El material que se contrae con la luz permite que el microscopio ordinario vea en superresolución

Los ingenieros eléctricos de la Universidad de California en San Diego han desarrollado una tecnología que mejora la resolución de un microscopio óptico ordinario para que pueda utilizarse para observar directamente estructuras y detalles más finos en células vivas.

La tecnología transforma un microscopio óptico convencional en lo que se denomina microscopio de superresolución. Este es un material especialmente diseñado que acorta la longitud de onda de la luz a medida que ilumina la muestra; esta luz más estrecha es lo que esencialmente permite que el microscopio imagine con una resolución más alta.

El material montado en el escenario de un microscopio invertido. Crédito: Junxiang Zhao

“Este material convierte la luz de baja resolución en luz de alta resolución”, dijo Zhaowei Liu, profesor de ingeniería eléctrica e informática en UC San Diego. “Es muy simple y fácil de usar. Simplemente coloque una muestra en el material, luego colóquelo todo bajo un microscopio normal; no se necesitan modificaciones sofisticadas.

El trabajo, que fue publicado en Comunicaciones de la naturaleza, supera una limitación importante de los microscopios ópticos convencionales: baja resolución. Los microscopios ópticos son útiles para obtener imágenes de células vivas, pero no se pueden usar para ver nada más pequeño. Los microscopios ópticos convencionales tienen un límite de resolución de 200 nanómetros, lo que significa que los objetos más cercanos a esta distancia no se verán como objetos separados. Y aunque existen herramientas más poderosas, como los microscopios electrónicos, que tienen la resolución para ver estructuras subcelulares, no pueden usarse para obtener imágenes de células vivas porque las muestras deben colocarse en una cámara de vacío.

“El mayor desafío es encontrar tecnología de muy alta resolución que sea segura para las células vivas”, dijo Liu.

La tecnología desarrollada por el equipo de Liu combina las dos características. Con él, se puede utilizar un microscopio óptico convencional para obtener imágenes de estructuras subcelulares vivas con una resolución de hasta 40 nanómetros.

Representación artística de la nueva tecnología de microscopía de superresolución. Las células animales (rojas) se montan en un portaobjetos recubierto con el metamaterial hiperbólico de múltiples capas. La luz estructurada a nanoescala (azul) es generada por el metamaterial y luego ilumina las células animales. Crédito de la imagen: Yeon Ui Lee

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La tecnología consiste en un portaobjetos de microscopio recubierto con un tipo de material que se contrae con la luz llamado metamaterial hiperbólico. Está formado por capas alternas de delgados nanómetros de plata y vidrio de sílice. A medida que pasa la luz, sus longitudes de onda se acortan y difunden para generar una serie de patrones moteados aleatorios de alta resolución. Cuando una muestra se monta en el portaobjetos, se ilumina de diferentes formas mediante esta serie de patrones de luz moteada. Esto crea una serie de imágenes de baja resolución, todas las cuales se capturan y luego se reconstruyen mediante un algoritmo de reconstrucción para producir una imagen de alta resolución.

Comparación de imágenes tomadas bajo un microscopio óptico sin el metamaterial hiperbólico (columna izquierda) y con el metamaterial hiperbólico (columna derecha): dos perlas fluorescentes cercanas (fila superior), puntos cuánticos (fila central) y filamentos d actina en células Cos-7 (fila inferior). Adaptado de Nature Communications

Los investigadores probaron su tecnología con un microscopio invertido comercial. Pudieron obtener imágenes de elementos finos, como filamentos de actina, en células Cos-7 marcadas con fluorescencia, características que no son claramente discernibles usando solo el microscopio. La tecnología también permitió a los investigadores distinguir claramente pequeñas perlas fluorescentes y puntos cuánticos con una separación de 40 a 80 nanómetros.

La tecnología de superresolución tiene un gran potencial para el funcionamiento a alta velocidad, dijeron los investigadores. Su objetivo es incorporar alta velocidad, súper resolución y baja fototoxicidad en un único sistema de imágenes de células vivas.

El equipo de Liu ahora está expandiendo la tecnología para generar imágenes de alta resolución en un espacio tridimensional. Este artículo actual muestra que la tecnología puede producir imágenes de alta resolución en un plano bidimensional. El equipo de Liu ya ha lanzado un papel mostrando que esta tecnología también es capaz de obtener imágenes con una resolución axial ultra alta (alrededor de 2 nanómetros). Ahora están trabajando para combinar los dos.

Titulo del articulo: «Nanoscopia de iluminación asistida por metamaterial mediante puntos aleatorios de superresolución“Los coautores son: Yeon Ui Lee *, Junxiang Zhao *, Qian Ma *, Larousse Khosravi Khorashad, Clara Posner, Guangru Li, G. Bimananda M. Wisna, Zachary Burns y Jin Zhang, UC San Diego.

* Estos autores han contribuido de manera equitativa a este trabajo

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Gordon y Betty Moore y los Institutos Nacionales de Salud (R35 CA197622). Este trabajo se realizó en parte en San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) en UC San Diego, miembro de National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, que cuenta con el apoyo de la National Science Foundation (subvención ECCS-1542148).