Medicinska forskare står inför ett hinder när de studerar celler under ett optiskt mikroskop - fysikens lagar. Att skaffa en bild av något under en viss storlek är komplicerat; optiska bländare och våglängden hos synligt ljus spelar förödelse med klarhet. Känd som diffraktionsgränsen, den träffades första gången av den tyske fysikern Ernst Abbe 1873, och begränsar upplösningen till 200 nanometer (nm) i bästa fall (eller 200 miljarddelar av en meter).

Under de senaste 20 åren, nya "superupplösningstekniker" har trängt sig förbi detta hinder, bildobjekt ner till några nanometer. En av dem, STED (eller stimulated emission depletion) mikroskopi, vann till och med 2014 års Nobelpris i fysik. Men superupplösning har begränsningar:den behöver antingen komplexa verktyg eller omfattande datorbehandling, som kan lägga till suddiga fel. Och den använder ofta molekylära färgämnen som fluorescerande taggar, som lätt bryts ned under laserljus, vilket gör dem omöjliga att använda för långa exponeringar.

Vid Center for Nanoscale BioPhotonics (CNBP), forskare undersöker en ny strategi som förlänger den tid som forskare har på sig att analysera celler under ett mikroskop. Den förlitar sig på en smart användning av en annan typ av fluorescerande markör känd som uppkonverteringsnanopartiklar, eller UCNP.

"De optiska egenskaperna hos UCNP ger många möjligheter för bioavkänningsapplikationer och, specifikt, för superupplösningsbilder, " sa Dr Simone De Camillis, en postdoktor vid CNBP:s Macquarie University nod, som är en del av teamet som leds av prof Jim Piper, chefsutredare för gruppen Advanced Detection and Imaging.

Teamet utvecklade en ny klass av UCNP vars ljusstyrka ändras abrupt när de exciteras av nära-infrarött ljus. Detta beteende kan utnyttjas för att avbilda objekt med en upplösning som är halva diffraktionsgränsen, så att dessa extremt små partiklar kan ses mycket tydligare. Och vad mer, metoden kan appliceras på konfokala standardmikroskop som ofta används i dagens labb.

Eftersom den förlitar sig på ljus med relativt låg effekt, Tekniken – känd som up-conversion super-linear excitation-emission (uSEE) mikroskopi – är relativt ofarlig för levande celler och kan möjliggöra avbildning djupare in i vävnaden.

UCNP:erna kan också verka vid sidan av STED-metoden, tillåter bildåtergivning ner till 60nm, jämförbar med prestanda hos konventionell STED som använder molekylära färgämnen.

Teamet fulländar nu designen av de nya UCNP:erna och deras förmåga att tillverka dem med högre tillförlitlighet. Dessa förbättringar, tillsammans med förbättrad avbildningsförmåga som närmar sig storleken av en enda nanopartikel, bana väg för "kvantitativ avbildning":förmågan att räkna det faktiska antalet UCNP i celler, samt identifiera positionen för varje enskild nanopartikelsond och veta var de är.

"För närvarande, när de är väldigt nära varandra, det kan vara svårt att skilja dem åt, " De Camillis sa. "Så vi experimenterar nu med sammansättningen och strukturen av UCNPs för att verkligen kunna lösa enstaka UCNPs, även när de klungar ihop sig."