Skarpt lys, små krystaller:Forskere bruger nanopartikler til at fange billeder af enkelte molekyler

Ved billeddannelse på enkeltmolekyleniveau, små uregelmæssigheder kendt som heterogeniteter bliver tydelige-træk, der går tabt i større skala, såkaldt ensemble imaging. På samme tid, det har indtil for nylig været udfordrende at udvikle selvlysende sonder med fotostabiliteten, lysstyrke og kontinuerlig emission nødvendig for enkelt-molekyle mikroskopi. Nu, imidlertid, forskere i Molecular Foundry ved Lawrence Berkeley National Lab, Berkeley, CA har udviklet sig opkonvertering af nanopartikler (UCNP'er) under 10 nm i diameter, hvis lysstyrke under enkelt-partikel-billeddannelse overstiger den af ​​eksisterende materialer med mere end en størrelsesorden. Forskerne oplyser, at deres fund muliggør en række anvendelser, herunder mobil og in vivo billeddannelse, samt rapportering om lokale elektromagnetiske nærfeltegenskaber ved komplekse nanostrukturer.

Dr. P. James Schuck diskuterede papiret, at han, Dr. Bruce E. Cohen, Dr. Daniel J. Gargas, Dr. Emory M. Chan, og deres medforfattere offentliggjort i Naturnanoteknologi , startende med de største udfordringer, forskerne stødte på i:

• udvikle luminescerende sonder med fotostabilitet, lysstyrke og kontinuerlig emission nødvendig for enkeltmolekylær mikroskopi
• udvikler under 10 nm lanthanid-doteret opkonverterende nanopartikler (UCNP'er) en størrelsesorden lysere under enkeltpartikel-billeddannelsesbetingelser end eksisterende sammensætninger, lanthanider er overgangsmetaller med egenskaber, der adskiller sig fra andre elementer

"De mest almindelige emittere, der bruges til enkeltmolekylær billeddannelse-organiske farvestoffer og kvantepunkter-har betydelige begrænsninger, der har vist sig ekstremt udfordrende at overvinde, "Schuck fortæller Phys.org. Han forklarer, at organiske farvestoffer generelt er de mindste sonder (typisk ~ 1 nm i størrelse), og vil tilfældigt tænde og slukke. Dette "blink" er ret problematisk for enkeltmolekylær billeddannelse, han fortsætter, og typisk efter udsendelse af omkring 1 million fotoner vil altid fotoblegemiddel - det er, slukke permanent. "Det kan lyde som mange fotoner i starten, "Schuck siger, "men det betyder, at farvestofferne holder op med at udsende efter kun ca. 1 til 10 sekunder under de fleste billedbetingelser. UCNP'er blinker aldrig."

I øvrigt, Schuck fortsætter, det viser sig, at de samme problemer eksisterer for fluorescerende kvanteprikker, eller Qdots , såvel. Imidlertid, mens det er muligt at lave Qdots, der ikke blinker eller fotoblegger, dette kræver normalt tilføjelse af lag til Qdot, hvilket gør dem for store til mange billeddannelsesprogrammer. (En kvantepunkt er en halvleder -nanokrystal, der er lille nok til at udvise kvantemekaniske egenskaber.) "Vores nye UCNP'er er små, og du må ikke blinke eller blege."

På grund af disse egenskaber, bemærker han, UCNP'er har for nylig skabt betydelig interesse, fordi de har potentialet til at være ideelle luminescerende etiketter og sonder til optisk billeddannelse - men den største vejblokade for at realisere deres potentiale havde været manglende evne til at designe sub-10 nm UCNP'er, der er klare nok til at blive afbildet på enkelt- UCNP -niveau.

"Dette bringer mig til det, der nok er den vigtigste takeaway fra vores arbejde, som er opdagelsen og demonstrationen af ​​nye regler for design af ultralys, ultralette UCNP enkeltmolekylære prober, "Siger Schuck. Desuden er han understreger, at disse nye regler står i direkte kontrast til konventionelle metoder til at skabe lyse UCNP'er. "Som vi viste i vores papir, vi syntetiserede og afbildede UCNP'er så små som et enkelt fluorescerende protein! For mange bioimaging -applikationer, meget små - helt sikkert mindre end 10 nm - kræves selvlysende sonder, fordi du virkelig har brug for etiketten eller sonden for at forstyrre systemet, de undersøger, så lidt som muligt. "

Schuck nævner en anden fordel ved at opkonvertere nanopartikler – nemlig, de fungerer ved at absorbere to eller flere infrarøde fotoner og udsende synligt lys med højere energi. "Da næsten alle andre materialer ikke konverteres, ved billeddannelse af UCNP'erne i en prøve, der er næsten ingen anden autofluorescerende baggrund, der stammer fra prøven. Dette resulterer i god billedkontrast og store signal-til-baggrundsniveauer. "Desuden mens organiske farvestoffer og Qdots også kan absorbere IR-lys og udsende lys med højere energi via en ikke-lineær to+ fotonabsorptionsproces, excitationskræfterne, der er nødvendige for at generere målbare to-foton-fluorescenssignaler i farvestoffer og små Qdots, er mange størrelsesordener højere, end det er nødvendigt for at generere opkonverteret luminescens fra UCNP'er. "Disse høje magter er generelt dårlige for prøver og en stor bekymring i biobilledsamfund", understreger Schuck, "hvor de kan føre til skader og celledød."

