I ricercatori dell'Università ITMO hanno creato una configurazione per la registrazione di ologrammi di piccoli oggetti come cellule viventi a velocità di femtosecondi. Il nuovo metodo ricostruisce la topografia di fase di un campione in base alle deformazioni che emergono in un impulso laser quando passa attraverso il campione. Rispetto ai microscopi elettronici, il dispositivo può visualizzare strutture biologiche trasparenti senza introdurre agenti di contrasto. Il documento è stato pubblicato in Lettere di fisica applicata .

L'attività vitale delle cellule viventi è una complessa sequenza di reazioni biochimiche e processi fisici; molti di essi si svolgono con un'elevata risoluzione temporale. Per registrare tali rapide trasformazioni, gli scienziati hanno bisogno di attrezzature più precise e veloci. Il tessuto biologico può essere studiato con un microscopio elettronico, ma questo metodo richiede l'introduzione di un colorante speciale nel campione. Il colorante rende le cellule contrastanti, anche se può influenzare il loro metabolismo. I microscopi olografici digitali possono far fronte a questo inconveniente, ma hanno una bassa risoluzione spaziale.

La nuova fotocamera creata dagli scienziati ITMO può registrare processi veloci in campioni trasparenti e fornisce una maggiore risoluzione delle immagini in un'ampia gamma. Il dispositivo registra le deformazioni di fase degli impulsi laser a femtosecondi ultracorti che emergono quando la luce passa attraverso il campione. Le immagini di fase, o ologrammi, contribuirà a una migliore comprensione dei meccanismi di autoimmunità, malattie oncologiche e neurodegenerative, così come il monitoraggio delle cellule durante interventi chirurgici come la terapia del cancro.

"Il nostro dispositivo aiuterà i biologi e gli ingegneri genetici a tenere traccia di ciò che sta accadendo all'interno di una cellula vivente con una risoluzione di circa 50 femtosecondi:questo è sufficiente per risolvere molte reazioni biochimiche. In teoria, la fotocamera può persino catturare un elettrone che salta in un'altra orbita. Ora possiamo studiare la vitalità delle cellule quando iniziano determinati processi, Per esempio, riscaldare o trasferire virus e cellule nello spazio tridimensionale utilizzando radiazioni laser a femtosecondi. Il dispositivo supporta anche il monitoraggio degli stati delle cellule durante la variazione del pH, aggiunta e modifica di materiale genetico, "dice Arseny Chipegin, autore principale dell'articolo e ricercatore presso il Laboratorio di olografia digitale e display dell'Università ITMO.

Per l'analisi, un raggio laser a femtosecondi è diviso in tre. Il primo raggio ha il 95% di energia e avvia il processo; altri due raggi sono utilizzati per la diagnostica. Il secondo, noto come raggio oggetto, passa attraverso il campione. Il terzo, un raggio di riferimento, viene deviato da specchi e va in giro. I raggi si incontrano dietro il campione, dove formano un pattern di interferenza di bande luminose. Le strisce emergono quando creste di onde luminose si sovrappongono e si amplificano a vicenda.

Regolando la posizione degli specchietti, gli scienziati ritardano il raggio di riferimento, costringendolo a incontrare il primo in momenti diversi. In altre parole, il secondo raggio scansiona quello che attraversa il campione. Ogni collisione dei raggi è registrata su un subologramma. Un veloce algoritmo informatico compila tutti i subologrammi di una serie.

Il dispositivo rimuove uno dei problemi più importanti della microscopia olografica digitale associata all'aumento della capacità di risoluzione di un sistema nella fase di registrazione degli ologrammi. "Tecnicamente, possiamo ridimensionare le immagini decine di volte, l'impostazione del sistema di ingrandimento tra l'oggetto e la fotocamera. Questo non solo migliora la risoluzione, la precisione di misura cresce, pure, poiché il numero di bande di interferenza non cambia. Così, è possibile calcolare in modo più preciso la differenza di fase tra l'oggetto e i fasci di riferimento, "dice Nikolai Petrov, responsabile del Laboratorio di Olografia Digitale e Display.

Secondo gli scienziati, la ricerca continuerà. Il sistema sviluppato è progettato per essere più semplice di molti microscopi moderni, ma presenta diversi vantaggi in termini di velocità di registrazione ed elaborazione degli ologrammi.