एक नया इमेजिंग ढांचा वैज्ञानिकों द्वारा सूक्ष्म स्तर पर जीवन का अवलोकन करने के तरीकों की सीमाओं को आगे बढ़ा रहा है।
कोशिकीय और उपकोशिकीय स्तर पर जीवन को समझने के लिए अत्यंत सूक्ष्म जैविक संरचनाओं को बारीकी से देखना आवश्यक है। अति-उच्च रिज़ॉल्यूशन वाली प्रतिदीप्ति सूक्ष्मदर्शी आधुनिक अनुसंधान में अत्यावश्यक हो गई है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को पारंपरिक प्रकाशीय प्रणालियों की सीमाओं से परे जाकर चित्र बनाने की सुविधा प्रदान करती है।
इन विधियों में से, संरचित प्रदीपन माइक्रोस्कोपी (SIM) अपनी उच्च रिज़ॉल्यूशन, तीव्र इमेजिंग और कम फोटोविषाक्तता के संयोजन के कारण अलग दिखती है, जो इसे जीवित कोशिकाओं के दीर्घकालिक अध्ययन के लिए उपयुक्त बनाती है।
इन फायदों के बावजूद, कई सुपर-रिज़ॉल्यूशन सिस्टम व्यावहारिक उपयोग में मुश्किल बने रहते हैं। उच्च-प्रदर्शन वाले संस्करण, विशेष रूप से इंटरफेरेंस-आधारित SIM, अक्सर जटिल ऑप्टिकल सेटअप, सटीक संरेखण और भारी उपकरणों पर निर्भर करते हैं। ये कारक लागत बढ़ाते हैं और पहुंच को सीमित करते हैं, जिससे रोजमर्रा के अनुसंधान और सीमित संसाधनों वाली प्रयोगशालाओं में उन्नत इमेजिंग उपकरणों को व्यापक रूप से अपनाने में देरी होती है।
एक नया दृष्टिकोण: पीसीए-आईएसआईएम
नानजिंग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी की स्मार्ट कम्प्यूटेशनल इमेजिंग लेबोरेटरी) की एक टीम ने, प्रोफेसर चाओ ज़ुओ के नेतृत्व में,
PCA-iSIM नामक एक नई इमेजिंग विधि प्रस्तुत की है। यह प्रणाली अधिक कॉम्पैक्ट और लागत प्रभावी डिज़ाइन का उपयोग करके उच्च-रिज़ॉल्यूशन, वास्तविक समय इमेजिंग प्रदान करती है, जिससे पारंपरिक SIM तकनीकों की कई कमियों का समाधान होता है।
सिम पैटर्न वाली रोशनी का उपयोग करके नमूने के बारीक विवरणों को उस सीमा में स्थानांतरित करता है जिसे माइक्रोस्कोप देख सकता है। डिजिटल माइक्रोमिरर डिवाइस (डीएमडी) पर आधारित असंगत सिम सिस्टम अन्य डिज़ाइनों की तुलना में छोटे और सरल होने के कारण ध्यान आकर्षित कर रहे हैं। हालांकि, उन्हें एक बड़ी चुनौती का सामना करना पड़ता है।
उच्च आवृत्ति वाले पैटर्न का उपयोग करने पर, ऑप्टिकल ट्रांसफर फ़ंक्शन के कारण प्रक्षेपित फ्रिंज का कंट्रास्ट काफी कम हो जाता है। इससे पैटर्न का पता लगाना मुश्किल हो जाता है, जो रोशनी के मापदंडों का अनुमान लगाने और सटीक सुपर-रिज़ॉल्यूशन छवियां बनाने की प्रक्रिया को जटिल बना देता है।
इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी गणनात्मक रणनीति विकसित की है जो उच्च-मॉड्यूलेशन गुणांक मैपिंग को प्रमुख घटक विश्लेषण (पीसीए) के साथ जोड़ती है। कमज़ोर उच्च-आवृत्ति संकेतों पर निर्भर रहने के बजाय, यह विधि आसानी से पहचाने जाने योग्य निम्न-आवृत्ति पैटर्न को उनके उच्च-आवृत्ति समकक्षों से जोड़ती है। यह दृष्टिकोण प्रणाली को बहुत कम कंट्रास्ट होने पर भी प्रकाश तरंग सदिशों का अनुमान लगाने में सक्षम बनाता है।
इसके बाद, शोरगुल वाले डेटा से सबसे मजबूत संकेतों को निकालने के लिए पीसीए का उपयोग किया जाता है। इस विधि को समझाते हुए, प्रोफेसर ज़ुओ कहते हैं, \"पीसीए की आयामी कमी और शोर दमन की क्षमता का लाभ उठाकर, हम डेटा में अंतर्निहित प्रकाश संबंधी जानकारी को अलग करने और उप-पिक्सेल प्रकाश मापदंडों को सटीक रूप से पुनर्प्राप्त करने में सक्षम हैं।\"
यह प्रक्रिया पैरामीटर अनुमान की विश्वसनीयता और सटीकता दोनों में सुधार करती है , जो स्पष्ट सुपर-रिज़ॉल्यूशन छवियों के उत्पादन के लिए आवश्यक है।
टीम ने विशेष रूप से निर्मित डीएमडी-आधारित असंगत सिम सिस्टम का उपयोग करके पीसीए-आईएसआईएम का परीक्षण किया। उनके परिणामों से पता चलता है कि रिज़ॉल्यूशन में 1.9 गुना से अधिक का सुधार हुआ है, जिससे लगभग 100 एनएम (0.0001 मिमी) का प्रभावी रिज़ॉल्यूशन प्राप्त हुआ है, साथ ही 30 फ्रेम प्रति सेकंड तक की वास्तविक समय इमेजिंग गति भी बरकरार रही है।
इन लाभों के साथ-साथ ऑप्टिकल डिज़ाइन भी काफी सरल हो गया है। पारंपरिक लेजर-आधारित सिम सिस्टम की तुलना में, नया सेटअप समग्र जटिलता को लगभग 70% तक कम कर देता है, जिससे इसे बनाना और उपयोग करना आसान हो जाता है।
बेहतर रिज़ॉल्यूशन के अलावा, यह विधि कम सिग्नल-टू-नॉइज़ स्थितियों और बदलती प्रायोगिक परिस्थितियों में भी विश्वसनीय रूप से काम करती है। शोधकर्ताओं ने जीवित कोशिकाओं में माइटोकॉन्ड्रियल गतिविधि की वास्तविक समय इमेजिंग भी प्रदर्शित की, जिससे संरचनात्मक विवरण कैप्चर किए जा सके जिन्हें मानक वाइड-फील्ड माइक्रोस्कोप नहीं देख पाते।
“यह कार्य मौलिक रूप से असंगत संरचित प्रदीपन माइक्रोस्कोपी की प्रदर्शन क्षमता को बढ़ाता है,” लेखकों ने कहा। “कॉम्पैक्ट हार्डवेयर को उन्नत कम्प्यूटेशनल पुनर्निर्माण के साथ मिलाकर, PCA-iSIM सुलभ, उच्च-प्रदर्शन सुपर-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग के लिए नए अवसर खोलता है।”
