Quando os microscópios têm dificuldade para captar sinais fracos, é como tentar detectar detalhes sutis em uma pintura ou fotografia sem os óculos. Para os pesquisadores, isso torna difícil capturar as pequenas coisas que acontecem nas células ou em outros materiais. Em uma nova pesquisa, o professor de fotônica e optoeletrônica Moustakas da Universidade de Boston, Dr. Ji-Xin Cheng, e colaboradores estão criando técnicas mais avançadas para tornar os microscópios melhores na visualização de pequenos detalhes de amostras sem a necessidade de corantes especiais.



Seus resultados, publicados na Nature Communications e Avanços da Ciência respectivamente, estão ajudando os cientistas a visualizar e compreender suas amostras de maneira mais fácil e com mais precisão.

Nestas perguntas e respostas, o Dr. Cheng, que também atua como professor em vários departamentos da BU – engenharia biomédica, engenharia elétrica e de computação, química e física – investiga as descobertas descobertas em ambos os artigos de pesquisa. Ele destaca o trabalho que ele e sua equipe estão atualmente em andamento e fornece uma compreensão abrangente de como essas descobertas podem impactar o campo da microscopia e, potencialmente, influenciar futuras aplicações científicas.

Você e seus colaboradores de pesquisa publicaram recentemente dois artigos sobre microscopia na Nature Communications e Avanços da Ciência . Quais são as principais descobertas de cada artigo?

Estes dois artigos visam abordar um desafio fundamental no crescente campo da imagem vibracional que está abrindo uma nova janela para as ciências da vida e a ciência dos materiais. O desafio é como aumentar o limite de detecção para que a imagem vibracional seja tão sensível quanto a imagem de fluorescência, para que possamos visualizar moléculas alvo em concentrações muito baixas (micromolar a nanomolar) de maneira livre de corante.

Nossa inovação para enfrentar esse desafio fundamental é implantar a microscopia fototérmica para detectar as ligações químicas em uma amostra. Após a excitação da vibração da ligação química, a energia se dissipa rapidamente em calor, causando um aumento na temperatura. Este efeito fototérmico pode ser medido por um feixe de sonda que passa pelo foco.

Nosso método é fundamentalmente diferente da microscopia de espalhamento Raman coerente, uma plataforma de imagem vibracional de alta velocidade descrita em minha revisão científica de 2015. Juntos, estabelecemos uma nova classe de ferramentas de imagem química, denominada microscopia fototérmica vibracional ou microscopia VIP.

Na Comunicações da Natureza artigo, desenvolvemos um microscópio fototérmico infravermelho médio de campo amplo para visualizar o conteúdo químico de uma partícula viral sinal. Nos Avanços da Ciência artigo, desenvolvemos um novo microscópio fototérmico vibracional baseado no processo Raman estimulado.

Houve algum resultado inesperado ou surpreendente em algum dos artigos? Em caso afirmativo, como esses resultados desafiam o conhecimento ou as teorias existentes em torno da microscopia?

O desenvolvimento da microscopia SRP foi inesperado. Nunca acreditamos que o efeito Raman fosse forte o suficiente para a microscopia fototérmica, mas nossos pensamentos mudaram em agosto de 2021. Para comemorar meu 50º aniversário, meus alunos e eu organizamos uma festa com tema esportivo. Durante as festividades, Yifan Zhu, o primeiro autor do Avanços da Ciência papel, infelizmente sofreu uma lesão, o que levou o seu médico a recomendar um período de dois meses de mobilidade restrita.

Durante sua recuperação, pedi-lhe que fizesse um cálculo do aumento de temperatura no foco de um microscópio SRS (espalhamento Raman estimulado). Através deste acidente, encontramos um forte efeito fototérmico Raman estimulado (SRP). Yifan e outros estudantes passaram dois anos no desenvolvimento. Foi assim que a microscopia SRP foi inventada.

Os artigos identificaram alguma limitação ou lacuna em suas descobertas? Como essas limitações podem impactar as implicações gerais da pesquisa?

Certamente, nada é perfeito. Ao realizar a microscopia SRP, descobrimos que cada feixe pode ter absorção, o que causa um fundo fraco não-Raman na imagem SRP. Estamos desenvolvendo uma nova maneira de remover esse cenário.

As conclusões de um artigo complementam ou contradizem as conclusões do outro? Como eles se relacionam?

Os métodos relatados nesses dois artigos são complementares. O método WIDE-MIP é bom para detectar ligações ativas em IR, enquanto o método SRP é sensível a ligações ativas em Raman.

Os artigos sugerem novas direções para futuras pesquisas em microscopia que poderiam ter implicações significativas a longo prazo?

Sim, de fato. Juntos, esses dois artigos indicam uma nova classe de microscopia química denominada microscopia fototérmica vibracional ou microscopia VIP. A microscopia VIP oferece uma forma muito sensível de sondar ligações químicas específicas; assim, podemos usá-los para mapear moléculas de concentrações muito baixas sem marcação com corante.

Essas tecnologias de imagem estão disponíveis atualmente ou estão sendo usadas por outros pesquisadores fora do seu laboratório?

Registramos patentes provisórias para ambas as tecnologias através do escritório de Desenvolvimento Tecnológico da BU. Pelo menos duas empresas estão interessadas na comercialização da tecnologia SRP e uma delas também está interessada na tecnologia WIDE-MIP.

Quem são seus principais colaboradores de pesquisa?

No artigo WIDE-MIP, as amostras de vírus são fornecidas por John Connor, professor associado de microbiologia nos Laboratórios Nacionais de Doenças Infecciosas Emergentes da BU. O desenvolvimento da tecnologia WIDE-MIP é feito em colaboração com Selim Ünlü, professor de engenharia elétrica e de computação na Faculdade de Engenharia da BU. Portanto, este é um trabalho colaborativo dentro da Universidade de Boston.

Mais informações: Qing Xia et al, Impressão digital de vírus único por microscopia fototérmica de infravermelho médio aprimorada por desfocagem interferométrica de campo amplo, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42439-4
Yifan Zhu et al, Microscopia fototérmica Raman estimulada para imagens químicas ultrassensíveis, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adi2181

Informações do diário: Comunicações da Natureza , Avanços da ciência

Fornecido pela Universidade de Boston