Onderzoekers van UTS, als onderdeel van een grote internationale samenwerking, hebben een doorbraak bereikt in de ontwikkeling van compacte, goedkope en praktische optische microscopie om beeldvorming met superresolutie te bereiken op een schaal die 10 keer kleiner is dan momenteel kan worden bereikt met conventionele microscopie.

Deze ontdekking overwint twee obstakels - kosten en hitte - die de ontwikkeling van beeldvorming met superhoge resolutie voor biologische en biomedische onderzoekers beperken om gedetailleerd onderzoek van levende cellen en organismen te kunnen doen.

De bevindingen van het onderzoeksteam, gemeld in Natuur , laten zien dat heldere lichtgevende nanodeeltjes kunnen worden in- en uitgeschakeld met behulp van een low-power infrarood laserstraal.

Professor Dayong Jin van UTS, een hoofdonderzoeker van het project, zei dat het gebruik van een laserstraal met laag vermogen de sleutel was tot het oplossen van de dubbele bottleneck-problemen van kosten en warmte.

"Momenteel, om elke afzonderlijke pixel in en uit te schakelen voor beeldvorming met superresolutie, je hebt een omvangrijke laser nodig met veel kracht, ' zei professor Jin.

"Door de krachtige laser krijgt u zeer dure apparatuur, meestal meer dan $ 1 miljoen. En met zo'n krachtige laser die op een kwetsbaar biologisch monster schijnt, het monster wordt in wezen 'gekookt'.

"Door de stroombehoefte aanzienlijk te verminderen, zijn er geen omvangrijke en dure lasers meer nodig en wordt deze veel meer biocompatibel."

Het gebruik van lampachtige nanodeeltjes voor bio-imaging met superresolutie is een relatief recente ontwikkeling die internationaal veel aandacht heeft gekregen. De nanodeeltjes fungeren als moleculaire sondes om de subcellulaire structuren te verlichten. Echter, fundamentele beperkingen van licht beperken de minimale grootte van beeldpixels tot ongeveer 200 nm, ongeveer de helft van één excitatiegolflengte en onvoldoende om veel biologische structuren van belang te visualiseren.

Dit nieuwe onderzoek toont aan dat nanodeeltjes tot 13 nm groot, mogelijk nog kleiner, kan worden gevisualiseerd in een nieuwe vorm van optische nanoscopie waarbij ongewenste luminescentie wordt onderdrukt door een infraroodlaser met laag vermogen.

Professor Jin was in 2015 gezamenlijk winnaar van de Eureka Prize for Excellence in Interdisciplinair Wetenschappelijk Onderzoek voor zijn werk aan de ontwikkeling van nanokristallen die bekend staan ​​als Super Dots en is directeur van het UTS Initiative for Biomedical Materials and Devices (IBMD). Hij en zijn studenten en medewerkers werken al enkele jaren aan fotonica-technologie op nanoschaal.

"We zijn geïnteresseerd in het uitvoeren van oplossingsgericht onderzoek dat potentieel biedt voor de industrie. We identificeren de belangrijkste problemen in het veld, een oplossing vinden en doorgaan naar de volgende stappen naar technologievertaling, ' zei professor Jin.

"Om dat te doen, je moet de juiste partner vinden met complementaire vaardigheden, bouw een relatie op die gebaseerd is op vertrouwen en draag die met volharding zoals we hebben gedaan in de zes jaar die nodig waren om dit onderzoek te voltooien."

Hij zei dat deze nieuwe tool mogelijkheden opent om te begrijpen hoe de levensmachine werkt, op een niet-invasieve manier, hopelijk leidend tot een beter begrip van ziekteverwekkers en ziektes die resistent zijn tegen antibiotica, en het immuunsysteem.

Professor Jim Piper, van Macquarie University en het ARC Centre of Excellence voor Nanoscale BioPhotonics, was mede-onderzoeker van het Nature-onderzoek. Hij zei dat de onderzoeksresultaten opwindend waren omdat deze nanodeeltjes "unieke eigenschappen hebben waardoor onderzoekers dieper en duidelijker kunnen zien op cellulair en intracellulair niveau - waar eiwitten, antilichamen en enzymen leiden uiteindelijk de machinerie van het leven".

"Wat we hebben gedaan, is illustreren dat kleine nanodeeltjes een aanzienlijk potentieel bieden als een nieuwe generatie luminescente sondes voor optische nanoscopie. Dit opent een geheel nieuwe weg in de studie van levende biologische processen."

Universitair hoofddocent Peng Xi van de Universiteit van Peking, een vooraanstaand onderzoeker in superresolutiemicroscopie, zei, "Na de Nobelprijs in 2014, de aandacht van de superresolutiegemeenschap is gericht op de ontwikkeling van technieken die compatibel zijn met levende cellen. Onze nieuw ontwikkelde zeldzame-aarde-nanodeeltjes verminderen de behoefte aan krachtige lasers met twee tot drie ordes van grootte, wat de brede toepassing van deze technologie in levende cellen mogelijk maakt en de kosten en complexiteit van het systeem drastisch vermindert."

Het onderzoek naar "Amplified gestimuleerde emissie in opconversie nanodeeltjes voor superresolutie nanoscopie" werd uitgevoerd door wetenschappers van UTS, Macquarie-universiteit, Universiteit van Peking en Shanghai Jiao-tong Universiteit.