Medische onderzoekers worden geconfronteerd met een hindernis bij het bestuderen van cellen onder een optische microscoop - de wetten van de fysica. Het verkrijgen van een afbeelding van iets onder een bepaalde grootte is ingewikkeld; optische openingen en de golflengte van zichtbaar licht verstoren de helderheid. Bekend als de diffractielimiet, het werd voor het eerst aangetroffen door de Duitse natuurkundige Ernst Abbe in 1873, en beperkt de resolutie tot maximaal 200 nanometer (nm) (of 200 miljardste van een meter).

In de afgelopen 20 jaar, nieuwe 'superresolutie'-technieken hebben dit obstakel gepasseerd, beeldvorming van items tot enkele nanometers. Een van hen, STED (of gestimuleerde emissie-uitputting) microscopie, won zelfs de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2014. Maar superresolutie heeft beperkingen:er zijn ofwel complexe tools of uitgebreide computerverwerking voor nodig, die wazige glitches kunnen toevoegen. En het gebruikt vaak moleculaire kleurstoffen als fluorescerende tags, die gemakkelijk degraderen onder laserlicht, waardoor ze onmogelijk te gebruiken zijn voor lange belichtingstijden.

Bij het Centrum voor Nanoschaal BioPhotonics (CNBP), wetenschappers onderzoeken een nieuwe strategie die de tijd verlengt die onderzoekers hebben om cellen onder een microscoop te analyseren. Het is gebaseerd op een slim gebruik van een ander type fluorescerende marker die bekend staat als up-conversion nanodeeltjes, of UCNP's.

"De optische eigenschappen van UCNP's bieden veel mogelijkheden voor bio-sensing-toepassingen en, specifiek, voor beeldvorming met superresolutie, " zei Dr. Simone De Camillis, een postdoctoraal onderzoeker aan het Macquarie University-knooppunt van CNBP, die deel uitmaakt van het team onder leiding van Prof Jim Piper, hoofdonderzoeker voor de Advanced Detection and Imaging-groep.

Het team ontwikkelde een nieuwe klasse UCNP's waarvan de helderheid abrupt verandert wanneer ze worden opgewonden door nabij-infrarood licht. Dit gedrag kan worden misbruikt om objecten af ​​te beelden met een resolutie die de helft van de diffractielimiet is, zodat deze extreem kleine deeltjes veel duidelijker te zien zijn. En wat meer is, de methode kan worden toegepast op standaard confocale microscopen die veel worden gebruikt in de hedendaagse laboratoria.

Omdat het afhankelijk is van licht met een relatief laag vermogen, de techniek - bekend als up-conversie super-lineaire excitatie-emissie (uSEE) microscopie - is relatief onschadelijk voor levende cellen en kan beeldvorming dieper in het weefsel mogelijk maken.

De UCNP's kunnen ook naast de STED-aanpak opereren, waardoor beeldvorming tot 60nm mogelijk is, vergelijkbaar met de prestaties van conventionele STED met moleculaire kleurstoffen.

Het team perfectioneert nu het ontwerp van de nieuwe UCNP's en hun vermogen om ze met een hogere betrouwbaarheid te produceren. Deze verbeteringen, samen met verbeterde beeldvorming die de grootte van een enkel nanodeeltje benadert, de weg vrijmaken voor 'kwantitatieve beeldvorming':het vermogen om het werkelijke aantal UCNP's in cellen te tellen, evenals de positie van elke individuele nanodeeltjessonde identificeren en weten waar ze zijn.

"Momenteel, als ze heel dicht bij elkaar staan, het kan moeilijk zijn om ze te onderscheiden, "Zei De Camillis. "Dus we experimenteren nu met de samenstelling en structuur van de UCNP's om afzonderlijke UCNP's echt op te lossen, zelfs als ze clusteren."