(PhysOrg.com) -- Ett forskarlag från Stanford använder glödande nanopelare för att ge biologer, neurologer och andra forskare en djupare, mer exakt titta på levande celler.

När orden går, evanescent ser inte tillräckligt mycket användning. Det är en konstfull term vars skönhet motsäger dess sanna betydelse:flyktig eller snabbt dö ut. James Dean var flyktig. De sista strålarna av en solnedgång är försvinnande. Allt som försvinner, dock, är inte förlorad, som ett team av Stanford-forskare visade i en ny artikel i Proceedings of the National Academy of Sciences. Faktiskt, i rätt händer, evanescens kan ha en bestående effekt.

Stanford-teamet – ledd av kemisten Bianxiao Cui och ingenjören Yi Cui (ingen relation), med forskarna Chong Xie och Lindsey Hanson – har skapat en cellulär forskningsplattform som använder nanopelare som lyser på ett sådant sätt att biologer, neurologer och andra forskare en djupare, mer exakt titta på levande celler.

"Detta nya belysningssystem är mycket exakt, sa Bianxiao Cui, studiens seniorförfattare och biträdande professor i kemi vid Stanford. "Nanopelarstrukturerna i sig erbjuder många fördelar som gör denna utveckling särskilt lovande för studier av mänskliga celler."

Långvariga utmaningar

För att förstå potentialen i detta genombrott, det är till hjälp att förstå utmaningarna med tidigare former av molekylär avbildning, som lyser direkt på motivområdet istället för att använda bakgrundsbelysning, som i detta tillvägagångssätt.

Forskare hoppas på bättre, mindre molekylär avbildning har i åratal varit handfängsel av en fysisk begränsning av hur litet område de kan fokusera på – ett område som kallas observationsvolymen. Den minsta observationsvolymen har länge varit begränsad till våglängden för synligt ljus, cirka 400 nanometer. Individuella molekyler, även långa proteiner som är vanliga inom biologi och medicin, är mycket mindre än 400 nanometer.

Det är här evanescens kommer in. Stanford-teamet har framgångsrikt använt kvartsnanopelare som lyser precis tillräckligt för att ge ljus att se av, men tillräckligt svag för att slå under 400 nanometersbarriären. Ljusfältet som omger de glödande nanopelarna – känd som "evanescensvågen" – dör ut inom cirka 150 nanometer från pelaren. Voilà – en ljuskälla som är mindre än ljusets våglängd. Stanford-forskarna uppskattar att de har krympt observationsvolymen till en tiondel av storleken på tidigare metoder.

Särskilt löfte

Stanford nanopillar avbildningsteknik är särskilt lovande i cellulära studier av flera skäl. Först, det är icke-invasivt – det skadar inte cellen som observeras, en undergång av vissa tidigare tekniker. Till exempel, en levande neuron kan odlas på plattformen och observeras under långa tidsperioder.

Andra, nanopelarna fäster i huvudsak cellerna på plats. Detta är lovande för studiet av neuroner i synnerhet, som tenderar att röra sig med tiden på grund av den upprepade eldning och avslappning som krävs för studier.

Slutligen, och kanske viktigast av allt, Stanford-teamet fann att genom att modifiera kemin på ytan av nanopelarna kunde de locka till sig specifika molekyler som de vill observera. I huvudsak kan de handplocka molekyler att studera även i den trånga och komplexa miljön i en mänsklig cell.

"Vi vet att proteiner och deras antikroppar attraherar varandra, ", sa Bianxiao Cui. "Vi belägger pelarna med antikroppar och proteinerna vi vill titta på dras direkt till ljuskällan – som primadonnor till rampljuset."

Sätter scenen

För att skapa sina nanopelare, Stanford-teammedlemmarna börjar med ett ark kvarts, som de sprayar med fina guldprickar i ett scattershot-mönster – Jackson Pollock-stil. De etsar sedan kvartsen med hjälp av en frätande gas. Guldprickarna skyddar kvartsen direkt under från etsningsprocessen, lämnar efter sig långa, tunna pelare av kvarts.

Forskarna kan kontrollera höjden på nanopelarna genom att justera hur lång tid etsgasen är i kontakt med kvartsen och diametern på nanopelarna genom att variera storleken på guldprickarna. När etsningsprocessen är klar och pelarna är skapade, de lägger till ett lager av platina till den platta vidden av kvarts vid basen av pelarna.

Inställningen är något ur en futuristisk John Ford-film – Monument Valley renderad i kvartskristall. Allt som saknas är en diligens och John Wayne. I den här världen, en bred öken av platina sträcker sig till horisonten, ibland avbruten av genomskinliga spikar av kristallint kvarts som reser sig flera hundra nanometer från dalbotten.

Stanfordforskarna skiner sedan ett ljus underifrån sin skapelse. Den ogenomskinliga platinan blockerar det mesta av ljuset, men en liten mängd färdas upp genom nanopelarna, som lyser mot det mörka fältet av platina.

"Nanopelarna ser lite ut som små ljussabel, sade Yi Cui, docent i materialvetenskap och teknik vid Stanford, "men de ger precis rätt mängd ljus för att tillåta forskare att göra några ganska fantastiska saker - som att titta på enskilda molekyler."

Teamet har skapat en exceptionell plattform för att odla och observera mänskliga celler. Platinan är biologiskt inert och cellerna växer över och fäster tätt vid nanopelarna. De glödande spirorna möts sedan av fluorescerande molekyler i den levande cellen, får molekylerna att glöda – ger forskarna precis det ljus de behöver för att titta in i cellerna.

"Så, Vi har inte bara hittat ett sätt att belysa volymer en tiondel så små som tidigare metoder – så att vi kan titta på mindre och mindre strukturer – utan vi kan också välja och vraka vilka molekyler vi vill observera, ", sade Yi Cui. "Detta kan bevisa precis den typ av transformativ teknologi som forskare inom biologi, neurologi, medicin och andra områden måste ta nästa steg framåt i sin forskning."