Un schéma montre une technique de l'Université Rice appelée microscopie à résolution super temporelle, qui acquiert des films moléculaires plus rapides sans avoir besoin d'un appareil photo plus rapide. Un masque de phase à "double hélice" en rotation transforme l'image à point unique d'une molécule en lobes en forme d'haltères qui changent d'angle en fonction du moment où l'image est capturée. Une molécule peut être capturée plusieurs fois dans une seule image. Crédit :Groupe de Recherche Landes/Université du Riz
Une nouvelle technique de l'Université Rice capture des images de processus chimiques qui se produisent plus rapidement que la plupart des caméras de laboratoire ne sont capables de les capturer.
La technique, microscopie à résolution super temporelle (STReM), permet aux chercheurs de visualiser et de recueillir des informations utiles sur les molécules fluorescentes à une fréquence d'images 20 fois plus rapide que ce que permettent normalement les caméras de laboratoire typiques.
Les travaux de la chimiste Rice Christy Landes et de son équipe, avec l'ingénieur électricien de Rice Kevin Kelly, apparaît dans l'American Chemical Society Journal des lettres de chimie physique .
Les chercheurs de Rice commencent par une technique de microscopie lauréate du prix Nobel qui permet de visualiser des objets comme des molécules à une « super résolution » - c'est-à-dire, les choses en dessous de la limite de diffraction qui sont plus petites que ce que la plupart des microscopes sont capables de voir.
"La microscopie à super-résolution nous permet d'imager des choses plus petites qu'environ la moitié de la longueur d'onde de la lumière visible - environ 250 nanomètres, " a déclaré Landes. Mais elle a noté une barrière:"Vous ne pouvez pas prendre de photos de quoi que ce soit plus rapidement que votre fréquence d'images, " elle a dit.
La nouvelle amélioration du laboratoire Rice, qui utilise un masque de phase rotatif pour coder une dynamique rapide dans chaque trame de caméra, aidera les chercheurs à comprendre les processus qui se produisent aux interfaces comme l'adsorption et la désorption des protéines ou des trajectoires de molécules lorsqu'elles se déplacent le long de surfaces bidimensionnelles.
la chimiste de l'Université Rice Christy Landes, la gauche, travaille avec le chercheur postdoctoral Hao Shen pour ajuster les lasers du microscope à super résolution temporelle du laboratoire. Le laboratoire a inventé une technique pour acquérir de meilleures données sur les molécules qui se déplacent plus rapidement qu'une caméra de laboratoire standard ne peut capturer. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Les caméras à dispositif à couplage de charge (CCD) typiques atteignent des fréquences d'images de 10 à 100 millisecondes, dit Landes. Alors que d'autres techniques comme la microscopie électronique peuvent voir des matériaux à l'échelle subnano, La microscopie à super-résolution présente un avantage certain pour les échantillons fragiles comme les biomolécules :elle ne les détruit pas au cours du processus.
La technique manipule la phase de la lumière pour donner à l'image au niveau du détecteur une forme plus compliquée. Ce processus avait déjà été utilisé par d'autres chercheurs pour coder l'emplacement de l'objet dans l'espace tridimensionnel au sein d'une image par ailleurs bidimensionnelle.
La contribution du Rice lab a été de noter qu'en manipulant la phase dans le temps, il serait également possible de coder des résolutions temporelles plus rapides dans une trame d'image lente. Ainsi, le groupe a conçu et construit un masque de phase de rotation. Les images résultantes capturent des événements dynamiques qui se produisent plus rapidement que la fréquence d'images intrinsèque de la caméra. La forme de chaque image dans un cadre lui donne effectivement un horodatage unique.
La technique tire parti d'une caractéristique de la microscopie familière à quiconque a déjà pris une photo floue. Les fonctions d'étalement des points sont une mesure de la forme des images à la fois dans et hors de la mise au point. Lorsque les sujets sont aussi petits que des molécules simples, le décalage dans et hors du foyer se produit facilement, et la taille et la forme du flou résultant peuvent indiquer aux chercheurs à quelle distance du plan focal se trouve le sujet. L'ingénierie du masque de phase permet de rendre plus facile la détection du flou dépendant de la mise au point en introduisant des fonctions d'étalement de points distinctes. Sur le film, ils ressemblent aux lobes d'une barre et tournent par rapport à la mise au point.
STReM utilise les modifications de la fonction d'étalement de points du masque de rotation pour collecter des informations temporelles, dit Landes. Avec la nouvelle technique, les changements dans les angles des lobes révèlent l'heure à laquelle un événement s'est produit dans chaque image.
"Le but est de permettre aux scientifiques d'étudier des processus rapides sans avoir besoin d'acheter des caméras plus rapides et beaucoup plus chères, " a déclaré l'étudiant diplômé de Rice Wenxiao Wang, auteur principal de l'article. "Cela implique d'extraire plus d'informations à partir d'images individuelles."
Landes, qui a récemment remporté le prestigieux Early Career Award de l'ACS en chimie physique expérimentale pour ses travaux visant à intégrer la microscopie à super-résolution à la théorie de l'information pour comprendre les séparations de protéines, a déclaré que la conception et la construction du mécanisme n'ont coûté au laboratoire que quelques centaines de dollars, une fraction du coût d'achat d'un appareil photo plus rapide. Le masque de phase est basé sur les travaux de Kelly, qui s'est appuyé sur ses contributions à la caméra à pixel unique de Rice pour concevoir ce qui équivaut à un morceau de plastique d'épaisseur variable qui déforme la lumière en route vers le CCD.
"Comme l'appareil photo à pixel unique, nous faisons une analyse compressive, " dit Landes. " Avec le masque de phase statique, les informations tridimensionnelles sont compressées en une image 2D. Dans ce cas particulier, nous avons compressé des informations plus rapides dans une fréquence d'images de la caméra plus lente. C'est un moyen d'obtenir plus d'informations dans les pixels que vous avez."
Les co-auteurs sont les associés de recherche postdoctoraux Hao Shen et Lawrence Tauzin; étudiants diplômés Bo Shuang, Benjamin Hoener et Nicolas
