Recherche sur les microscopes à diffusion d’interférence et contrôle de la cohérence spatiale pour le suivi de multiples particules

Introduction

Les microscopes à diffusion d’interférence (iSCAT) se sont révélés exceptionnellement performants pour la détection et l’imagerie de nanoparticules et molécules isolées, établissant des performances inégalées parmi les méthodes d’imagerie optique sans marquage. Cependant, lorsque l’on image des structures complexes comme les cellules biologiques, la superposition des champs diffusés depuis différentes positions de l’échantillon peut générer un fond semblable à du speckle, ce qui pose des défis significatifs pour révéler des caractéristiques fines. La recherche présentée dans le document propose qu’en contrôlant la cohérence spatiale de l’illumination, il est possible d’éliminer les fonds de speckle sans sacrifier la sensibilité.

Origine de la recherche

Les principaux auteurs de cette étude sont Mahdi Mazaheri, Kiarash Kasaian, David Albrecht, Jan Renger, Tobias Utikal, Cornelia Holler et Vahid Sandoghdar. Les institutions de recherche impliquées sont le Max Planck Institute for the Science of Light et l’université Friedrich-Alexander d’Erlangen-Nürnberg. Cette étude a été publiée dans le journal “Optica” en juillet 2024.

Processus et méthodes de recherche

Processus de recherche

Pour contrôler la cohérence spatiale de l’illumination et éliminer le fond de speckle, l’étude a utilisé un diffuseur rotatif, une lentille à focale réglable et un diaphragme placés dans le chemin de l’illumination. Les expériences montrent que cette méthode maintient la capacité d’imagerie à la limite de diffraction à un taux de rafraîchissement élevé de 25 kHz et pour un grand champ de vision de 100 μm × 100 μm. Cette méthode a démontré des avantages significatifs en combinant l’imagerie sans marquage, la détection sensible et le suivi rapide en 3D de plus de 1000 vésicules dans une cellule COS-7, ainsi que la dynamique du réseau réticulum endoplasmique (ER).

Étapes spécifiques

1. Installation du diffuseur rotatif et de la lentille réglable : En plaçant un diffuseur rotatif et une lentille focale ajustable dans le chemin de l’illumination, et en contrôlant l’ouverture numérique (INA) du faisceau lumineux à travers un diaphragme, la phase du faisceau d’illumination est efficacement randomisée, supprimant ainsi la formation des anneaux IPSF et réduisant le fond de speckle.
2. Imagerie à haute fréquence : Des images de nanoparticules d’or (GNP) de 40 nm ont été prises à 25 kHz. Bien que l’anneau IPSF au centre du signal de diffusion ne soit pas éliminé par l’application du diffuseur rotatif, ses structures périphériques sont significativement atténuées.
3. Choix de l’échantillon : Des membranes de cellules biologiques et des organelles telles que le réticulum endoplasmique et les mitochondries ont été testées, avec enregistrement et analyse du comportement dynamique des échantillons.
4. Analyse des données : En calculant le profil radial de l’IPSF et ses variations temporelles, les trajectoires 3D des nanophères ont été suivies.

Principaux résultats

Génération et analyse des données

L’expérimentation avec le diffuseur rotatif, la lentille réglable et le diaphragme contrôle a réussi à contrôler la cohérence spatiale du faisceau lumineux, supprimant ainsi efficacement le fond de speckle lors du processus d’imagerie. Le suivi en 3D de multiples vésicules dans des cellules COS-7 a montré que, grâce à l’IPSF optimisée, des informations utiles peuvent être enregistrées sur de longues périodes et pour de larges champs de vision avec une haute résolution temporelle.

Conclusion et signification

Une conclusion clé de cette recherche est que, en contrôlant la cohérence spatiale du faisceau lumineux, il est possible de réduire significativement le fond de speckle dans les microscopes à diffusion d’interférence tout en augmentant la vitesse d’imagerie. Cette méthode montre un potentiel immense pour l’imagerie sans marquage à haute vitesse et le suivi 3D à l’échelle nanométrique.

Le microscope sans marquage utilisant la méthode TS-ISCAT atteint à la fois une haute résolution et une haute sensibilité, avec la capacité de suivre dynamiquement en 3D, ce qui est crucial pour l’étude de la dynamique cellulaire en biologie. De plus, cette méthode présente des perspectives d’application larges pour résoudre les problèmes de diffusion de la lumière.

Points forts

1. Contrôle de la cohérence spatiale : L’approche innovante de suppression du fond de speckle par le contrôle de la cohérence spatiale du faisceau est une avancée significative.
2. Haute fréquence et large champ de vision : La méthode maintient une résolution à la limite de diffraction à une fréquence de 25 kHz et pour un champ de vision de 100 μm × 100 μm.
3. Potentiel d’application étendu : Cette méthode montre une valeur potentielle pour le suivi 3D sans marquage et l’étude de la dynamique cellulaire.

Autres informations

La recherche décrit également comment fabriquer des échantillons standards avec des caractéristiques de distribution aléatoire pour vérifier l’efficacité de réduction de bruit, et comment utiliser les réseaux de deep learning, tels que SegNet, pour améliorer la reconnaissance spécifique des organelles dans les images. Ces détails améliorent encore la complétude et l’exactitude de la recherche.

Grâce à une conception expérimentale ingénieuse et à une analyse rigoureuse des données, cette étude démontre comment améliorer significativement la résolution et la sensibilité des microscopes à diffusion d’interférence pour l’imagerie d’échantillons biologiques, ouvrant de nouvelles méthodes et directions pour l’imagerie sans marquage à haute vitesse. Les résultats de cette recherche posent une base solide pour des applications futures plus approfondies dans l’imagerie biologique et l’étude des structures nanométriques.