Tecnologia Científica

O material que encolhe a luz permite que o microscópio comum veja em super resolução
Os pesquisadores desenvolveram uma tecnologia que melhora a resolução de um microscópio de luz comum para que possa ser usado para observar diretamente estruturas e detalhes mais finos em células vivas.
Por Universidade da Califórnia - San Diego - 01/06/2021


O material montado no palco de um microscópio invertido. Crédito: Junxiang Zhao

Os engenheiros elétricos da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram uma tecnologia que melhora a resolução de um microscópio de luz comum para que possa ser usado para observar diretamente estruturas e detalhes mais finos em células vivas.

A tecnologia transforma um microscópio de luz convencional no que é chamado de microscópio de super-resolução. Envolve um material especialmente projetado que encurta o comprimento de onda da luz à medida que ilumina a amostra - essa luz encolhida é o que essencialmente permite ao microscópio obter imagens em resolução mais alta.

"Este material converte luz de baixa resolução em luz de alta resolução", disse Zhaowei Liu, professor de engenharia elétrica e de computação na UC San Diego. "É muito simples e fácil de usar. Basta colocar uma amostra no material e, em seguida, colocar tudo sob um microscópio normal - nenhuma modificação extravagante necessária."

O trabalho, que foi publicado na Nature Communications , supera uma grande limitação dos microscópios de luz convencionais: a baixa resolução. Os microscópios de luz são úteis para obter imagens de células vivas , mas não podem ser usados ​​para ver nada menor. Os microscópios de luz convencionais têm um limite de resolução de 200 nanômetros, o que significa que quaisquer objetos mais próximos do que essa distância não serão observados como objetos separados. E embora existam ferramentas mais poderosas, como microscópios eletrônicos, que têm a resolução para ver estruturas subcelulares, eles não podem ser usados ​​para criar imagens de células vivas porque as amostras precisam ser colocadas dentro de uma câmara de vácuo.

"O maior desafio é encontrar uma tecnologia que tenha resolução muito alta e também seja segura para células vivas ", disse Liu.

A tecnologia que a equipe de Liu desenvolveu combina os dois recursos. Com ele, um microscópio de luz convencional pode ser usado para obter imagens de estruturas subcelulares vivas com resolução de até 40 nanômetros.

A tecnologia consiste em uma lâmina de microscópio revestida com um tipo de material que reduz a luz, chamado metamaterial hiperbólico. É feito de camadas alternadas de prata e vidro de sílica com nanômetros de espessura. Conforme a luz passa, seus comprimentos de onda encurtam e se espalham para gerar uma série de padrões pontilhados aleatórios de alta resolução. Quando uma amostra é montada na lâmina, ela é iluminada de maneiras diferentes por essa série de padrões de luz pontilhada. Isso cria uma série de imagens de baixa resolução, que são todas capturadas e depois reunidas por um algoritmo de reconstrução para produzir uma imagem de alta resolução .

Comparação de imagens obtidas por um microscópio de luz sem o metamaterial
hiperbólico (coluna da esquerda) e com o metamaterial hiperbólico (coluna da direita):
duas contas fluorescentes próximas (linha superior), pontos quânticos (linha do meio)
e filamentos de actina nas células Cos-7 (linha inferior).
Crédito: Nature Communications

Os pesquisadores testaram sua tecnologia com um microscópio invertido comercial. Eles foram capazes de criar imagens de características finas, como filamentos de actina, em células Cos-7 marcadas com fluorescência - características que não são claramente discerníveis usando apenas o próprio microscópio. A tecnologia também permitiu aos pesquisadores distinguir claramente minúsculos grânulos fluorescentes e pontos quânticos espaçados entre 40 e 80 nanômetros.
 
A tecnologia de super resolução tem grande potencial para operação em alta velocidade, disseram os pesquisadores. Seu objetivo é incorporar alta velocidade, super resolução e baixa fototoxicidade em um sistema para imagens de células vivas.

Renderização artística da nova tecnologia de microscopia de super resolução. As células
animais (vermelhas) são montadas em uma lâmina revestida com o metamaterial
hiperbólico multicamadas. A luz estruturada em nanoescala (azul) é gerada pelo
metamaterial e então ilumina as células animais. Crédito: Yeon Ui Lee

A equipe de Liu agora está expandindo a tecnologia para fazer imagens de alta resolução no espaço tridimensional. Este trabalho atual mostra que a tecnologia pode produzir imagens de alta resolução em um plano bidimensional. A equipe de Liu publicou anteriormente um artigo mostrando que essa tecnologia também é capaz de gerar imagens com resolução axial ultra-alta (cerca de 2 nanômetros). Eles agora estão trabalhando para combinar os dois.

 

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