Onderzoekers van de National University of Singapore hebben een nieuwe generatie nabij-infrarood (NIR)-emitterende nanosondes ontwikkeld voor beeldvorming met superresolutie in diepe weefsels. Deze nanosondes zijn gebaseerd op met lanthanide gedoteerde nanomaterialen met rijke energieniveaus, hoge fotostabiliteit en programmeerbare optische kinetiek.

Gestimuleerde-emissie-uitputting (STED) microscopie, uitgevonden door Stefan HELL in 2000 (bekroond met de Nobelprijs voor Scheikunde 2014), heeft optische microscopie in de nanodimensie gebracht en onze horizon diepgaand uitgebreid naar het subcellulaire niveau. Voor een typische STED-microscoop, er worden twee laserstralen gebruikt; een van de laserstralen stimuleert fluorescerende moleculen om te gloeien en de andere elimineert alle fluorescentie behalve die welke aanwezig is in een nanometer groot volume. Door stapsgewijs over het monster te scannen, nanometer voor nanometer, er kan een beeld worden verkregen met een resolutie die beter is dan de door Abbe vastgestelde limiet (fysieke limiet voor de maximale resolutie van traditionele optische microscopie). Organische fluoroforen worden vaak gebruikt voor STED-microscopie. Echter, de intense pulsen in STED-microscopie concurreren vaak met snelle spontane fluorescentie (k> 10 ⁸ s ^-1 ) van de fluoroforen, resulterend in mogelijke fototoxiciteit, fotobleken, en significante uitputting-geïnduceerde re-excitatie achtergrond. Dit vermindert de kwaliteit van de verkregen afbeeldingen. Bovendien, organische fluoroforen werken vaak in het gebied van zichtbaar licht en dit belemmert mogelijke toepassingen met diepe weefsels.

Een onderzoeksteam onder leiding van prof. LIU Xiaogang van de afdeling Scheikunde, Nationale Universiteit van Singapore, ontdekte dat een reeks neodymium (Nd ³⁺ )-gedoteerde lanthanide-nanodeeltjes kunnen fungeren als effectievere nanosondes voor STED-beeldvormingstoepassingen, autofluorescentievrij mogelijk maken, laag vermogen, beeldvorming met superresolutie in optische NIR-vensters. Na excitatie door een laserstraal met een golflengte van 808 nm, deze Nd ³⁺ -gedoteerde nanodeeltjes zenden sterke luminescentie uit rond het 860 nm NIR-gebied met een efficiëntie van meer dan 20%. Wanneer samen verlicht met een 1, 064-nm golflengte laser, deze NIR-luminescentie wordt onmiddellijk uitgeschakeld. Het onderzoeksteam ontdekte dat een bijna-eenheidsrendement (98,8%) in luminescentieonderdrukking kan worden bereikt door het uitputtingsvermogen te vergroten. In vergelijking met organische kleurstof-gemedieerde STED-microscopie, de hoeveelheid stroom die nodig is om de intensiteit van de luminescentie te halveren, bekend als de verzadigingsintensiteit, meer dan twee ordes van grootte lager is. Dit vermogen van de Nd ³⁺ - gedoteerde nanodeeltjes die aan en uit konden worden gezet door verschillende laserstraalgolflengten te gebruiken bij lage stroomomstandigheden, stelde het STED-proces in staat om een ​​laterale resolutie van ongeveer 19 nm te bereiken voor een enkel nanodeeltje. Het onderzoeksteam demonstreerde ook contrastrijke diepe weefsel (~ 50 mm) beeldvorming met een ruimtelijke resolutie van ongeveer 70 nm. belangrijk, deze nanosondes vertoonden geen teken van fotobleking, zelfs niet na twee uur bestraling.

Afgezien van de visuele kwaliteit, het team heeft ook het mechanisme onderzocht dat ten grondslag ligt aan de prestaties van de Nd ³⁺ -gedoteerde nanodeeltjes in STED-beeldvormingstoepassingen. Met een quasi-vier-niveau configuratie en een lange levensduur (> 100 milliseconden) metastabiele toestanden, deze Nd ³⁺ -gedoteerde nanodeeltjes kunnen gemakkelijk worden geëxciteerd tot het metastabiele emitterende niveau en het energieniveau boven de grondtoestand. Omdat de nanodeeltjes langere tijd in de aangeslagen toestand kunnen blijven, er is minder laserenergie nodig voor het beeldvormingsproces. De configuratie met vier niveaus kan ook door uitputting veroorzaakte re-excitatie elimineren, wat leidt tot een efficiënt proces van uitputting van gestimuleerde emissies.

Prof Liu zei:"In recente jaren, veel onderzoekers zijn op lange termijn uitdagingen aangegaan, diep weefsel, beeldvorming met hoge resolutie. Deze nieuwe generatie lanthanide-nanoprobes kan mogelijk belangrijke toepassingen vinden in bio-imaging en moleculaire detectie."