Optiska mikroskop och pincett kan avbilda och manipulera objekt i mikroskala för tillämpningar inom cellulär och molekylärbiologi. Den optiska upplösningen är, dock, hämmas av diffraktionsgränsen och därför kan både mikroskop och pincett inte avbilda och manipulera nanoobjekt direkt. Nya tekniker i plasmoniska/fotoniska nanoskop och nanotweezer syftar till att uppnå upplösning i nanometerskala, även om materialstrukturer med högt index lätt kan orsaka mekanisk och fototermisk skada på bioproverna i nanoskala.

I en nyligen publicerad studie nu publicerad på Ljus:Vetenskap och tillämpningar , Yuchao Li och kollegor vid Institute of Nanophotonics i Kina, utvecklat ett optiskt mikroskopsystem som använder levande celler som små linser för att avbilda och manipulera föremål som är mindre än ljusets våglängd. De visade sub-diffraktionsgränsavbildning och manipulering av nanoobjekt med en icke-invasiv enhet, som de konstruerade genom att fånga en cell på en fiberspets. Den fångade cellen bildade en bioförstoringsapparat som kunde förstora nanostrukturer med en upplösning på 100 nm, under vitljusmikroskopi. Med hjälp av bioförstoringsapparaten, Li et al. bildade en nanooptisk fälla för att exakt manipulera en enskild nanopartikel med en radie på 50 nm. Tekniken ger ett högprecisionsverktyg för optisk avbildning, avkänning och montering av bio-nanomaterial utan mekanisk eller fototermisk skada.

Optisk avbildning för att manipulera små föremål är avgörande för medicinsk diagnos, biologisk avkänning, cellulär utforskning, molekylär träning och materialsammansättning. Pincett och mikroskop är standardenheter för beröringsfri avbildning och manipulering av små prover som sträcker sig från några nanometer till flera mikron. Ändå, det är utmanande att använda tekniken för att ta bilder i nanoskala, eftersom den optiska upplösningen är begränsad till ungefär halva belysningsvåglängden.

Forskare har uppnått dramatiska framsteg med nanoskop och nanotweezer i närområdet under de senaste decennierna för att uppnå optisk avbildning med nanometerupplösning. Dessa avbildningstekniker undanhölls av högindex oorganiska material såsom ädelmetaller och halvledare som används för deras tillverkning - som kan mekaniskt skada prover av biologiska celler eller vävnad under närfältsavbildning och manipulation.

Forskare undersökte därför enklare optiska avbildningsscheman baserade på dielektriska mikrosfärer för att övervinna diffraktionsgränsen som är vanlig för konventionella mikroskop. Även om tekniken är etikettfri och genomförbar, sådana mikrosfärer är baserade på konstgjorda oorganiska material som kiseldioxid (SiO ₂ ), titandioxid (TiO ₂ ) och bariumtitanat (BaTiO ₃ ). Forskare är därför intresserade av att utveckla ett naturligt biomaterial för att konstruera en biokompatibel enhet för bioavbildning, manipulation och biomagnifiering vid rumslig upplösning i nanoskala.

Li et al. utvalda biologiska celler för att ersätta mikrosfärer eftersom celler är både rikliga och biokompatibla i kontakt med biologiska system. Till exempel, forskare kan använda levande celler för att manipulera ljus i biologiska miljöer och fungera som optofluidiska mikrolinser, optiska sonder och till och med införliva E coli som biofotoniska vågledare. I detta arbete, Li et al. förbättrade indexkontrasten för levande celler genom att använda en sfärisk form halvnedsänkt i ett medium för att uppnå fokusering vid sub-våglängden. Forskarna tog biologiska bilder med hjälp av subdiffraktionsljusfläcken för att belysa riktade prover tillsammans med vitljusmikroskopi. Ljusfläcken i nanostorlek utövade en stark optisk gradientkraft för att fånga och manipulera en enda nanopartikel vilket gör att bioförstoringsapparaten också kan fungera som en optisk nanotweezer.

Forskarna genomförde alla experiment under ett optiskt mikroskop i reflektionsläge kopplat till en laddningskopplad enhet (CCD) kamera och objektiv. De använde ljuskällor vid 390 nm, 560 nm och 808 nm för excitation, belysning respektive fångst. Med hjälp av en optisk fiber med en avsmalnande spets, Li et al. fångade bioförstoringsapparaten i änden av fibern, som de kontrollerade genom att flytta spetsen med hjälp av en mikromanipulator. Li et al. valde släta och sfäriska celler för att minimera bildaberration och noterade att cellerna uppvisade bättre fokuseringsprestanda när de halvsänktes i lösning för att bibehålla cellviabiliteten.

