[논문 리뷰] Resolving proximal nanometer objects below the diffraction limit with interferometric phase intensity nanoscopy

Guangjie Cui, Do Young Kim외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 03.

Photoacoustic and Ultrasonic Imaging인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 원형 편광 조명을 활용한 다단계 간섭형 산란를 통해 근접한 나노스케일 물체—개별 단백질까지—의 초분해능 해상도를 가능하게 하는 간섭형 위상 강도 나노현미경(IPIN)을 소개한다. 이 기법은 배경 변동을 억제하고 나노구조 형상과 관련된 상관관계가 있는 타원형 에어리 패턴을 드러내어 인접한 나노미터 스케일의 특징을 해상한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생체세포 내 및 현장에서의 살아있는 상태에서 광학적 회절 한계 이하의 밀접하게 배열된 나노스케일 물체를 해상하는 데 도전 과제를 극복하기 위해.
• 나노입자에서 단일 단백질에 이르기까지 나노스케일 생물학적 구조물의 장기적이고 고감도 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.
• 간섭형 산란에서 원형 편광 조명을 통해 강도 변동으로 인한 배경 노이즈를 제거하기 위해.
• 다단계 간섭형 신호가 상관관계가 있는 타원형 에어리 패턴을 통해 구조적 세부 정보를 드러내는지 입증하기 위해.
• 생물학, 의생명공학 및 바이오공학 분야에서 현장 내 나노스케일 맵핑을 위한 견고한 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 나노스케일 산란체에서 다단계 신호를 추출하기 위해 설계된 위상 조절을 가진 간섭형 산란 현미경을 사용한다.
• 근접한 물체의 해상도 향상을 방해하는 배경 강도 변동을 억제하기 위해 원형 편광 조명을 적용한다.
• 다단계 검출을 통해 나노구조 특징과 관련된 간섭 무늬를 추출하고, 이는 타원형 에어리 패턴을 드러낸다.
• 이 기법은 간섭형 강도 측정을 통해 회절 한계를 초월한 공간적 및 형태학적 정보를 해독한다.
• 위상 및 강도 변화에 기반하여 밀접하게 배열된 산란체를 구분하기 위해 신호 처리 기법을 적용한다.
• 실시간으로 동적 나노스케일 과정을 모니터링할 수 있도록 장시간 타임랩스 영상 촬영을 위한 시스템을 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간섭형 위상 강도 나노현미경은 회절 한계 이하로 분리된 두 개의 인접한 나노스케일 물체를 해상할 수 있는가?
• RQ2 원형 편광 조명은 근접한 물체에 대한 간섭형 산란에서 해상도와 신호 대 노이즈 비율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 다단계 간섭 무늬는 형태 및 배열과 같은 나노구조 세부 정보를 드러내는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 이 방법은 단백질 및 나노입자와 같은 나노스케일 생물학적 요소의 안정적이고 장기적인 현장 내 영상 촬영을 가능하게 하는가?
• RQ5 간섭 무늬 내 타원형 에어리 패턴이 실제 나노스케일 구조적 특징과 얼마나 상관관계가 있는가?

주요 결과

• 다단계 간섭형 산란을 통해 회절 한계 이하로 분리된 두 개의 근접한 나노스케일 물체를 성공적으로 해상하였다.
• 원형 편광 조명이 효과적으로 배경 강도 변동을 억제하여 인접한 나노스케일 특징 간의 명확한 분리가 가능해졌다.
• 다단계 간섭형 신호는 산란체의 나노구조 형상과 관련된 상관관계가 있는 명확한 타원형 에어리 패턴을 생성하였다.
• 이 기법은 단일 단백질과 나노입자를 감지하는 데 적합한 초감도 및 고해상도 성능을 보였다.
• 해상도와 신호 무결성이 유지되는 조건에서 장기적인 현장 내 영상 촬영이 가능했다.
• 이 방법은 생물계에서의 동적 나노스케일 과정을 초분해능 정밀도로 시각화할 수 있는 새로운 길을 제공한다.