Het positioneren en volgen van nanodeeltjes heeft een breed scala aan toepassingen in de biowetenschappen, geneesmiddelenonderzoek en -ontwikkeling. Realtime registratie van de intracellulaire en extracellulaire beweging van nanodeeltjes is van groot belang bij het onderzoeken van de basiswetten van levensactiviteiten en medicijntransformatie, omdat het cruciaal is voor het ophelderen van belangrijke wetenschappelijke kwesties zoals pathogenese van ziekten, virale dynamische infectie van gastheercellen en bevordering van de ontwikkeling en transformatie van nanodrugs.

In een nieuw onderzoek gepubliceerd op Optics Letters , hebben onderzoekers onder leiding van prof. Zhang Yunhai van het Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology (SIBET) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) de fase van het uitgestraalde licht gemoduleerd om de puntspreidingsfunctie (PSF) te hervormen en zo de axiale positie van de zender. De informatie over de axiale positie van de deeltjes kan worden verkregen door de variatie van de vorm of grootte van de PSF te schatten.

De onderzoekers ontwierpen twee nieuwe puntspreidingsfuncties:2π-dubbele helix puntspreidingsfunctie (2π-DH-PSF) en splicing exponentiële functie puntspreidingsfunctie (SE-PSF), en gebruikten deze om biologische deeltjes driedimensionaal (3D) te volgen.

De 2π-dubbele-helix PSF (2π-DH-PSF) die 2π radialen kan roteren, kan deeltjes driedimensionaal volgen in het axiale bereik van 10 m. In combinatie met de defocusfasen en het aannemen van een specifieke optische instelling, wat resulteert in een uiteindelijke DH-PSF-rotatiehoek van 720 graden, kan een viervoudige vergroting van de scherptediepte worden bereikt in vergelijking met een conventionele DH-PSF.

De SE-PSF kan de ruimtelijke omvang en het axiaal detecteerbare bereik regelen door de ontwerpparameters aan te passen. Door de exponentiële functiefase en de defocusfase als basiseenheden te nemen, kan de geoptimaliseerde fase van SE-PSF gegenereerd door splitsing, symmetrie, optimalisatie en andere bewerkingen deeltjes volgen in drie dimensies binnen een axiaal bereik van 20 m.

De SE-PSF met een kleinere ruimtelijke omvang kan de overlap van nanodeeltjesafbeeldingen effectief verminderen en de 3D-lokalisatie van dichte multideeltjes realiseren.

De 3D-trackingtechnologie voor deeltjes kan het traject van het virus in de extracellulaire biologische gel (zoals slijm) en het proces van virusdeeltjes die levende cellen binnendringen registreren.

"Het kan worden gebruikt om de gemiddelde snelheid, diffusiecoëfficiënt, enz. van deeltjes te berekenen. Daarom kan het een referentie bieden voor het bestuderen van het dynamische transportproces van virusdeeltjes die gastheercellen infecteren", zegt prof. Zhang Yunhai, de teamleider.

Naast de drie toepassingen van buitenmembraanblaasjes, virussen en nanodrugdragers, kan het ook worden toegepast op neurale blaasjes (50-500 nm), chylomicronen (75-600 nm) en chromosomen (30-750 nm) .

De tracking- en positioneringstechnologie biedt nieuwe onderzoeksideeën en -methoden voor een dynamisch proces van signaaltransductie van neurotransmitters, vertering en opname van voedingsstoffen in het maagdarmkanaal en de replicatie van genetisch materiaal, volgens prof. Zhang. + Verder verkennen

Gelijktijdige optische vangst en beeldvorming in het axiale vlak voor interactie tussen licht en materie