Je leest:

Delftse microscoop duikt nog verder onder de diffractielimiet

Delftse microscoop duikt nog verder onder de diffractielimiet

Auteur: | 21 september 2018

Moderne lichtmicroscopen zien details veel kleiner dan de zogenoemde diffractielimiet, dat lang de ondergrens voor microscopie was. Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft duwen de techniek nu richting het domein van enkele nanometers.

Diffractielimiet

Een klassieke lichtmicroscoop wordt beperkt door de golflengte van het gebruikte licht. Details kleiner dan ongeveer de helft van deze golflengte zijn niet zichtbaar. Dit is de zogenoemde diffractielimiet.

Wie heeft de kleinste? Al jaren slagen wetenschappers erin met slimme trucjes de grenzen van de lichtmicroscoop te verleggen. Zo maken ze extreem kleine structuren zoals virussen of individuele biomoleculen zichtbaar. Zo’n microscoop met een zogenoemde superresolutie ziet inmiddels details van pakweg twintig nanometer, ver onder de limiet van een klassieke microscoop van ongeveer 200 nanometer.

Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft rekken de grens nu op naar zo’n drie nanometer. De wetenschappers lenen daarvoor een techniek uit de elektronenmicroscopie: uit een groot aantal beelden met weinig detail krijgen ze één plaatje met veel detail. Het onderzoek is deze week in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Methods gepubliceerd.

Knipperende kerstboom

Het minuscuul logo van de Technische Universiteit Delft onder de fluorescentietelescoop.

Om hun techniek te demonstreren namen de onderzoekers – volgens goed gebruik – het logo van hun universiteit. Uit het ‘bouwmateriaal’ DNA creëerden ze een groot aantal identieke nanologo’s (ongeveer zeventig nanometer groot) die ze onder de microscoop legden. De afzonderlijke logo’s leveren relatief weinig details, maar een computer weet op basis van ruim vijfhonderd logo’s een verrassend scherp plaatje te reconstrueren.

Het combineren van een groot aantal afbeeldingen tot een superscherp plaatje komt bovenop de fluorescentietechniek die al zo’n tien jaar wordt gebruikt om structuren kleiner dan de lichtgolflengte te zien. Deze zogenoemde superresolutie werkt op basis van een groot aantal minuscule fluorescerende (lichtgevende) labels die aan een object worden gehangen. Met lasers zijn deze labels aan en uit te zetten. Het object wordt een soort knipperende kerstboom. Door goed te kijken de posities van deze individuele lampjes is de vorm van een object te herleiden, zelfs met een grotere precisie dan de golflengte van het uitgezonden licht. In 2014 werd voor deze techniek de Nobelprijs voor de Scheikunde uitgereikt.

De lichtreceptoren van een menselijk oog zichtbaar gemaakt met fluorescentie-microscopie.

Maar de resolutie kan dus nog verder omhoog. Door verschillende beelden te draaien, schuiven en precies over elkaar heen te leggen, kan een computer ze combineren tot een nóg scherper plaatje. Deze techniek werkt dus alleen bij een groot aantal objecten met precies dezelfde vorm. In dit geval vond de reconstructie van de plaatjes plaats op basis van zo’n 550 logo’s en 250 duizend plaatsbepalingen van fluorescentielabels.

Uitgelicht door de redactie

Informatica
Wordt de volgende deeltjesversneller recht of krom?

Neurowetenschappen
Muziek aan tijdens het studeren: slim of juist niet?

Geesteswetenschappen
Zintuigen werken samen in verwerking van taal

Het bijzondere van het algoritme van de onderzoekers uit Delft, onder leiding van professor Bernd Rieger, is dat het zonder ‘voorbeeldplaatje’ werkt dat beschrijft hoe het object er ongeveer uitziet. “Je weet vaak waar je naar kijkt, en informatie over de verwachtte vorm kan rekentijd van de computer enorm verkorten”, zegt Rieger. “Helaas bleek enkele jaren geleden dat algoritmes hierdoor als het ware bevooroordeeld werden. Ze vonden objecten die er helemaal niet waren. Sindsdien is men veel voorzichtiger daarmee. Dit risico is er niet als je geen voorbeeld gebruikt.”

Driedimensionaal

Afhankelijk van de mate waarin de onderzoekers hun objecten labelen haalden ze verschillende resoluties, de hoogste was 3,3 nanometer. Het waargenomen licht had een golflengte van 580 nanometer. De onderzoekers denken dat ze nog beter kunnen. “De afzonderlijke metingen duurden enkele uren en daarbij schoven de logo’s een beetje onder de microscoop. Als je dit kan ondervangen halen we theoretisch een resolutie van ongeveer een nanometer”, zegt Rieger. “Daarna houdt het op, want dan gaat de grootte en beweging van de lichtgevende labels ons parten spelen.”

Deze demonstratie vond in het platte vlak plaatst, maar Rieger hoopt de techniek de komende jaren ook in drie dimensies toe te passen.

Bron

  • Heydarian H. et al., Template-free 2D particle fusion in localization microscopy, Nature Methods (17 september 2018), DOI:10.1038/s41592-018-0136-6
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 21 september 2018

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.