Microscope à puce pour l’imagerie par fluorescence à haut débit


Microscope à puce pour l'imagerie par fluorescence à haut débit

Le microscope à sur puce est compact avec un grand champ de vision et une haute résolution. Crédit photo : imec

La microscopie optique conventionnelle était cruciale pour l’étude des cellules et des micro-organismes ; La microscopie à fluorescence a permis de visualiser des caractéristiques cellulaires encore plus petites en ajoutant sélectivement des marqueurs fluorescents aux molécules. Ces microscopes comprennent souvent des systèmes encombrants et coûteux qui nécessitent un entretien régulier pour maintenir les lentilles alignées. De plus, ils doivent trouver un compromis entre la taille de l’appareil, la taille du champ de vision et la résolution. Des composants optiques plus grands sont nécessaires pour que les scientifiques voient plus de détails, mais cela réduit le champ de vision.

La technologie des puces offre une vision complètement différente de la microscopie. Les puces sont compactes et peuvent intégrer plusieurs fonctionnalités. Grâce aux options d’évolutivité, les microscopes à puce pourraient être fabriqués à une fraction du coût des appareils standard. Niels Verellen, scientifique senior à l’imec, a développé un microscope sur puce haute résolution avec un champ de vision évolutif. A mi-parcours du projet quinquennal, il évoque les premiers succès et les défis à venir.

Microscopie à fluorescence sans lentille

Pour rendre le microscope plus petit, l’équipe de Niels Verellen a supprimé l’élément essentiel des microscopes optiques conventionnels : l’objectif. Pour la microscopie optique, il existe des options sans lentille qui imagent directement la lumière diffusée. Le microscope sans lentille d’Imec, par exemple, utilise le modèle d’interférence de la lumière d’excitation pour reconstruire holographiquement l’image. Ces solutions ne fonctionnent pas pour la microscopie à fluorescence car la lumière de fluorescence n’est pas cohérente, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de relation temps-distance entre la lumière d’excitation et l’émission de fluorescence.

Niels Verellen déclare : « L’objectif du projet ERC est d’obtenir les mêmes avantages que le microscope optique sans lentille existant (petite taille, évolutivité, grand champ de vision et haute résolution) pour la microscopie à fluorescence. Le principe de fonctionnement de notre microscope est similaire à celui d’un microscope confocal à fluorescence à balayage laser conventionnel. Le microscope sans lentille contient un capteur d’image (un réseau de pixels) avec un circuit photonique intégré composé de guides d’ondes et de modulateurs de qui forment des points d’éclairage focalisés. Contrairement à un microscope confocal, qui fonctionne traditionnellement avec un seul point focal, nous pouvons créer et numériser plusieurs spots en même temps. »

« Aucune lentille n’est requise : le circuit photonique intégré imite toutes les fonctions que la lentille d’objectif remplit traditionnellement dans un microscope confocal. La lentille focalise la lumière laser sur un petit point pour exciter sélectivement le fluorophore dans l’échantillon. Dans notre cas, de minuscules taches lumineuses sont générées dans le circuit photonique intégré. La même lentille dans un microscope confocal recueille la lumière fluorescente. L’utilisation d’un objectif avec une ouverture numérique plus élevée vous permet de collecter plus de lumière. Le circuit photonique intégré dans lequel les spots sont générés étant très proche du capteur d’image, l’ouverture numérique de notre microscope est intrinsèquement élevée. »

Microscope à puce pour l'imagerie par fluorescence à haut débit

Le concept du microscope à fluorescence sur la puce. Des spots d’éclairage sont créés dans le circuit photonique. L’imageur capte un signal où la lumière excite le fluorophore. Crédit photo : imec

Microscopie à haut débit pour le séquençage de nouvelle génération

La puce représente une alternative à haut débit à la microscopie conventionnelle, en particulier pour les applications liées au séquençage. Niels Verellen déclare : « Nous ne pouvons mesurer qu’à la d’un échantillon, dans le champ évanescent de la lumière totalement réfléchie en interne dans un guide d’ondes d’environ 100 nm de profondeur. » En plus de l’imagerie des protéines membranaires, nous voyons le séquençage de l’ADN comme le L’application la plus pertinente pour notre marquage ADN et notre détection optique constituent l’épine dorsale du séquençage de nouvelle génération, dans lequel l’ensemble du génome d’un organisme peut être analysé en une seule expérience. Afin de séquencer un génome, des millions à des milliards de nucléotides marqués par fluorescence (A, G, T, C, les éléments constitutifs de l’ADN) doivent être lus en peu de temps et à un coût raisonnable. Le microscope sur puce peut balayer les réseaux de nucléotides à la surface et avec un débit élevé. L’évolutivité des puces permet une parallélisation massive des expérimentations. »

