I fisici di Dresda e Würzburg hanno sviluppato un nuovo metodo per la microscopia ottica, ottenere immagini ad alta risoluzione utilizzando motori biologici e singoli punti quantici.

La risoluzione della microscopia ottica convenzionale è limitata dal principio fisico fondamentale della diffrazione a circa la metà della lunghezza d'onda della luce:se la distanza tra due oggetti è inferiore a questo cosiddetto "limite di diffrazione, " non possono più essere separate visivamente:l'immagine appare "sfocata". Per acquisire immagini ottiche alla scala di pochi nanometri, questo chiaramente non è sufficiente.

Per questa ragione, scienziati di tutto il mondo hanno sviluppato tecniche elaborate per aggirare il limite di diffrazione e quindi aumentare la risoluzione. Però, lo sforzo tecnico necessario per farlo è notevole, e di solito sono richiesti assemblaggi di microscopi altamente specializzati. In particolare, l'indagine dei campi ottici vicini rappresenta ancora una grande sfida, perché sono così fortemente localizzati che non possono inviare onde a un rivelatore distante.

In un nuovo studio, i fisici della Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) e della Technische Universität Dresden ora mostrano che è possibile misurare questi campi vicini con uno sforzo significativamente minore. Hanno usato un sistema di trasporto biomolecolare per far scorrere molte nano-sonde ottiche estremamente piccole su una superficie. Presentano i loro risultati nell'attuale numero della rinomata rivista Nanotecnologia della natura .

"Come sonde, abbiamo usato i cosiddetti punti quantici, piccole particelle fluorescenti di pochi nanometri, " afferma il professor Bert Hecht alla JMU; ha supervisionato il progetto insieme al professor Stefan Diez della TU Dresden.

Le cosiddette proteine ​​motorie e microtubuli fanno passare i punti quantici sull'oggetto da esaminare. "Questi due elementi sono tra i componenti fondamentali di un sistema di trasporto intracellulare, " spiega Diez. "I microtubuli sono complessi proteici tubolari lunghi fino a diversi decimi di millimetro, che formano una grande rete di vie di trasporto all'interno delle celle. Le proteine ​​motorie corrono lungo queste rotte, trasportare carichi intracellulari da un luogo all'altro, "dice Hecht.

I fisici hanno approfittato di questo concetto, ma in ordine inverso:"Le proteine ​​motorie sono fissate alla superficie del campione e vi passano sopra i microtubuli, una sorta di 'stage-diving' con biomolecole, " dice Heiko Gross, dottorato di ricerca studente del gruppo Hecht. I punti quantici che fungono da sonde ottiche sono attaccati ai microtubuli e si muovono insieme al loro vettore.

Poiché un singolo punto quantico impiegherebbe molto tempo per scansionare un'ampia superficie, i ricercatori hanno utilizzato grandi quantità di punti quantici e proteine ​​motorie, che si muovono contemporaneamente, e quindi scansionare una vasta area in breve tempo. "Utilizzando questo principio, possiamo misurare i campi luminosi locali su una vasta area con una risoluzione inferiore a cinque nanometri utilizzando una configurazione che ricorda un microscopio ottico classico, " spiega il fisico. In confronto, un nanometro equivale a un milionesimo di millimetro.

I fisici hanno testato il loro metodo su un sottile strato d'oro con strette fessure larghe meno di 250 nanometri. Queste fessure erano illuminate dal basso con luce laser blu. "La luce che passa attraverso questi spazi stretti è limitata alla larghezza dello spazio, rendendolo ideale per la dimostrazione di microscopia ottica ad alta risoluzione, "dice Grosso.

Durante la misurazione, uno "sciame di microtubuli" scivola simultaneamente in direzioni diverse attraverso la superficie dello strato d'oro. Usando una macchina fotografica, la posizione di ciascun punto quantico trasportato può essere determinata esattamente a intervalli di tempo definiti. Se un punto quantico si muove attraverso il campo vicino ottico di una fenditura, si illumina più forte e quindi funge da sensore ottico. Poiché il diametro del punto quantico è di pochi nanometri, la distribuzione della luce all'interno della fessura può essere determinata in modo estremamente preciso, aggirando così il limite di diffrazione.

Un'altra caratteristica interessante di questo approccio è che, grazie alla sua lunghezza e forza, un microtubulo si muove in modo estremamente lineare e prevedibile attraverso la superficie del campione rivestita dal motore. "Ciò rende possibile determinare la posizione dei punti quantici 10 volte più accuratamente rispetto ai metodi di microscopia ad alta risoluzione precedentemente stabiliti, " spiega il dott. med. Jens Ehrig, ex borsista post-dottorato nel gruppo Diez e attuale capo della struttura "Molecular Imaging and Manipulation" presso il Center for Molecular and Cellular Bioengineering (CMCB) della TU Dresden. Per di più, si possono escludere disturbi causati da artefatti dovuti all'accoppiamento in campo vicino. Poiché il sistema di trasporto è costituito da poche molecole, la sua influenza sui campi ottici vicini è trascurabile.

I ricercatori sperano di utilizzare la loro idea per stabilire una nuova tecnologia nel campo della microscopia di superficie. In ogni caso, sono convinti che questo tipo di microscopia abbia applicazioni nell'ispezione ottica di superfici nanostrutturate. In un passaggio successivo, i ricercatori vogliono utilizzare questo sistema di trasporto molecolare per accoppiare punti quantici a risonatori ottici di campo vicino appositamente preparati per studiare la loro interazione.