Små partikler med en stor, cool rolle at spille i mikroskopi

Forskere ved UTS, som en del af et stort internationalt samarbejde, har fået et gennembrud i udviklingen af ​​kompakte, lavpris og praktisk optisk mikroskopi for at opnå superopløsningsbilleddannelse i en skala, der er 10 gange mindre, end der i øjeblikket kan opnås med konventionel mikroskopi.

Denne opdagelse overvinder to forhindringer - omkostninger og varme - der begrænser udviklingen af ​​superhøjopløsnings-billeddannelse for biologiske og biomedicinske forskere for at kunne foretage detaljeret undersøgelse af levende celler og organismer.

Forskerholdets resultater, rapporteret i Natur , viser, at lyse selvlysende nanopartikler kan tændes og slukkes ved hjælp af en laveffekt infrarød laserstråle.

Professor Dayong Jin fra UTS, en ledende forsker på projektet, sagde, at brugen af ​​en lav-powered laserstråle var nøglen til at løse de dobbelte flaskehalsproblemer med omkostninger og varme.

"I øjeblikket, for at tænde og slukke for hver enkelt pixel for billeddannelse i superopløsning, du har brug for en omfangsrig laser med masser af kraft, " sagde professor Jin.

"Den højtydende laser betyder, at du ender med meget dyrt udstyr, typisk over 1 million dollars. Og med sådan en kraftig laser, der skinner på en skrøbelig biologisk prøve, prøven bliver i det væsentlige "kogt".

"En markant reduktion af strømbehovet fjerner behovet for omfangsrige og dyre lasere og gør det meget mere biokompatibelt."

Brugen af ​​lampelignende nanopartikler til bio-billeddannelse i superopløsning er en relativt ny udvikling, som har tiltrukket sig bred opmærksomhed internationalt. Nanopartiklerne fungerer som molekylære prober til at belyse de subcellulære strukturer. Imidlertid, grundlæggende begrænsninger af lys begrænser minimumsstørrelsen af ​​billedpixel til omkring 200nm, omkring halvdelen af ​​en excitationsbølgelængde og utilstrækkelig til at visualisere mange biologiske strukturer af interesse.

Denne nye forskning viser, at nanopartikler ned til 13nm i størrelse, muligvis endnu mindre, kan visualiseres i en ny form for optisk nanoskopi, hvor uønsket luminescens undertrykkes af en infrarød laser med lav effekt.

Professor Jin var fælles vinder af 2015 Eureka Prize for Excellence in Interdisciplinary Scientific Research for sit arbejde med at udvikle nanokrystaller kendt som Super Dots og er direktør for UTS Initiative for Biomedical Materials and Devices (IBMD). Han og hans studerende og samarbejdspartnere har arbejdet på nanoskala fotonikteknologi i flere år.

"Vi er interesserede i at udføre løsningsfokuseret forskning, der giver potentiale for industrien. Vi identificerer nøgleproblemerne på området, finde en løsning og gå videre til de næste skridt mod teknologioversættelse, " sagde professor Jin.

"At gøre det, du skal finde den rigtige partner med komplementære færdigheder, opbygge et forhold baseret på tillid og bære det med vedholdenhed, som vi har gjort i løbet af de seks år, det har taget at fuldføre denne forskning."

Han sagde, at dette nye værktøj åbner muligheder for at forstå, hvordan livsmaskinen fungerer, på en ikke-invasiv måde, forhåbentlig føre til en bedre forståelse af antibiotikaresistens patogener og sygdomme, og immunsystemet.

Professor Jim Piper, fra Macquarie University og ARC Center of Excellence for Nanoscale BioPhotonics, var medforsker på Naturstudiet. Han sagde, at forskningsresultaterne var spændende, fordi disse nanopartikler har "unikke egenskaber, der vil give forskere mulighed for at se dybere og mere klart på cellulært og intracellulært niveau - hvor proteiner, antistoffer og enzymer styrer i sidste ende livets maskineri".

"Det, vi har gjort, er at illustrere, at bittesmå nanopartikler tilbyder et betydeligt potentiale som en ny generation af luminescerende sonder til optisk nanoskopi. Dette åbner en helt ny vej i studiet af levende biologiske processer."

Lektor Peng Xi fra Peking University, en førende forsker i superopløsningsmikroskopi, sagde, "Efter Nobelprisen i 2014, Superopløsningssamfundets opmærksomhed har været fokuseret på udviklingen af ​​teknikker, der er kompatible med levende celler. Vores nyudviklede sjældne jordarters nanopartikler reducerer behovet for højeffektlaser med to til tre størrelsesordener, som muliggør den brede anvendelse af denne teknologi i levende celler og reducerer systemets omkostninger og kompleksitet dramatisk."

Forskningen for "Amplified stimulated emission in upconversion nanopartikler for super resolution nanoscopy" blev udført af forskere ved UTS, Macquarie University, Peking Universitet og Shanghai Jiao-tong Universitet.