Um esquema mostra uma técnica da Rice University chamada microscopia de resolução supertemporal, que adquire filmes moleculares mais rápidos sem precisar de uma câmera mais rápida. Uma máscara de fase giratória de "dupla hélice" transforma a imagem de um único ponto de uma molécula em lóbulos em forma de barra que mudam de ângulo dependendo do momento em que a imagem é capturada. Uma molécula pode ser capturada várias vezes em uma única imagem. Crédito:Landes Research Group / Rice University
Uma nova técnica da Rice University captura imagens de processos químicos que acontecem mais rápido do que a maioria das câmeras de laboratório são capazes de capturá-los.
A tecnica, microscopia de resolução supertemporal (STReM), permite aos pesquisadores visualizar e coletar informações úteis sobre moléculas fluorescentes a uma taxa de quadros 20 vezes mais rápida do que as câmeras de laboratório normalmente permitem.
O trabalho da química do arroz Christy Landes e sua equipe, junto com o engenheiro elétrico de Rice Kevin Kelly, aparece no American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters .
Os pesquisadores do Rice começam com uma técnica de microscopia ganhadora do Nobel que visualiza objetos como moléculas em "super resolução" - isto é, coisas abaixo do limite de difração que são menores do que a maioria dos microscópios é capaz de ver.
"A microscopia de super-resolução nos permite imaginar coisas menores do que cerca da metade do comprimento de onda da luz visível - cerca de 250 nanômetros, "Landes disse. Mas ela notou uma barreira:" Você não poderia tirar fotos de nada mais rápido do que sua taxa de quadros, " ela disse.
O novo aprimoramento do laboratório Rice, que usa uma máscara de fase rotativa para codificar a dinâmica rápida em cada quadro da câmera, ajudará os pesquisadores a compreender os processos que ocorrem em interfaces como adsorção e dessorção de proteínas ou trajetórias de moléculas à medida que se movem ao longo de superfícies bidimensionais.
Christy Landes, químico da Rice University, deixou, trabalha com o pesquisador de pós-doutorado Hao Shen para ajustar lasers para o microscópio de resolução supertemporal do laboratório. O laboratório inventou uma técnica para adquirir melhores dados sobre moléculas que se movem mais rápido do que uma câmera de laboratório padrão pode capturar. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Câmeras típicas de dispositivo de carga acoplada (CCD) atingem o máximo em taxas de quadros de 10 a 100 milissegundos, Landes disse. Enquanto outras técnicas, como a microscopia eletrônica, podem ver materiais em subnanoescala, a microscopia de super-resolução tem uma vantagem distinta para amostras frágeis como biomoléculas:ela não as destrói no processo.
A técnica manipula a fase da luz para dar à imagem no detector uma forma mais complicada. Este processo já havia sido usado por outros pesquisadores para codificar onde o objeto está no espaço tridimensional dentro de uma imagem bidimensional.
A contribuição do laboratório Rice foi observar que, ao manipular a fase ao longo do tempo, também seria possível codificar resoluções de tempo mais rápidas em um quadro de imagem lento. Assim, o grupo projetou e construiu uma máscara de fase giratória. As imagens resultantes capturam eventos dinâmicos que acontecem mais rápido do que a taxa de quadros intrínseca da câmera. A forma de cada imagem dentro de um quadro efetivamente confere a ela um carimbo de hora exclusivo.
A técnica tira proveito de uma característica da microscopia familiar a qualquer pessoa que já tirou uma foto borrada. As funções de propagação de pontos são uma medida da forma das imagens dentro e fora de foco. Quando os assuntos são tão pequenos quanto moléculas individuais, entrar e sair do foco acontece facilmente, e o tamanho e a forma do desfoque resultante podem dizer aos pesquisadores a que distância do plano focal o assunto está. A engenharia de máscara de fase torna possível tornar o desfoque dependente do foco mais fácil de detectar, introduzindo funções de dispersão de pontos distintas. No filme, eles se parecem com os lóbulos de uma barra e giram em relação ao foco.
STReM usa mudanças de função de propagação de pontos da máscara giratória para coletar informações temporais, Landes disse. Com a nova técnica, mudanças nos ângulos dos lóbulos revelam a hora em que um evento ocorreu dentro de cada quadro.
“O objetivo é permitir que os cientistas estudem processos rápidos sem a necessidade de comprar câmeras mais rápidas e muito mais caras, "disse o estudante de pós-graduação de Rice Wenxiao Wang, autor principal do artigo. "Isso envolve extrair mais informações de imagens individuais."
Landes, que recentemente ganhou o prestigioso prêmio Early Career da ACS em Química Física Experimental por seu trabalho para integrar a microscopia de super-resolução com a teoria da informação para entender as separações de proteínas, disse que projetar e construir o mecanismo custou ao laboratório apenas algumas centenas de dólares, uma fração do custo de comprar uma câmera mais rápida. A máscara de fase é baseada no trabalho de Kelly, que utilizou suas contribuições para a câmera de pixel único de Rice para projetar o que equivale a um pedaço de plástico com espessura variável que distorce a luz a caminho do CCD.
"Como a câmera de pixel único, estamos fazendo uma análise compressiva, "Landes disse." Com a máscara de fase estática, as informações tridimensionais são compactadas em uma imagem 2-D. Neste caso particular, comprimimos informações mais rápidas em uma taxa de quadros de câmera mais lenta. É uma forma de obter mais informações nos pixels que você possui. "
Os co-autores são associados de pesquisa de pós-doutorado Hao Shen e Lawrence Tauzin; alunos de pós-graduação Bo Shuang, Benjamin Hoener e Nicholas
