Bij beeldvorming op het niveau van één molecuul, kleine onregelmatigheden bekend als heterogeniteiten worden duidelijk - kenmerken die verloren gaan in hogere schaal, zogenaamde ensemblebeeldvorming. Tegelijkertijd, het was tot voor kort een uitdaging om luminescerende sondes te ontwikkelen met de fotostabiliteit, helderheid en continue emissie die nodig zijn voor microscopie met één molecuul. Nutsvoorzieningen, echter, wetenschappers in de Molecular Foundry van het Lawrence Berkeley National Lab, Berkeley, CA hebben ontwikkeld opconverterende nanodeeltjes (UCNP's) met een diameter van minder dan 10 nm, waarvan de helderheid bij beeldvorming met één deeltjes groter is dan die van bestaande materialen met meer dan een orde van grootte. De onderzoekers stellen dat hun bevindingen een scala aan toepassingen mogelijk maken, inclusief mobiele en in vivo in beeld brengen, evenals rapportage over lokale elektromagnetische nabije-veldeigenschappen van complexe nanostructuren.

Dr. P. James Schuck besprak het artikel dat hij, Dr. Bruce E. Cohen, Dr. Daniel J. Gargas, Dr. Emory M. Chan, en hun co-auteurs gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , te beginnen met de belangrijkste uitdagingen die de wetenschappers tegenkwamen in:

• het ontwikkelen van luminescerende sondes met de fotostabiliteit, helderheid en continue emissie die nodig zijn voor microscopie met één molecuul
• ontwikkelen van sub-10 nm met lanthanide gedoteerd opconverterende nanodeeltjes (UCNP's) een orde van grootte helderder onder beeldvormingsomstandigheden met één deeltje dan bestaande composities, lanthaniden zijn overgangsmetalen met eigenschappen die verschillen van andere elementen

"De meest voorkomende emitters die worden gebruikt voor beeldvorming met één molecuul - organische kleurstoffen en kwantumdots - hebben aanzienlijke beperkingen die uiterst moeilijk te overwinnen zijn gebleken, " Schuck vertelt Phys.org. Hij legt uit dat organische kleurstoffen over het algemeen de kleinste sondes zijn (meestal ~ 1 nm groot), en zal willekeurig in- en uitschakelen. Dit "knipperen" is behoorlijk problematisch voor beeldvorming met één molecuul, hij gaat door, en meestal zal na het uitzenden van ongeveer 1 miljoen fotonen altijd fotobleekmiddel - dat is, permanent uitschakelen. "Dit klinkt in het begin misschien als veel fotonen, "Schuck zegt, "maar dit betekent dat de kleurstoffen onder de meeste beeldvormingsomstandigheden na slechts ongeveer 1 tot 10 seconden stoppen met uitzenden. UCNP's knipperen nooit."

Bovendien, Schuck vervolgt, het blijkt dat dezelfde problemen bestaan ​​voor fluorescerende kwantumstippen, of Qdots , ook. Echter, terwijl het mogelijk is om Qdots te maken die niet knipperen of fotobleken, dit vereist meestal de toevoeging van lagen aan de Qdot, waardoor ze te groot zijn voor veel beeldverwerkingstoepassingen. (Een kwantumpunt is een halfgeleider nanokristal dat klein genoeg is om kwantummechanische eigenschappen te vertonen.) "Onze nieuwe UCNP's zijn klein, en niet knipperen of bleken."

Door deze eigenschappen hij merkt op, UCNP's hebben onlangs veel belangstelling gewekt omdat ze het potentieel hebben om ideale luminescente labels en sondes te zijn voor optische beeldvorming - maar de belangrijkste wegversperring om hun potentieel te realiseren was het onvermogen om sub-10 nm UCNP's te ontwerpen die helder genoeg waren om te worden afgebeeld op de enkele UCNP-niveau.

"Dit brengt me bij wat waarschijnlijk de belangrijkste afhaalmaaltijd is van ons werk, dat is de ontdekking en demonstratie van nieuwe regels voor het ontwerpen van ultraheldere, ultrakleine UCNP-sondes met één molecuul, " zegt Schuck. Bovendien, hij benadrukt dat deze nieuwe regels in schril contrast staan ​​met conventionele methoden voor het maken van heldere UCNP's. "Zoals we in onze krant lieten zien, we hebben UCNP's zo klein als een enkel fluorescerend eiwit gesynthetiseerd en afgebeeld! Voor veel bioimaging-toepassingen, zeer kleine – zeker kleiner dan 10nm – luminescentiesondes zijn vereist omdat je het label of de sonde echt nodig hebt om het systeem dat ze sonderen zo min mogelijk te storen."

Schuck noemt nog een ander voordeel van het opwaarderen van nanodeeltjes, namelijk ze werken door twee of meer infraroodfotonen te absorberen en zichtbaar licht met hogere energie uit te zenden. "Omdat bijna alle andere materialen niet worden geconverteerd, bij het afbeelden van de UCNP's in een monster, er is bijna geen andere autofluorescerende achtergrond afkomstig van het monster. Dit resulteert in een goed beeldcontrast en grote signaal-naar-achtergrondniveaus." terwijl organische kleurstoffen en Qdots ook IR-licht kunnen absorberen en licht met hogere energie kunnen uitzenden via een niet-lineair twee+ fotonabsorptieproces, de excitatiekrachten die nodig zijn om meetbare twee-foton-fluorescentiesignalen in kleurstoffen en kleine Qdots te genereren, zijn vele ordes van grootte hoger dan nodig is voor het genereren van upconverted luminescentie van UCNP's. "Deze hoge vermogens zijn over het algemeen slecht voor monsters en een grote zorg in bioimaging-gemeenschappen", benadrukt Schuck, "waar ze kunnen leiden tot schade en celdood."

