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Nuovi laser scrutano le cellule
Gli ingegneri dell'Università di Harvard hanno costruito un laser che potrebbe consentire ai ricercatori di scrutare le cellule con una risoluzione ultraelevata e osservare gli eventi cellulari mentre accadono. Aggiungendo nano antenne ai laser a infrarossi, i ricercatori hanno reso possibile mettere a fuoco la luce in modo molto più preciso. In effetti, i laser potrebbero portare a immagini con una risoluzione almeno 100 volte maggiore.
Punto chiaro: Questi due lingotti d'oro su un laser a cascata quantica sono lunghi ciascuno 1,2 micrometri. Le barre fungono da antenne, focalizzando la luce nel medio infrarosso a una dimensione del punto equivalente allo spazio tra loro, 100 nanometri.
Finora, la risoluzione dei microscopi utilizzati per osservare la composizione chimica dei tessuti era limitata da una proprietà fisica della luce chiamata limite di diffrazione. Usando lenti tradizionali, la luce può essere focalizzata solo in un raggio largo quanto metà della sua lunghezza d'onda; se un microscopio utilizza luce nel medio infrarosso con una lunghezza d'onda di 24 micrometri, può essere focalizzato solo su un punto largo 12 micrometri. Considerando le dimensioni delle cellule animali (10 micrometri), dei batteri (1 micrometro) e dei virus (decine di nanometri), questo è troppo grande.
L'anno scorso, i ricercatori di Harvard sono stati i primi a sviluppare un sistema pratico per superare il limite di diffrazione. Federico Capasso e Kenneth Crozier applicò la tecnica ai laser utilizzati per leggere e scrivere i dischi nei personal computer. Questo lavoro può portare a dischi di archiviazione simili a DVD ad alta densità che contengono centinaia di film. (Vedi TR10: A New Focus for Light.) Ora i ricercatori di Harvard si sono rivolti a un diverso tipo di strumento, chiamato laser a cascata quantica, ea un nuovo campo, l'imaging biologico.
I laser a cascata quantica sono stati sviluppati da Capasso e altri presso i Bell Labs nel 1994. Questi laser sono compatti e robusti e possono essere costruiti per emettere luce a qualsiasi lunghezza d'onda in tutta la gamma dello spettro chiamato medio infrarosso. Con una gamma da 3 a 24 micrometri, questa luce è utile per identificare diverse sostanze chimiche perché la luce nel medio infrarosso fa risuonare le molecole a frequenze identificabili. I laser a cascata quantica vengono utilizzati per rilevare piccole quantità di gas, in particolare inquinanti, a livelli di appena una parte per miliardo.
Crozier e Capasso hanno creato una messa a fuoco più nitida per i laser a cascata quantica preesistenti intagliando due minuscole barre d'oro dove viene emessa la luce. Depongono un sottile strato d'oro, quindi lo ritagliano per lasciare due antenne rettangolari, ciascuna di circa un micrometro. Quando il laser emette luce, si forma un intenso campo elettrico nello spazio tra le antenne d'oro, concentrando la luce in un raggio della stessa larghezza dello spazio, circa 100 nanometri. Un microscopio che utilizza un tale laser avrebbe anche una risoluzione di circa 100 nanometri.
Un'applicazione in cui i laser a cascata quantica non sono ancora utilizzati è l'imaging ad alta risoluzione, afferma Claire Gmachl , un ingegnere elettrico dell'Università di Princeton che è stato coinvolto nello sviluppo di laser a cascata quantica presso i Bell Labs. Gmachl afferma che la tecnica mostra le maggiori promesse per l'imaging biologico a livello cellulare. I microscopi che utilizzano i nuovi laser dovrebbero essere in grado di rilevare, ad esempio, i cambiamenti nelle singole proteine sulla superficie delle cellule.
Usando le antenne ottiche, dice Crozier, la dimensione del punto della luce laser è limitata solo dallo spazio tra i lingotti d'oro. Man mano che le tecniche di nanofabbricazione migliorano, dovrebbe essere possibile realizzare microscopi ottici a risoluzione ancora più elevata.