Фотоаккустическая микроскопия

Система фотоакустической микроскопии сверхвысокого разрешения с использованием конического оптического волокна позволяет исследователям преодолевать общие проблемы, связанные с традиционными подходами.

Фотоакустическая микроскопия, метод визуализации тканей in vivo, основанный на формировании звуковых волн, которые следуют за поглощением света в образце материала, является эффективным способом заглянуть глубоко внутрь тела без контрастных веществ. Но получение изображений сверхвысокого разрешения с помощью этой техники остается сложной задачей, так как трудно сфокусировать свет в крошечной единственной точке с помощью всего лишь объектива.

Исследователи из Пхоханского университета науки и технологий (POSTECH) в Южной Корее работают над решением этой проблемы с помощью экспериментальной системы, которая заменяет линзу оптическим волокном. Их система сверхвысокого разрешения без линз включает фотоакустическую микроскопию силы сдвига (SF-PAM) с использованием схемы обнаружения силы сдвига и конического волокна.

«Основываясь на обнаружении силы сдвига, эта система может анализировать свойства оптического поглощения и рассеяния образцов, а также механические и морфологические свойства, такие как топография и вязкость», — говорит Бьюлли Парк, научный сотрудник инженерного отдела POSTECH Convergence IT, который является соавтором. руководил исследованием.

В системе SF-PAM фотоакустические волны генерируются в ближней зоне с использованием непокрытого конического волокна с размером апертуры 100 ± 25 нм. Коническое волокно прочно прикреплено к кварцевому камертону (QTF), представляющему собой пьезоэлектрический дизеринг, поддерживающий стабильное расстояние в несколько десятков нанометров от образца по схемам управления сдвиговой силой с использованием петли z-обратной связи по фазе. система с замкнутым контуром (PLL).

Это обеспечивает одинаковую энергию поля и разрешение, удерживая зонд на постоянном расстоянии вместе с высотой поверхности образца во время сканирования.

Для обнаружения фотоакустического сигнала исследователи разместили специальный высокочастотный ультразвуковой преобразователь диаметрально противоположно волокну посередине образца. Чтобы доказать осуществимость системы, Парк говорит, что моделирование светового поля выполняется в той же структуре, что и конусообразное волокно; это поле применяется для фотоакустического моделирования. Затем был изготовлен образец структуры микрорешетки из золота, и с помощью 2D-сканирования была продемонстрирована возможность получения фотоакустических изображений.

В ходе исследования система исследователей SF-PAM смогла получать изображения с разрешением 1 ± 0,3 мкм, чего достаточно для четкого изображения клеток, включая эритроциты.

В обычном фотоакустическом микроскопе свет собирается в линзе на определенном расстоянии между образцом и источником света. Но ограничения бокового разрешения и предела оптической дифракции затрудняют сбор света в одной точке линзы. Новый подход исследователей обходит проблему дифракции. Коническое оптическое волокно без покрытия диаметром всего несколько десятков нанометров позволяет расстоянию между образцом и источником света оставаться в диапазоне ближнего поля, где не происходит дифракции.

Система нацелена на преодоление и других проблем, отмечает Пак, в том числе потребность в новом направлении в области PAM со сверхвысоким разрешением и потребность в комплексной системе анализа поверхности в наномасштабе.

«Это исследование ценно как проверка концепции, направленной на сканирование PAM ближнего поля со сверхвысоким разрешением в будущем», — говорит он. «Это краеугольный камень для получения фотоакустических изображений сканирования ближнего поля сверхвысокого разрешения за счет разработки волокон с неметаллическим покрытием».

Система потенциально может быть использована для изучения того, как формируются болезни, включая рак и сердечно-сосудистые заболевания, что может привести к более эффективному лечению.