Drie-fotonenabsorptie (3PA) is een niet-lineair optisch proces waarbij drie fotonen gelijktijdig worden geabsorbeerd om een ​​elektron van de grondtoestand naar een hogere energietoestand te exciteren. Dit proces is doorgaans veel zwakker dan de absorptie van één foton (1PA) en de absorptie van twee fotonen (2PA), maar kan aanzienlijk worden verbeterd in bepaalde materialen, zoals halfgeleider nanokristallen en organische kleurstoffen.

3PA heeft verschillende potentiële voordelen voor bio-imaging ten opzichte van 1PA en 2PA. Ten eerste kan 3PA diepere weefselpenetratie bieden, omdat het voor 3PA gebruikte licht met langere golflengte minder wordt verstrooid en geabsorbeerd door weefselcomponenten zoals water en hemoglobine. Ten tweede kan 3PA worden gebruikt om fluorescentie in specifieke moleculen met hoge selectiviteit te exciteren, omdat de excitatiegolflengte precies kan worden afgestemd op het absorptiespectrum van het doelmolecuul. Ten derde kan 3PA beelden met een hogere resolutie genereren omdat het kleinere brandpuntsvolume dat wordt gebruikt voor 3PA-microscopie resulteert in minder fotobleken en fotoschade aan het monster.

Ondanks deze potentiële voordelen wordt 3PA vanwege verschillende uitdagingen nog steeds niet op grote schaal gebruikt voor bio-imaging. Ten eerste is de efficiëntie van 3PA doorgaans erg laag, waardoor hoge laservermogens nodig zijn die biologische monsters kunnen beschadigen. Ten tweede ligt de excitatiegolflengte voor 3PA vaak in het ultraviolette (UV) bereik, wat schadelijk kan zijn voor cellen. Ten derde bevindt de ontwikkeling van geschikte 3PA-sondes zich nog in de beginfase.

Naarmate deze uitdagingen worden overwonnen, zal 3PA waarschijnlijk een belangrijker instrument voor bio-imaging worden. De unieke combinatie van diepe weefselpenetratie, hoge selectiviteit en hoge resolutie maakt het ideaal voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder in vivo beeldvorming, fluorescentie-resonantie-energieoverdracht (FRET) en superresolutiemicroscopie.

Hier zijn enkele specifieke voorbeelden van hoe 3PA is gebruikt voor bio-imaging:

* 3PA-microscopie is gebruikt om bloedvaten in de hersenen van een levende muis in beeld te brengen. Het 3PA-signaal werd gegenereerd door een fluorescerende kleurstof die specifiek werd opgenomen door endotheelcellen, de cellen die de bloedvaten bekleden. Deze studie toonde het potentieel van 3PA aan voor in vivo beeldvorming van diepe weefselstructuren.

* 3PA FRET is gebruikt om eiwitinteracties in levende cellen te bestuderen. Bij deze techniek worden twee verschillende fluorescerende kleurstoffen aan twee verschillende interessante eiwitten gehecht. Wanneer de eiwitten een interactie aangaan, komen de kleurstoffen dicht bij elkaar en wordt het 3PA-signaal van de ene kleurstof overgedragen naar de andere kleurstof. Hierdoor kunnen onderzoekers eiwitinteracties in realtime en met een hoge ruimtelijke resolutie volgen.

* 3PA-superresolutiemicroscopie is gebruikt om structuren in cellen in beeld te brengen met een resolutie van minder dan 100 nanometer. Deze techniek combineert de hoge resolutie van 3PA-microscopie met de superresolutiemogelijkheden van technieken zoals gestimuleerde emissiedepletie (STED) microscopie en fotogeactiveerde lokalisatiemicroscopie (PALM).

Deze voorbeelden tonen het potentieel van 3PA voor bio-imaging aan. Naarmate de uitdagingen die gepaard gaan met 3PA worden overwonnen, zal deze techniek waarschijnlijk steeds belangrijker worden voor een verscheidenheid aan toepassingen in biomedisch onderzoek en klinische diagnostiek.