We report what we believe to be the first evidence of localized nanoscale photonic jets generated at the shadow-side surfaces of micronscale, circular dielectric cylinders illuminated by a plane wave. These photonic nanojets have waists smaller than the diffraction limit and propagate over several optical wavelengths without significant diffraction. We have found that such nanojets can enhance the backscattering of visible light by nanometer-scale dielectric particles located within the nanojets by several orders of magnitude. Not involving evanescent fields and not requiring mechanical scanning, photonic nanojets may provide a new means to detect and image nanoparticles of size well below the diffraction limit. This could yield a potential novel ultramicroscopy technique using visible light for detecting proteins, viral particles, and even single molecules; and monitoring molecular synthesis and aggregation processes of importance in many areas of biology, chemistry, material sciences, and tissue engineering.

Diffuse reflectance spectra were collected from adenomatous colon polyps (cancer precursors) and normal colonic mucosa of patients undergoing colonoscopy. We analyzed the data by using an analytical light diffusion model, which was tested and validated on a physical tissue model composed of polystyrene beads and hemoglobin. Four parameters were obtained: hemoglobin concentration, hemoglobin oxygen saturation, effective scatterer density, and effective scatterer size. Normal and adenomatous tissue sites exhibited differences in hemoglobin concentration and, on average, in effective scatterer size, which were in general agreement with other studies that employ standard methods. These results suggest that diffuse reflectance can be used to obtain tissue information about tissue structure and composition in vivo.

We report observation of a fine structure component in backscattered light from mucosal tissue which is periodic in wavelength. This structure is ordinarily masked by a diffusive background. We have identified the origin of this component as being due to light which is Mie scattered by surface epithelial cell nuclei. By analyzing the amplitude and frequency of the fine structure, the density and size distribution of these nuclei can be extracted. These quantities are important indicators of neoplastic precancerous changes in biological tissue.

Background & Aims: The aim of this study was to assess the potential of 3 spectroscopic techniques (fluorescence, reflectance, and light-scattering spectroscopy) individually and in combination, for evaluating low- and high-grade dysplasia in patients with Barrett's esophagus (BE). Methods: Fluorescence spectra at 11 excitation wavelengths and a reflectance spectrum were acquired in approximately 1 second from each site before biopsy using an optical fiber probe. The measured fluorescence spectra were combined with the reflectance spectra to extract the intrinsic tissue fluorescence. The reflectance spectra provided morphologic information about the bulk tissue, whereas light-scattering spectroscopy was used to determine cell nuclear crowding and enlargement in Barrett's epithelium. Results: Significant differences were observed between dysplastic and nondysplastic BE in terms of intrinsic fluorescence, bulk scattering properties, and levels of epithelial cell nuclear crowding and enlargement. The combination of all 3 techniques resulted in superior sensitivity and specificity for separating high-grade from non–high-grade and dysplastic from nondysplastic epithelium. Conclusions: Intrinsic fluorescence, reflectance, and light-scattering spectroscopies provide complementary information about biochemical and morphologic changes that occur during the development of dysplasia. The combination of these techniques (Tri-Modal Spectroscopy) can serve as an excellent tool for the evaluation of dysplasia in BE.GASTROENTEROLOGY 2001;120:1620-1629

We report an in situ method of probing the structure of living epithelial cells, based on light scattering spectroscopy with polarized light. The method makes it possible to distinguish between single backscattering from uppermost epithelial cells and multiply scattered light. The spectrum of the single backscattering component can be further analyzed to provide histological information about the epithelial cells such as the size distribution of the cell nuclei and their refractive index. These are valuable quantities' to detect and diagnose precancerous changes in human tissues.

