Microscópios ópticos e pinças podem criar imagens e manipular objetos em microescala para aplicações em biologia celular e molecular. A resolução óptica é, Contudo, dificultado pelo limite de difração e, portanto, microscópios e pinças são incapazes de criar imagens e manipular nanoobjetos diretamente. Técnicas emergentes em nanoscópios plasmonic / fotônicos e nanotweezers visam alcançar resolução em escala nanométrica, embora as estruturas de material de alto índice possam facilmente causar danos mecânicos e fototérmicos aos bioespécimes em nanoescala.

Em um estudo recente agora publicado em Light:Ciência e Aplicações , Yuchao Li e colegas do Instituto de Nanofotônica da China, desenvolveu um sistema de microscópio óptico usando células vivas como lentes minúsculas para gerar imagens e manipular objetos menores que o comprimento de onda da luz. Eles mostraram imagens de limite de sub-difração e manipulação de nanoobjetos com um dispositivo não invasivo, que eles construíram prendendo uma célula em uma ponta de fibra. A célula presa formou um biomagnificador que poderia ampliar nanoestruturas com uma resolução de 100 nm, sob microscopia de luz branca. Usando o biomagnificador, Li et al. formou uma armadilha nano-óptica para manipular com precisão uma nanopartícula individual com um raio de 50 nm. A técnica fornece uma ferramenta de alta precisão para imagens ópticas, detecção e montagem de bio-nanomateriais sem danos mecânicos ou fototérmicos.

A imagem óptica para manipular pequenos objetos é crucial para o diagnóstico médico, sensoriamento biológico, exploração celular, treinamento molecular e montagem de materiais. Pinças e microscópios são dispositivos padrão para imagens sem contato e manipulação de amostras minúsculas que variam de alguns nanômetros a vários mícrons. No entanto, é um desafio usar a tecnologia para gerar imagens em nanoescala, uma vez que a resolução óptica é restrita a aproximadamente metade do comprimento de onda de iluminação.

Os cientistas alcançaram um progresso dramático de nanoscópios de campo próximo e nanotweezers nas últimas décadas para obter imagens ópticas com resolução nanométrica. Essas técnicas de imagem foram impedidas por materiais inorgânicos de alto índice, como metais nobres e semicondutores usados ​​para sua fabricação - que podem danificar mecanicamente amostras de células biológicas ou tecido durante a imagem e manipulação de campo próximo.

Os cientistas, portanto, investigaram esquemas de imagem ótica mais simples baseados em microesferas dielétricas para superar o limite de difração comum aos microscópios convencionais. Embora a técnica não tenha rótulos e seja viável, tais microesferas são baseadas em materiais inorgânicos artificiais, como dióxido de silício (SiO ₂ ), dióxido de titânio (TiO ₂ ) e titanato de bário (BaTiO ₃ ) Os pesquisadores estão, portanto, interessados ​​em desenvolver um biomaterial natural para construir um dispositivo biocompatível para bioimagem, manipulação e biomagnificação em resolução espacial em nanoescala.

Li et al. células biológicas selecionadas para substituir as microesferas, uma vez que as células são abundantes e biocompatíveis em contato com os sistemas biológicos. Por exemplo, os cientistas podem usar células vivas para manipular a luz em ambientes biológicos e atuar como microlentes optofluídicas, sondas ópticas e até incorporam E.coli como guias de onda biofotônicos. No presente trabalho, Li et al. aumentou o contraste de índice de células vivas usando uma forma esférica semi-imersa em um meio para obter foco no subcomprimento de onda. Os cientistas capturaram imagens biológicas usando o ponto de luz de subdifração para iluminar amostras-alvo junto com microscopia de luz branca. O ponto de luz de tamanho nanométrico exerceu uma forte força de gradiente óptico para capturar e manipular uma única nanopartícula, permitindo que o biomagnificador também funcionasse como um nanotweezer óptico.

Os cientistas conduziram todos os experimentos sob um microscópio óptico de modo de reflexão acoplado a uma câmera de dispositivo de carga acoplada (CCD) e lentes objetivas. Eles usaram fontes de luz em 390 nm, 560 nm e 808 nm para excitação, iluminação e captura respectivamente. Usando uma fibra óptica com uma ponta cônica, Li et al. prendeu o biomagnificador na extremidade da fibra, que eles controlavam movendo a ponta usando um micromanipulador. Li et al. selecionou células lisas e esféricas para minimizar a aberração de imagem e observou as células para exibir melhor desempenho de foco quando semi-imersas em solução para manter a viabilidade celular.

Durante a imagem experimental, os cientistas posicionaram um biomagnificador semi-submerso em cima de uma amostra de teste e coletaram as informações de campo próximo da amostra, para formar uma imagem virtual detectada por um microscópio óptico. Li et al. preparou uma variedade de biomagnificadores usando diversas células, incluindo bactérias, fermento, glóbulos vermelhos e células-tronco. Para a primeira amostra de imagem, eles usaram uma matriz de nanosfera hexagonal de sílica bidimensional com um diâmetro de 200 nm em um substrato de vidro usando uma técnica fotoforética.

Apenas nanoesferas com biomagnificadores em cima delas puderam ser resolvidas durante a imagem, enquanto as nanoesferas sem biomagnificadores não puderam ser resolvidas usando um microscópio convencional. O fator de ampliação M dos biomagnificadores baseados em células-tronco foi determinado ser 3,3 vezes maior (x3,3), e os cientistas mostraram que o M experimental dependia do diâmetro do biomagnificador. Subseqüentemente, Li et al. realizaram todos os experimentos usando biomagnificadores deste diâmetro.

Para investigar as aplicações de biomagnificadores, Li et al. imagens de células epiteliais humanas como alvos de imagem por meio do crescimento de células epiteliais em um substrato de espelho para intensificar as interações luz-matéria por meio da interferência da luz de iluminação e da luz de reflexão. Embora fosse difícil distinguir o citoesqueleto fibroso e as estruturas de bicamada em um microscópio óptico convencional, depois de posicionar um biomagnificador no topo das células epiteliais, os cientistas foram capazes de resolver as duas estruturas. Para melhorar o campo de visão da imagem (FOV), eles prenderam o biomagnificador em uma ponta de fibra e o moveram para escanear as amostras. Por exemplo, Li et al. usou a configuração para digitalizar letras nanopatternas que representavam um acrônimo de Jinan University - JNU, que eles criaram primeiro em silício usando litografia de feixe de elétrons.

Depois disso, quando eles irradiaram simultaneamente raios infravermelhos próximos (IR) e raios ultravioleta no biomagnificador através de uma lente objetiva, eles poderiam capturar e excitar as nanopartículas. Para esses experimentos, os cientistas usaram nanopartículas fluorescentes com um raio médio de 50 nm. Quando eles prendem uma única nanopartícula no foco de um biomagnificador, eles observaram imagens ópticas e fluorescentes da amostra de interesse. Li et al. em seguida, calculou a rigidez de aprisionamento da partícula em tempo real usando uma pinça óptica padrão. A capacidade de manipular uma única nanopartícula sem contato e com precisão via óptica será útil para montar nanoestruturas bem reguladas. Quando Li et al. investigou numericamente o mecanismo de imagem e a rigidez de captura de biomagnificadores usando simulação 3-D e software COMSOL. Eles observaram a capacidade de focalização de luz com limite de subdifração resultante de um efeito combinado de "nanojato fotônico" e aumento de interferência coerente pelo espelho.

As limitações do método incluíram aberração e distorção de imagem devido às estruturas intracelulares não homogêneas do biomagnificador natural, em comparação com microesferas dielétricas com índices de refração uniformes. Felizmente, os materiais intracelulares eram opticamente transparentes à luz visível e infravermelha próxima e as interações ópticas eram relativamente fracas dentro de uma única célula. As atividades intracelulares também podem alterar a distribuição parcial do índice de refração em uma célula para causar distorção da luz durante o aprisionamento e a imagem, mas a maioria das atividades intracelulares foi ultra-rápida e não influenciou o esquema de imagem.

Desta maneira, Yuchao Li e colegas desenvolveram uma nova técnica de imagem experimental e verificaram as capacidades experimentais com simulações FEM. Li et al. nanoscópios ópticos integrados e nanotweezers em um único dispositivo para gerar imagens e manipular nanoestruturas simultaneamente pela primeira vez no presente trabalho. Eles promoveram a resolução da técnica para 100 nm e propuseram um procedimento de imagem livre de rótulos. Os cientistas imaginam o biomagnificador vivo para abrir novas oportunidades em imagens de super-resolução, detecção em tempo real e nano-montagem precisa de bionanomateriais para formar nanoarquiteturas de interesse.

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