Optische microscopen en pincetten kunnen objecten op microschaal in beeld brengen en manipuleren voor toepassingen in cellulaire en moleculaire biologie. De optische resolutie is echter, gehinderd door de diffractielimiet en daarom zijn zowel microscopen als pincetten niet in staat om nano-objecten rechtstreeks af te beelden en te manipuleren. Opkomende technieken in plasmonische/fotonische nanoscopen en nanopincet zijn gericht op het bereiken van resolutie op nanometerschaal, hoewel materiaalstructuren met een hoge index gemakkelijk mechanische en fotothermische schade aan de biospecimens op nanoschaal kunnen veroorzaken.

In een recente studie die nu is gepubliceerd op Licht:wetenschap en toepassingen , Yuchao Li en collega's van het Institute of Nanophotonics in China, ontwikkelde een optisch microscoopsysteem met levende cellen als kleine lenzen om objecten kleiner dan de golflengte van licht af te beelden en te manipuleren. Ze toonden sub-diffractie-limiet beeldvorming en manipulatie van nano-objecten met een niet-invasief apparaat, die ze construeerden door een cel op een vezelpunt te vangen. De gevangen cel vormde een biomagnifier die nanostructuren kon vergroten met een resolutie van 100 nm, onder witlichtmicroscopie. Met behulp van de biomagnifier, Li et al. vormden een nano-optische val om een ​​individueel nanodeeltje met een straal van 50 nm nauwkeurig te manipuleren. De techniek biedt een uiterst nauwkeurig hulpmiddel voor optische beeldvorming, detectie en assemblage van bio-nanomaterialen zonder mechanische of fotothermische schade.

Optische beeldvorming om kleine objecten te manipuleren is cruciaal voor medische diagnose, biologische waarneming, cellulaire verkenning, moleculaire training en assemblage van materialen. Pincet en microscopen zijn standaardapparaten voor contactloze beeldvorming en manipulatie van minuscule monsters variërend van enkele nanometers tot enkele microns. Hoe dan ook, het is een uitdaging om de technologie te gebruiken om afbeeldingen op nanoschaal te maken, aangezien de optische resolutie beperkt is tot ongeveer de helft van de verlichtingsgolflengte.

Wetenschappers hebben de afgelopen decennia een dramatische vooruitgang geboekt met nanoscopen en nanopincet in het nabije veld om optische beeldvorming met nanometerresolutie te bereiken. Deze beeldvormingstechnieken werden tegengehouden door anorganische materialen met een hoge index, zoals edele metalen en halfgeleiders die werden gebruikt voor hun fabricage - die monsters van biologische cellen of weefsel mechanisch kunnen beschadigen tijdens beeldvorming en manipulatie in het nabije veld.

Wetenschappers onderzochten daarom eenvoudigere optische beeldvormingsschema's op basis van diëlektrische microsferen om de diffractielimiet te overwinnen die gebruikelijk is bij conventionele microscopen. Hoewel de techniek labelvrij en haalbaar is, dergelijke microbolletjes zijn gebaseerd op kunstmatige anorganische materialen zoals siliciumdioxide (SiO ₂ ), titaandioxide (TiO ₂ ) en bariumtitanaat (BaTiO ₃ ). Onderzoekers zijn daarom geïnteresseerd in het ontwikkelen van een natuurlijk biomateriaal om een ​​biocompatibel apparaat voor biobeeldvorming te bouwen, manipulatie en biomagnificatie bij ruimtelijke resolutie op nanoschaal.

Li et al. geselecteerde biologische cellen om microsferen te vervangen, aangezien cellen zowel overvloedig als biocompatibel zijn in contact met biologische systemen. Bijvoorbeeld, wetenschappers kunnen levende cellen gebruiken om licht in biologische omgevingen te manipuleren en fungeren als optofluïdische microlenzen, optische sondes en zelfs opnemen E coli als biofotonische golfgeleiders. In het huidige werk, Li et al. verbeterde het indexcontrast van levende cellen door een bolvorm te gebruiken die half ondergedompeld was in een medium om scherpstelling op de subgolflengte te bereiken. De wetenschappers legden biologische beelden vast met behulp van de subdiffractie-lichtvlek om gerichte monsters te verlichten, samen met witlichtmicroscopie. De lichtvlek van nanoformaat oefende een sterke optische gradiëntkracht uit om een ​​enkel nanodeeltje te vangen en te manipuleren, waardoor de biomagnifier ook als een optische nanopincet kon functioneren.

De wetenschappers voerden alle experimenten uit onder een optische microscoop met reflectiemodus, gekoppeld aan een CCD-camera (charge-coupled device) en objectieflens. Ze gebruikten lichtbronnen op 390 nm, 560 nm en 808 nm voor excitatie, respectievelijk verlichting en trapping. Met behulp van een optische vezel met een taps toelopende punt, Li et al. de biomagnifier opgesloten aan het einde van de vezel, die ze bestuurden door de tip te verplaatsen met behulp van een micromanipulator. Li et al. selecteerde gladde en bolvormige cellen om beeldafwijkingen te minimaliseren en merkte op dat de cellen betere focusprestaties vertoonden wanneer ze half ondergedompeld waren in oplossing om de levensvatbaarheid van de cellen te behouden.

