Pesquisadores da ITMO University construíram uma configuração para gravar hologramas de pequenos objetos como células vivas em velocidades de femtossegundos. O novo método reconstrói a topografia de fase de uma amostra de acordo com as deformações que surgem em um pulso de laser quando ele passa pela amostra. Em comparação com microscópios eletrônicos, o dispositivo pode visualizar estruturas biológicas transparentes sem a introdução de agentes de contraste. O artigo foi publicado em Cartas de Física Aplicada .

A atividade vital das células vivas é uma sequência complexa de reações bioquímicas e processos físicos; muitos deles ocorrem com alta resolução temporal. Para registrar essas transformações rápidas, os cientistas precisam de equipamentos mais precisos e rápidos. O tecido biológico pode ser estudado com um microscópio eletrônico, mas este método requer a introdução de um corante especial na amostra. O corante faz o contraste das células, embora possa afetar seu metabolismo. Microscópios holográficos digitais podem lidar com essa desvantagem, mas têm baixa resolução espacial.

A nova câmera criada pelos cientistas da ITMO pode registrar processos rápidos em espécimes transparentes e oferece maior resolução de imagens em uma ampla gama. O dispositivo registra deformações de fase de pulsos de laser de femtossegundos ultracurtos que surgem quando a luz passa pela amostra. As imagens de fase, ou hologramas, irá contribuir para uma melhor compreensão dos mecanismos de auto-imunidade, doenças oncológicas e neurodegenerativas, bem como células de monitoramento durante intervenções cirúrgicas, como terapia de câncer.

"Nosso dispositivo ajudará biólogos e engenheiros genéticos a rastrear o que está acontecendo dentro de uma célula viva com uma resolução de cerca de 50 femtossegundos - isso é o suficiente para resolver muitas reações bioquímicas. Teoricamente, a câmera pode até capturar um elétron saltando para outra órbita. Agora podemos estudar a viabilidade das células ao iniciar certos processos, por exemplo, aquecimento ou transferência de vírus e células no espaço tridimensional usando radiação laser de femtossegundo. O dispositivo também suporta o rastreamento de estados de células durante a mudança de pH, adição e edição de material genético, "diz Arseny Chipegin, autor principal do artigo e pesquisador do Laboratório de Holografia Digital e Display da ITMO University.

Para a análise, um feixe de laser de femtossegundo é dividido em três. O primeiro feixe tem 95 por cento de energia e inicia o processo; dois outros feixes são usados ​​para diagnósticos. O segundo, conhecido como feixe de objeto, passa pelo espécime. O terceiro, um feixe de referência, é desviada por espelhos e dá a volta. Os raios se encontram atrás da amostra, onde eles formam um padrão de interferência de bandas brilhantes. As faixas surgem quando cristas de ondas de luz se sobrepõem e se amplificam.

Ajustando a posição dos espelhos, os cientistas atrasam o feixe de referência, forçando-o a encontrar o primeiro em momentos diferentes. Em outras palavras, o segundo feixe varre aquele que passa pela amostra. Cada colisão dos feixes é registrada em um sub holograma. Um algoritmo de computador rápido compila todos os subhologramas em uma série.

O dispositivo remove um dos problemas mais importantes da microscopia holográfica digital associada ao aumento da capacidade de resolução de um sistema no estágio de registro de hologramas. "Tecnicamente, podemos dimensionar as imagens dezenas de vezes, definir o sistema de ampliação entre o objeto e a câmera. Isso não só melhora a resolução, a precisão da medição cresce, também, uma vez que o número de bandas de interferência não muda. Assim, é possível calcular a diferença de fase entre o objeto e os feixes de referência com mais precisão, "diz Nikolai Petrov, Chefe do Laboratório de Holografia Digital e Display.

De acordo com os cientistas, a pesquisa continuará. O sistema desenvolvido é projetado para ser mais simples do que muitos microscópios modernos, mas tem várias vantagens na velocidade de gravação e processamento de hologramas.