PRISM-techniek doorbreekt lichtdiffractielimieten voor live-cel imaging in ruimte en tijd

Onderzoekers ontwikkelen een nieuwe techniek (PRISM) die verder kan kijken dan de diffractie van licht. Het kan uitzonderlijke beelden binnen levende cellen vastleggen door super-resolutie ruimtelijke en temporele imaging.

Hoe 4D-celmicroscopie werkt

Onderzoekers gebruikten Fourier-filtering om 3D kwantitatieve fase uit een array van witlichtafbeeldingen te extraheren. Vervolgens legden ze deze heldere-veld diepte-gefaseerde fase-imaging uit via 3D deeltjescoherente beeldvorming.

Ze demonstreerden hun concept door de hoge-resolutie 3D-fasedata van stabiele cellen op te halen uit een grote stapel z-verschuwde intensiteiten. Ze ontwikkelden PRISM voor gelijktijdige verwerving van 8 vlakken – het kan hoge-snelheid 3D-fase-imaging uitvoeren over 2,5x50x50-micrometer volume. Ten slotte beeldden ze sequentieel celmonsters met 3D-fasemicroscopie en super-resolutie optische fluctuatie-imaging (SOFI).

SOFI ondersteunt 3D-imaging van levende cel met bijna één seconde per gereconstrueerde afbeelding van tijdresolutie in een multi-plane microscoop. Verder biedt het een kwantitatieve beoordeling van moleculaire parameters, en verdraagt hoge label-dichtheden.

In eenvoudige taal, PRISM is een add-on aan huidige wijd-veld microscopie-platforms, wat eenvoudige en snelle implementatie van 3D-fluorescentie super-resolutie imaging en 3D-kwantitatieve fase mogelijk maakt. Conclusie: het nieuwe systeem biedt een betere kans om de temporele fysiologie en complexe ruimtelijke van levende cellen te observeren.

Technische Details

Op basis van de Helmholtz-golfvergelijking, is de techniek ingesloten in het raamwerk van de Wiener-Khintchine-theorema. Het decoderen van fase-data langs de z-as wordt gedaan door de voorwaartse zwakke verstrooiingsinterferentie te berekenen.

Ze bouwden een efficiënt algoritme om de 3D-fasedata te herstellen uit een verkregen volumetrische intensiteitstapel. De hoge detectie numerieke opening en witlicht Koehler-illuminatie bieden vlekvrije hoge-resolutie en stabiele kwantitatieve fase-imaging van levende cellen. Bovendien verifieerden simulaties een axiale resolutie van 350x560 nanometer.

Over het algemeen stelt de procedure in staat om een conventionele heldere-veld microscoop te upgraden naar een eenvoudige, snelle en betrouwbare 3D-fasemicroskoop, wat verwacht wordt te voldoen aan de verwachtingen voor talloze onderzoeken en toepassingen in levenswetenschappen en biologie.