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La magia della microscopia a super risoluzione: come superare i limiti della luce?
Nella comunità scientifica, il progresso della tecnologia della microscopia è senza dubbio uno strumento importante per svelare i misteri del mondo microscopico, tra cui la tecnologia della microscopia a super risoluzione è particolarmente accattivante. Questa serie di tecnologie non solo supera il limite di diffrazione dei microscopi ottici, ma dimostra anche un grande potenziale nelle applicazioni alla ricerca biomedica e alla biologia molecolare, fornendoci una comprensione più completa della struttura interna e della funzione delle cellule.
Le tecniche di imaging a super risoluzione si basano sulla scelta di impostazioni in campo vicino (come la microscopia a effetto tunnel e la microscopia ottica a scansione in campo vicino) o in campo lontano.
La microscopia a super risoluzione può essere suddivisa in due categorie principali: tecnologia a super risoluzione deterministica e tecnologia a super risoluzione stocastica. Il primo utilizza la risposta non lineare dei luminofori (molecole fluorescenti) comunemente usati nei microscopi biologici per migliorare la risoluzione. Le tecniche tipiche includono la deplezione della luminescenza stimolata (STED) e la deplezione dello stato fondamentale (GSD). Quest'ultimo utilizza il comportamento temporale delle sorgenti luminose molecolari per consentire a molecole fluorescenti simili di emettere luce separatamente, formando immagini risolvibili. Tali tecniche includono l'imaging ottico a onde super-risoluzione (SOFI) e la microscopia a localizzazione di singole molecole (SMLM). Ad esempio, PALM e TEMPESTA.
L'8 ottobre 2014, Eric Büttig, Walter Molnar e Stefan Hell hanno ricevuto il premio Nobel per la chimica per "lo sviluppo della microscopia a fluorescenza super-risolta", segnando la prima grande svolta nel campo della microscopia ottica. Entrando nel regno della nanoscala.
Le teorie per superare il limite di Abbe sono emerse a partire dagli anni '70. In un articolo di ricerca del 1978 è stato proposto il concetto di utilizzo della microscopia 4Pi, un microscopio a fluorescenza a scansione laser che raggiunge un'elevata risoluzione focalizzando le sorgenti luminose da entrambi i lati. Tuttavia, la ricerca dell'epoca non prestò sufficiente attenzione al miglioramento della risoluzione assiale. Nel 1986 venne brevettata per la prima volta la microscopia ottica a super risoluzione basata sull'emissione stimolata.
Applicazione della tecnologia super-risoluzione
Queste tecniche di super risoluzione non solo offrono nuove prospettive per la microscopia, ma accelerano anche l'osservazione delle biomolecole. Tra questi, il microscopio ottico random mapping (NORM) in campo vicino ottiene informazioni ottiche in campo vicino osservando il moto browniano delle nanoparticelle in sospensione. Il suo processo di imaging non richiede apparecchiature di posizionamento speciali, il che senza dubbio migliora l'efficienza dell'acquisizione delle immagini.
La microscopia a illuminazione strutturata (SIM) consente di ottenere una risoluzione spaziale migliorata raccogliendo informazioni spaziali in frequenza al di fuori della regione visibile e ha un grande potenziale per alcune diagnosi mediche.
Rispecchiando questi progressi tecnologici, la microscopia a illuminazione strutturata (SIM) ha dimostrato il potenziale per sostituire la microscopia elettronica in alcune diagnosi mediche. Ad esempio, la SIM viene sempre più utilizzata nello studio delle malattie renali e del sangue nella diagnosi medica. Inoltre, l'illuminazione modulata spazialmente (SMI) migliora ulteriormente la precisione delle misurazioni della distanza, consentendo misurazioni delle dimensioni molecolari su una scala di decine di nanometri.
Applicazione della tecnologia dei biosensori nella super analisi
In biologia cellulare, la tecnologia dei biosensori è un mezzo importante per comprendere le attività dei componenti cellulari. Questi sensori sono solitamente costituiti da due parti: rilevamento e segnalazione, e utilizzano la tecnologia di rilevamento della fluorescenza per quantificare le attività biologiche. L'avvento di nuove sonde fluorescenti ha ampliato notevolmente la possibilità di osservare i processi dinamici all'interno delle cellule.
La microscopia RESOLFT (REversible Saturable OpticaL Fluorescence Transitions) non solo consente di catturare maggiori dettagli nelle immagini, ma amplia anche il concetto di super-risoluzione, rendendolo sempre più importante nella ricerca biomedica.
Con il continuo sviluppo della tecnologia, metodi deterministici come STED e GSD sono stati gradualmente migliorati, fornendo nuove soluzioni. Tuttavia, la praticità di queste tecnologie è ancora messa alla prova dalla complessità delle apparecchiature e dal rischio di danni al campione. Pertanto, nonostante la tecnologia della microscopia a super risoluzione abbia capacità di risoluzione straordinarie, gli scienziati devono ancora continuare a esplorarne l'applicazione ottimale in vari campi.
L'integrazione e l'applicazione di queste tecnologie ci consentono di comprendere in modo più intuitivo i meccanismi, la struttura e la funzione delle cellule e, in ultima analisi, ispirare ulteriori ricerche biomediche. In che modo le future scoperte scientifiche amplieranno la nostra comprensione della vita? Tessuto di lana?
