Figur (a) visar den föreslagna optiska emissionsutarmningsmekanismen för den nära infraröda (NIR) nedskiftande luminescensen i den neodymmedierade processen för utarmning av stimulerad utsläpp (STED). Figur (b) jämför bilderna som erhållits från konventionell konfokal avbildning och STED-avbildning med lantanidnanopartiklar, med bättre kontrast i den senare tekniken. Kredit:LIANG Liangliang
Forskare från National University of Singapore har utvecklat en ny generation av nära infraröda (NIR)-emitterande nanosonder för superupplösningsavbildning i djupa vävnader. Dessa nanosonder är baserade på lantaniddopade nanomaterial med rika energinivåer, hög fotostabilitet och programmerbar optisk kinetik.
STED-mikroskopi (stimulated-emission depletion), uppfanns av Stefan HELL 2000 (belönades med Nobelpriset i kemi 2014), har fört optisk mikroskopi in i nanodimensionen och djupt utökat våra horisonter till subcellulär nivå. För ett typiskt STED-mikroskop, två laserstrålar används; en av laserstrålarna stimulerar fluorescerande molekyler att glöda och den andra tar bort all fluorescens förutom den som finns i en nanometerstor volym. Genom att skanna över provet på ett stegvis sätt, nanometer för nanometer, en bild med en upplösning bättre än Abbes angivna gräns (fysisk gräns för maximal upplösning för traditionell optisk mikroskopi) kan erhållas. Organiska fluoroforer används vanligtvis för STED-mikroskopi. Dock, de intensiva pulserna i STED-mikroskopi konkurrerar ofta med snabb spontan fluorescens (k> 10 8 s -1 ) från fluoroforerna, resulterar i potentiell fototoxicitet, fotoblekning, och betydande utarmningsinducerad återexcitationsbakgrund. Detta minskar kvaliteten på de erhållna bilderna. Dessutom, Organiska fluoroforer arbetar ofta i området med synligt ljus och detta hindrar potentiella tillämpningar som involverar djupa vävnader.
En forskargrupp ledd av professor LIU Xiaogang från Institutionen för kemi, National University of Singapore, upptäckte att en serie neodym (Nd 3+ )-dopade lantanid-nanopartiklar kan fungera som mer effektiva nanosonder för STED-avbildningstillämpningar, möjliggör autofluorescensfri, låg effekt, superupplöst bildbehandling i optiska NIR-fönster. Vid excitation av en 808 nm våglängd laserstråle, dessa Nd 3+ -dopade nanopartiklar avger stark luminescens runt 860 nm NIR-regionen med mer än 20% effektivitet. När sambelyst med en 1, 064-nm våglängdslaser, denna NIR-luminescens stängs omedelbart av. Forskargruppen fann att en effektivitet nära enhet (98,8%) i luminescensundertryckning kan uppnås genom att öka utarmningskraften. I jämförelse med organisk färgämnesmedierad STED-mikroskopi, mängden kraft som krävs för att minska luminescensintensiteten med hälften, känd som mättnadsintensitet, är mer än två storleksordningar lägre. Denna förmåga hos Nd 3+ -dopade nanopartiklar som skulle slås på och av genom att använda olika laserstrålevåglängder vid lågeffektförhållanden gjorde att STED-processen kunde uppnå en lateral upplösning på cirka 19 nm för en enda nanopartikel. Forskargruppen visade också högkontrast djupvävnad (~50 mm) avbildning med cirka 70 nm rumslig upplösning. Viktigt, dessa nanosonder visade inga tecken på fotoblekning även efter två timmars bestrålning.
Förutom den visuella kvaliteten, teamet har också undersökt mekanismen som ligger till grund för Nd:s prestanda 3+ -dopade nanopartiklar i STED-avbildningstillämpningar. Med en konfiguration på nästan fyra nivåer och långlivad (> 100 millisekunder) metstabila tillstånd, dessa Nd 3+ -dopednanopartiklar kan lätt exciteras till den metastabila emitterande nivån och energinivån över marktillståndet. Eftersom nanopartiklarna kan förbli i de exciterade tillstånden under en längre tid, mindre laserenergi krävs för avbildningsprocessen. Konfigurationen med fyra nivåer kan också eliminera utarmningsstråleinducerad återexcitering, leder till en effektiv process för utarmning av stimulerade utsläpp.
Prof Liu sa, "Under de senaste åren har många forskare har antagit utmaningar på lång sikt, djupvävnad, högupplöst bildbehandling. Denna nya generation av lantanid nanoprober kan potentiellt hitta viktiga tillämpningar inom bioavbildning och molekylär detektion."
