Het idee van de fotonkrachtmicroscoop met in fase gebracht licht (‘squeezed light’)

Door kwantummechanica te combineren met fotonkrachtmicroscopie zijn Australische onderzoekers er in geslaagd gedetailleerde opnames te maken van een levende cel, zeggen de onderzoekers. Hoe?
Fotonkrachtmicroscopie is een techniek die lijkt op atoomkrachtmicroscopie. De fotonkrachtmicroscoop is op zich geen nieuw apparaat. Die werd al in 1993 beschreven door L.Ghislain en W.Webb. In plaats van een zeer fijne naald bij de atoomkrachtmicroscopie gebruikten de onderzoekers uiterst kleine vetbolletjes van zo’n 0,3 µm (1 µm = 0,001 mm = 1000 nm) om de stroming van het cytoplasma met uiterst grote precisie in beeld te brengen. Die vetbolletjes worden ‘vastgehouden’ door licht.
Om die ’tip’ te kunnen waarnemen, werd die met laserlicht beschenen. De opgevangen lichtdeeltjes komen nooit allemaal tegelijk op de detector en dat maakt heet beeld vaag. Bij zogeheten ‘geknepen’ licht wordt gebruik gemaakt van kwantummechanische trucjes, waardoor deze ‘willekeur’ (ruis) wordt verminderd en het beeld helderder wordt. “Het basisidee is om daarmee nanodeeltjes in de cel te kunnen lokaliseren”, zegt onderzoeker Warwick Bowen van de universiteit van Queensland in Australië.
Iedereen die wel eens wat over microscopie heeft gelezen weet dat gewone lichtmicroscopen last hebben van een ondergens, waardoor het beeld niet verder kan worden vergroot. Dat heeft te maken met de golflengte van het licht waarmee het te bestuderen voorwerp wordt beschenen (bekeken), de zogeheten diffractielimiet (niet gedetailleerder dan de helft van de lichtgolflengte). Dan hebben het over details kleiner dan 250 nm (een kwart µm). De meeste ‘dingetjes’ in een cel zijn kleiner en dus onzichtbaar voor een gewone lichtmicroscoop. Daar zijn wel wat oplossingen voor bedacht, zoals de STED-fluorescentiemicroscoop, maar kennelijk voldoen die ook niet helemaal. De resolutiegrens ligt met deze nieuwe techniek met 10 nm onder de 20 nm van de concurrenten.

Het vetbolletje is dus de ’tip’ waarmeeIn plaats het object wordt afgetast, het principe van de atoomkrachtmicroscoop. Dat vetbolletje wordt ‘vastgehouden’ door optische ‘pincetten’, een manier om met licht een deeltje te fixeren. Omdat vetbolletjes voor de cel geen vreemd materiaal zijn, hoeven de cellen niet te worden geprepareerd, zoals bij een atoomkrachtmicroscopen. Dat betekent dan dat levende cellen in ‘beeld’ gebracht kunnen worden, al komt bij mij dan toch meteen het idee op dat je zo dan alleen opnames kan maken van de buitenkant van de cellen.
De resolutie van 10 nm is alleen mogelijk als de plaats van het vetbolletje met die zekerheid is te bepalen. Daartoe werd ‘geknepen licht’ gebruikt. Dat is in feite het nieuwe aan het geheel.  De fotonen, ook op te vatten als golven, gedragen zich nogal chaotisch. Elk golfje (=foton) heeft, bij wijze van spreken, zijn eigen fase of anders gezegd: die liggen allemaal uit fase. Dat levert een wazig beeld op. Licht ‘knijpen’ betekent dat je de fotonen meer ‘in fase’ brengt. Dat doe je door die fotonen allemaal, of althans zo veel mogelijk, in dezelfde fase te laten starten. Hoe beter je dat kunt, hoe scherper de beelden.
Op deze manier konden de onderzoekers de viscositeit in een gistcel gemeten worden. Dan denk ik weer: hoezo levende cel? Je moet dan toch het celmembraan kapot maken? Tot nu is het vetbolletje nog maar in een richting te volgen. Drie dimensies is natuurlijk waar het om draait om een goed beeld te krijgen. Het is een listige techniek, maar hoe je daarmee beelden van een levende cel in actie kunt maken vraag ik me nog steeds af.

Bron: Wired