Under experimentell bildbehandling, forskarna placerade en halvt nedsänkt bioförstoringsapparat ovanpå ett testprov och samlade in den underliggande närfältsinformationen från provet, för att bilda en virtuell bild som detekteras av ett optiskt mikroskop. Li et al. framställt en mängd olika bioförstoringsapparater med olika celler inklusive bakterier, jäst, röda blodkroppar och stamceller. För det första bildprovet, de använde ett tvådimensionellt hexagonalt nanosfärsystem av kiseldioxid med en diameter på 200 nm på ett glassubstrat med hjälp av en fotoforetisk teknik.

Endast nanosfärer med bioförstorare ovanpå kunde lösas upp under bildbehandling, medan nanosfärer utan biomagnifierare inte kunde lösas med ett konventionellt mikroskop. Förstoringsfaktorn M för de stamcellsbaserade biomagnifierarna bestämdes vara 3,3 gånger större (x3,3), och forskarna visade att det experimentella M berodde på bioförstoringsapparatens diameter. Senare, Li et al. utförde alla experiment med bioförstoringsapparater med denna diameter.

För att undersöka tillämpningarna av bioförstoringsapparater, Li et al. avbildade mänskliga epitelceller som avbildningsmål genom att odla epitelceller på ett spegelsubstrat för förbättrade ljus-materia-interaktioner via interferens av belysningsljus och reflektionsljus. Även om det var svårt att särskilja de fibrösa cytoskelettet och dubbelskiktsstrukturerna under ett konventionellt optiskt mikroskop, efter att ha placerat en biomagnifier ovanpå epitelcellerna kunde forskarna lösa båda strukturerna. För att förbättra bildåtergivningsfältet (FOV), de fångade bioförstoringsapparaten på en fiberspets och flyttade den för att skanna proverna. Till exempel, Li et al. använde inställningen för att skanna nanomönstrade bokstäver som stod för en förkortning av Jinan University – JNU, som de först skapade på kisel med hjälp av elektronstrålelitografi.

Därefter, när de samtidigt bestrålade nära infraröda (IR) och UV-laserstrålar på bioförstoringsapparaten genom en objektivlins, de kunde fånga och excitera nanopartiklarna. För dessa experiment, forskarna använde fluorescerande nanopartiklar med en genomsnittlig radie på 50 nm. När de fångade en enda nanopartikel i fokus för en bioförstoringsapparat, de observerade både optiska och fluorescerande bilder av provet av intresse. Li et al. beräknade sedan fångststyvheten hos partikeln i realtid med hjälp av en optisk pincett av standardtyp. Förmågan att manipulera en enda nanopartikel utan kontakt och exakt via optik kommer att vara användbar för att montera välreglerade nanostrukturer. När Li et al. numeriskt undersökt avbildningsmekanismen och fångststyvheten hos bioförstoringsapparater med hjälp av 3-D-simulering och COMSOL-mjukvara. De observerade att subdiffraktionsgränsen för ljusfokuseringsförmågan resulterade från en kombinerad "fotonisk nanojet"-effekt och koherent interferensförbättring av spegeln.

Metodens begränsningar inkluderade avbildningsavvikelse och distorsion på grund av de inhomogena intracellulära strukturerna hos den naturliga bioförstoringsanordningen, jämfört med dielektriska mikrosfärer med enhetliga brytningsindex. Lyckligtvis, intracellulära material var optiskt transparenta för synligt och nära-infrarött ljus och de optiska interaktionerna var relativt svaga inuti en enda cell. Intracellulära aktiviteter kan också ändra den partiella brytningsindexfördelningen i en cell för att orsaka ljusförvrängning under fångst och avbildning, men de flesta intracellulära aktiviteter var ultrasnabba och påverkade inte avbildningsschemat.

På det här sättet, Yuchao Li och kollegor utvecklade en ny experimentell bildteknik och verifierade de experimentella kapaciteterna med FEM-simuleringar. Li et al. integrerade optiska nanoskop och nanotweezer i en enda enhet för att avbilda och manipulera nanostrukturer samtidigt för första gången i detta arbete. De främjade upplösningen av tekniken till 100 nm och föreslog en etikettfri bildprocedur. Forskarna föreställer sig att den levande bioförstoringsapparaten öppnar nya möjligheter inom superupplösningsavbildning, realtidsavkänning och exakt nanosammansättning av bionanomaterial för att bilda nanoarkitekturer av intresse.

© 2019 Science X Network