Cuando los microscopios tienen dificultades para captar señales débiles, es como intentar detectar detalles sutiles en una pintura o una fotografía sin gafas. Para los investigadores, esto dificulta detectar las pequeñas cosas que suceden en las células u otros materiales. En una nueva investigación, el Dr. Ji-Xin Cheng, catedrático Moustakas de Fotónica y Optoelectrónica de la Universidad de Boston, y sus colaboradores están creando técnicas más avanzadas para mejorar los microscopios a la hora de ver pequeños detalles de muestras sin necesidad de tintes especiales.
Sus resultados, publicados en Nature Communications y Avances científicos respectivamente, están ayudando a los científicos a visualizar y comprender sus muestras de una manera más sencilla y con mayor precisión.
En estas preguntas y respuestas, el Dr. Cheng, quien también se desempeña como profesor en varios departamentos de la BU (ingeniería biomédica, ingeniería eléctrica e informática, química y física) profundiza en los hallazgos descubiertos en ambos artículos de investigación. Destaca el trabajo que él y su equipo están realizando actualmente y proporciona una comprensión integral de cómo estos descubrimientos podrían afectar el campo de la microscopía y, potencialmente, influir en futuras aplicaciones científicas.
Usted y sus colaboradores de investigación publicaron recientemente dos artículos sobre microscopía en Nature Communications. y Avances científicos . ¿Cuáles son los principales hallazgos de cada artículo?
Estos dos artículos tienen como objetivo abordar un desafío fundamental en el creciente campo de las imágenes vibratorias que está abriendo una nueva ventana para las ciencias de la vida y las ciencias de los materiales. El desafío es cómo superar el límite de detección para que las imágenes vibratorias sean tan sensibles como las imágenes de fluorescencia, de modo que podamos visualizar las moléculas objetivo en concentraciones muy bajas (de micromolar a nanomolar) sin necesidad de colorantes.
Nuestra innovación para abordar este desafío fundamental es implementar microscopía fototérmica para detectar los enlaces químicos en una muestra. Después de la excitación de la vibración del enlace químico, la energía se disipa rápidamente en calor, provocando un aumento de temperatura. Este efecto fototérmico se puede medir mediante un haz de sonda que pasa a través del foco.
Nuestro método es fundamentalmente diferente de la microscopía de dispersión Raman coherente, una plataforma de imágenes vibratorias de alta velocidad descrita en mi revisión científica de 2015. Juntos, hemos establecido una nueva clase de caja de herramientas de imágenes químicas, denominada microscopía fototérmica vibratoria o microscopía VIP.
En Comunicaciones de la Naturaleza En el artículo, hemos desarrollado un microscopio fototérmico de infrarrojo medio de campo amplio para visualizar el contenido químico de una partícula viral señal. En los Avances de la Ciencia En el artículo, hemos desarrollado un novedoso microscopio fototérmico vibratorio que se basa en el proceso Raman estimulado.
El desarrollo de la microscopía SRP fue inesperado. Nunca creímos que el efecto Raman fuera lo suficientemente fuerte para la microscopía fototérmica, pero nuestros pensamientos cambiaron en agosto de 2021. Para celebrar mi 50 cumpleaños, mis alumnos y yo organizamos una fiesta con temática deportiva. Durante las festividades, Yifan Zhu, el primer autor de Science Advances lamentablemente sufrió una lesión, lo que llevó a su médico a recomendarle un período de dos meses de movilidad restringida.
Durante su recuperación, le pedí que realizara un cálculo del aumento de temperatura en el foco de un microscopio SRS (dispersión Raman estimulada). A través de este accidente, encontramos un fuerte efecto fototérmico Raman estimulado (SRP). Luego, Yifan y otros estudiantes dedicaron dos años al desarrollo. Así se inventó la microscopía SRP.
Ciertamente, nada es perfecto. Al realizar la microscopía SRP, descubrimos que cada haz puede tener absorción, lo que provoca un fondo débil no Raman en la imagen SRP. Estamos desarrollando una forma novedosa de eliminar este fondo.
Los métodos informados en estos dos artículos son complementarios. El método WIDE-MIP es bueno para detectar enlaces activos IR, mientras que el método SRP es sensible a enlaces activos Raman.
Sí, efectivamente. Estos dos artículos juntos indican una nueva clase de microscopía química denominada microscopía fototérmica vibratoria o microscopía VIP. La microscopía VIP ofrece una forma muy sensible de sondear enlaces químicos específicos; por lo tanto, podemos usarlos para mapear moléculas de concentraciones muy bajas sin etiquetado con tinte.
Hemos presentado patentes provisionales para ambas tecnologías a través de la oficina de Desarrollo Tecnológico de BU. Al menos dos empresas están interesadas en la comercialización de la tecnología SRP y una de ellas también está interesada en la tecnología WIDE-MIP.
En el artículo de WIDE-MIP, las muestras de virus las proporciona John Connor, profesor asociado de microbiología en los Laboratorios Nacionales de Enfermedades Infecciosas Emergentes de la BU. El desarrollo de la tecnología WIDE-MIP se realiza en colaboración con Selim Ünlü, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Facultad de Ingeniería de BU. Por tanto, este es un trabajo colaborativo dentro de la Universidad de Boston.
Más información: Qing Xia et al, Toma de huellas dactilares de un solo virus mediante microscopía fototérmica de infrarrojo medio con desenfoque interferométrico de campo amplio, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42439-4
Yifan Zhu et al, Microscopía fototérmica Raman estimulada hacia imágenes químicas ultrasensibles, Avances científicos (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi2181
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza , Avances científicos
Proporcionado por la Universidad de Boston
