Автор AZoNano 15 января 2021 г.

С момента появления первых микроскопов ученые стремились создать инструменты с все более и более высоким разрешением для изображения белков клетки – крошечных машин, которые заставляют клетки и нас работать. Но чтобы добиться успеха, им необходимо преодолеть дифракционный предел, фундаментальное свойство света, которое долгое время не позволяло оптическим микроскопам фокусировать все, что меньше половины длины волны видимого света (около 200 нанометров или миллиардных долей метра) – слишком велико для исследовать многие внутренние механизмы клетки.

Более века ученые экспериментировали с различными подходами – от интенсивных вычислений до специальных лазеров и микроскопов – для разрешения клеточных особенностей во все меньших масштабах. А в 2014 году ученые были удостоены Нобелевской премии по химии за их работу в области оптической микроскопии сверхвысокого разрешения – новаторской техники, которая позволяет обойти дифракционный предел за счет использования специальных флуоресцентных молекул, лазерных лучей необычной формы или сложных вычислений для визуализации изображений в наномасштабе. .

Теперь, как сообщается в статье на обложке журнала Nature группа исследователей, возглавляемая Национальной лабораторией Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Лаборатория Беркли) и Школой Фонда Фу Колумбийского университета Инженерные и прикладные науки (Columbia Engineering) разработали новый класс кристаллического материала, называемого лавинообразными наночастицами (ANP), которые при использовании в качестве микроскопического зонда преодолевают дифракционный предел без сложных вычислений или микроскопа сверхвысокого разрешения.

Исследователи говорят, что ANP будут продвигать био-визуализацию клеточных органелл и белков с высоким разрешением в реальном времени, а также разработку сверхчувствительных оптических сенсоров и нейроморфных вычислений, имитирующих нервную структуру человеческого мозга. среди других приложений.

«Эти наночастицы превращают любой простой сканирующий конфокальный микроскоп в микроскоп сверхвысокого разрешения в реальном времени, но то, что они делают, не совсем сверхразрешение. Они фактически значительно понижают дифракционный предел» но без процесса «Тяжелые вычисления предыдущих методов», – сказал соавтор Брюс Коэн, штатный научный сотрудник отделения молекулярной литейной и молекулярной биофизики и комплексной биовизуализации лаборатории Беркли. Сканирующая конфокальная микроскопия – это метод, позволяющий получать увеличенное изображение образца, пиксель за пикселем, путем сканирования сфокусированного лазера по образцу.

Неожиданное открытие

Описанные в данном исследовании фотонные лавинообразные наночастицы имеют диаметр около 25 нанометров. Ядро содержит нанокристалл, легированный металлическим лантаноидом тулием, который поглощает и излучает свет. Изолирующая оболочка гарантирует, что часть наночастицы, которая поглощает и излучает свет, находится далеко от поверхности и не теряет энергию в окружающую среду, что делает ее более эффективной, объяснил соавтор Эмори Чан, штатный научный сотрудник лаборатории Molecular в Беркли. Литейный завод.

Определяющей характеристикой лавины фотонов является ее крайняя нелинейность. Это означает, что каждое удвоение интенсивности излучения лазера для возбуждения микроскопического материала более чем вдвое увеличивает интенсивность излучаемого этим материалом света. Чтобы добиться лавины фотонов, каждое удвоение интенсивности возбуждающего лазера увеличивает интенсивность излучаемого света в 30 000 раз.

Но, к радости исследователей, ANP, описанные в текущем исследовании, встречали каждое удвоение интенсивности возбуждающего лазера с увеличением излучаемого света почти в 80 миллионов раз. В мире оптической микроскопии это невероятная степень нелинейного излучения. И после публикации исследования «у нас сейчас есть несколько лучших», – добавил Коэн .

Исследователи могли бы не учитывать потенциал тулия для схода фотонной лавины, если бы не исследование Чана в 2016 году, в котором были рассчитаны светоизлучающие свойства сотен комбинаций примесей лантаноидов при стимуляции 1064-нанометровым светом ближнего инфракрасного диапазона. «Удивительно, но, по прогнозам, наночастицы, легированные тулием, излучают больше всего света, хотя общепринятая мудрость гласила, что они должны быть полностью темными, », – отметил Чан.

Согласно моделям исследователей, единственный способ, при помощи которого тулий мог излучать свет, – это процесс, называемый энергетической петлей, который представляет собой цепную реакцию, в которой ион тулия, который поглотил свет, возбуждает соседние ионы тулия в состояние, позволяющее они лучше поглощают и излучают свет.

Эти возбужденные ионы тулия, в свою очередь, повышают вероятность поглощения света другими соседними ионами тулия. Этот процесс повторяется в контуре положительной обратной связи до тех пор, пока большое количество ионов тулия не будет поглощать и излучать свет.

«Это похоже на размещение микрофона рядом с динамиком – обратная связь, вызванная динамиком, усиливающим собственный сигнал, превращается в неприятно громкий звук. В нашем случае мы увеличиваем количество ионов тулия, которые могут излучать " Чан объяснил, что это очень нелинейный свет. Он добавил, что когда энергетическая петля чрезвычайно эффективна, это называется лавинообразным потоком фотонов, поскольку несколько поглощенных фотонов могут каскадом излучать множество фотонов.

Во время исследования 2016 года Чан и его коллеги надеялись, что они смогут экспериментально увидеть лавину фотонов, но исследователи не смогли получить наночастицы с достаточной нелинейностью, чтобы соответствовать строгим критериям лавины фотонов до настоящего исследования.

Для производства лавинообразных наночастиц исследователи полагались на робота WANDA (Рабочая станция для автоматизированного обнаружения и анализа наноматериалов) компании Molecular Foundry для изготовления множества различных партий нанокристаллов, легированных различным количеством тулия и покрытых изолирующими оболочками. «Одним из способов, которым мы смогли достичь такой высокой эффективности фотонного схода лавины с нашими наночастицами тулия, было покрытие их очень толстыми оболочками нанометрового масштаба », – сказал Чан, соавтор разработки WANDA в 2010 году. .

Выращивание панцирей – сложный процесс, который может занять до 12 часов, – пояснил он. Автоматизация процесса с помощью WANDA позволила исследователям выполнять другие задачи, обеспечивая при этом однородность толщины и состава оболочек, а также точно настраивать реакцию материала на свет и разрешающую способность.

Преодоление лавины в наномасштабе

Эксперименты по сканирующей конфокальной микроскопии, проведенные соавтором П. Джеймсом Шаком, доцентом кафедры машиностроения в Columbia Engineering, старшим научным сотрудником Molecular Foundry лаборатории Беркли, показали, что наночастицы, допированные умеренно высокими концентрациями тулия, демонстрируют нелинейные реакции больше, чем ожидалось, для лавины фотонов, что делает эти наночастицы одним из самых нелинейных наноматериалов, известных из существующих.

Чангван Ли, аспирант в лаборатории Шака, провел серию оптических измерений и расчетов, чтобы подтвердить, что наночастицы соответствуют строгим критериям схода фотонной лавины. Эта работа является первым случаем, когда все критерии схода фотонной лавины были выполнены в одной частице нанометрового размера.

Чрезвычайная нелинейность сходящих лавино наночастиц позволила Шаку и Ли возбуждать и отображать отдельные наночастицы, расположенные на расстоянии менее 70 нанометров друг от друга. В традиционной «линейной» световой микроскопии многие наночастицы возбуждаются лазерным лучом, диаметр которого превышает 500 нанометров, в результате чего наночастицы выглядят как одно большое пятно света.

Техника авторов, называемая фотонной лавинной однолучевой визуализацией сверхвысокого разрешения (PASSI), использует тот факт, что пятно сфокусированного лазерного луча более интенсивно в центре, чем на краях, сказал Чан. Поскольку излучение ANP резко возрастает с увеличением интенсивности лазера, только частицы в 70-нанометровом центре лазерного луча излучают значительное количество света, что обеспечивает превосходное разрешение PASSI.

Текущее исследование, по словам исследователей, немедленно открывает новые области применения в сверхчувствительном инфракрасном обнаружении фотонов и преобразовании ближнего инфракрасного света в более высокие энергии для получения изображений сверхвысокого разрешения с помощью имеющихся в продаже сканирующих конфокальных оптических микроскопов и улучшенного разрешения в состоянии готовности. -современные оптические микроскопы сверхвысокого разрешения.

«Это потрясающе. Обычно в оптике вам нужно использовать действительно интенсивный свет, чтобы получить большой нелинейный эффект – а это не годится для биоизображения, потому что вы готовите свои клетки с такой силой света», сказал Шак, который продолжил свои совместные исследования в Molecular Foundry в качестве пользователя. «Но с этими наночастицами, легированными тулием, мы показали, что они не требуют такой большой входной интенсивности, чтобы получить разрешение менее 70 нанометров. Обычно со сканирующим конфокальным микроскопом вы получаете 300 нанометров. довольно хорошее улучшение, и мы воспользуемся им, тем более, что вы получаете изображения в сверхвысоком разрешении практически бесплатно ».

Теперь, когда они успешно снизили дифракционный предел с помощью своих фотонных лавинообразных наночастиц, исследователи хотели бы поэкспериментировать с новыми составами материала для визуализации живых систем или обнаружения изменений температуры в органелле клетки и белковом комплексе.

«Наблюдение таких сильно нелинейных явлений в наночастицах интересно, потому что считается, что нелинейные процессы формируют структуры, подобные полосам у животных, и вызывают периодическое, похожее на часы поведение», – отметил Чан . «Нелинейные процессы в наномасштабе могут быть использованы для создания крошечных аналого-цифровых преобразователей, которые могут быть полезны для световых компьютерных микросхем, или они могут быть использованы для концентрирования тусклого однородного света в концентрированные импульсы».

«Это такие необычные материалы, и они совершенно новые. Мы надеемся, что люди захотят опробовать их с разными микроскопами и разными образцами, потому что главное в открытиях фундаментальной науки – это то, что вы можете взять неожиданный результат, и вы увидите, как ваши коллеги бегут с ним в новых захватывающих направлениях, », – сказал Коэн.

Чан, Коэн и Шук совместно с Артуром Беднаркевичем из Польской академии наук и Юнг Дуг Су из Корейского научно-исследовательского института химической технологии (KRICT) и Университета Сунгюнкван (SKKU), Южная Корея, руководили исследованием. В их соавторы входят Чанхван Ли (ведущий автор), Эмма Сюй и Кайюань Яо из Columbia Engineering; Яйвэй Лю (Китайская академия наук), Айелет Тейтельбойм и Анхель Фернандес-Браво из Molecular Foundry лаборатории Беркли; Агата Котульска из Польской академии наук; и Санг Хван Нам из Корейского научно-исследовательского института химической технологии.

Молекулярный литейный завод – это пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики в лаборатории Беркли.

Это исследование было частично поддержано Управлением науки Министерства энергетики США, включая финансирование от Programmable Quantum Materials, исследовательского центра Energy Frontier, финансируемого Министерством энергетики США.

Источник: http://www.lbl.gov/