比传统显微镜视野更大的新型涡旋显微镜问世
在第一次成像中，新的显微镜捕捉细节，液体中分子的3D运动
一种新的成像技术使用偏振的“光学涡旋”来提供运动中分子的详细动态视图。
了解分子如何在活体的真实、混乱、动态环境中相互作用的本质是一个必须克服的挑战，才能了解许多疾病，例如阿尔茨海默氏症。
到目前为止，研究人员可以捕捉到单个分子的运动，他们可以捕捉到它的旋转——当它撞到周围的分子时它是如何翻滚的——但只能通过牺牲 3D 分辨率。
现在，圣路易斯华盛顿大学 McKelvey 工程学院电气和系统工程助理教授 Matthew Lew 的实验室开发了一种成像方法，可以前所未有地观察分子在液体中旋转和滚动时的情况，提供迄今为止使用光学显微镜收集的最全面的分子动力学图片。
该研究发表在物理化学杂志 B的特刊上。2022 年 2 月 17 日，Festschrift 将献给诺贝尔奖获得者 William E. (WE) Moerner，他是成像先驱，华盛顿大学校友，多年来为 100 多名学生提供指导，其中包括 Lew。
Moerner 是第一个观察单个分子光学特征的人。以前，研究人员甚至不确定是否有可能测量这些信号。
现在，Lew 的实验室是第一个能够在液体系统中可视化分子旋转运动的方向和方向的实验室——它如何旋转和摆动。
这种称为涡旋显微镜的新成像技术依赖于一种特殊类型的光：偏振光学涡旋。
“你可以以某种方式弯曲光线，使光子沿着它们的路径旋转，”Lew 说。这个光学涡旋的形状更像是开瓶器，而不是直的“光束”。它是通过一个螺旋形透镜照射光线而产生的，该透镜的顶部不平坦，向下倾斜成螺旋形。
显微镜还将光分成两个不同的偏振方向，从而深入了解纳米级光源的摆动方向，即样品中的分子。
在他们的实验中，Lew 和第一作者、当时是 Lew 实验室的博士后研究员 Tianben Ding 研究了淀粉样蛋白 β 纤维。在大脑中发现的这些蛋白质团块与阿尔茨海默病有关。该团队将荧光示踪分子添加到纤维中。
示踪剂的工作是探测β淀粉样蛋白纤维的表面。每当示踪剂碰到光纤时，它就会发出光。
光携带有关其与光纤相互作用的信息。在它通过镜头后，该信息由 Lew 团队开发的算法进行翻译。
光学涡旋不是光的“点”，但它更像是一个甜甜圈形状。基于甜甜圈的特性——它是沿着某个轴延伸，还是在某些地方变暗？-- 该算法可以推断示踪分子的七个不同属性，包括它的位置和方向。
由于该团队使用了偏振光学涡旋，他们还可以确定摆动的方向，这是涡旋显微镜的一种新能力。
反过来，分子与纤维相互作用的方式可以帮助描绘纤维的运动和拓扑结构。
综上所述，涡旋显微镜可以详细了解这些β淀粉样蛋白纤维的表面如何相互作用——它们如何相互反弹或附着——以及它们的表面如何影响它们是否开始聚集。
“这是我们第一次可以测量分子如何在液体系统内移动和旋转的这些非常详细的动力学，”Lew 说。