Onderzoekers van het instituut MESA+ aan de Universiteit Twente hebben een manier ontwikkeld om de scherpte van een lichtmicroscoop te verbeteren. Normaalgesproken wordt verstrooiing zoveel mogelijk vermeden in een microscoop, omdat het de resolutie en het contrast verslechtert. De onderzoekers hebben nu een eenvoudige en efficiënte manier gevonden om met bijzondere licht verstrooiende materialen de scherpte van het beeld juist aanzienlijk te verbeteren. Een paper met als eerste auteur Hasan Yılmaz van de Universiteit Twente verscheen in Optica, een nieuw tijdschrift van de Optical Society (OSA). Yılmaz: “Het is alsof de mist optrekt”.
Een gewone microscoop kan geen kleinere details onderscheiden dan ongeveer de halve golflengte van groen licht, oftewel 0,25 micrometer (een micrometer is een duizendste van een millimeter). Veel interessante en belangrijke structuren in biologische cellen en in computerchips zijn echter kleiner dan dat. Een algemeen toepasbare methode om de resolutie van een microscoop te verbeteren is het structureren van de belichting. Een computer kan uit een serieopnamen onder verschillende belichtingen een hoge-resolutiebeeld berekenen. Tot nu toe hebben onderzoekers altijd de helderste lenzen gebruikt voor zowel het afbeelden als de belichting. Daarbij is de keuze aan materialen beperkt: Van sommige materialen is het niet mogelijk een lens zonder verstrooiing te maken.
De nieuwe aanpak
Verstrooid laserlicht ziet eruit als een patroon van kleine spikkeltjes. De onderzoekers van het MESA+ Instituut aan de Universiteit Twente hebben een nieuwe aanpak ontwikkeld om deze spikkels in te zetten als belichting in een microscoop. Met geoptimaliseerde nanomaterialen maken ze de kleinste spikkels, die met zichtbaar licht ooit gemaakt zijn. En door met deze spikkels te belichten bereiken ze een zeer hoge resolutie (0,12 micrometer) in een breed gezichtsveld.
In deze nieuwe methode wordt het object (in het experiment een verzameling van fluorescerende nanodeeltjes) op een ondergrond van het materiaal galliumfosfide geplaatst, en wordt de andere kant belicht met laserlicht. In het materiaal ontstaat een spikkelpatroon dat over het object gescand wordt. Uit deze scan, plus een lage-resolutie afbeelding van een gewone microscooplens, wordt een scherp beeld berekend.
“Het verbeteren van de afbeeldingsscherpte ziet eruit als het optrekken van de mist” zegt Hasan Yılmaz, de eerste auteur van het artikel “Maar eigenlijk is het wazige beeld met heldere lenzen opgenomen. Het scherpe beeld is gemaakt met verstrooid licht.” De nieuwe belichtingsmethode is specifiek voor het oppervlak en relatief ongevoelig voor ruis en vibraties. De nieuwe methode, die de onderzoekers Speckle Correlation Resolution Enhancement (SCORE) hebben gedoopt, wordt beschreven in een publicatie in het open-source vaktijdschrift Optica, het nieuwe tijdschrift van de internationale Optical Society (OSA).
Figure 1: Maakt verstrooid licht de afbeelding scherper? Links: Gebroken cameralens (Shutterstock) Rechts: Fluorescerende nanodeeltjes bekeken door een microscooplens (linksboven) en met de nieuwe SCORE methode (rechtsonder). Het verstrooide licht in de SCORE techniek brengt veel kleinere details aan het licht. De grootte van de afbeelding is 10 µm x 10 µm.
Informatie over de publicatie:
Titel: Speckle correlation resolution enhancement of wide-field fluorescence imaging
Auteurs: H. Yılmaz, E. G. van Putten, J. Bertolotti, A. Lagendijk, W. L. Vos, and A. P. Mosk
Journal: Optica (http://optica.osa.org/)
Rearch Group: Complex Photonic Systems (COPS) (http://cops.tnw.utwente.nl)
Instituut MESA+ Institute for Nanotechnology at the University of Twente in the Netherlands. Jacopo Bertolotti is currently at the University of Exeter, UK. Elbert van Putten is currently at Philips Research, The Netherlands.
Link naar het vakblad: http://dx.doi.org/10.1364/OPTICA.2.000424
