Découvert par hasard : le microscope à indice de réfraction
Un succès étonnant : en combinant des méthodes de microscopie totalement différentes, il est possible de mesurer avec précision la densité optique d'un échantillon
En fait, on voulait analyser des échantillons biologiques à l'échelle moléculaire et on s'est heurté à des problèmes persistants. Mais on s'est alors rendu compte que la cause de l'inexactitude fâcheuse des mesures, l'indice de réfraction variable de l'échantillon, pouvait être déterminée avec précision et devenir elle-même un résultat de mesure très intéressant - si l'on combine deux méthodes de microscopie fondamentalement différentes.
C'est presque par hasard que l'université technique de Vienne a réussi à développer une nouvelle technique de microscopie permettant de mesurer l'indice de réfraction d'échantillons biologiques - et ce avec une résolution bien inférieure à celle que la microscopie optique devrait permettre selon la théorie traditionnelle.
L'astuce pour une résolution inférieure à la longueur d'onde
Que se passe-t-il si l'on veut photographier deux molécules dont la distance est inférieure à la longueur d'onde de la lumière ? On ne verra alors pas deux points séparés, mais un seul blob lumineux - les images des deux molécules se superposeront, quelle que soit la précision du microscope.
Il existe toutefois une solution : la "microscopie à molécule unique". On intègre de manière ciblée dans l'échantillon des molécules spéciales qui clignotent à différents moments. Chacune d'entre elles produit un petit disque lumineux dans la caméra, si l'on mesure le centre de ce disque, on sait très précisément où se trouve la molécule. Même si une autre molécule se trouve à l'intérieur du même disque - si elles s'allument l'une après l'autre et peuvent être mesurées séparément, on peut les visualiser toutes les deux avec précision. Alors que leurs images se confondraient simplement dans une image de microscope ordinaire, cette méthode permet d'obtenir des images à très haute résolution.
"Les disques lumineux que l'on mesure de cette manière n'ont toutefois pas toujours la même taille", explique le professeur Gerhard Schütz de l'Institut de physique appliquée de l'Université technique de Vienne. "La taille du disque lumineux dépend par exemple de la proximité de la molécule par rapport au plan focal de la caméra". A l'origine, on voulait justement utiliser ce phénomène comme source d'informations utiles : Si l'on pouvait déterminer la distance de la molécule à partir de la taille des disques lumineux, il serait théoriquement possible de créer une image 3D à partir des disques lumineux. Mais il s'est vite avéré que ce n'était pas si simple.
La distance change-t-elle - ou l'indice de réfraction ?
"Le problème, c'est que la taille des disques lumineux dépend aussi de l'indice de réfraction du matériau", explique Gerhard Schütz. Tous les matériaux ne laissent pas passer les rayons lumineux à la même vitesse, c'est précisément cet effet qui fait que la lumière est déviée par les prismes ou les lentilles. On a donc deux paramètres qui peuvent avoir une influence sur la tache lumineuse mesurée - la distance et l'indice de réfraction.
Mais que se passe-t-il si l'on fait justement de cette nécessité une vertu ? "Nous avons décidé d'inverser tout simplement ce problème", explique Gerhard Schütz. "Nous mesurons simplement la structure 3D de notre échantillon d'une autre manière, à savoir avec un microscope à force atomique. Nous pouvons alors utiliser notre enregistrement de la lumière pour calculer avec précision l'indice de réfraction à chaque endroit de notre échantillon".
Une nouvelle méthode de mesure pour la recherche sur les matériaux biologiques
L'équipe de l'Université technique de Vienne a ainsi développé, en coopération avec l'Université médicale d'Innsbruck, une technique permettant de mesurer l'indice de réfraction d'échantillons biologiques à une échelle nettement inférieure à la longueur d'onde de la lumière.
"C'est particulièrement passionnant pour le collagène dans les tissus", explique Gerhard Schütz. "Le collagène peut absorber différentes quantités d'eau, l'indice de réfraction varie donc en conséquence. Notre méthode permet de déterminer avec précision la quantité d'eau présente à tel ou tel endroit. Nous pouvons également obtenir des données sur la composition chimique du tissu qui n'étaient pas directement accessibles jusqu'à présent". C'est ainsi qu'est née - à la suite d'une découverte presque fortuite - une nouvelle relation entre la technique de mesure physique et la recherche microbiologique.
Les recherches ont été financées par le FWF et le WWTF et sont le fruit d'une collaboration entre l'Institut de physique appliquée et l'Institut de construction légère et de biomécanique structurelle de l'Université technique de Vienne ainsi que l'Institut de physique biomédicale de l'Université de médecine d'Innsbruck.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
Publication originale
Simon Jaritz, Lukas Velas, Anna Gaugutz, Manuel Rufin, Philipp J. Thurner, Orestis G. Andriotis, Julian G. Maloberti, Simon Moser, Alexander Jesacher, Gerhard J. Schütz; "Refractive Index Mapping below the Diffraction Limit via Single Molecule Localization Microscopy"; ACS Nano, Volume 20, 2025-12-26
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