Eine neu vorgeschlagene Technik ermöglicht eine schnelle 3D-Bildaufnahme. One-Scan ist eine Technik, bei der ein länglicher Lichtfleck, der einer „Nadel“ ähnelt, dreidimensionale (3D) Bilder einer Probe aufnimmt.
Die neue Methode, die von Forschern der Universität Tohoku und der Universität Osaka entwickelt wurde, kann schnell 3D-Bilder aufnehmen, ohne die Beobachtungsebene zu bewegen – etwas, das bei herkömmlichen Laser-Scanning-Mikroskopen notwendig ist.
Die Lichtmikroskopie ist allgegenwärtig und für verschiedene Bereiche, einschließlich der Biowissenschaften und der medizinischen Diagnose, von entscheidender Bedeutung. Da viele biologische Zellen oder Gewebe strukturell komplex sind, ist die 3D-Beobachtung von entscheidender Bedeutung. Die Laser-Scanning-Mikroskopie ist ein repräsentativer und etablierter Ansatz, der eine 3D-Beobachtung durch Scannen eines Brennflecks auf der Probe ermöglicht. Ein großes Problem ist das zeitaufwändige Verfahren, da es eine wiederholte 2D-Bildaufnahme erfordert, die einen Wechsel der Beobachtungsebene erfordert.
Als Beleuchtung in der Laser-Scanning-Mikroskopie nutzten die Forscher einen in axialer Richtung verlängerten Laserspot, der als „Lichtnadel“ bezeichnet wird. Im Allgemeinen ist die Verwendung einer solchen Lichtnadel ein gängiger Ansatz, der tief fokussierte Bilder erzeugt, die den erweiterten Tiefenbereich von Proben ohne Unschärfe erfassen. Dieser Ansatz liefert jedoch nur ein 2D-Bild, das keine Tiefeninformationen einer Probe enthält.
Die von den Forschern vorgeschlagene Lösung bestand in der Manipulation von Fluoreszenzsignalen, die von Proben durch eine auf computergenerierter Holographie (CGH) basierende Technik emittiert wurden. Sie entwickelten ein Hologramm, das auf Fluoreszenz angewendet werden sollte, die von verschiedenen Tiefenpositionen innerhalb der Probe emittiert wurde. Dieses Hologramm wurde entwickelt, um in Abhängigkeit von der Tiefenposition von Objekten seitlich verschobene und räumlich getrennte Bilder auf der Detektorebene zu erzeugen. Mit dieser Technik können die Tiefeninformationen gleichzeitig als seitliche Informationen aufgezeichnet werden, wodurch die Konstruktion von 3D-Bildern ohne Änderung der Beobachtungsebene ermöglicht wird.
Unter Verwendung dieses Prinzips entwickelten die Forscher ein Mikroskopsystem, das mit einem räumlichen Lichtmodulator, einem computergesteuerten Gerät zur Projektion des CGH, ausgestattet war. Das entwickelte Mikroskopsystem konstruierte ein 3D-Bild aus einem einzigen 2D-Scan einer Lichtnadel für den Tiefenbereich von 20 Mikrometern. Dieses System zeichnete 3D-Filme dynamischer Bewegungen von mikrometergroßen Kügelchen auf, die in Wasser suspendiert waren, was von bestehenden Laser-Scanning-Mikroskopen selten erreicht wird.
Die Forscher demonstrierten auch die schnelle 3D-Bilderfassung für dicke biologische Proben mit einer Geschwindigkeit, die mehr als zehnmal so schnell ist wie die herkömmliche Technik. Die vorgeschlagene Technik wird die Bildaufnahme in verschiedenen Forschungs- und Industriebereichen, in denen die 3D-Bildbeobachtung und -auswertung wesentlich sind, erheblich beschleunigen. Die Forscher planen nun, die Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Methode auf verkleinerte Systeme weiter auszudehnen, um sie in praktischen Anwendungen einzusetzen.
Die Studie wurde veröffentlicht in Express für biomedizinische Optik.
Yuichi Kozawa et al, Wavefront Engineered Light Needle Mikroskopie für axial aufgelöste schnelle volumetrische Bildgebung, Express für biomedizinische Optik (2022). DOI: 10.1364/BOE.449329