Des chercheurs de l'Université ITMO ont construit une configuration pour enregistrer des hologrammes d'objets minuscules comme des cellules vivantes à des vitesses femtosecondes. La nouvelle méthode reconstruit la topographie de phase d'un échantillon en fonction des déformations qui émergent dans une impulsion laser lorsqu'elle traverse l'échantillon. Par rapport aux microscopes électroniques, le dispositif peut visualiser des structures biologiques transparentes sans introduire d'agents de contraste. Le document a été publié en Lettres de physique appliquée .

L'activité vitale des cellules vivantes est une séquence complexe de réactions biochimiques et de processus physiques; beaucoup d'entre eux ont lieu avec une résolution temporelle élevée. Pour enregistrer ces transformations rapides, les scientifiques ont besoin d'équipements plus précis et plus rapides. Les tissus biologiques peuvent être étudiés au microscope électronique, mais cette méthode nécessite l'introduction d'un colorant spécial dans l'échantillon. Le colorant fait contraster les cellules, bien que cela puisse affecter leur métabolisme. Les microscopes holographiques numériques peuvent faire face à cet inconvénient, mais ont une faible résolution spatiale.

La nouvelle caméra créée par les scientifiques de l'ITMO peut enregistrer des processus rapides dans des spécimens transparents et offre une résolution accrue des images dans une large gamme. L'appareil enregistre les déformations de phase des impulsions laser femtosecondes ultracourtes qui émergent lorsque la lumière traverse l'échantillon. Les images de phases, ou hologrammes, contribuera à une meilleure compréhension des mécanismes auto-immuns, maladies oncologiques et neurodégénératives, ainsi que la surveillance des cellules lors d'interventions chirurgicales telles que le traitement du cancer.

"Notre appareil aidera les biologistes et les ingénieurs génétiques à suivre ce qui se passe à l'intérieur d'une cellule vivante avec une résolution d'environ 50 femtosecondes, ce qui est suffisant pour résoudre de nombreuses réactions biochimiques. Théoriquement, la caméra peut même capturer un électron sautant sur une autre orbite. Nous pouvons maintenant étudier la viabilité des cellules lors de l'initiation de certains processus, par exemple, chauffer ou transférer des virus et des cellules dans un espace tridimensionnel à l'aide d'un rayonnement laser femtoseconde. L'appareil prend également en charge le suivi des états des cellules lors de la modification du pH, l'ajout et l'édition de matériel génétique, " dit Arsène Chipegin, auteur principal de l'article et chercheur au Laboratoire d'holographie numérique et d'affichage de l'Université ITMO.

Pour l'analyse, un faisceau laser femtoseconde est divisé en trois. Le premier faisceau a 95 % d'énergie et démarre le processus; deux autres faisceaux sont utilisés pour le diagnostic. La deuxième, connu sous le nom de faisceau objet, traverse l'échantillon. Le troisième, un faisceau de référence, est dévié par les miroirs et fait le tour. Les rayons se rencontrent derrière l'échantillon, où ils forment un motif d'interférence de bandes lumineuses. Les bandes émergent lorsque des crêtes d'ondes lumineuses se chevauchent et s'amplifient les unes les autres.

En ajustant la position des rétroviseurs, les scientifiques retardent le faisceau de référence, l'obligeant à rencontrer le premier à des moments différents. En d'autres termes, le deuxième faisceau balaie celui qui traverse l'échantillon. Chaque collision des faisceaux est enregistrée sur un sous-hologramme. Un algorithme informatique rapide compile tous les sous-hologrammes d'une série.

Le dispositif élimine l'un des problèmes les plus importants de la microscopie holographique numérique associé à l'augmentation de la capacité de résolution d'un système au stade de l'enregistrement des hologrammes. "Techniquement, nous pouvons redimensionner les images des dizaines de fois, réglage du système de grossissement entre l'objet et la caméra. Non seulement cela améliore la résolution, la précision de la mesure augmente, trop, puisque le nombre de bandes d'interférence ne change pas. Ainsi, il est possible de calculer plus précisément la différence de phase entre les faisceaux objet et de référence, " dit Nikolaï Petrov, responsable du Laboratoire d'holographie numérique et display.

Selon les scientifiques, la recherche va se poursuivre. Le système développé est conçu pour être plus simple que de nombreux microscopes modernes, mais présente plusieurs avantages en termes de vitesse d'enregistrement et de traitement des hologrammes.