Des physiciens de Dresde et de Würzburg ont développé une nouvelle méthode pour la microscopie optique, obtenir des images haute résolution à l'aide de moteurs biologiques et de points quantiques uniques.

La résolution de la microscopie optique conventionnelle est limitée par le principe physique fondamental de la diffraction à environ la moitié de la longueur d'onde de la lumière :si la distance entre deux objets est inférieure à cette soi-disant "limite de diffraction, " elles ne peuvent plus être séparées visuellement - l'image apparaît " floue ". Pour acquérir des images optiques à l'échelle de quelques nanomètres, ce n'est clairement pas suffisant.

Pour cette raison, des scientifiques du monde entier ont développé des techniques élaborées pour contourner la limite de diffraction et ainsi augmenter la résolution. Cependant, l'effort technique nécessaire pour ce faire est considérable, et des assemblages de microscopes hautement spécialisés sont généralement nécessaires. En particulier, l'étude des champs proches optiques représente encore un grand défi, car ils sont si fortement localisés qu'ils ne peuvent pas envoyer d'ondes à un détecteur distant.

Dans une nouvelle étude, des physiciens de la Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) et de la Technische Universität Dresden montrent désormais qu'il est possible de mesurer ces champs proches avec beaucoup moins d'effort. Ils ont utilisé un système de transport biomoléculaire pour faire glisser de nombreuses nano-sondes optiques extrêmement petites sur une surface. Ils présentent leurs résultats dans le numéro actuel de la célèbre revue Nature Nanotechnologie .

"Comme des sondes, nous avons utilisé des points dits quantiques - de petites particules fluorescentes de quelques nanomètres, " dit le professeur Bert Hecht de la JMU; il a supervisé conjointement le projet avec le professeur Stefan Diez de la TU Dresden.

Les protéines dites motrices et les microtubules font passer les points quantiques sur l'objet à examiner. "Ces deux éléments font partie des composants fondamentaux d'un système de transport intracellulaire, " explique Diez. " Les microtubules sont des complexes protéiques tubulaires pouvant atteindre plusieurs dixièmes de millimètres de long, qui forment un important réseau de voies de transport à l'intérieur des cellules. Les protéines motrices parcourent ces routes, transporter des charges intracellulaires d'un endroit à un autre, " dit Hecht.

Les physiciens ont profité de ce concept, mais dans l'ordre inverse :"Les protéines motrices sont fixées à la surface de l'échantillon et passent les microtubules dessus - une sorte de "plongée par étapes" avec des biomolécules, " dit Heiko Groß, doctorat étudiant dans le groupe Hecht. Les points quantiques servant de sondes optiques sont attachés aux microtubules et se déplacent avec leur porteur.

Comme une seule boîte quantique prendrait beaucoup de temps pour balayer une grande surface, les chercheurs ont utilisé de grandes quantités de points quantiques et de protéines motrices, qui bougent en même temps, et ainsi scanner une grande surface en peu de temps. « En utilisant ce principe, nous pouvons mesurer des champs lumineux locaux sur une grande surface avec une résolution de moins de cinq nanomètres en utilisant une configuration qui ressemble à un microscope optique classique, " explique le physicien. Par comparaison, un nanomètre équivaut à un millionième de millimètre.

Les physiciens ont testé leur méthode sur une fine couche d'or avec des fentes étroites de moins de 250 nanomètres de large. Ces fentes étaient éclairées par le bas avec une lumière laser bleue. "La lumière passant à travers ces espaces étroits est limitée à la largeur de l'espace, le rendant idéal pour démontrer la microscopie optique à haute résolution, " dit Gross.

Pendant la mesure, un « essaim de microtubules » glisse simultanément dans différentes directions à travers la surface de la couche d'or. A l'aide d'un appareil photo, la position de chaque point quantique transporté peut être déterminée avec précision à des intervalles de temps définis. Si une boîte quantique se déplace dans le champ proche optique d'une fente, il éclaire plus fortement et fait donc office de capteur optique. Le diamètre de la boîte quantique n'étant que de quelques nanomètres, la répartition lumineuse à l'intérieur de la fente peut être déterminée de manière extrêmement précise, contournant ainsi la limite de diffraction.

Une autre caractéristique intéressante de cette approche est qu'en raison de sa longueur et de sa force, un microtubule se déplace d'une manière extrêmement droite et prévisible sur la surface de l'échantillon revêtue d'un moteur. "Cela permet de déterminer la position des points quantiques 10 fois plus précisément qu'avec les méthodes de microscopie haute résolution précédemment établies, " explique le Dr Jens Ehrig, ancien post-doctorant dans le groupe Diez et actuel responsable de l'installation "Imagerie et Manipulation Moléculaires" au Centre de Bioingénierie Moléculaire et Cellulaire (CMCB) de la TU Dresde. Par ailleurs, les perturbations causées par des artefacts dus au couplage en champ proche peuvent être exclues. Étant donné que le système de transport ne comprend que quelques molécules, son influence sur les champs optiques proches est négligeable.

Les chercheurs espèrent utiliser leur idée pour établir une nouvelle technologie dans le domaine de la microscopie de surface. Dans tous les cas, ils sont convaincus que ce type de microscopie a des applications dans l'inspection optique de surfaces nanostructurées. Dans une prochaine étape, les chercheurs souhaitent utiliser ce système de transport moléculaire pour coupler des points quantiques à des résonateurs optiques en champ proche spécialement préparés pour étudier leur interaction.