นับตั้งแต่การค้นพบรังสีเอกซ์ในปี พ.ศ. 2438 ความอยากรู้อยากเห็นและความต้องการทางคลินิกได้ก่อให้เกิดความก้าวหน้าอย่างมากในความสามารถของเราในการมองเห็นโครงสร้างภายในร่างกายมนุษย์ การถ่ายภาพด้วยรังสีเอ็กซ์เรย์เป็นผู้นำ ตามมาด้วยการใช้กล้องรังสีแกมมาในปี 1957 จากนั้นจึงใช้การถ่ายภาพอัลตราซาวนด์ การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก (MRI) และการตรวจเอกซเรย์
ปล่อยโพซิตรอน
เมื่อรวมกันแล้ว เครื่องมือเหล่านี้ซึ่งฟิสิกส์มีส่วนสำคัญ จะช่วยสนับสนุนแนวทางปฏิบัติด้านการถ่ายภาพทางคลินิกสมัยใหม่ ขนาดความยาวที่เทคนิคเหล่านี้ซักไซ้ อย่างไรก็ตาม ปล่อยให้เป็นที่ต้องการอย่างมากหากสนใจในขนาดเล็กมาก ตัวอย่างเช่น สามารถแก้ไขโครงสร้างได้ถึง 100 µm เท่านั้น
แม้ว่าเซลล์ของสิ่งมีชีวิตบางเซลล์จะมีขนาดมากกว่า 80 µm แต่กระบวนการของเซลล์ที่น่าสนใจและสำคัญ เช่น การส่งสัญญาณระหว่างเซลล์ อาจเกิดขึ้นในช่วงความยาวน้อยกว่า 1 µmโดยพื้นฐานแล้วเซลล์ที่มีชีวิตถูกกำหนดโดยโครงสร้างเชิงพื้นที่ที่ซับซ้อน ตัวอย่างเช่น รูปร่างโดนัท
ของเซลล์เม็ดเลือดแดงและการยื่นยาว (เรียกว่าแอกซอน) ของเซลล์ประสาทเป็นกุญแจสำคัญในการทำงานของมัน อย่างไรก็ตาม ภายใต้ลักษณะทางสัณฐานวิทยาที่กว้างเหล่านี้ ส่วนประกอบของโมเลกุลในระดับที่ละเอียดกว่ามาก เช่น ไซโตสเกเลตอน โปรตีน “นั่งร้าน” ที่ทำให้โครงสร้างภาย
ในเซลล์ขนาดใหญ่มีความเสถียร และโดเมนขนาดเล็กภายในเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งเป็นตำแหน่งของเหตุการณ์การส่งสัญญาณระดับโมเลกุลจำนวนมาก . เทคนิคใด ๆ ในการศึกษาคุณสมบัติของโมเลกุลทางชีวภาพและอันตรกิริยาต่าง ๆ ของพวกมันควรให้ข้อมูลเชิงพื้นที่ในอุดมคติ เนื่องจากนักวิจัย
จำเป็นต้องรวมข้อมูลเกี่ยวกับอันตรกิริยาที่สนับสนุนผลกระทบทางชีววิทยากับข้อมูลว่าอันตรกิริยาเหล่านี้เกิดขึ้นที่ใดในเซลล์ แน่นอนว่ารังสีเอกซ์ความยาวคลื่นสั้นสามารถใช้เพื่อให้ข้อมูลเกี่ยวกับมาตราส่วนความยาวที่เล็กมากๆ และยังสามารถสร้างภาพของแต่ละโมเลกุลได้ เช่นเดียวกับ ข้อเสียคือรังสีดังกล่าว
สามารถ
ทำลายวัสดุชีวภาพได้อย่างรุนแรง อย่างไรก็ตาม รังสีเอกซ์ที่มีความยาวคลื่นยาวกว่าเล็กน้อยและพลังงานต่ำกว่า ซึ่งซินโครตรอนสามารถผลิตได้จะทำลายเนื้อเยื่อน้อยกว่ามาก แท้จริงแล้ว รังสีเอกซ์แบบ “อ่อน” เหล่านี้สามารถใช้สร้างภาพ 3 มิติของเซลล์ที่มีชีวิตที่มีความละเอียดสูงถึง 10 นาโนเมตร
ดังที่แสดงไว้ในงานวิจัยที่เครื่องซินโครตรอนแหล่งกำเนิดแสงขั้นสูงที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ ในสหรัฐอเมริกา น่าเสียดายที่แม้แต่รังสีเอกซ์แบบอ่อนก็ยังทำลายล้างและจัดการได้ยาก และพวกมันจำเป็นต้องเข้าถึงซินโครตรอน ดังนั้น เทคนิคส่วนใหญ่ที่ใช้สำหรับการถ่ายภาพเซลลูลาร์
