Fig. 1. Två defocus 2π-dubbel helixpunkt spridningsfunktioner kombinerades för att uppnå stort skärpedjupspartikelspårning. SIBET
Positionering och spårning av nanopartiklar har ett brett användningsområde inom life science, läkemedelsforskning och utveckling. Realtidsregistrering av den intracellulära och extracellulära rörelsen av nanopartiklar är av stor betydelse för att utforska de grundläggande lagarna för livsaktiviteter och läkemedelsomvandling eftersom det är avgörande för att klargöra viktiga vetenskapliga frågor som sjukdomspatogenes, viral dynamisk infektion av värdceller och främja utvecklingen och omvandlingen av nanodroger.
I en ny forskning publicerad på Optics Letters , forskare under ledning av prof. Zhang Yunhai från Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology (SIBET) vid den kinesiska vetenskapsakademin (CAS) modulerade fasen av det emitterade ljuset för att omforma punktspridningsfunktionen (PSF) och på så sätt koda den axiella sändarens läge. Informationen om partiklarnas axiella position kan erhållas genom att uppskatta variationen i formen eller storleken på PSF.
Forskarna designade två nya punktspridningsfunktioner:2π-dubbelhelixpunktspridningsfunktion (2π-DH-PSF) och splitsningsexponentiell funktionspunktspridningsfunktion (SE-PSF), och använde dem för att tredimensionell (3D) spåra biologiska partiklar.
2π-dubbelhelix-PSF (2π-DH-PSF) som kan rotera 2π radianer kan spåra partiklar tredimensionellt i det axiella området 10 μm. I kombination med defokuseringsfaserna och anta en specifik optisk inställning, vilket resulterar i en slutlig DH-PSF-rotationsvinkel på 720 grader, kan man uppnå en fyrfaldig förlängning av skärpedjupet jämfört med en konventionell DH-PSF.
Fig. 2. Genereringsprocessen för splitsning av exponentiell funktionsfas. Kredit:SIBET
SE-PSF kan styra den rumsliga utsträckningen och det axiella detekterbara området genom att justera designparametrarna. Med exponentiell funktionsfas och defokuseringsfas som grundläggande enheter, kan den optimerade fasen av SE-PSF som genereras av skarvning, symmetri, optimering och andra operationer spåra partiklar i tre dimensioner inom 20 μm axiellt område.
SE-PSF med en mindre rumslig utsträckning kan effektivt minska överlappningen av nanopartikelbilder och realisera 3D-lokaliseringen av täta multipartiklar.
3D-spårningstekniken för partiklar kan registrera virusets bana i den extracellulära biologiska gelén (som t.ex. slem) och processen för viruspartiklar som kommer in i levande celler.
"Den kan användas för att beräkna partikelns medelhastighet, diffusionskoefficient, etc. Därför kan den ge en referens för att studera den dynamiska transportprocessen av viruspartiklar som infekterar värdceller", säger prof. Zhang Yunhai, teamledaren.
Fig. 3. Experimentell jämförelse. Kredit:SIBET
Förutom de tre tillämpningarna av yttre membranvesiklar, virus och nanoläkemedelsbärare, kan den också appliceras på neurala vesiklar (50–500 nm), chylomikroner (75–600 nm) och kromosomer (30–750 nm) .
Spårnings- och positioneringsteknologin tillhandahåller nya forskningsidéer och metoder för dynamisk process av signaltransduktion av signalsubstanser, matsmältning och absorption av näringsämnen i mag-tarmkanalen, och replikering av genetiskt material, enligt prof. Zhang. + Utforska vidare