Schuck merkt op dat twee andere belangrijke aspecten die centraal staan ​​in de ontdekkingen die in het artikel worden genoemd - het gebruik van geavanceerde karakterisering van één deeltjes, en theoretische modellering - waren een gevolg van de multidisciplinaire samenwerkingsomgeving bij de Foundry. "Voor deze studie moesten we fotofysica met één molecuul combineren, het vermogen om ultrakleine upconverting nanokristallen van bijna elke samenstelling te synthetiseren, en de geavanceerde modellering en simulatie van optische eigenschappen van UCNP, "zegt hij. "Het nauwkeurig simuleren en modelleren van het fotofysische gedrag van deze materialen is een uitdaging vanwege het grote aantal energieniveaus in deze materialen die allemaal op complexe manieren op elkaar inwerken, en Emory Chan heeft een uniek model ontwikkeld dat objectief rekening houdt met alle meer dan 10, 000 overgangen van spruitstuk naar spruitstuk in het toegestane energiebereik."

Eerder, Schuck zegt dat de conventionele wijsheid voor het ontwerpen van heldere UCNP's was om een ​​relatief kleine concentratie van emitter-ionen in de nanodeeltjes te gebruiken, omdat te veel emitters leiden tot een lagere helderheid als gevolg van zelfdovende effecten zodra de UCNP-emitterconcentratie ~1% overschrijdt. "Dit blijkt waar te zijn als je deeltjes wilt maken die helder zijn onder ensemble-beeldvormingsomstandigheden - dat wil zeggen, waar een relatief laag excitatievermogen wordt gebruikt - aangezien je veel deeltjes hebt die gezamenlijk signaleren, " legt Schuck uit. "Echter, dit breekt af onder beeldvormingscondities met één molecuul." In hun paper, de onderzoekers hebben aangetoond dat onder de hogere excitatiekrachten die worden gebruikt voor het afbeelden van afzonderlijke deeltjes, de relevante energieniveaus raken meer verzadigd en zelfdovend wordt verminderd. "Daarom, "Schuck vervolgt, "u wilt in uw UCNP's een zo hoog mogelijke concentratie emitter-ionen opnemen." Dit resulteert erin dat de nanodeeltjes bijna niet-luminescerend zijn bij ensemble-omstandigheden met een laag excitatievermogen als gevolg van aanzienlijke zelfdovende, maar ultrahelder onder beeldvormingscondities met één molecuul.

Een andere belangrijke implicatie van deze bevinding, Schuck voegt toe, is dat het zou moeten veranderen hoe mensen in de toekomst zullen screenen op de beste lichtgevende sondes met één molecuul. "Tot nu, " merkt hij op, "mensen zouden eerst kijken welke sondes helder waren met behulp van omstandigheden op ensemble-niveau, zou dan alleen die subset onderzoeken als mogelijke sondes met één molecuul. Onze nieuwe sondes zouden, natuurlijk, zijn gezakt voor die screeningstest!"

Schuck benadrukt nogmaals dat "een belangrijke reden voor deze ontdekking is dat we experts hebben op alle belangrijke gebieden in hetzelfde gebouw, en we waren in staat om snel de theorie-synthese-karakteriseringscyclus te doorlopen."

Wat betreft toekomstige onderzoeksrichtingen, merkt Schuck op, de wetenschappers volgen een paar verschillende wegen. "We zouden deze nieuw ontworpen UCNP's nu zeker willen gebruiken voor bio-imaging ... tot nu toe, we hebben de fundamentele fotofysische eigenschappen van deze deeltjes alleen onderzocht als ze op glas zijn geïsoleerd. We geloven dat een opwindende en belangrijke toepassing het gebruik ervan bij beeldvorming van de hersenen zal zijn, met name voor diep weefsel in vivo optische beeldvorming van neuronen en hersenfunctie.

Tot slot, Schuck noemt andere onderzoeksgebieden die baat kunnen hebben bij hun studie. "Ik denk dat een primaire toepassing het volgen van één deeltjes is in cellen. Bijvoorbeeld, " illustreert hij, "specifieke eiwitten labelen met individuele UCNP's en ze volgen om hun cellulaire kinetiek te begrijpen."

Langs verschillende lijnen, Schuck voegt toe, het blijkt dat UCNP's ook uitstekende sondes zijn van zeer lokale elektromagnetische velden. "Dit komt omdat lanthaniden een vrij unieke reeks fotofysische eigenschappen hebben, zoals relatief veel voorkomende magnetische dipoolemissie, waardoor we optische magnetische velden kunnen onderzoeken, en zeer lange levensduur zodat overgangen niet sterk worden toegestaan, wat ons in staat stelt om kwantum optische effecten in holtes gemakkelijker te onderzoeken, zoals de Purcell-verbetering van emissie. In feite, Schuck concludeert, een experiment dat UCNP's gebruikt om te rapporteren over de sterkten in het nabije veld en de veldverdelingen rond nanoplasmonische apparaten, is net aan de gang."

© 2014 Fys.org