrutta una caratteristica della microscopia familiare a chiunque abbia mai scattato una foto sfocata. Le funzioni di diffusione del punto sono una misura della forma delle immagini sia a fuoco che fuori fuoco. Quando i soggetti sono piccoli come singole molecole, lo spostamento dentro e fuori fuoco avviene facilmente, e la dimensione e la forma della sfocatura risultante possono dire ai ricercatori quanto è lontano il soggetto dal piano focale. L'ingegneria della maschera di fase rende possibile rendere più facile rilevare la sfocatura dipendente dalla messa a fuoco introducendo funzioni di diffusione del punto distinte. Sulla pellicola sembrano i lobi di un bilanciere e ruotano rispetto alla messa a fuoco.

STReM utilizza le modifiche alla funzione di diffusione del punto dalla maschera rotante per raccogliere informazioni temporali, disse Landes. Con la nuova tecnica, i cambiamenti negli angoli dei lobi rivelano il tempo in cui si è verificato un evento all'interno di ciascun fotogramma.

"Lo scopo è consentire agli scienziati di studiare processi veloci senza la necessità di acquistare fotocamere più veloci e molto più costose, ", ha detto lo studente laureato di Rice Wenxiao Wang, autore principale del paper. "Ciò comporta l'estrazione di più informazioni da singole immagini".

Lande, che ha recentemente vinto il prestigioso Early Career Award di ACS in Experimental Physical Chemistry per il suo lavoro di integrazione della microscopia a super-risoluzione con la teoria dell'informazione per comprendere le separazioni proteiche, ha detto che progettare e costruire il meccanismo è costato al laboratorio solo poche centinaia di dollari, una frazione del costo di acquisto di una fotocamera più veloce. La maschera di fase è basata sul lavoro di Kelly, che ha attinto ai suoi contributi alla fotocamera a pixel singolo di Rice per progettare ciò che equivale a un pezzo di plastica con spessore variabile che distorce la luce lungo il percorso verso il CCD.

"Come la fotocamera a pixel singolo, stiamo facendo analisi di compressione, " disse Landes. "Con la maschera di fase statica, le informazioni tridimensionali vengono compresse in un'immagine 2D. In questo caso particolare, abbiamo compresso informazioni più veloci in un frame rate della fotocamera più lento. È un modo per ottenere più informazioni nei pixel che hai".

I coautori sono i ricercatori post-dottorato Hao Shen e Lawrence Tauzin; studenti laureati Bo Shuang, Benjamin Hoener e Nicholas