Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали метаматериал, повышающий разрешение световой микроскопии с 200 до 40 нанометров. Исследователи совместили технологию с алгоритмической обработкой в MATLAB.

Несмотря на все модификации, предел разрешения световых микроскопов составляет 200 нанометров. С таким разрешением исследователи наблюдают за клетками, но изучение внутриклеточного пространства невозможно. Подобная визуализация возможна благодаря использованию других методов, например, электронной микроскопии. Но они дороги в обслуживании и производстве. Кроме того, такие методы не пригодны для наблюдения за живыми организмами, поскольку убивают их в процессе получения визуализации. 

Исследователи Калифорнийского университета добавили к оптическому микроскопу прослойку из гиперболического метаматериала (НММ) и повысили разрешение до 40 нанометров, не причиняя вреда микробам.

Прослойка состоит из предметного стекла с напылением из чередующихся слоёв серебра и кварцевого стекла. Метаматериал сокращает длину волн и рассеивает проходящий через него свет, образуя серию случайных пятнистых световых узоров. После специалист монтирует на стекло исследуемый образец. 

(а). Изочастотная кривая воздуха, идеальный НММ по теории эффективной среды (ЕМТ) и практический НММ состоят из слоистых структур Ag и SiO2 (Bloch) на волне 488 нм. Волновой вектор kx и kz нормирован на волновой вектор k0 в воздухе. Допустимая k-пропускная способность выделена серым (воздух) и оранжевым (HMM). (b). Примерные спекл-структуры из различных материальных систем. Слева спекл без использования НММ (серая полоса на рисунке а), справа с НММ (бежевая полоса на рисунке а). Масштабная шкала 400 нанометров. (с) Подложка с покрытием из HMM проецирует объекты с ультратонкой структурой на предметы, лежащие на её внешней поверхности. (d) Схема неоднородной границы раздела между распыленным Ag и SiO2  

В ходе работы исследователи получили множество отснятых кадров, которые алгоритм реконструкции собрал в один снимок с высоким разрешением. Специалисты вели обработку реконструкцию изображений в MATLAB.

Для получения изображений исследователи используют камеру sCMOS. Время экспозиции составило 200 мс с частотой кадров 1 Гц. Реконструкция изображения 100х100 пикселей заняла 10 минут на настольном компьютере с видеокартой GTX 1080Ti и процессором i7-8700k. Реконструкция изображения 200х200 пикселей занимает до 30 минут. Каждое итоговое изображение содержит 80—500 подкадров. 

Художественная визуализация новой технологии микроскопии сверхвысокого разрешения. Живые клетки (красные) помещены на предметное стекло, покрытое рассеивающим свет материалом. Структурированный свет в наномасштабе (синий) генерируется метаматериалом и освещает клетки 

Исследователи проверили технологию на инвертированном микроскопе. У микроскопов прямого типа объектив находится над предметным стеклом с расположенным внизу осветительным прибором. У инвертированных микроскопов наоборот — объектив внизу, подсветка вверху. С их помощью исследователи изучают громоздкие объекты, например, мух или кору деревьев.

Используя новую технологию, учёные визуализировали микрофиламенты (нити белка актина) диаметром 6—8 нанометров в окрашенных флуоресцентным маркером клетках и крошечные флуоресцентные молекулы, находящиеся на расстоянии 40—80 нанометров друг от друга. В итоге исследователи получили изображения с высоким разрешением в двумерном пространстве. 

Сравнение изображений, полученных без использования метаматериала (слева) и с использованием метаматериала (справа). На визуализации изображены микрофиламенты маркированных клеток 

ображений, полученных без использования метаматериала (слева) и с использованием метаматериала (справа). На визуализации изображены флуоресцентные молекулы

В прошлом году эта же группа исследователей применила метаматериал при флуоресцентной микроскопии и увеличила разрешение с 10 до 2,4 нанометров с сохранением цвета. В дальнейшем группа планирует объединить старое и новое исследования чтобы создать технологию для получения трёхмерных визуализаций живых клеток. 

Учёные утверждают, что использование метаматериала ускорит и удешевит дальнейшие исследования. Метаматериал прост в установке и не требует формирования особых условий и освещения в ходе работы.  

Материалы исследования опубликованы в статье «Metamaterial assisted illumination nanoscopy via random super-resolution speckles»в журнале Nature Doi.org/10.1038/s41467-021-21835-8