Scoperto per caso: il microscopio a indice di rifrazione
Un successo sorprendente: combinando metodi di microscopia completamente diversi, è possibile misurare la densità ottica di un campione con precisione millimetrica
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L'intenzione originaria era quella di analizzare campioni biologici su scala molecolare e ha incontrato problemi ostinati. Ma poi si sono resi conto che la causa della fastidiosa imprecisione della misurazione, l'indice di rifrazione variabile del campione, può essere determinata con precisione e quindi diventa essa stessa un risultato di misurazione molto interessante - se si combinano due metodi di microscopia fondamentalmente completamente diversi.
Quasi per caso, la TU Wien è riuscita a sviluppare un nuovo tipo di tecnica di microscopia che può essere utilizzata per misurare l'indice di rifrazione dei campioni biologici, con una risoluzione molto inferiore a quella che la microscopia ottica dovrebbe consentire secondo la teoria convenzionale.
Il trucco per una risoluzione inferiore alla lunghezza d'onda
Cosa succede se si vogliono fotografare due molecole la cui distanza è inferiore alla lunghezza d'onda della luce? In questo caso non si vedranno due punti separati, ma un'unica chiazza di luce: le immagini delle due molecole si sovrapporranno, indipendentemente dalla precisione del microscopio.
Esiste però un modo per ovviare a questo problema: la cosiddetta "microscopia a singola molecola". Nel campione vengono incorporate speciali molecole che lampeggiano in tempi diversi. Ognuna di esse crea un piccolo disco di luce nella fotocamera; se si misura il centro di questo disco, si sa esattamente dove si trova la molecola. Anche se c'è un'altra molecola all'interno dello stesso disco, se si accendono una dopo l'altra e possono essere misurate separatamente, possono essere entrambe fotografate con precisione. Mentre in una normale immagine al microscopio le loro immagini si confonderebbero, questo metodo permette di ottenere immagini ad altissima risoluzione.
"Tuttavia, i dischi luminosi misurati in questo modo non hanno sempre le stesse dimensioni", spiega il Prof. Gerhard Schütz dell'Istituto di Fisica Applicata della TU Wien. "La dimensione del disco di luce dipende, ad esempio, dalla vicinanza della molecola al piano focale della fotocamera". L'intenzione originaria era quella di utilizzare proprio questo fenomeno come utile fonte di informazioni: Se la distanza della molecola potesse essere determinata dalle dimensioni dei dischi luminosi, si potrebbe teoricamente generare un'immagine 3D dai dischi luminosi. Tuttavia, è apparso subito chiaro che non è così semplice.
Cambia la distanza o l'indice di rifrazione?
"Il problema è che la dimensione dei dischi di luce dipende anche dall'indice di rifrazione del materiale", spiega Gerhard Schütz. Non tutti i materiali permettono ai raggi luminosi di passare alla stessa velocità, ed è proprio questo effetto che fa sì che la luce venga deviata da prismi o lenti. Ci sono quindi due parametri che possono influenzare il punto luminoso misurato: la distanza e l'indice di rifrazione.
Ma cosa succede se si fa di questa necessità una virtù? "Abbiamo deciso di invertire il problema", spiega Gerhard Schütz. "Abbiamo semplicemente misurato la struttura 3D del nostro campione in un modo diverso, cioè con un microscopio a forza atomica. Possiamo quindi utilizzare la nostra immagine luminosa per calcolare l'indice di rifrazione in ogni punto del nostro campione con una precisione millimetrica".
Un nuovo metodo di misurazione per la ricerca sui materiali biologici
In collaborazione con l'Università di Medicina di Innsbruck, il team della TU Wien ha sviluppato una tecnica che può essere utilizzata per misurare l'indice di rifrazione dei campioni biologici su una scala molto inferiore alla lunghezza d'onda della luce.
"Questo è particolarmente interessante quando si tratta di collagene nei tessuti", spiega Gerhard Schütz. "Il collagene può assorbire diverse quantità di acqua e l'indice di rifrazione cambia di conseguenza. Con il nostro metodo, ora possiamo determinare esattamente quanta acqua si trova in un determinato punto. Possiamo anche ottenere dati sulla composizione chimica del tessuto che prima non erano direttamente accessibili". Il risultato - innescato da una scoperta quasi casuale - è un nuovo collegamento tra la tecnologia di misurazione fisica e la ricerca microbiologica.
La ricerca è stata finanziata dalla FWF e dal WWTF ed è nata da una collaborazione tra l'Istituto di Fisica Applicata e l'Istituto di Strutture Leggere e Biomeccanica Strutturale della TU Wien e l'Istituto di Fisica Biomedica dell'Università di Medicina di Innsbruck.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
Pubblicazione 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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