莱斯大学的一项新技术捕捉到了化学过程的图像，其速度比大多数实验室摄像机捕捉到的都要快。
这项技术，超时间分辨率显微镜(STReM)，允许研究人员以20倍于一般实验室相机的帧速率查看和收集荧光分子的有用信息。
莱斯化学家克里斯蒂·兰德斯和她的团队以及莱斯电气工程师凯文·凯利的研究成果发表在《美国化学学会》杂志上物理化学快报．
赖斯大学的研究人员首先使用了一种获得诺贝尔奖的显微镜技术，这种技术可以以“超分辨率”观察分子等物体，也就是说，衍射极限以下的物体比大多数显微镜所能看到的都要小。
兰德斯说:“超分辨率显微镜可以让我们成像小于可见光波长一半的物体，大约250纳米。”但她指出了一个障碍:“你不能拍摄任何比帧率更快的东西，”她说。
赖斯实验室的新增强技术使用旋转相位掩模对每个相机帧中的快速动态进行编码，这将帮助研究人员了解发生在界面上的过程，如蛋白质的吸附和解吸，或分子沿二维表面运动时的轨迹。
典型的电荷耦合器件(CCD)相机的帧率最高可达10到100毫秒，Landes说。虽然电子显微镜等其他技术可以看到亚纳米级的材料，但对于生物分子等脆弱的样本，超分辨率显微镜有一个明显的优势:它不会在这个过程中破坏它们。
该技术通过控制光的相位，使探测器处的图像具有更复杂的形状。这一过程此前曾被其他研究人员用于在二维图像中编码物体在三维空间中的位置。
赖斯实验室的贡献在于指出，通过随时间改变相位，也有可能在慢速图像帧中编码更快的时间分辨率。因此，该小组设计并制造了一个旋转相位掩模。产生的图像捕捉动态事件发生的速度比相机的固有帧率快。每一帧图像的形状都有效地赋予了它一个独特的时间戳。
这项技术利用了显微镜的一种特征，这是任何拍过模糊照片的人都熟悉的。点扩散函数是一种测量图像在焦内和焦外形状的方法。当被摄物像单分子那么小时，很容易发生焦内和焦外的移动，由此产生的模糊的大小和形状可以告诉研究人员被摄物离焦平面有多远。相位掩模工程通过引入不同的点扩散函数，使焦点相关模糊更容易被检测。在胶片上，它们看起来像杠铃的耳垂，并围绕焦点旋转。
STReM利用旋转掩模的点扩散函数变化来收集时间信息，Landes说。有了这项新技术，脑叶角度的变化揭示了每一帧中事件发生的时间。
该论文的第一作者、莱斯大学研究生王文晓说:“这样做的目的是让科学家们可以研究快速的过程，而不需要购买更快、更昂贵的相机。”“这涉及从单张图像中提取更多信息。”
兰德斯最近因其将超分辨率显微镜与信息理论相结合以理解蛋白质分离的工作而获得了著名的ACS早期职业生涯实验物理化学奖。她说，设计和建造这种机制只花费了实验室几百美元，这只是购买一台速度更快的相机的一小部分。这种相位掩模是基于Kelly的工作，他利用自己对Rice单像素相机的贡献，设计了一块厚度可变的塑料，可以在到达CCD的过程中扭曲光线。
“就像单像素相机一样，我们正在做压缩分析，”兰德斯说。“通过静态相位掩模，三维信息被压缩成二维图像。在这种情况下，我们将较快的信息压缩到较慢的相机帧率中。这是一种从像素中获取更多信息的方法。”
共同作者是博士后研究员沈浩和劳伦斯·陶津;研究生Bo shuen, Benjamin Hoener和Nicholas Moringo都来自赖斯大学。凯利是电气和计算机工程专业的副教授。兰德斯是一名化学、电气和计算机工程副教授。
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