This paper reviews the substantial body of literature emerging since 2004 concerning photonic nanojets. The photonic nanojet is a narrow, high-intensity, non-evanescent light beam that can propagate over a distance longer than the wavelength λ after emerging from the shadow-side surface of an illuminated lossless dielectric microcylinder or microsphere of diameter larger than λ. The nanojet's minimum beamwidth can be smaller than the classical diffraction limit, in fact as small as ~λ/3 for microspheres. It is a nonresonant phenomenon appearing for a wide range of diameters of the microcylinder or microsphere if the refractive index contrast relative to the background is less than about 2:1. Importantly, inserting within a nanojet a nanoparticle of diameter d(ν) perturbs the far-field backscattered power of the illuminated microsphere by an amount that varies as d(ν)3 for a fixed λ. This perturbation is much slower than the d(ν)6 dependence of Rayleigh scattering for the same nanoparticle, if isolated. This leads to a situation where, for example, the measured far-field backscattered power of a 3-μm diameter microsphere could double if a 30-nm diameter nanoparticle were inserted into the nanojet emerging from the microsphere, despite the nanoparticle having only 1/10,000(th) the cross-section area of the microsphere. In effect, the nanojet serves to project the presence of the nanoparticle to the far field. These properties combine to afford potentially important applications of photonic nanojets for detecting and manipulating nanoscale objects, subdiffraction-resolution nanopatterning and nanolithography, low-loss waveguiding, and ultrahigh-density optical storage.

Chromatin decompaction via increasing euchromatin or decreasing heterochromatin results in a softer nucleus and abnormal nuclear blebbing, independent of lamin perturbations. Conversely, increasing heterochromatin stiffens the nucleus and rescues nuclear morphology in lamin-perturbed cells that present abnormal nuclear morphology.

SignificanceSpectroscopic single-molecule localization microscopy (sSMLM) takes advantage of nanoscopy and spectroscopy, enabling sub-10 nm resolution as well as simultaneous multicolor imaging of multi-labeled samples. Reconstruction of raw sSMLM data using deep learning is a promising approach for visualizing the subcellular structures at the nanoscale.AimDevelop a novel computational approach leveraging deep learning to reconstruct both label-free and fluorescence-labeled sSMLM imaging data.ApproachWe developed a two-network-model based deep learning algorithm, termed DsSMLM, to reconstruct sSMLM data. The effectiveness of DsSMLM was assessed by conducting imaging experiments on diverse samples, including label-free single-stranded DNA (ssDNA) fiber, fluorescence-labeled histone markers on COS-7 and U2OS cells, and simultaneous multicolor imaging of synthetic DNA origami nanoruler.ResultsFor label-free imaging, a spatial resolution of 6.22 nm was achieved on ssDNA fiber; for fluorescence-labeled imaging, DsSMLM revealed the distribution of chromatin-rich and chromatin-poor regions defined by histone markers on the cell nucleus and also offered simultaneous multicolor imaging of nanoruler samples, distinguishing two dyes labeled in three emitting points with a separation distance of 40 nm. With DsSMLM, we observed enhanced spectral profiles with 8.8% higher localization detection for single-color imaging and up to 5.05% higher localization detection for simultaneous two-color imaging.ConclusionsWe demonstrate the feasibility of deep learning-based reconstruction for sSMLM imaging applicable to label-free and fluorescence-labeled sSMLM imaging data. We anticipate our technique will be a valuable tool for high-quality super-resolution imaging for a deeper understanding of DNA molecules' photophysics and will facilitate the investigation of multiple nanoscopic cellular structures and their interactions.

Abstract Understanding chromatin organization requires integrating measurements of genome connectivity and physical structure. Prior work demonstrates that RAD21 depletion results in the complete loss of topologically associated and loop domains on Hi-C, but the corresponding change in physical structure has not been studied using electron microscopy. Pairing chromatin scanning transmission electron tomography with Hi-C, we study the role of cohesin in regulating the spatially resolved, conformationally defined chromatin packing domains. We find that only 20% of packing domains are lost on electron microscopy upon RAD21 depletion with the effect primarily on small, poorly packed (nascent) domains. Overall, this contrasts with the prevailing understanding of genome regulation, indicating that while cohesin influences domain formation, non-cohesin mediated mechanisms predominantly regulate the 3D genomic physical structure.