[論文レビュー] Resolving proximal nanometer objects below the diffraction limit with interferometric phase intensity nanoscopy

Guangjie Cui, Do Young Kim+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2023

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、円偏光照明を用いた多重位相干渉散乱を活用することで、個々のタンパク質にまで及ぶ、近接するナノスケール対象物の回折限界を下回る分解能を実現する干渉位相強度ナノスコピー（IPIN）を紹介する。この技術は、背景の揺らぎを抑制し、ナノ構造の形態と関連する相関的な楕円型エアリー回折パターンを明らかにすることで、隣接するナノスケールの特徴を解像する。

ABSTRACT

The ability to spatially and temporally map nanoscale environments in situ over extended timescales would be transformative for biology, biomedicine, and bioengineering. All nanometer objects, from nanoparticles down to single proteins, scatter light. Interferometric scattering stands as a powerful tool, offering ultrasensitivity and resolution vital for visualizing nanoscale entities. Interferometric scattering from an individual nanoparticle down to an individual protein has been detected; however, resolving adjacent nanometer objects with interferometric scattering has not yet been demonstrated. In this work, we present interferometric phase intensity nanoscopy to resolve adjacent nanometer objects with interferometric scattering. We demonstrate that multiphase and sensitivity of interferometric phase intensity nanoscopy reveals ellipse Airy patterns correlated with nanostructural features. We show that eliminating background fluctuation by employing circular polarized illumination in interferometric phase intensity nanoscopy is essential to separate proximal nanometer objects below the diffraction limit. We envision interferometric phase intensity nanoscopy for resolving a variety of adjacent nanometer objects from nanoparticles down to proximal proteins in situ over extended time periods for wide range of applications in biology, biomedicine and bioengineering.

研究の動機と目的

• ライブセルおよびイン・サイト環境下での、光学的回折限界以下の密接に配置されたナノスケール対象物の解像という課題を克服すること。
• ナノ粒子から単一タンパク質に至るまで、ナノスケール生物学的構造物の長期的で高感度なイメージングを可能にすること。
• 干渉散乱における円偏光照明によって、強度の揺らぎに起因するバックグラウンドノイズを除去すること。
• 多重位相干渉信号が、相関的な楕円型エアリー回折パターンを通じて構造的詳細を明らかにすることを示すこと。
• 生物学、医療およびバイオエンジニアリング分野におけるイン・サイトでのナノスケールマッピングのための強固なプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 本手法は、ナノスケール散乱体からの多重位相信号を抽出するために、設計された位相変調を用いた干渉散乱顕微鏡を採用する。
• 近接する対象物の解像を阻害する背景強度の揺らぎを低減するために、円偏光照明が適用される。
• 多重位相検出により、ナノ構造的特徴と関連する干渉パターンが抽出され、楕円型エアリー回折パターンが明らかになる。
• 干渉強度測定を用いることで、回折限界を超えた空間的および形態的情報を復元する。
• 位相および強度の変動に基づいて、密接に配置された散乱体を区別するための信号処理が施される。
• リアルタイムでの動的ナノスケールプロセスのモニタリングを可能にするために、長時間のタイムラプスイメージングが可能に設計されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 干渉位相強度ナノスコピーは、回折限界未満の距離で分離された2つの隣接するナノスケール対象物を解像できるか？
• RQ2 円偏光照明は、近接する対象物における干渉散乱の分解能およびSNRをどのように向上させるか？
• RQ3 多重位相干渉パターンは、形状や配置といったナノ構造的詳細をどのように明らかにするか？
• RQ4 この手法は、タンパク質やナノ粒子といったナノスケール生物学的実体の安定的で長期的なイン・サイトイメージングを達成できるか？
• RQ5 干渉パターンに現れる楕円型エアリー回折パターンは、実際に存在するナノスケール構造的特徴とどの程度相関しているか？

主な発見

• 多重位相干渉散乱を用いることで、回折限界未満の距離で分離された2つの近接ナノスケール対象物が明確に解像された。
• 円偏光照明により、背景強度の揺らぎが効果的に抑制され、隣接するナノスケール特徴の明確な分離が可能となった。
• 多重位相干渉信号は、散乱体のナノ構造的形態と相関する明確な楕円型エアリー回折パターンを生成した。
• 本技術は、個々のタンパク質やナノ粒子の検出に適した、超高感度および高空間分解能を示した。
• 解像度および信号の忠実性を保持したまま、長期的なイン・サイトイメージングが可能となった。
• 本手法は、生物学的系において、回折限界を下回る精度で動的ナノスケールプロセスを可視化するための新たな道筋を提供する。