Delftse microscoop duikt nog verder onder de 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.

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.

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.