Investigadores de la Universidad ITMO han creado una configuración para grabar hologramas de objetos diminutos como células vivas a velocidades de femtosegundos. El nuevo método reconstruye la topografía de fase de una muestra de acuerdo con las deformaciones que surgen en un pulso de láser cuando pasa a través de la muestra. En comparación con los microscopios electrónicos, el dispositivo puede visualizar estructuras biológicas transparentes sin introducir agentes de contraste. El artículo fue publicado en Letras de física aplicada .

La actividad vital de las células vivas es una secuencia compleja de reacciones bioquímicas y procesos físicos; muchos de ellos tienen lugar con alta resolución temporal. Para registrar transformaciones tan rápidas, los científicos necesitan equipos más precisos y rápidos. El tejido biológico se puede estudiar con un microscopio electrónico, pero este método requiere la introducción de un tinte especial en la muestra. El tinte hace que las células contrasten, aunque puede afectar su metabolismo. Los microscopios holográficos digitales pueden hacer frente a este inconveniente, pero tienen una resolución espacial baja.

La nueva cámara creada por los científicos de ITMO puede registrar procesos rápidos en muestras transparentes y proporciona una mayor resolución de imágenes en una amplia gama. El dispositivo registra las deformaciones de fase de los pulsos láser de femtosegundos ultracortos que surgen cuando la luz atraviesa la muestra. Las imágenes de fase, u hologramas, contribuirá a comprender mejor los mecanismos de autoinmunidad, enfermedades oncológicas y neurodegenerativas, así como monitorear las células durante intervenciones quirúrgicas como la terapia del cáncer.

"Nuestro dispositivo ayudará a los biólogos e ingenieros genéticos a rastrear lo que está sucediendo dentro de una célula viva con una resolución de aproximadamente 50 femtosegundos; esto es suficiente para resolver muchas reacciones bioquímicas. Teóricamente, la cámara puede incluso capturar un electrón saltando a otra órbita. Ahora podemos estudiar la viabilidad de las células al iniciar ciertos procesos, por ejemplo, calentar o transferir virus y células en un espacio tridimensional utilizando radiación láser de femtosegundos. El dispositivo también admite el seguimiento de los estados de las células durante el cambio de pH, adición y edición de material genético, "dice Arseny Chipegin, autor principal del artículo e investigador del Laboratorio de Holografía Digital y Display de la Universidad ITMO.

Para el análisis, un rayo láser de femtosegundos se divide en tres. El primer rayo tiene un 95 por ciento de energía e inicia el proceso; otros dos haces se utilizan para el diagnóstico. El segundo, conocido como el rayo de objeto, pasa a través de la muestra. El tercero, un haz de referencia, es desviado por los espejos y da vueltas. Los rayos se encuentran detrás de la muestra, donde forman un patrón de interferencia de bandas brillantes. Las tiras emergen cuando las crestas de ondas de luz se superponen y se amplifican entre sí.

Al ajustar la posición de los espejos, los científicos retrasan el haz de referencia, obligándolo a encontrarse con el primero en diferentes momentos. En otras palabras, el segundo haz escanea el que atraviesa la muestra. Cada colisión de los rayos se registra en un subholograma. Un algoritmo informático rápido compila todos los subhologramas en una serie.

El dispositivo elimina uno de los problemas más importantes de la microscopía holográfica digital asociado con el aumento de la capacidad de resolución de un sistema en la etapa de grabación de hologramas. "Técnicamente, podemos escalar las imágenes decenas de veces, configurar el sistema de aumento entre el objeto y la cámara. Esto no solo mejora la resolución, aumenta la precisión de la medición, también, ya que el número de bandas de interferencia no cambia. Por lo tanto, es posible calcular la diferencia de fase entre el objeto y los haces de referencia con mayor precisión, "dice Nikolai Petrov, jefe del Laboratorio de Holografía Digital y Display.

Según los científicos, la investigación continuará. El sistema desarrollado está diseñado para ser más simple que muchos microscopios modernos, pero tiene varias ventajas en cuanto a la velocidad de grabación y procesamiento de hologramas.