จึงมักจะเป็นแบบออปติก โดยใช้ประโยชน์จากรังสีอัลตราไวโอเลตและส่วนที่มองเห็นได้ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นส่วนใหญ่ ในบรรดาเทคนิคเหล่านี้ กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนซ์กลายเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุด เนื่องจากมีความไวสูง ใช้งานได้หลากหลายอย่างมาก และค่อนข้างง่ายในการนำไปใช้
การเรืองแสงเป็นปรากฏการณ์ที่โครงสร้างโมเลกุลบางอย่างที่เรียกว่าฟลูออโรฟอร์ ปล่อยโฟตอนออกมาเมื่อตื่นเต้นผ่านการฉายรังสีด้วยแสงที่มีความยาวคลื่นเฉพาะ โดยทั่วไปการปล่อยนี้จะเกิดขึ้นในช่วงเวลา 1–10 ns ซึ่งเหมาะสำหรับการวัดการเคลื่อนไหวและการวางแนวใหม่ของโมเลกุลภายในเซลล์
ทำให้สามารถปฏิบัติตามกระบวนการทางชีววิทยาได้หลายอย่าง ในบางกรณี โมเลกุลทางชีวภาพที่น่าสนใจนั้นมีลักษณะเป็นสารเรืองแสง แต่โดยปกติแล้วการเรืองแสงจะต้อง “สร้างขึ้นใน” โมเลกุลที่นักวิจัยต้องการศึกษาโดยการติดแท็กด้วยฟลูออโรฟอร์ แท็กยังสามารถเป็นโปรตีนทั้งตัวได้ด้วยตัวมันเอง
เช่น โปรตีน
เรืองแสงสีเขียว (GFP) ซึ่งติดและแสดงในเวลาเดียวกันกับโปรตีนที่สนใจ และจะเรืองแสงได้ก็ต่อเมื่อทั้งสองถูกผลิตโดยเซลล์จริงๆ พลังงาน โมเมนตัม สถานะโพลาไรเซชัน และเวลาการแผ่รังสีของโฟตอนที่ปล่อยออกมาจากฟลูออโรฟอร์สามารถให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับกระบวนการทางชีววิทยา
ในระดับจุลภาคและนาโนสโคปได้ ตัวอย่างเช่น โพลาไรเซชันของโฟตอนเรืองแสงได้รับผลกระทบจากการวางแนวของฟลูออโรฟอร์ และด้วยสาเหตุนี้ของโปรตีนใดๆ ที่มันเกาะอยู่ ดังนั้นจึงสามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับไดนามิกของโมเลกุลของโมเลกุลที่สนใจได้ นักฟิสิกส์และนักชีววิทยากำลังทำงานมากมาย
ที่ใช้ประโยชน์จากคุณลักษณะแต่ละอย่างของการเรืองแสง ซึ่งเป็นการพัฒนาที่แสดงอาการของการเปลี่ยนแปลงที่กว้างขวางในวิธีที่เราทำวิทยาศาสตร์ข้ามพรมแดนของระเบียบวินัย ชีววิทยาตรงกับโทรคมนาคมไม่ว่าจะใช้เทคนิคใดในการถ่ายภาพโครงสร้างและกระบวนการภายในเซลล์
สาระสำคัญของปัญหาการถ่ายภาพก็เหมือนกัน นั่นคือการดึงข้อมูลมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้จากตัวอย่างทางชีววิทยา ดังนั้นความท้าทายบางอย่างที่ต้องเอาชนะเพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้จึงคล้ายกับความท้าทายที่พบในด้านการส่งข้อมูล การสื่อสารเกี่ยวข้องกับการส่งสัญญาณ
มักอยู่ในรูปของพัลส์แสง ลงช่องสัญญาณไปยังเครื่องรับ ซึ่งสัญญาณเหล่านี้จะถูกถอดรหัสและแปลเป็นข้อมูลที่ “มีประโยชน์” ในทำนองเดียวกัน โมเลกุลที่น่าสนใจที่ “สว่างขึ้น” ในทางใดทางหนึ่งจะส่งข้อมูลผ่านกล้องจุลทรรศน์ (ช่องสัญญาณ) ไปยังตัวตรวจจับหรือดวงตาของผู้ตรวจสอบ (ตัวรับสัญญาณ)
ซึ่งข้อมูลนี้เผยให้เห็นลักษณะเฉพาะของโครงสร้างเซลล์ ในช่วงปลายทศวรรษที่ 1940 นักฟิสิกส์วิศวกรรมที่ทำงาน ในสหรัฐอเมริกา ได้พัฒนากฎพื้นฐานบางประการที่กำหนดความสามารถของช่องทางข้อมูล เป็นครั้งแรกที่เขาวัดปริมาณโดยใช้คุณสมบัติทางกายภาพที่กำหนดไว้อย่างดี
