وجد باحثون في جامعة طوكيو طريقة لتحسين حساسية تصوير الطور الكمي الحالي بحيث يمكن رؤية جميع الهياكل داخل الخلايا الحية في وقت واحد ، من الجزيئات الصغيرة إلى الهياكل الكبيرة. يُظهر هذا التمثيل الفني للتقنية نبضات من الضوء المنحوت (أخضر ، علوي) يمر عبر خلية (مركز) ويخرج (أسفل) حيث يمكن تحليل التغيرات في موجات الضوء وتحويلها إلى صورة أكثر تفصيلاً. الائتمان: s-graphics.co.jp، CC BY-NC-ND
يمكن أن تؤدي الترقية إلى تصوير الطور الكمي إلى زيادة وضوح الصورة من خلال توسيع النطاق الديناميكي.
طور خبراء الفيزياء الضوئية طريقة جديدة لرؤية الأجزاء الداخلية من الخلايا الحية بمزيد من التفصيل باستخدام تقنية الفحص المجهري الحالية ودون الحاجة إلى إضافة الأصباغ أو الأصباغ الفلورية.
نظرًا لأن الخلايا الفردية شبه شفافة ، يجب أن تكتشف الكاميرات المجهرية الاختلافات الدقيقة للغاية في الضوء الذي يمر عبر أجزاء من الخلية. تُعرف هذه الاختلافات بمرحلة الضوء. تقتصر مستشعرات صور الكاميرا على مقدار اختلاف طور الضوء الذي يمكنها اكتشافه ، ويسمى النطاق الديناميكي.
قال الأستاذ المساعد Takuro Ideguchi من معهد العلوم والأكاديمية تكنولوجيا الفوتون من جامعة طوكيو.
طور فريق البحث تقنية لأخذ تعريضين لقياس تغيرات طور الضوء الكبيرة والصغيرة بشكل منفصل ، ثم ربطهما بسلاسة لإنشاء صورة نهائية مفصلة للغاية. قاموا بتسمية طريقة التصوير الكمي لتغيير المدى الديناميكي المتكيف (ADRIFT-QPI) ونشروا نتائجهم مؤخرًا في الضوء: العلم والتطبيقات.
تم التقاط صور لخرز السيليكا باستخدام تصوير الطور الكمي التقليدي (أعلى) وصورة أوضح تم إنتاجها باستخدام طريقة الفحص المجهري ADRIFT-QPI الجديدة (أسفل) التي طورها فريق بحثي من جامعة طوكيو. الصور الموجودة على اليسار عبارة عن صور للمرحلة الضوئية وتظهر الصور الموجودة على اليمين تغير الطور البصري بسبب امتصاص ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (جزيئي خاص) بواسطة حبات السيليكا. في هذا العرض التوضيحي لإثبات المفهوم ، حسب الباحثون أنهم حققوا حساسية أعلى بحوالي 7 مرات باستخدام ADRIFT-QPI مقارنةً بـ QPI التقليدي. الائتمان: صورة بواسطة Toda et al. ، CC-BY 4.0
لا تتطلب طريقة ADRIFT-QPI الخاصة بنا أي ليزر خاص أو مجهر خاص أو مستشعر صورة ؛ يمكننا استخدام الخلايا الحية ، ولسنا بحاجة إلى أي تلطيخ أو مضان ، وهناك فرصة ضئيلة للغاية للتسمم الضوئي “، قال إديغوتشي.
تشير السمية الضوئية إلى تدمير الخلايا بالضوء ، والذي يمكن أن يصبح مشكلة مع بعض تقنيات التصوير الأخرى ، مثل التصوير الفلوري.
يرسل تصوير الطور الكمي نبضة من ورقة مسطحة من الضوء إلى الخلية ثم يقيس تحول الطور لموجات الضوء بعد مرورها عبر الخلية. ثم يعيد تحليل الكمبيوتر بناء صورة الهياكل الرئيسية داخل الخلية. لقد طور Ideguchi ومعاونوه بالفعل طرقًا أخرى لتحسين الفحص المجهري الكمي.
يعتبر تصوير الطور الكمي أداة قوية لفحص الخلايا المفردة ، حيث يسمح للباحثين بإجراء قياسات مفصلة ، مثل تتبع معدل نمو الخلية كدالة للتغير في موجات الضوء. ومع ذلك ، فإن الجانب الكمي للتقنية له حساسية منخفضة بسبب قدرة التشبع المنخفضة لمستشعر الصورة ، لذلك لا يمكن تتبع جزيئات المقياس النانوي داخل الخلايا وحولها باستخدام النهج التقليدي.
