Les microscopes optiques et les pincettes peuvent imager et manipuler des objets à l'échelle microscopique pour des applications en biologie cellulaire et moléculaire. La résolution optique est, cependant, entravé par la limite de diffraction et donc les microscopes et les pincettes sont incapables d'imager et de manipuler directement des nano-objets. Les techniques émergentes dans les nanoscopes plasmoniques/photoniques et les nanopinces visent à atteindre une résolution à l'échelle nanométrique, bien que les structures matérielles à indice élevé puissent facilement causer des dommages mécaniques et photothermiques aux biospécimens à l'échelle nanométrique.

Dans une étude récente maintenant publiée sur Lumière :science et applications , Yuchao Li et ses collègues de l'Institut de nanophotonique en Chine, a développé un système de microscope optique utilisant des cellules vivantes comme de minuscules lentilles pour imager et manipuler des objets plus petits que la longueur d'onde de la lumière. Ils ont montré une imagerie sous-limite de diffraction et une manipulation de nano-objets avec un dispositif non invasif, qu'ils ont construit en piégeant une cellule sur une pointe de fibre. La cellule piégée a formé une bioloupe qui pouvait agrandir les nanostructures avec une résolution de 100 nm, sous microscopie à lumière blanche. À l'aide de la bioloupe, Li et al. formé un piège nano-optique pour manipuler avec précision une nanoparticule individuelle avec un rayon de 50 nm. La technique fournit un outil de haute précision pour l'imagerie optique, détection et assemblage de bio-nanomatériaux sans dommages mécaniques ou photothermiques.

L'imagerie optique pour manipuler de petits objets est cruciale pour le diagnostic médical, détection biologique, exploration cellulaire, formation moléculaire et assemblage de matériaux. Les pincettes et les microscopes sont des appareils standard pour l'imagerie et la manipulation sans contact d'échantillons minuscules allant de quelques nanomètres à plusieurs microns. Néanmoins, il est difficile d'utiliser la technologie pour imager à l'échelle nanométrique, puisque la résolution optique est limitée à environ la moitié de la longueur d'onde d'éclairage.

Les scientifiques ont réalisé des progrès spectaculaires dans les nanoscopes à champ proche et les nanopinces au cours des dernières décennies pour obtenir une imagerie optique à une résolution nanométrique. Ces techniques d'imagerie ont été retenues par les matériaux inorganiques à indice élevé tels que les métaux nobles et les semi-conducteurs utilisés pour leur fabrication, qui peuvent endommager mécaniquement des échantillons de cellules ou de tissus biologiques lors de l'imagerie et de la manipulation en champ proche.

Les scientifiques ont donc étudié des schémas d'imagerie optique plus simples basés sur des microsphères diélectriques pour surmonter la limite de diffraction commune aux microscopes conventionnels. Bien que la technique soit sans étiquette et réalisable, ces microsphères sont à base de matériaux inorganiques artificiels tels que le dioxyde de silicium (SiO 2 ), dioxyde de titane (TiO 2 ) et le titanate de baryum (BaTiO 3 ). Les chercheurs s'intéressent donc au développement d'un biomatériau naturel pour construire un dispositif biocompatible pour la bioimagerie, manipulation et bioamplification à une résolution spatiale à l'échelle nanométrique.

Li et al. des cellules biologiques sélectionnées pour remplacer les microsphères car les cellules sont à la fois abondantes et biocompatibles au contact des systèmes biologiques. Par exemple, les scientifiques peuvent utiliser des cellules vivantes pour manipuler la lumière dans des environnements biologiques et agir comme des microlentilles optofluidiques, sondes optiques et même incorporer E. coli comme guides d'ondes biophotoniques. Dans le travail present, Li et al. amélioré le contraste d'indice des cellules vivantes en utilisant une forme sphérique semi-immergée dans un milieu pour obtenir une focalisation à la sous-longueur d'onde. Les scientifiques ont capturé des images biologiques à l'aide du spot lumineux de sous-diffraction pour éclairer des échantillons ciblés ainsi que par microscopie à lumière blanche. Le spot lumineux de taille nanométrique a exercé une forte force de gradient optique pour piéger et manipuler une seule nanoparticule permettant à la bioloupe de fonctionner également comme une nanopince optique.

Les scientifiques ont mené toutes les expériences sous un microscope optique en mode réflexion couplé à une caméra à dispositif à couplage de charge (CCD) et à un objectif. Ils ont utilisé des sources lumineuses à 390 nm, 560 nm et 808 nm pour l'excitation, illumination et piégeage respectivement. A l'aide d'une fibre optique à pointe effilée, Li et al. piégé la bioloupe à l'extrémité de la fibre, qu'ils contrôlaient en déplaçant la pointe à l'aide d'un micromanipulateur. Li et al. sélectionné des cellules lisses et sphériques pour minimiser l'aberration de l'image et a noté que les cellules présentent de meilleures performances de mise au point lorsqu'elles sont semi-immergées dans une solution pour maintenir la viabilité des cellules.

