a Il vetrino coprioggetto potenziato con nanofotonica (NEC) aggiunge capacità di imaging di fase a un normale vetrino coprioggetto per microscopio, riducendo così ingombranti metodi di imaging di fase fino alle dimensioni di un chip. Il design di spessore inferiore a 200 nm è costituito da un reticolo distanziato a lunghezza d'onda inferiore a una pellicola otticamente sottile, supportato da un substrato di vetro. b Dimostrazione esemplare dell'imaging di fase delle cellule tumorali umane (cellule HeLa) utilizzando il NEC. Posizionando la capsula di Petri contenente la coltura cellulare direttamente sopra il NEC, vengono create immagini pseudo 3D delle cellule. Le immagini ottenute sono simili a quelle ottenute con la tecnica convenzionale di imaging di fase della microscopia a contrasto di interferenza differenziale (DIC). Nell'immagine di riferimento, registrato senza il NEC, le cellule sono per lo più invisibili. c L'utilizzo del dispositivo NEC ha consentito non solo la visualizzazione della forma generale della cella, ma presenta anche all'interno del nucleo cellulare (a sinistra). Ciò è stato confermato dal confronto con le immagini ottenute tramite microscopia DIC convenzionale (al centro) e microscopia a fluorescenza (a destra). Credito:Lukas Wesemann, Jon Rickett, Canzone Jingchao, Jieqiong Lou, Elisabetta Hinde, Timothy J. Davis, e Ann Roberts
La capacità di visualizzare oggetti trasparenti come le cellule biologiche è di fondamentale importanza in biologia e diagnostica medica. Gli approcci convenzionali per raggiungere questo obiettivo includono la microscopia a contrasto di fase e le tecniche che si basano sulla colorazione chimica delle cellule biologiche. Queste tecniche, però, fare affidamento su componenti ottici costosi e ingombranti o richiedere modifiche, e in alcuni casi dannoso, cellula mediante l'introduzione di mezzi di contrasto chimici. I recenti progressi significativi nella tecnologia di nanofabbricazione consentono di strutturare materiali su scala nanometrica con una precisione senza precedenti. Ciò ha dato origine al rivoluzionario campo della meta-ottica che mira a sviluppare componenti ottici ultracompatti che sostituiscano le loro controparti ottiche di massa come ad esempio lenti e filtri ottici. Tali dispositivi meta-ottici mostrano proprietà insolite per le quali hanno recentemente attirato un notevole interesse scientifico come nuove piattaforme per applicazioni di imaging.
In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce , un team di scienziati, guidati dalla professoressa Ann Roberts del nodo dell'Università di Melbourne dell'Australian Research Council Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems hanno sviluppato un ultra-compatto, coprioggetto per microscopio nanostrutturato che consente la visualizzazione di cellule biologiche non colorate. Il dispositivo è indicato come un vetrino coprioggetto potenziato con nanofotonica (NEC) poiché aggiunge capacità di imaging di fase a un normale vetrino coprioggetto per microscopio. Nel loro studio i ricercatori hanno dimostrato che semplicemente posizionando le cellule biologiche sopra il NEC, si ottengono immagini pseudo 3D ad alto contrasto di cellule altrimenti invisibili. Gli scienziati hanno utilizzato l'esempio delle cellule cancerose umane (cellule HeLa) per dimostrare il potenziale di questo nuovo metodo di imaging di fase. Il metodo non solo ha consentito la visualizzazione della forma generale delle cellule cancerose, ma ha anche reso visibili i dettagli del nucleo cellulare. Questa capacità è fondamentale poiché l'individuazione di cambiamenti nella struttura delle cellule biologiche è alla base dell'individuazione di malattie come ad esempio nel caso della malaria.
La versione del NEC presentata nella pubblicazione differisce da un normale coprioggetto per l'aggiunta di un film ottico sottile e di un reticolo distanziato di nanometri. Il gruppo di ricerca, però, prevedere varianti più complesse di questo concetto per estendere ulteriormente le capacità del metodo al funzionamento a diverse lunghezze d'onda e all'integrazione in sistemi di imaging ottico o microfluidici altamente specializzati. In conclusione, questa ricerca ha dimostrato un metodo di imaging di fase completamente nuovo che ha un potenziale significativo per far parte dei futuri sistemi di imaging biologico e strumenti diagnostici medici mobili.
Gli scienziati riassumono il potenziale del loro metodo di imaging di fase:"Abbiamo progettato un vetrino coprioggetto nanostrutturato che ci consente di visualizzare cellule biologiche altrimenti trasparenti semplicemente posizionandole sopra il dispositivo e facendole passare luce attraverso. Si tratta di un'entusiasmante svolta nel campo dell'imaging di fase, poiché il nostro metodo non richiede né l'uso di componenti ottici sfusi, colorazione chimica o post-elaborazione computazionale come nel caso dei metodi convenzionali", ha spiegato il prof. Roberts.
"L'indisponibilità di strumenti diagnostici medici in molte nazioni in via di sviluppo è considerata una ragione per cui malattie infettive come la malaria e la tubercolosi sono ancora una delle principali cause di morte. Il nostro approccio ha un potenziale significativo per diventare un metodo economico, strumento di imaging di fase ultracompatto che potrebbe essere integrato nelle fotocamere degli smartphone e in altri dispositivi mobili per rendere ampiamente disponibile la diagnostica medica mobile". Ha aggiunto il dott. Wesemann.