صورة قياسية (أعلى) تم التقاطها باستخدام التصوير الكمي التقليدي وصورة أوضح (أسفل) تم إنتاجها باستخدام طريقة الفحص المجهري ADRIFT-QPI الجديدة التي طورها فريق بحث في جامعة طوكيو. الصور الموجودة على اليسار عبارة عن صور طور بصري وتظهر الصور الموجودة على اليمين تغير الطور البصري بسبب امتصاص ضوء الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (جزيئي خاص) بشكل أساسي بواسطة البروتينات. يشير السهم الأزرق إلى حافة النواة ، ويشير السهم الأبيض إلى النواة (بنية تحتية داخل النواة) ، بينما تشير الأسهم الخضراء إلى جزيئات كبيرة أخرى. الائتمان: صورة بواسطة Toda et al. ، CC-BY 4.0
تغلبت طريقة ADRIFT-QPI الجديدة على قيود النطاق الديناميكي لتصوير الطور الكمي. أثناء ADRIFT-QPI ، تلتقط الكاميرا تعريضين وتنتج صورة نهائية ذات حساسية أكبر بسبع مرات من صور المجهر الكمي التقليدي.
يتم إنتاج التعرض الأول من خلال التصوير الكمي التقليدي للطور – يتم نبض ورقة مسطحة من الضوء نحو العينة ويتم قياس تحولات طور الضوء بعد أن يمر عبر العينة. يقوم برنامج تحليل صور الكمبيوتر بتطوير صورة للعينة بناءً على التعريض الأول ، ثم يقوم بسرعة بتصميم واجهة موجة منحوتة للضوء تعكس تلك الصورة للعينة. ثم يولد مكون منفصل يسمى جهاز تشكيل واجهة الموجة هذا “النحت الخفيف” بضوء أعلى كثافة لإضاءة أقوى ويعيد نبضه إلى العينة من أجل تعريض ثانٍ.
إذا أنتج التعريض الأول صورة تمثل تمثيلًا مثاليًا للعينة ، فإن موجات الضوء المنحوتة بشكل مخصص من التعريض الثاني ستدخل العينة في مراحل مختلفة ، وتمر عبر العينة ، ثم تظهر كصفيحة مسطحة من الضوء ، مما يجعل الكاميرا لا ترى سوى صورة مظلمة.
“هذا هو الشيء المثير للاهتمام: نقوم نوعًا ما بمحو عينة الصورة. نحن بالكاد نريد أن نرى أي شيء. وأوضح إيديغوتشي أننا نقوم بإلغاء الهياكل الكبيرة حتى نتمكن من رؤية الهياكل الأصغر بالتفصيل.
في الواقع ، يكون التعريض الأول غير مثالي ، لذلك تظهر موجات الضوء المنحوتة مع تغيرات طفيفة في الطور.
يكشف التعريض الثاني عن اختلافات طفيفة في طور الضوء “تم القضاء عليها” بفعل الاختلافات الأكبر في التعريض الأول. يمكن قياس اختلافات طور الضوء المتبقية الصغيرة بحساسية متزايدة بسبب الإضاءة الأقوى المستخدمة في التعريض الثاني.
يعيد تحليل الكمبيوتر الإضافي بناء صورة عينة نهائية بمدى ديناميكي ممتد من نتيجتي القياس. كدليل على مظاهرات المفهوم ، يقدر الباحثون أن ADRIFT-QPI ينتج صورًا بحساسية أكبر بسبع مرات من التصوير الكمي التقليدي.
يقول Ideguchi إن الفائدة الحقيقية لـ ADRIFT-QPI هي قدرته على رؤية الجسيمات الدقيقة في سياق الخلية الحية بأكملها دون الحاجة إلى ملصقات أو نقاط.
“على سبيل المثال ، يمكن اكتشاف إشارات صغيرة من جسيمات نانوية مثل الفيروسات أو الجسيمات التي تتحرك داخل الخلية وخارجها ، مما يسمح بمراقبة متزامنة لسلوكها وحالتها. قال إديغوشي.
المرجع: “التحول الديناميكي التكيفي (ADRIFT) التصوير الكمي للمرحلة” بقلم K. Toda و M. Tamamitsu و T. Ideguchi ، 31 ديسمبر 2020 ، الضوء: العلم والتطبيقات.
DOI: 10.1038 / s41377-020-00435-z
التمويل: الوكالة اليابانية للعلوم والتكنولوجيا ، الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم.