Au cours de l'imagerie expérimentale, les scientifiques ont placé une bioloupe semi-immergée au-dessus d'un échantillon de test et ont collecté les informations sous-jacentes en champ proche de l'échantillon, pour former une image virtuelle telle que détectée par un microscope optique. Li et al. préparé une variété de bioloupe en utilisant diverses cellules, y compris des bactéries, Levure, globules rouges et cellules souches. Pour le premier échantillon d'imagerie, ils ont utilisé une matrice de nanosphères de silice hexagonale bidimensionnelle d'un diamètre de 200 nm sur un substrat de verre en utilisant une technique photophorétique.

Seules les nanosphères avec des bioloupes au-dessus d'elles pourraient être résolues pendant l'imagerie, alors que les nanosphères sans bioloupe ne pouvaient pas être résolues à l'aide d'un microscope conventionnel. Le facteur de grossissement M des bioloupes à base de cellules souches a été déterminé comme étant 3,3 fois plus grand (x3,3), et les scientifiques ont montré que le M expérimental dépendait du diamètre de la bioloupe. Ensuite, Li et al. ont effectué toutes les expériences en utilisant des bioloupes de ce diamètre.

Pour étudier les applications des bioloupes, Li et al. imagé des cellules épithéliales humaines en tant que cibles d'imagerie en faisant croître des cellules épithéliales sur un substrat de miroir pour des interactions lumière-matière améliorées via l'interférence de la lumière d'éclairage et de la lumière de réflexion. Alors qu'il était difficile de distinguer les structures fibreuses du cytosquelette et de la bicouche sous un microscope optique conventionnel, après avoir placé une bioloupe au-dessus des cellules épithéliales, les scientifiques ont pu résoudre les deux structures. Pour améliorer le champ de vision d'imagerie (FOV), ils ont piégé la bioloupe sur une pointe de fibre et l'ont déplacée pour numériser les échantillons. Par exemple, Li et al. utilisé la configuration pour numériser des lettres à motifs nanométriques qui représentaient un acronyme de l'Université de Jinan - JNU, qu'ils ont d'abord créé sur silicium par lithographie par faisceau d'électrons.

Après, lorsqu'ils irradient simultanément des faisceaux laser proche infrarouge (IR) et UV sur la bioloupe à travers une lentille d'objectif, ils pourraient piéger et exciter les nanoparticules. Pour ces expériences, les scientifiques ont utilisé des nanoparticules fluorescentes d'un rayon moyen de 50 nm. Lorsqu'ils ont piégé une seule nanoparticule dans le foyer d'une bioloupe, ils ont observé des images optiques et fluorescentes de l'échantillon d'intérêt. Li et al. puis calculé la rigidité de piégeage de la particule en temps réel à l'aide de pinces optiques standard. La possibilité de manipuler une seule nanoparticule sans contact et précisément via l'optique sera utile pour assembler des nanostructures bien régulées. Lorsque Li et al. ont étudié numériquement le mécanisme d'imagerie et la rigidité de piégeage des bioloupes à l'aide de la simulation 3D et du logiciel COMSOL. Ils ont observé que la capacité de focalisation de la lumière à la limite de sous-diffraction résultait d'un effet combiné de « nanojet photonique » et d'une amélioration d'interférence cohérente par le miroir.

Les limites de la méthode comprenaient l'aberration et la distorsion d'imagerie dues aux structures intracellulaires non homogènes de la bioloupe naturelle, par rapport aux microsphères diélectriques avec des indices de réfraction uniformes. Heureusement, les matériaux intracellulaires étaient optiquement transparents à la lumière visible et proche infrarouge et les interactions optiques étaient relativement faibles à l'intérieur d'une seule cellule. Les activités intracellulaires pourraient également modifier la distribution de l'indice de réfraction partiel dans une cellule pour provoquer une distorsion de la lumière pendant le piégeage et l'imagerie, mais la plupart des activités intracellulaires étaient ultrarapides et n'ont pas influencé le schéma d'imagerie.

De cette façon, Yuchao Li et ses collègues ont développé une nouvelle technique d'imagerie expérimentale et vérifié les capacités expérimentales avec des simulations FEM. Li et al. nanoscopes optiques intégrés et nanopinces dans un seul appareil pour imager et manipuler des nanostructures simultanément pour la première fois dans le présent travail. Ils ont promu la résolution de la technique à 100 nm et proposé une procédure d'imagerie sans marquage. Les scientifiques envisagent la bioloupe vivante pour ouvrir de nouvelles opportunités en imagerie super-résolution, détection en temps réel et nano-assemblage précis de bionanomatériaux pour former des nanoarchitectures d'intérêt.

© 2019 Réseau Science X