« C’est l’un des grands avantages par rapport à la microscopie confocale », explique Niels Verellen. « Un microscope confocal coûte plus de 100 000 € et peut scanner une plaque de puits avec un nombre limité de fragments d’ADN ou d’autres molécules. Le microscope sur puce d’Imec atteint la même résolution, mais vous pouvez placer dix puces côte à côte sur une table avec une fraction du coût et de l’espace, et aucune maintenance d’alignement coûteuse n’est requise. Il supprime le goulot d’étranglement dans le débit.  »

Génération de motifs de points lumineux

« Le plus grand défi de ce projet est de créer le motif d’éclairage structuré à haute résolution. En d’autres termes : comment créer le motif optimal de points lumineux sur un large champ de vision dans les limites d’une puce bidimensionnelle. » Les composants essentiels de la puce photonique sont des guides d’ondes qui guident la lumière dans la puce et des modulateurs de phase qui façonner la lumière pour l’éclairage de l’échantillon. Des motifs d’interférence peuvent être générés en utilisant les propriétés d’onde de la lumière laser. Une claire apparaît dans les zones où les ondes combinées se renforcent mutuellement (interférence constructive), alors qu’elle reste sombre dans les zones où les ondes s’annulent (interférence destructive). « Afin de générer le motif souhaité, un contrôle précis des ondes interférentes est crucial. Nous avons développé avec succès un modèle mathématique qui réalise le motif avec un nombre limité de composants sur la puce photonique. Le modèle est basé sur la factorisation des nombres premiers afin de concevoir une grille optique cohérente de spots lumineux », explique Niels Verellen.

Microscope à puce pour l'imagerie par fluorescence à haut débit

Les motifs d’interférence peuvent être contrôlés avec pour former des spots d’éclairage. Crédit photo : imec

Optimisation des composants optiques

L’une des principales innovations a été la mise en œuvre de ce modèle théorique dans une architecture de puce qui permet l’imagerie. Pour ce faire, l’équipe a dû optimiser et reconcevoir tous les composants optiques le long du parcours et réduire les risques. Les premiers résultats sur puces de test (sans imageur) ont montré que les motifs d’interférence pouvaient être bien contrôlés et modulés.

De plus, l’équipe a dû développer un filtre personnalisé qui a été placé entre l’imageur et le circuit photonique. Ce filtre rejette la lumière d’excitation afin que seule l’émission de fluorescence atteigne l’imageur. Un microscope à fluorescence standard utilise des filtres d’interférence qui suppriment sélectivement une plage de longueurs d’onde étroite. Pour qu’il fonctionne de manière optimale, la lentille de l’objectif doit garantir que la lumière fluorescente atteint directement le filtre. « Comme il n’y a pas de lentille qui regroupe la lumière, nous ne pouvons pas utiliser de filtre interférentiel standard », explique Niels Verellen. « C’est pourquoi nous avons développé un filtre personnalisé qui couvre une plus large gamme d’angles. »

« Jusqu’à présent, les composants ont été développés et testés séparément. Cependant, nous attendons les premiers circuits photoniques sur les imageurs de la salle blanche », précise Niels Verellen. « Les puces seraient le premier dispositif de preuve de concept qui pourrait démontrer l’ensemble du concept d’imagerie. En parallèle, nous cherchons déjà des moyens d’avoir des champs de vision plus larges de l’ordre de 1 cm. mettre à l’échelle2« , explique Niels Verellen. » À cette fin, nous travaillons sur plusieurs composants de circuits optiques passifs et actifs sur mesure pour façonner et moduler la lumière de manière efficace et rapide.

Microscope à puce pour l'imagerie par fluorescence à haut débit

Ci-dessus : plaquette Si 200 mm avec circuits photoniques intégrés. En bas : Une image au microscope électronique à balayage (MEB) montrant la section transversale d’un circuit photonique intégré sur un imageur. Crédit photo : imec


Microscope numérique compact sans lentille


Plus d’information:
Dmitry Kouznetsov et al., Renaissance et expansion de la théorie des réseaux cohérents, Lettres d’examen physique (2020). DOI : 10.1103 / PhysRevLett.125.184101

Citation: Un microscope à puce pour l’imagerie par fluorescence à haut débit (2021, 23 novembre), consulté le 24 novembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-11-chip-scale-microscope-high-throughput -fluorescence -imagerie .html

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