В изучении живых объектов поможет голография
Сложные исследовательские задачи нужно решать как можно точнее, особенно в тех случаях, когда даже малейшая ошибка может привести к неверным результатам. Ведущий профессор, доктор физико-математических наук Николай ПЕТРОВ, младший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук Алексей ЧЕРНЫХ и студент первого курса магистратуры Алексей ЕЗЕРСКИЙ из Национального исследовательского университета ИТМО (Санкт-Петербург) разрабатывают и доводят до сверхвысокого качества микроскоп, в котором изображение создается в виде голограммы. Подход молодых ученых, проект которых получил поддержку в виде гранта Президента РФ, позволит использовать устройство не только искушенным исследователям, но и врачам.
— Мы занимаемся разработкой голографического микроскопа, — рассказывают молодые ученые (команда у них сплоченная, и они попросили, чтобы интервью было коллективным. — Прим. автора). — Преимущество таких приборов перед обычными — в возможности построения псевдообъемного изображения. Это особенно актуально для исследования прозрачных объектов, таких как клетки, и поэтому в первую очередь данные микроскопы пригодятся биологам.
У подхода, лежащего в основе нашей разработки, есть три аспекта. Во-первых, для подсветки мы используем низкокогерентный полупроводниковый источник света, позволяющий уменьшить шум на изображениях образцов, присущий лазерным источникам. Однако у этого преимущества есть свой недостаток — вместе с шумом теряется полезная часть информации, которую получают также благодаря свойству когерентности волн.
Второй важный момент — голография. Микроскоп должен регистрировать не только освещенность образцов, но и фиксировать запаздывание прошедших через клетки волн (фазу поля). Эти данные характеризуют толщину образцов, они более информативны. Кроме того, клетки в большей степени прозрачны для оптического излучения и в стандартном микроскопе будут слабо различимы. Выявление фазы поля при голографическом подходе позволяет нам обнаружить и «невидимые» клетки.
Но проблема в том, что при использовании низкокогерентного источника света определить фазу поля весьма затруднительно, потому что необходимое условие ее регистрации — возможность когерентного (протекающего согласованно по времени) сложения волн (интерференции) — нарушено. Преодоление этого недостатка источника света и есть третий аспект нашей работы. Его суть в использовании интерферометрической системы, в которой весь свет в установке проходит через одни и те же оптические элементы этой системы.
Уточним, что для получения информации о фазе световой волны всегда применяется интерференционный метод: сложение светового поля от объекта с другим когерентным ему. В нашем случае это линза с геометрическим фазовым эффектом — двумерный искусственный материал, который способен управлять фазовыми и поляризационными характеристиками поля. Она разделяет входящее световое поле на два соосно расходящихся, которые затем когерентно складываются. В результате действия этой линзы плоскости колебаний световых волн каждого из полей будут вращаться в противоположных направлениях. Путем сложения волн и создается сложная интерференционная картина. Это и есть итог — создание голографического изображения.
Для регистрации поля мы используем особую поляризационную камеру. Она определяет распределение освещенности в четырех направлениях плоскости поляризации за одну экспозицию и тем самым позволяет следить за динамикой процессов в образце, например, в живой клетке.
— Расскажите про динамическое исследование морфологии клеточных структур. В чем отличие от «статического» исследования, если так уместно говорить?
— Под морфологией клеток, как известно, подразумеваются их форма и размеры. Динамическое исследование означает, что наш прибор получает данные за один снимок камеры (одну экспозицию). Временные интервалы между двумя последовательными кадрами могут достигать микросекунд. Если же синхронизировать камеру с лазерным импульсом, то возможно реализовать «эффект стробоскопа», который возникает при наложении друг на друга разночастотных процессов. Подобный эффект наблюдается в кинематографе, когда возникает иллюзия неподвижных спиц во вращающемся колесе. Он позволяет исследовать происходящие изменения в клетках за десятки фемтосекунд, что меньше триллионной доли секунды. За такое время в них не успеют произойти какие-то существенные процессы жизнедеятельности, и можно изучать их реакцию на различные внешние возбуждения, например, на тот же лазерный импульс.
Есть такая интересная задача, называемая «оптопорация», на которую нам предложил обратить внимание профессор Валерий Викторович Тучин из Саратовского государственного университета. Суть проблемы в том, чтобы проделать в мембране клетки маленькое отверстие мощным и очень коротким лазерным импульсом. Это создаст возможность доставить внутрь клетки лекарство. Но чтобы это сделать, за клетками нужно наблюдать. А многие из них прозрачны для обычного микроскопа. Поэтому в биологическую среду вводят химические красители, которые, в свою очередь, могут как-то влиять на поведение клеток.
Голографический микроскоп, как я уже сказал, измеряет другой параметр — фазу волны, поэтому такие клетки хорошо видны, и их параметры можно количественно измерить безо всяких красителей. Так что этот прибор перспективен и для исследования клетки в процессе нарушения целостности ее мембраны оптическим излучением.
— Занимаются ли в других странах подобными разработками? Вы с кем-то взаимодействуете по этой теме?
— В целом наш коллектив сотрудничает с научными группами из Тайваня, Франции и Финляндии. Однако по направлению, о котором я рассказал, мы работаем сами. Наш проект небольшой и не предполагает международного участия. Такие исследования актуальны и проводятся в разных странах мира. Оригинальность нашего проекта в том, что мы хотим сделать именно микроскоп, в то время как другие группы работают над голографическими системами для более крупных объектов — прототипов будущих камер трехмерного видения.
Наш прибор позволит избавиться от недостатков, присущих интерференционным микроскопам: чувствительности к вибрациям и когерентному шуму. В результате качество получаемого изображения станет выше, что улучшит точность измерений. А более простая конструкция позволит использовать такой микроскоп специалистам, не имеющим специализированной подготовки в сфере оптики, например, медикам.
Василий Янчилин
Нет комментариев