Parasitization by malaria-inducing Plasmodium falciparum leads to structural, biochemical, and mechanical modifications to the host red blood cells (RBCs). To study these modifications, we investigate two intrinsic indicators: the refractive index and membrane fluctuations in P. falciparum -invaded human RBCs ( Pf -RBCs). We report experimental connections between these intrinsic indicators and pathological states. By employing two noninvasive optical techniques, tomographic phase microscopy and diffraction phase microscopy, we extract three-dimensional maps of refractive index and nanoscale cell membrane fluctuations in isolated RBCs. Our systematic experiments cover all intraerythrocytic stages of parasite development under physiological and febrile temperatures. These findings offer potential, and sufficiently general, avenues for identifying, through cell membrane dynamics, pathological states that cause or accompany human diseases.

We report the experimental implementation of optical diffraction tomography for quantitative 3D mapping of refractive index in live biological cells.Using a heterodyne Mach-Zehnder interferometer, we record complex field images of light transmitted through a sample with varying directions of illumination.To quantitatively reconstruct the 3D map of complex refractive index in live cells, we apply optical diffraction tomography based on the Rytov approximation.In this way, the effect of diffraction is taken into account in the reconstruction process and diffraction-free high resolution 3D images are obtained throughout the entire sample volume.The quantitative refractive index map can potentially serve as an intrinsic assay to provide the molecular concentrations without the addition of exogenous agents and also to provide a method for studying the light scattering properties of single cells.

A single multimode fiber is considered an ideal optical element for endoscopic imaging due to the possibility of direct image transmission via multiple spatial modes. However, the wave distortion induced by the mode dispersion has been a fundamental limitation. In this Letter, we propose a method for eliminating the effect of mode dispersion and therefore realize wide-field endoscopic imaging by using only a single multimode fiber with no scanner attached to the fiber. Our method will potentially revolutionize endoscopy in various fields encompassing medicine and industry.

Abstract Merging multiple microprocessors with high-speed optical networks has been considered a promising strategy for the improvement of overall computation power. However, the loss of the optical communication bandwidth is inevitable when interfacing between optical and electronic components. Here we present an on-chip plasmonic switching device consisting of a two-dimensional (2D) disordered array of nanoholes on a thin metal film that can provide multiple-input and multiple-output channels for transferring information from a photonic to an electronic platform. In this device, the surface plasmon polaritons (SPPs) generated at individual nanoholes become uncorrelated on their way to the detection channel due to random multiple scattering. We exploit this decorrelation effect to use individual nanoholes as independent antennas, and demonstrated that more than 40 far-field incident channels can be delivered simultaneously to the SPP channels, an order of magnitude improvement over conventional 2D patterned devices.

Control of near-field waves is the key to going beyond the diffraction limit in imaging and manipulating target objects. Here we present the focusing of plasmonic waves, a type of near-field waves, by the wavefront shaping of far-field waves. We coupled far-field waves to a random array of holes on a thin gold film to generate speckled plasmonic waves. By controlling the phase pattern of the incident waves with the wavelength of 637 nm, we demonstrated the focusing of plasmonic waves down to 170 nm at arbitrary positions. Our study shows the possibility of using disordered nanoholes as a plasmonic lens with high flexibility in the far-field control.

Abstract Surface plasmon polaritons have attracted broad attention in the optoelectronics field due to their ability to merge nanoscale electronics with high-speed optical communication. As the complexity of optoelectronic devices increases to meet various needs, this integration has been hampered by the low coupling efficiency of light to plasmonic modes. Here we present a method to maximize the coupling of far-field optical waves to plasmonic waves for arbitrarily complex devices. The method consists of experimentally identifying the eigenchannels of a given nanostructure and shaping the wavefront of incident light to a particular eigenchannel that maximizes the generation of plasmonic waves. Our proposed approach increases the coupling efficiency almost four-fold with respect to the uncontrolled input. Our study will help to facilitate the integration of electronics and photonics.

Abstract The specimen-induced aberration has been a major factor limiting the imaging depth of single-molecule localization microscopy (SMLM). Here, we report the application of label-free wavefront sensing adaptive optics to SMLM for deep-tissue super-resolution imaging. The proposed system measures complex tissue aberrations from intrinsic reflectance rather than fluorescence emission and physically corrects the wavefront distortion more than three-fold stronger than the previous limit. This enables us to resolve sub-diffraction morphologies of cilia and oligodendrocytes in whole intact zebrafish as well as dendritic spines in thick mouse brain tissues at the depth of up to 102 μm with localization number enhancement by up to 37 times and localization precision comparable to aberration-free samples. The proposed approach can expand the application range of SMLM to intact animals that cause the loss of localization points owing to severe tissue aberrations.

Coherent Raman scattering imaging has provided inherent chemical information of biomolecules without the need for any external labels. 1–3 However, its working depth in deep-tissue imaging is extremely shallow because both the intrinsic scattering cross-section and image contrast are so small that even weak perturbation of the pump and Stokes beam focusing by the complex tissue causes the loss of the resolving power. 4,5 Here, we propose a deep-tissue coherent Raman scattering (CRS) microscopy equipped with an advanced adaptive optics (AO) system measuring complex tissue aberration from elastic backscattering. Using this label-free AO-CRS microscopy, we demonstrate the vibrational imaging of lipid-rich substances such as myelin inside the mouse brain even through the thick and opaque cranial bones.

Abstract Multiple myeloma (MM) is a cancer of terminally differentiated plasma cells. MM remains incurable, but overall survival of patients has progressively increased over the past two decades largely due to novel agents such as proteasome inhibitors (PI) and the immunomodulatory agents. While these therapies are highly effective, MM patients can be de novo resistant and acquired resistance with prolonged treatment is inevitable. There is growing interest in early, accurate identification of responsive versus non-responsive patients, however limited sample availability and need for rapid assays are limiting factors. Here, we test dry mass and volume as label-free biomarkers to monitor early response of MM cells to treatment with bortezomib, doxorubicin, and ultraviolet light. For the dry mass measurement, we use two types of phase-sensitive optical microscopy techniques: digital holographic tomography and computationally-enhanced quantitative phase microscopy. We show that human MM cell lines (RPMI8226, MM.1S, KMS20, and AMO1) increase dry mass upon bortezomib treatment. This dry mass increase after bortezomib treatment occurs as early as 1 hour for sensitive cells and 4 hours for all tested cells. We further confirm this observation using primary multiple myeloma cells derived from patients and show that a correlation exists between increase in dry mass and sensitivity to bortezomib, supporting the use of dry mass as a biomarker. The volume measurement using Coulter counter shows a more complex behavior; RPMI8226 cells increase the volume at an early stage of apoptosis, but MM.1S cells show the volume decrease typically observed with apoptotic cells. Altogether, this cell study presents complex kinetics of dry mass and volume at an early stage of apoptosis, which may serve as a basis for the detection and treatment of MM cells.