Lanthanid nanopartikler muliggør kontinuerlig bølge NIR STED mikroskopi

National University of Singapore-forskere har udviklet en ny generation af nær-infrarøde (NIR)-emitterende nanoprober til super-opløsningsbilleddannelse i dybe væv. Disse nanoprober er baseret på lanthanid-doterede nanomaterialer med rige energiniveauer, høj fotostabilitet og programmerbar optisk kinetik.

Stimulated-emission depletion (STED) mikroskopi, opfundet af Stefan HELL i 2000 (tildelt Nobelprisen i kemi 2014), har bragt optisk mikroskopi ind i nanodimensionen og dybt udvidet vores horisont til det subcellulære niveau. For et typisk STED-mikroskop, to laserstråler anvendes; en af ​​laserstrålerne stimulerer fluorescerende molekyler til at gløde, og den anden udelukker al fluorescens, bortset fra den, der er til stede i et volumen på nanometerstørrelse. Ved at scanne over prøven på en trinvis måde, nanometer for nanometer, et billede med en opløsning bedre end Abbes fastsatte grænse (fysisk grænse for den maksimale opløsning af traditionel optisk mikroskopi) kan opnås. Organiske fluoroforer bruges almindeligvis til STED-mikroskopi. Imidlertid, de intense pulser i STED-mikroskopi konkurrerer ofte med hurtig spontan fluorescens (k> 10 ⁸ s ^-1 ) fra fluoroforerne, resulterer i potentiel fototoksicitet, fotoblegning, og signifikant udtømningsinduceret re-excitationsbaggrund. Dette reducerer kvaliteten af ​​de opnåede billeder. I øvrigt, organiske fluoroforer arbejder ofte i området med synligt lys, og dette hindrer potentielle anvendelser, der involverer dybe væv.

Et forskerhold ledet af prof LIU Xiaogang fra Institut for Kemi, National University of Singapore, opdagede, at en række neodym (Nd ³⁺ )-doterede lanthanid-nanopartikler kan fungere som mere effektive nanoprober til STED-billeddannelsesapplikationer, muliggør autofluorescensfri, lav strøm, super-opløsning billeddannelse i NIR optiske vinduer. Ved excitation af en 808 nm bølgelængde laserstråle, disse Nd ³⁺ -doterede nanopartikler udsender stærk luminescens omkring 860 nm NIR-regionen med mere end 20% effektivitet. Når den samtidig belyses med en 1, 064-nm bølgelængde laser, denne NIR-luminescens slukkes straks. Forskerholdet fandt ud af, at en effektivitet på næsten enhed (98,8%) i luminescensundertrykkelse kan opnås ved at øge udtømningskraften. I sammenligning med organisk farvestof-medieret STED-mikroskopi, mængden af ​​strøm, der kræves for at reducere luminescensintensiteten med det halve, kendt som mætningsintensiteten, er mere end to størrelsesordener lavere. Denne evne hos Nd ³⁺ -doterede nanopartikler, der skulle tændes og slukkes ved at bruge forskellige laserstrålebølgelængder ved lave strømforhold, gjorde det muligt for STED-processen at opnå en lateral opløsning på omkring 19 nm for en enkelt nanopartikel. Forskerholdet demonstrerede også højkontrast dybt væv (~50 mm) billeddannelse med ca. 70 nm rumlig opløsning. Vigtigt, disse nanoprober viste ingen tegn på fotoblegning selv efter to timers bestråling.

Udover den visuelle kvalitet, holdet har også undersøgt den mekanisme, der ligger til grund for udførelsen af ​​Nd ³⁺ -doterede nanopartikler i STED billedbehandlingsapplikationer. Med en kvasi-fire-niveau konfiguration og lang levetid (> 100 millisekunder) metstabile tilstande, disse Nd ³⁺ -dopednanopartikler kan let exciteres til det metastabile emitterende niveau og energiniveauet over grundtilstanden. Da nanopartiklerne kan forblive i de exciterede tilstande i længere tid, der kræves mindre laserenergi til billeddannelsesprocessen. Konfigurationen med fire niveauer kan også eliminere udtømningsstråle-induceret re-excitation, fører til en effektiv stimuleret emissionsudtømningsproces.

Prof Liu sagde, "I de seneste år, mange forskere har taget udfordringer op på lang sigt, dybt væv, høj opløsning billedbehandling. Denne nye generation af lanthanid nanoprober kan potentielt finde vigtige anvendelser inden for bioimaging og molekylær detektion."