カスタマイズされた空間コヒーレンスを用いたiSCAT顕微鏡と粒子追跡
干渉散乱顕微鏡研究及び多粒子追跡の空間的コヒーレンス制御
背景紹介
干渉散乱（iSCAT）顕微鏡は、単一のナノ粒子や分子の検出やイメージングにおいて優れた性能を示し、ラベルフリーの光学的イメージング手法として比類のない性能を発揮しています。しかし、生物細胞などの複雑な構造をイメージングする際には、標本の異なる場所からの散乱場が重なり合ってスペックルのような背景が発生し、精細な特徴の解明に大きな挑戦が生じます。研究論文では、照明の空間コヒーレンスを制御することにより、感度を犠牲にすることなく、偽スペックル背景を除去することができると提案されています。
研究の出典
この研究論文の主要著者には、Mahdi Mazaheri, Kiarash Kasaian, David Albrecht, Jan Renger, Tobias Utikal, Cornelia Holler、そしてVahid Sandoghdarが含まれています。研究機関はMax Planck Institute for the Science of LightとFriedrich-Alexander University Erlangen-Nürnbergに関連しています。論文は2024年7月に発表された《Optica》誌に掲載されました。
研究プロセスと方法
研究フロー
研究では、照明パスに回転する拡散板、可変焦点のレンズ、および絞りを配置することにより、照明の空間コヒーレンスを制御し、スペックル背景を除去する方法を実現しました。25 kHzの高フレームレートと100 μm × 100 μmの広い視野で、回折限界解像度を維持しつつイメージングが可能であることを示しました。COS-7細胞内の1000を超える小胞を3D追跡し、内部網状体（ER）ネットワークの動力学をイメージングすることで、ラベルフリーイメージング、高感度検出、および3D高速追跡の組み合わせにおけるこの方法の顕著な利点が示されました。
具体的なステップ
- 回転する拡散板と可変レンズの設定：照明パスに回転する拡散板と焦点距離を調整できるレンズを配置し、絞りを通して照明光束の数値開口（INA）を調整することで、有効に照明光の位相をランダム化し、IPSF環の発生を抑制し、スペックル背景を低減します。
- 高フレームレートイメージング：40ナノメートルの金ナノ粒子（GNP）に対して25 kHzの高速でイメージングしました。回転する拡散板を使用することで、散乱信号の中心にあるIPSF環が除去されるわけではないものの、外側の環状構造は顕著に減少します。
- サンプル選択：生物細胞の膜や細胞小器官のような内部網状体やミトコンドリアなどを対象にテストし、サンプルの動的挙動を記録し分析します。
- データ分析：IPSF径方向プロファイルとその時間変化を計算することで、ナノ粒子の3Dトラジェクトリーを追跡します。
主な成果
データ生成および分析
回転拡散板、可変レンズ、絞りを用いて照明光束の空間コヒーレンスを制御し成功させ、イメージングプロセス中のスペックル背景を効果的に抑制しました。COS-7細胞内の複数の小胞の3D追跡により、最適化されたIPSFを使用して、長時間にわたり大きな視野で高い時間解像度の貴重な情報を記録できることが示されました。
結論と意義
研究から得られた結論は、光束の空間コヒーレンスを制御することで、干渉散乱顕微鏡におけるスペックル背景を著しく低減し、同時にイメージング速度を向上できるということです。この方法は、高速ラベルフリーイメージングおよびナノスケールの3D追跡における大きな可能性を示しています。
TS-ISCAT法により実現されたラベルフリー顕微鏡は、高分解能と高感度を持ち、3D動的追跡能力を併せ持っており、生物科学における細胞動態学調査などの多くの重要な応用が見込まれます。また、光散乱問題を解決するアプローチとしても、幅広い応用の可能性を示します。
ハイライト
- 空間コヒーレンスの操作：提案された空間コヒーレンスの操作によるスペックル背景の抑制方法は、革新的である。
- 高フレームレートと広い視野：25 kHzのフレームレートと100 μm × 100 μmの視野で回折限界の解像度を維持します。
- 広範な応用可能性：ラベルフリーの3D追跡と細胞動態学研究での潜在的な応用価値が示されました。
その他の補足情報
研究では、減音効果を検証するためにランダムに分布する特徴を持つ標準サンプルを作成する方法、およびSegNetのような深層学習ネットワークを活用して、細胞器官のデジタル的な特異性識別を強化する方法も説明されています。これらの詳細は、研究の包括性と正確性をさらに高めています。
この研究は、巧妙な実験デザインと厳格なデータ分析を通じて、生物サンプルのイメージングにおける干渉散乱顕微鏡の解像度と感度を大幅に改善する方法を示しており、高速ラベルフリーイメージングの新たな方法と方向性を切り開くものです。研究結果は、将来の生物イメージングおよびナノ構造研究における深い応用の基盤を築きました。