Parole chiave: tesi sperimentale, ottica non-lineare, microscopia, spettroscopia, laser ad impulsi a femtosecondi, applicazioni biologiche, intelligenza artificiale/deep learning.

Un'importante sfida in ambito medico è l'identificazione dei tumori rapida e la loro precisa classificazione in una delle diverse possibili tipologie. Il medico potrà così scegliere una cura mirata. Oggi purtroppo questo non è sempre possibile, in quanto la diagnosi tumorale si basa sull’analisi visiva (e quindi soggettiva) di biopsie al microscopio. In futuro la soluzione potrebbe essere fornita dallo scattering Raman. Questa tecnica sfrutta la specifica risposta vibrazionale delle molecole come un’impronta digitale per la loro univoca identificazione: legami forti, come molle rigide, produrranno vibrazioni a frequenze più alte; atomi pesanti, al contrario, genereranno vibrazioni a frequenze più basse. È così possibile ottenere informazioni quantitative e riproducibili su cellule e tessuti per la loro caratterizzazione. Purtroppo lo scattering Raman “spontaneo” (basato sull’uso di un fascio laser in continua) impiega molto tempo, per cui in genere è impiegato per caratterizzare un solo punto del tessuto. Per ottenere immagini bidimensionali su vaste aree del tessuto in tempi brevi è necessario utilizzare la tecnica di scattering Raman “coerente”, illuminando il campione con due impulsi di luce laser ultrabrevi e sincronizzati. Per ottenere informazioni chimiche il più possibile esaustive, uno dei due impulsi deve essere a banda larga (policromatico)

Questo lavoro di tesi sperimentale si svolgerà in un laboratorio di ottica ultraveloce che ha ricevuto vari finanziamenti dalla comunità europea (vedete www.vibra.polimi.it e https://www.crimson-project.eu/) per realizzare un microscopio che possa identificare e caratterizzare i tumori mediante proprio questa tecnica di spettroscopia e microscopia Raman coerente. Lo studente imparerà ad allineare fasci laser ad impulsi a femtosecondi a banda larga ad alta frequenza di ripetizione nel vicino infrarosso. Con l’aiuto di altri ricercatori costruirà complessi apparati sperimentali per compiere misure su campioni biologici, miscelando attività di fisica di base (interazione radiazione-materia, effetto Raman…), di ottica non lineare (generazione di luce bianca, amplificazione parametrica, generazione di second’armonica), di microscopia di campioni biologici e di analisi dati mediante approcci “chemometrici” (analisi statistica multivariata) come intelligenza artificiale/deep learning.
Ecco degli esempi di immagini su cellule tumorali raccolte con questa tecnica:

Ed ecco un altro esempio di immagine raccolta su tessuto spinale murino:

Ecco alcune fotografie dell'apparato sperimentale realizzato:

Vedete anche: www.vibra.polimi.it (il progetto di ricerca) e http://polli.faculty.polimi.it (la pagina personale di Dario Polli)