Técnica de microscopia fototérmica ultrassensível detecta nanopartículas únicas tão pequenas quanto 5 nm

A detecção de partículas e moléculas individuais abriu novos horizontes em química analítica, imagem celular, nanomateriais e diagnósticos biomédicos. Os métodos tradicionais de detecção de moléculas únicas dependem muito de técnicas de fluorescência, que exigem a marcação das moléculas alvo.

Em contraste, a microscopia fototérmica surgiu como uma promissora técnica de imagem não invasiva e sem rótulo. Este método mede variações localizadas no índice de refração dos arredores de uma amostra, resultantes da absorção de luz pelos componentes da amostra, o que induz mudanças de temperatura na região circundante. Os ressonadores do modo de galeria sussurrante (WGM) são sensores de temperatura ultrassensíveis devido aos seus fatores de qualidade (Q) ultra-alta.

Em um novo artigo publicado em Luz: Ciência e Aplicaçõesum grupo de pesquisa liderado pela Prof. Judith Su do Wyant College of Optical Sciences e do Departamento de Engenharia Biomédica da Universidade do Arizona demonstrou microscopia fototérmica ultrassensível sem rótulo usando ressonadores ópticos WGM microtoroides.

Esta técnica permite a detecção de nanopartículas únicas tão pequenas quanto pontos quânticos de 5 nm com uma relação sinal-ruído (SNR) superior a 10.000. Este método melhora significativamente a sensibilidade fototérmica, alcançando um limite de detecção de 0,75 pW na dissipação de calor. Este avanço permite a detecção precisa de moléculas únicas, demonstrando as capacidades da microscopia fototérmica.

O grupo de Su desenvolveu anteriormente um sistema chamado Frequency Locked Optical Whispering Evanescent Resonator (FLOWER), que usa o bloqueio de frequência para rastrear a mudança de ressonância de microcavidades ópticas. Este sistema de microscopia fototérmica emprega o FLOWER para medir o sinal fototérmico. A mudança de ressonância, excitada por um laser de bomba de espaço livre, é medida pelo sistema.

O laser de bomba, com uma modulação de amplitude (AM) de 203,7 Hz, ilumina o microtoroide por meio de um sistema de varredura de espelho galvo. A oscilação resultante de 203,7 Hz da mudança de ressonância é detectada pelo FLOWER. Um amplificador de bloqueio é usado para medir a amplitude da oscilação da mudança de ressonância. Uma varredura espacial 2D do laser de bomba gera uma imagem fototérmica do microtoroide, com pontos fototérmicos altos usados ​​para detectar nanopartículas únicas.

Os pesquisadores vislumbram o potencial da microscopia fototérmica e dizem: “Além disso, avanços futuros podem envolver medições de espectroscopia variando o comprimento de onda do laser de bombeamento ou excitando com diferentes comprimentos de onda para permitir imagens multicoloridas. Em trabalhos futuros, embora não seja necessário para muitas aplicações, também podemos combinar este sistema com agentes de captura específicos, como aptâmeros ou polímeros sorventes para fornecer especificidade aprimorada.

“A integração da microscopia fototérmica com o FLOWER abre possibilidades para observação em tempo real de mudanças dinâmicas e interações de moléculas alvo. Acreditamos que, no geral, a microscopia fototérmica baseada no FLOWER representa uma plataforma versátil para imagens sem rótulo e detecção de moléculas únicas. As capacidades de alta sensibilidade e discriminação demonstradas abrem caminho para avanços em técnicas de caracterização e imagens em nanoescala.”