Движение клеток сняли на видео сверхвысокого разрешения с частотой 200 кадров в секунду
Ученые разработали метод оптической микроскопии сверхвысокого разрешения, с помощью которого можно получать видеоизображения движущихся клеток с частотой до 200 кадров в секунду. Пространственное разрешение метода при этом достигает 110 нанометров, пишут ученые в Nature Photonics.
Чтобы получить трехмерные изображения клеток с нанометровым разрешением, как правило, используют либо электронную микроскопию, либо специальные методики оптической микроскопии (в совсем редких случаях для этого предлагают применять и атомно-силовую микроскопию). При этом, в отличие от электронной микроскопии, которая требует для получения изображения покрывать клетки проводящим материалом, замораживать их и держать в условиях вакуума, оптическая микроскопия позволяет проводить измерения при комнатных условиях и даже позволяет наблюдать за клетками в динамике.
Обычно оптическая микроскопия сверхвысокого разрешения, пространственное разрешением которой находится ниже дифракционного предела, основана или на анализе интерференционной картины, которая образуется при освещении люминесцентного образца под различным углом, или использовании ближнепольных методов. Основная проблема микроскопов сверхвысокого разрешения для получения видеоизображений — достаточно низкая частота кадров. Для того, чтобы повысить пространственное разрешение, приходится жертвовать разрешением по времени, и даже в наилучших реализациях метода не удается добиться частоты больше нескольких кадров в секунду.
Ученые из Швейцарии, США и Германии под руководством Тео Лассера (Theo Lasser) из Федеральной политехнической школы Лозанны разработали новый метод оптической микроскопии сверхвысокого разрешения, с помощью которого можно получать видеоизображения клеток с частотой до 200 кадров в секунду. Добиться этого ученые смогли, объединив в одном устройстве микроскоп сверхвысокого разрешения, основанный на измерении оптических флуктуаций, и устройства для получения изображений с фазовым контрастом, при котором сдвиг фазы света преобразуется в изменение коэффициента отражения изображения. А чтобы получить не плоское изображение, а объемное, каждый кадр снимали для восьми различных горизонтальных срезов.
С помощью предложенного метода ученые смогли получить трехмерные изображения движущихся объектов в объеме 2,5 × 50 × 50 микрометров с частотой от 50 до 200 кадров в секунду. Пространственное разрешение изображений составило 110 нанометров в плоскости изображения и менее 500 нанометров — вдоль вертикальной оси.
Авторам удалось показать, что разработанный ими метод работает, на нескольких модельных системах с различной динамикой: ученые получили изображения живых фибробластов человека, делящейся раковой клетки линии HeLa, нейронов гиппокампа мыши и мышечных макрофагов. При этом получать объемные видео двигающихся и делящихся клеток можно как с использованием специальных флуоресцентных меток, так и без них.
В результате предложенная методика позволила не только получить изображения разных типов клеток, но и проследить за движением в них клеточных органоидов и динамикой изменений цитоскелета. Полученные результаты позволяют рассчитывать, что в ближайшее время разработанный подход будет широко использоваться для получения трехмерных фотографий и видеороликов с живыми клетками для биологических и медицинских исследований.
Развитие микроскопических методов, позволяющих получать объемные видеоизображения, актуально не только для исследования биологических объектов, но и для изучения динамических процессов в неживой природе, например диффузии наночастиц или распространения дефектов внутри кристаллов.
Александр Дубов
В ловушку Пауля уместилось 105 ионов кальция
Австрийские физики смогли собрать в ловушке Пауля двумерный ионный кристалл, состоящий из 105 ионов кальция — это самый большой показатель на сегодняшний день. Кристалл был стабилен в течение нескольких секунд, также физикам удалось добиться охлаждения ионов в основное колебательное состояние и доступа к отдельным частицам. В перспективе это позволит существенно расширить квантовые вычисления и квантовые симуляции на ионных массивах. Исследование опубликовано в PRX QUANTUM. Массивы ионов, выстроенные в ловушках — это перспективная система для квантовых вычислений и квантовых симуляций. Ионы хороши тем, что взаимодействуют друг с другом сильно, а также позволяют удерживать себя электрическими и магнитными полями. За счет этого вычислители на ионах можно сделать компактнее. Одна из главный проблем этой технологии — масштабируемость. Рекордные 53 иона были собраны группой Монро еще в 2017 году, и дальнейший рост сталкивается с целым рядом технических трудностей. Их можно было бы преодолеть, собирая двумерные упорядоченные структуры. Такие эксперименты проводились, однако тогда физики не имели доступа к управлению отдельными ионами из-за особенностей удерживающих ловушек. Ситуация изменилась благодаря работе физиков из Инсбрукского университета. Ученые смогли собрать устойчивую двумерную структуру из 105 ионов кальция, удерживаемых монолитной радиочастотной ловушкой Пауля. Им также удалось перевести такой кулоновский кристалл в основное состояние по поперечным колебательным модам, что необходимо для реализации разнообразных протоколов запутывания. Большая трудность, которая встает на пути удержания двумерных массивов паулевой ловушкой — это высокая чувствительность ионов в неточности расположения ее элементов. Для борьбы с этой проблемой, физики использовали монолитный подход, в котором все элементы ловушки остаются частью одного твердого тела, а потому практически не смещаются относительно друг друга. Авторы изготавливали электроды таким образом, чтобы сформировать плоский анизотропный потенциал, из-за чего ионный кристалл принимал эллиптическую форму. Их установка давала лазерным лучам доступ к ионам в широком диапазоне углов, что позволило эффективно проводить манипуляции и визуализацию кристалла. В начале эксперимента физики подвергали лазерной абляции твердотельный кальциевый образец. Они облучали испущенные атомы ионизирующим лучом, после чего ионы попадали в область ловушечных потенциалов, где в течение минуты формировался кристалл. Ученые охлаждали его с помощью метода боковой полосы и метода электромагнитно-индуцированной прозрачности. В качестве кубитов авторы использовали несколько зеемановских подуровней. Для контроля отдельных ионов они фокусировали свет с помощью двухмерного акустооптического дефлектора. Оказалось, что время когерентности в таких кубитах может быть продлено до 370 миллисекунд при том, что сам кулоновский кристалл остается стабильным в течение нескольких секунд даже без лазерного охлаждения. Один из путей масштабирования квантовых вычислений на ионах — использовать кудиты вместо кубитов за счет нескольких уровней. Недавно мы рассказывали, как российские физики объединили два кукварта на основе ионов кальция и продемонстрировали на них универсальный набор квантовых операций.