Ghost Imaging Speeds Up Super-Resolution Microscopy

New nanoscopy approach poised to capture biological processes occurring inside cells at submillisecond speeds

워싱턴 — 연구원들은 전례없는 속도로 초 고해상도 현미경을 얻기 위해 고급 이미징 방식을 사용했습니다. 새로운 방법은 이전에는 불가능했던 속도로 살아있는 세포에서 발생하는 과정의 세부 사항을 포착할 수 있도록 해야 합니다.

nanoscopy라고도 하는 초 해상도 기술은 빛의 회절 한계를 극복하여 나노 스케일 해상도를 달성합니다. 나노 현미경은 세포 내부의 개별 분자의 이미지를 캡처 할 수 있지만 이미지를 재구성하는 데 수백 또는 수천 개의 이미징 프레임이 필요하기 때문에 살아있는 세포에 사용하기가 어렵습니다. 빠르게 변화하는 역학을 캡처하기에는 너무 느립니다.

중국 과학 아카데미의 고 영향도 연구를 위한 광학 협회 (Optical Society 's, OSA ) 저널 인 Optica에서 , 고스트 이미징 (Ghost Imaging)으로 알려진 기존의 이미징 기법을 사용하여 나노 스코프의 이미징 속도를 향상시키는 방법을 설명합니다. 이 조합은 전통적인 나노 스코피 기술보다 몇 배나 적은 수의 이미징 프레임을 사용하여 나노미터 해상도를 생성합니다.

"우리의 이미징 방법은 수십 나노미터의 공간 분해능 (생물학적 과정이 일어나는 공간적 및 시간적 분해능)을 가진 세포 구조에서 밀리 초 시간 단위로 발생하는 역학을 검출할 수 있다."라고 연구팀의 공동 리더인 Zhongyang Wang은 말했다.

Combining techniques for faster imaging

새로운 접근 방식의 기반인 STORM(stochastic optical reconstruction microscopy)은 2014 년 노벨상을 수상한 3가지 초 해상도 기술 중 하나로, PALM (photoactivated localization microscopy)이라고도한다. 

STORM은 발광 (켜짐) 상태와 어두운 (꺼짐) 상태를 전환하는 형광 레이블을 사용하는 광 시야 기술입니다.

주어진 시간 내, 형광 레이블의 하위 세트를 각각 캡처하는 수백, 수천 개의 스냅 샷으로 각각의 분자의 위치가 결정되고 형광 이미지를 재구성하는데 사용된다.

연구원들은 STORM 이미징 프로세스의 속도를 높이기 위해 고스트 이미징으로 전환했습니다. 고스트 이미징은 물체와 상호 작용하는 빛 패턴과 그렇지 않은 참조 패턴을 연관시켜 이미지를 형성합니다. 개별적으로 빛 패턴은 물체에 대한 의미 있는 정보를 전달하지 않습니다. 또한 연구원들은 누락된 정보를 채우기 위해 알고리즘을 사용하기 때문에 노출을 줄이면서 이미지를 재구성 할 수 있는 계산 방식인 압축 이미징을 사용했습니다.

한 ShengM 연구원은“STORM은 저밀도 형광 라벨과 많은 이미지 프레임을 필요로 하지만 매우 적은 수의 프레임과 고밀도 형광 단을 사용하여 고해상도 이미지를 만들 수 있습니다. "또한 복잡한 조명이 필요하지 않아 역동적인 생물학적 과정과 살아있는 세포에 해를 끼칠 수 있는 광표백과 광독성을 줄일 수 있습니다."

Improving imaging efficiency

새로운 기술을 구현하기 위해 연구진은 랜덤 위상 변조기 (random phase modulator)로 알려진 광학 부품을 사용하여 샘플에서 형광을 랜덤 스펙 클 패턴으로 바꾸었다. 이러한 방식으로 형광을 코딩하면 매우 빠른 CMOS 카메라의 각 픽셀이 단일 프레임에서 전체 물체로부터 빛의 세기를 수집할 수 있었습니다. 고스트 이미징 및 압축 이미징을 통해 이미지를 형성하기 위해, 이 광 강도는 단일 단계에서 기준 광 패턴과 상관되었다. 결과적으로 보다 효율적인 이미지 획득과 고해상도 이미지를 형성하는 데 필요한 프레임 수가 줄어듭니다.

연구원들은 이 기술을 사용하여 60 나노미터 링을 이미징 하여 테스트했습니다. 새로운 nanoscopy 접근법은 단 10 개의 이미지 프레임을 사용하여 링을 해결할 수 있는 반면, 전통적인 STORM 접근법은 동일한 결과를 달성하기 위해 최대 4000 프레임이 필요했습니다. 새로운 접근 방식은 또한 100 개의 이미지 프레임이 있는 40 나노미터 눈금자를 해결했습니다.

Wang은“이 방법이 이 연구에 사용된 것보다 약한 형광을 나타내는 것을 포함하여 다양한 형광 시료에 적용될 수 있기를 희망한다"라고 말했다. 또한 연구원들은 이 기술을 더 빠른 시야로 비디오 레이트 이미징을 달성하고 3D 및 컬러 이미지를 획득하는 데 사용할 계획입니다.

논문 : W. Li, Z. Tong, K. Xiao, Z. Liu, Q. Gao, J. Sun, S. Liu, S. Han, Z. Wang,“고스트 이미징 기반의 단일 프레임 광 시야 나노 스코프 희소성 제약을 통해”” Optica , 6, 12, 1515-1523 (2019).
DOI : https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.001515

출처: https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2019/ghost_imaging_speeds_up_super-esolution_microscop/