Le matériel monté sur la platine d'un microscope inversé. Crédit :Junxiang Zhao
Les ingénieurs électriciens de l'Université de Californie à San Diego ont développé une technologie qui améliore la résolution d'un microscope optique ordinaire afin qu'il puisse être utilisé pour observer directement des structures et des détails plus fins dans des cellules vivantes.
La technologie transforme un microscope optique conventionnel en ce qu'on appelle un microscope à super-résolution. Il s'agit d'un matériau spécialement conçu qui raccourcit la longueur d'onde de la lumière lorsqu'il illumine l'échantillon - cette lumière rétrécie est ce qui permet essentiellement au microscope d'imager avec une résolution plus élevée.
"Ce matériau convertit la lumière basse résolution en lumière haute résolution, " a déclaré Zhaowei Liu, professeur de génie électrique et informatique à l'UC San Diego. "C'est très simple et facile à utiliser. Il suffit de placer un échantillon sur le matériau, puis mettez le tout sous un microscope normal - aucune modification sophistiquée n'est nécessaire. "
L'oeuvre, qui a été publié dans Communication Nature , surmonte une grande limitation des microscopes optiques conventionnels :la faible résolution. Les microscopes optiques sont utiles pour l'imagerie des cellules vivantes, mais ils ne peuvent pas être utilisés pour voir quoi que ce soit de plus petit. Les microscopes optiques conventionnels ont une limite de résolution de 200 nanomètres, ce qui signifie que tous les objets plus proches que cette distance ne seront pas observés comme des objets séparés. Et bien qu'il existe des outils plus puissants tels que les microscopes électroniques, qui ont la résolution de voir les structures subcellulaires, ils ne peuvent pas être utilisés pour imager des cellules vivantes car les échantillons doivent être placés à l'intérieur d'une chambre à vide.
Ce matériau réduisant la lumière transforme un microscope optique conventionnel en un microscope à super résolution. Crédit :Junxiang Zhao
"Le défi majeur est de trouver une technologie qui a une très haute résolution et qui est également sans danger pour les cellules vivantes, " dit Liu.
La technologie développée par l'équipe de Liu combine les deux fonctionnalités. Avec ça, un microscope optique conventionnel peut être utilisé pour imager des structures subcellulaires vivantes avec une résolution allant jusqu'à 40 nanomètres.
La technologie consiste en une lame de microscope recouverte d'un type de matériau thermorétractable appelé métamatériau hyperbolique. Il est composé de couches alternées d'argent et de verre de silice, fines du nanomètre. Au passage de la lumière, ses longueurs d'onde se raccourcissent et se dispersent pour générer une série de motifs mouchetés aléatoires à haute résolution. Lorsqu'un échantillon est monté sur la lame, il est éclairé de différentes manières par cette série de motifs lumineux mouchetés. Cela crée une série d'images à faible résolution, qui sont tous capturés puis reconstitués par un algorithme de reconstruction pour produire une image haute résolution.
Comparaison d'images prises au microscope optique sans le métamatériau hyperbolique (colonne de gauche) et avec le métamatériau hyperbolique (colonne de droite) :deux billes fluorescentes proches (rangée du haut), points quantiques (rangée du milieu), et des filaments d'actine dans les cellules Cos-7 (rangée du bas). Crédit :Nature Communications
Les chercheurs ont testé leur technologie avec un microscope inversé commercial. Ils ont pu imager des traits fins, tels que les filaments d'actine, dans des cellules Cos-7 marquées par fluorescence - des caractéristiques qui ne sont pas clairement discernables en utilisant uniquement le microscope lui-même. La technologie a également permis aux chercheurs de distinguer clairement de minuscules billes fluorescentes et des points quantiques espacés de 40 à 80 nanomètres.
La technologie de super résolution a un grand potentiel pour un fonctionnement à grande vitesse, les chercheurs ont dit. Leur objectif est d'intégrer la haute vitesse, super résolution et faible phototoxicité dans un seul système pour l'imagerie des cellules vivantes.
Rendu artistique de la nouvelle technologie de microscopie à super résolution. Les cellules animales (rouge) sont montées sur une lame recouverte du métamatériau hyperbolique multicouche. La lumière structurée à l'échelle nanométrique (bleue) est générée par le métamatériau et illumine ensuite les cellules animales. Crédit :Yeon Ui Lee
L'équipe de Liu étend maintenant la technologie pour faire de l'imagerie haute résolution dans un espace tridimensionnel. Cet article actuel montre que la technologie peut produire des images à haute résolution dans un plan bidimensionnel. L'équipe de Liu a précédemment publié un article montrant que cette technologie est également capable d'imagerie avec une résolution axiale ultra-élevée (environ 2 nanomètres). Ils travaillent maintenant à combiner les deux.