Tijdens experimentele beeldvorming, de wetenschappers plaatsten een semi-ondergedompelde biomagnifier bovenop een testmonster en verzamelden de onderliggende near-field-informatie van het monster, om een ​​virtueel beeld te vormen zoals gedetecteerd door een optische microscoop. Li et al. een verscheidenheid aan biomagnifiers bereid met behulp van verschillende cellen, waaronder bacteriën, gist, rode bloedcellen en stamcellen. Voor het eerste afbeeldingsmonster, ze gebruikten een tweedimensionale hexagonale silica-nanosfeer-array met een diameter van 200 nm op een glazen substraat met behulp van een fotoforetische techniek.

Alleen nanosferen met biomagnifiers erop konden worden opgelost tijdens beeldvorming, terwijl nanosferen zonder biomagnifiers niet konden worden opgelost met een conventionele microscoop. De vergrotingsfactor M van de op stamcellen gebaseerde biomagnifiers bleek 3,3 keer groter te zijn (x 3,3), en de wetenschappers toonden aan dat de experimentele M afhing van de diameter van de biomagnifier. Vervolgens, Li et al. voerden alle experimenten uit met biomagnifiers van deze diameter.

Om de toepassingen van biomagnifiers te onderzoeken, Li et al. menselijke epitheelcellen in beeld gebracht als beeldvormende doelen door epitheelcellen op een spiegelsubstraat te laten groeien voor verbeterde licht-materie-interacties via de interferentie van het verlichtingslicht en reflectielicht. Hoewel het moeilijk was om het fibreuze cytoskelet en de dubbellaagse structuren te onderscheiden onder een conventionele optische microscoop, na het plaatsen van een biomagnifier bovenop de epitheelcellen waren de wetenschappers in staat om beide structuren op te lossen. Om het beeldveld (FOV) te verbeteren, ze vingen de biomagnifier op een vezeltip en verplaatsten deze om de monsters te scannen. Bijvoorbeeld, Li et al. gebruikte de opstelling om letters met nanopatronen te scannen die stonden voor een acroniem van Jinan University - JNU, die ze voor het eerst op silicium creëerden met behulp van elektronenstraallithografie.

Daarna, wanneer ze gelijktijdig nabij-infrarood (IR) en UV-laserstralen op de biomagnifier door een objectieflens bestraalden, ze zouden de nanodeeltjes kunnen vangen en opwekken. Voor deze experimenten is de wetenschappers gebruikten fluorescerende nanodeeltjes met een gemiddelde straal van 50 nm. Toen ze een enkel nanodeeltje opsloten in de focus van een biomagnifier, ze observeerden zowel optische als fluorescerende beelden van het betreffende monster. Li et al. berekende vervolgens de vangststijfheid van het deeltje in realtime met behulp van een standaard optisch pincet. De mogelijkheid om een ​​enkel nanodeeltje contactloos en precies via optica te manipuleren, zal nuttig zijn om goed gereguleerde nanostructuren te assembleren. Wanneer Li et al. numeriek het beeldvormingsmechanisme en de vangststijfheid van biomagnifiers onderzocht met behulp van 3D-simulatie en COMSOL-software. Ze observeerden dat het subdiffractie-limietlichtfocusvermogen het gevolg was van een gecombineerd "fotonisch nanojet" -effect en coherente interferentieverbetering door de spiegel.

Beperkingen van de methode omvatten beeldvorming aberratie en vervorming als gevolg van de inhomogene intracellulaire structuren van de natuurlijke biomagnifier, vergeleken met diëlektrische microsferen met uniforme brekingsindices. Gelukkig, intracellulaire materialen waren optisch transparant voor zichtbaar en nabij-infrarood licht en de optische interacties waren relatief zwak in een enkele cel. Intracellulaire activiteiten kunnen ook de partiële brekingsindexverdeling in een cel veranderen om lichtvervorming te veroorzaken tijdens het vangen en beeldvorming, maar de meeste intracellulaire activiteiten waren ultrasnel en hadden geen invloed op het beeldvormingsschema.

Op deze manier, Yuchao Li en collega's ontwikkelden een nieuwe experimentele beeldvormingstechniek en verifieerden de experimentele mogelijkheden met FEM-simulaties. Li et al. geïntegreerde optische nanoscopen en nanopincet in een enkel apparaat om voor het eerst in dit werk nanostructuren tegelijkertijd af te beelden en te manipuleren. Ze bevorderden de resolutie van de techniek tot 100 nm en stelden een labelvrije beeldvormingsprocedure voor. De wetenschappers stellen zich de levende biomagnifier voor om nieuwe kansen te openen in beeldvorming met superresolutie, real-time detectie en nauwkeurige nano-assemblage van bionanomaterialen om interessante nanoarchitecturen te vormen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk