Quando i microscopi faticano a captare segnali deboli, è come cercare di individuare i dettagli più sottili in un dipinto o in una fotografia senza gli occhiali. Per i ricercatori, questo rende difficile cogliere le piccole cose che accadono nelle cellule o in altri materiali. In una nuova ricerca, il dottor Ji-Xin Cheng, professore ordinario di fotonica e optoelettronica dell'Università di Boston, e i suoi collaboratori stanno creando tecniche più avanzate per migliorare la capacità dei microscopi di vedere i più piccoli dettagli dei campioni senza bisogno di coloranti speciali.
I loro risultati, pubblicati su Nature Communications e Progressi scientifici rispettivamente, aiutano gli scienziati a visualizzare e comprendere i loro campioni in modo più semplice e con maggiore precisione.
In queste domande e risposte, il dottor Cheng, che è anche professore in diversi dipartimenti della BU - ingegneria biomedica, ingegneria elettrica e informatica, chimica e fisica - approfondisce i risultati scoperti in entrambi i documenti di ricerca. Mette in evidenza il lavoro che lui e il suo team stanno attualmente portando avanti e fornisce una comprensione completa di come queste scoperte potrebbero avere un impatto sul campo della microscopia e, potenzialmente, influenzare le future applicazioni scientifiche.
Tu e i tuoi collaboratori di ricerca avete recentemente pubblicato due articoli sulla microscopia in Nature Communications e Progressi scientifici . Quali sono i risultati principali di ciascun articolo?
Questi due articoli mirano ad affrontare una sfida fondamentale nel campo emergente dell’imaging vibrazionale che sta aprendo una nuova finestra per le scienze della vita e la scienza dei materiali. La sfida è come spingere il limite di rilevamento in modo che l'imaging vibrazionale sia sensibile quanto l'imaging a fluorescenza in modo da poter visualizzare le molecole bersaglio a concentrazioni molto basse (da micromolare a nanomolare) in modo privo di coloranti.
La nostra innovazione per affrontare questa sfida fondamentale consiste nell’utilizzare la microscopia fototermica per rilevare i legami chimici in un campione. Dopo l'eccitazione della vibrazione del legame chimico, l'energia si dissipa rapidamente in calore, provocando un aumento della temperatura. Questo effetto fototermico può essere misurato da un raggio di sonda che passa attraverso il fuoco.
Il nostro metodo è fondamentalmente diverso dalla microscopia a diffusione Raman coerente, una piattaforma di imaging vibrazionale ad alta velocità descritta nella mia revisione scientifica del 2015. Insieme, abbiamo creato una nuova classe di strumenti per l'imaging chimico, denominata microscopia fototermica vibrazionale o microscopia VIP.
Nelle Comunicazioni sulla Natura articolo, abbiamo sviluppato un microscopio fototermico nel medio infrarosso ad ampio campo per visualizzare il contenuto chimico di una particella virale segnale. Nei progressi della scienza articolo, abbiamo sviluppato un nuovo microscopio fototermico vibrazionale basato sul processo Raman stimolato.
Lo sviluppo della microscopia SRP è stato inaspettato. Non abbiamo mai creduto che l'effetto Raman fosse abbastanza forte per la microscopia fototermica, ma i nostri pensieri sono cambiati nell'agosto del 2021. Per festeggiare il mio cinquantesimo compleanno, io e i miei studenti abbiamo organizzato una festa a tema sportivo. Durante i festeggiamenti, Yifan Zhu, il primo autore di Science Advances paper, purtroppo ha subito un infortunio, tanto che il suo medico gli ha consigliato un periodo di mobilità ridotta di due mesi.
Durante il ricovero, gli ho chiesto di eseguire un calcolo dell'aumento della temperatura nel fuoco di un microscopio SRS (scattering Raman stimolato). Attraverso questo incidente, abbiamo riscontrato un forte effetto fototermico Raman (SRP) stimolato. Yifan e altri studenti hanno poi dedicato due anni allo sviluppo. Ecco come è stata inventata la microscopia SRP.
Certamente, niente è perfetto. Studiando la microscopia SRP, abbiamo scoperto che ciascun raggio può avere assorbimento, il che causa un debole sfondo non Raman nell'immagine SRP. Stiamo sviluppando un nuovo modo per rimuovere questo sfondo.
I metodi riportati in questi due articoli sono complementari. Il metodo WIDE-MIP è utile per rilevare i legami IR-attivi, mentre il metodo SRP è sensibile ai legami Raman-attivi.
Si Certamente. Questi due articoli insieme indicano una nuova classe di microscopia chimica denominata microscopia fototermica vibrazionale o microscopia VIP. La microscopia VIP offre un modo molto sensibile per sondare specifici legami chimici; quindi possiamo usarli per mappare molecole a concentrazioni molto basse senza marcatura con coloranti.
Abbiamo depositato brevetti provvisori per entrambe le tecnologie tramite l'ufficio di sviluppo tecnologico della BU. Almeno due aziende sono interessate alla commercializzazione della tecnologia SRP e una di queste è interessata anche alla tecnologia WIDE-MIP.
Nel documento WIDE-MIP, i campioni di virus sono forniti da John Connor, professore associato di microbiologia presso i National Emerging Infectious Diseases Laboratories della BU. Lo sviluppo della tecnologia WIDE-MIP è in collaborazione con Selim Ünlü, professore di ingegneria elettrica e informatica presso la Facoltà di Ingegneria della BU. Si tratta quindi di un lavoro collaborativo all'interno dell'Università di Boston.
Ulteriori informazioni: Qing Xia et al, Impronta digitale di un singolo virus mediante microscopia fototermica nel medio infrarosso potenziata con defocus interferometrico ad ampio campo, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42439-4
Yifan Zhu et al, Microscopia fototermica Raman stimolata verso l'imaging chimico ultrasensibile, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi2181
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura , La scienza avanza
Fornito dall'Università di Boston
