Afbrydelse af sløringsbarrieren:Der er fejl i superopløsninger

Medicinske forskere står over for en forhindring, når de studerer celler under et optisk mikroskop - fysikkens love. At få et billede af alt under en bestemt størrelse er kompliceret; optiske åbninger og bølgelængden af ​​synligt lys spiller ravage med klarhed. Kendt som diffraktionsgrænse, det blev første gang stødt på af den tyske fysiker Ernst Abbe i 1873, og begrænser opløsningen til 200 nanometer (nm) i bedste fald (eller 200 milliarddeler af en meter).

I de sidste 20 år har nye 'superopløsning'-teknikker har skubbet forbi denne forhindring, billeddannelse ned til få nanometer. En af dem, STED (eller stimuleret emissionsudtømning) mikroskopi, vandt endda Nobelprisen i fysik i 2014. Men superopløsning har begrænsninger:den har enten brug for komplekse værktøjer eller omfattende computerbehandling, som kan tilføje slørede fejl. Og det anvender ofte molekylære farvestoffer som fluorescerende mærker, som let nedbrydes under laserlys, hvilket gør dem umulige at bruge til lange eksponeringer.

På Center for Nanoskala BioPhotonics (CNBP), forskere undersøger en ny strategi, der forlænger den tid, forskere har til at analysere celler under et mikroskop. Den er afhængig af en smart brug af en anden type fluorescerende markør kendt som op-konvertering nanopartikler, eller UCNP'er.

"De optiske egenskaber ved UCNP'er giver mange muligheder for bio-sensing applikationer og, specifikt, til billedbehandling i superopløsning, "sagde Dr. Simone De Camillis, en postdoktor ved CNBP's Macquarie University node, som er en del af teamet ledet af prof Jim Piper, chefforsker for gruppen Advanced Detection and Imaging.

Teamet udviklede en ny klasse af UCNP'er, hvis lysstyrke ændrer sig brat, når det ophidses af nær-infrarødt lys. Denne adfærd kan udnyttes til billedobjekter med en opløsning på halvdelen af ​​diffraktionsgrænsen, så disse ekstremt små partikler kan ses meget tydeligere. Og hvad mere er, metoden kan anvendes på standardkonfokale mikroskoper, der er meget udbredt i dagens laboratorier.

Fordi den er afhængig af relativt lavt strømforbrug, teknikken-kendt som up-conversion super-lineær excitation-emission (uSEE) mikroskopi-er relativt ufarlig for levende celler og kunne tillade billeddannelse dybere i væv.

UCNP'erne kan også fungere sammen med STED -tilgangen, muliggør billeddannelse ned til 60nm, sammenlignelig med ydeevnen for konventionel STED ved anvendelse af molekylære farvestoffer.

Teamet er nu ved at perfektionere designet af de nye UCNP'er og deres evne til at fremstille dem med højere pålidelighed. Disse forbedringer, sammen med forbedret billeddannelse, der nærmer sig størrelsen på en enkelt nanopartikel, bane vejen for 'kvantitativ billeddannelse':evnen til at tælle det faktiske antal UCNP'er i celler, samt identificere placeringen af ​​hver enkelt nanopartikelsonde og vide, hvor de er.

"I øjeblikket, når de er meget tæt sammen, det kan være svært at skelne dem, "De Camillis sagde." Så vi eksperimenterer nu med sammensætning og struktur for UCNP'erne for virkelig at kunne løse de enkelte UCNP'er, også når de klynger sig. "