Schuck bemærker, at to andre centrale aspekter er centrale for de opdagelser, der er nævnt i avisen-ved hjælp af avanceret enkeltpartikelkarakterisering, og teoretisk modellering - var en konsekvens af det tværfaglige samarbejdsmiljø på støberiet. "Denne undersøgelse krævede, at vi kombinerede enkelt-molekyle fotofysik, evnen til at syntetisere ultrasmå opkonverterende nanokrystaller af næsten enhver sammensætning, og den avancerede modellering og simulering af UCNP optiske egenskaber, "siger han." Nøjagtig simulering og modellering af disse materialers fotofysiske adfærd er udfordrende på grund af det store antal energiniveauer i disse materialer, der alle interagerer på komplekse måder, og Emory Chan har udviklet en unik model, der objektivt tager højde for alle de over 10, 000 manifold-til-manifold-overgange i det tilladte energiområde. "

Tidligere har Schuck siger, at den konventionelle visdom til at designe lyse UCNP'er havde været at bruge en relativt lille koncentration af emitterioner i nanopartiklerne, da for mange emittere vil føre til lavere lysstyrke på grund af selvslukkende effekter, når UCNP-emitterkoncentrationen overstiger ~ 1%. "Dette viser sig at være sandt, hvis du vil lave partikler, der er lyse under ensemblebilledforhold - dvs. hvor der bruges en relativt lav excitationskraft – da man har mange partikler, der signalerer samlet, " forklarer Schuck. "Men, dette nedbrydes under enkelt-molekyle billeddannelsesforhold." I deres papir, forskerne har demonstreret, at under de højere excitationskræfter, der bruges til billeddannelse af enkeltpartikler, de relevante energiniveauer bliver mere mættede, og selvslukkende reduceres. "Derfor, "Schuck fortsætter, "du ønsker at inkludere så høj en koncentration af emitterioner i dine UCNP'er som muligt." Dette resulterer i, at nanopartiklerne er næsten ikke-selvlysende ved ensembleforhold med lav excitation-effekt på grund af betydelig selvkølende, men ultralys under enkelt-molekyle billeddannelsesforhold.

En anden vigtig konsekvens af dette fund, Schuck tilføjer, er, at det skulle ændre, hvordan folk vil screene for de bedste enkeltmolekylære selvlysende sonder i fremtiden. "Indtil nu, " bemærker han, "Folk ville først se for at se, hvilke sonder der var lyse ved hjælp af forhold på ensemble-niveau, ville derefter kun undersøge den delmængde som mulige enkeltmolekyle-prober. Vores nye sonder ville, selvfølgelig, har fejlet den screeningtest!"

Schuck understreger igen, at "en vigtig grund til, at denne opdagelse skete, er, at vi har eksperter på alle centrale områder i den samme bygning, og vi var i stand til hurtigt at gentage sig gennem den teori-syntese-karakteriserende cyklus. "

Med hensyn til fremtidige forskningsretninger, bemærker Schuck, forskerne forfølger et par forskellige veje. "Vi vil helt sikkert gerne bruge disse nydesignede UCNP'er til bioimaging .... indtil videre, vi har kun undersøgt de grundlæggende fotofysiske egenskaber ved disse partikler, når de er isoleret på glas. Vi mener, at en spændende og vigtig applikation vil være deres anvendelse i hjernebilleddannelse-især til dybt væv in vivo optisk billeddannelse af neuroner og hjernefunktion.

Afslutningsvis Schuck nævner andre forskningsområder, der kan have gavn af deres undersøgelse. "Jeg tror, ​​at en primær anvendelse er i sporing af enkeltpartikler i celler. F.eks. " illustrerer han, "mærkning af specifikke proteiner med individuelle UCNP'er og sporing af dem for at forstå deres cellulære kinetik."

Langs forskellige linjer, Schuck tilføjer, det viser sig, at UCNP'er også er fremragende sonder for meget lokale elektromagnetiske felter. "Dette skyldes, at lanthanider har et ret unikt sæt fotofysiske egenskaber, såsom relativt udbredt magnetisk dipolemission, giver os mulighed for at sondere optiske magnetfelter, og meget lange levetider, så overgange ikke er stærkt tilladt, som giver os mulighed for lettere at undersøge hulrums kvanteoptiske effekter, såsom Purcell-forbedring af emission. Faktisk, Schuck slutter, et eksperiment, der bruger UCNP'er til at rapportere om nærfeltets styrker og feltfordeling omkring nanoplasmoniske enheder, er lige i gang. "

© 2014 Phys.org