Любой человек, которому приходилось производить съемку камерой мобильного телефона в условиях плохой освещенности, знает, что в результате этого получаются низкокачественные «зернистые» снимки, сильно зашумленные разными помехами. Ученые, пытающиеся получить снимки различных биологических объектов, сталкиваются точно с такими же проблемами. Это происходит потому, что подобные съемки проводятся при слабом освещении, что позволяет избежать повреждения тонких и хрупких объектов съемки. А по полученным зернистым изображениям можно выяснить очень мало, особенно когда дело касается запутанных белковых молекул или внутренних клеточных структур.
Эффект, который приводит к зернистости и зашумленности снимка при низкой освещенности, возникает из-за с собственных тепловых шумов фотосенсора камеры, в которых буквально «тонут» полезные сигналы. Ученые из Стэнфордского университета нашли достаточно изящное решение проблемы, которое было реализовано в виде так называемой технологии «многопроходной микроскопии». Эта технология съемки позволяет рассмотреть белки и другие элементы живых клеток с более высокой четкостью, нежели это обеспечивают любые другие методы.
«Если вы вынуждены работать в условиях недостаточной освещенности, то шумы и помехи ограничивают количество полезной информации, которую можно почерпнуть из снимка» — рассказывает Томас Джуффман (Thomas Juffmann), один из членов группы, возглавляемой профессором Марком Касевичем (Mark Kasevich), — «Однако, зашумление снимка — это не фундаментальное явление, он не накладывает на процесс съемки никаких ограничений и его можно обойти достаточно простым способом».
В оптических микроскопах фотоны света, пропущенного через исследуемый образец, попадают на поверхность светочувствительного датчика только один раз. Стэнфордские ученые предположили, что лучших результатов можно добиться, если получится заставить каждый из фотонов воздействовать на датчик по нескольку раз. Для того, чтобы реализовать это на практике, ученые придумали уловку, позволяющую освещать образец его же изображением, полученным на предыдущем проходе.
«В некотором роде это походит на многократную съемку одного и того же объекта» — рассказывает Брэннон Клопфер (Brannon Klopfer), — «Вы берете первое из полученных изображений и освещаете им образец. Качество изображения увеличивается с каждым проходом съемки. И процесс повторяется до тех пор, пока качество изображения не станет удовлетворительным».
Многопроходная микроскопия является не единственным методом борьбы с зашумлением снимков при слабом освещении. Существует и другой метод, называемый квантовой микроскопией, в котором используются пары запутанных фотонов. Однако, в силу целого ряда причин технического и экономического плана метод квантовой микроскопии еще не нашел широкого распространения.
«Метод многопроходной микроскопии обеспечивает такое же качество снимка, как и квантовая микроскопия, уже на втором проходе съемки» — рассказывает Томас Джуффман, — «Сейчас нам гораздо легче организовать 10 последовательных проходов света через образец, нежели чем создать квантовое состояние, в котором между собой запутаны сразу десять фотонов света».
В настоящее время область применения технологии многопроходной микроскопии ограничена областью оптических микроскопов. Однако, стэнфордские ученые уже начали работу в направлении создания многопроходной электронной микроскопии, технологии, которая позволит без нарушений структуры производить высококачественную съемку молекул ДНК и белков с разрешающей способностью до атомарного уровня.
Источник:
