雪崩纳米粒子实时突破天富登录网址成像细胞的障碍

时间:2021-05-05 10:52 作者:http://zdtnx.com.cn/ 分享到:
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这项研究由伯克利实验室和哥伦比亚工程共同领导,通过克服光的基本特性,可以实现简单、高分辨率的实时生物成像。
 
从最早的显微镜开始,科学家们就一直在寻求制造出分辨率越来越高的仪器来为细胞的蛋白质成像——这种微小的机器使细胞和我们保持运转。但要取得成功,他们需要克服衍射极限,光长阻止光学显微镜的基本特性,将成为关注焦点任何小于可见光波长的一半(约200纳米或十亿分之一米)——太大探索许多细胞的目的。
 
一个多世纪以来,科学家们尝试了不同的方法——从密集计算到特殊的激光和显微镜——来在更小的尺度上解析细胞特征。2014年,科学家们因为他们在超分辨率光学显微镜方面的工作而获得了诺贝尔化学奖。超分辨率光学显微镜是一项突破性的技术,通过利用特殊的荧光分子、形状不同寻常的激光束或复杂的计算来在纳米尺度上可视化图像,从而绕过衍射极限。天富登录网址
 
雪崩纳米颗粒
 
左图:实验中的掺杂铥雪崩纳米粒子的pasi(光子雪崩单束超分辨率成像)图像,其间距为300纳米。右图:相同材料的PASSI模拟。来源:伯克利实验室和哥伦比亚大学
 
 
据《自然》杂志的一篇封面文章报道,由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和哥伦比亚大学Fu基金会工程与应用科学学院(哥伦比亚工程)共同领导的一个研究小组开发了一种新的晶体材料,称为雪崩纳米颗粒(ANPs),当用作显微镜探针时,无需进行大量计算或使用超分辨率显微镜就能克服衍射极限。
 
研究人员表示,anp将促进细胞细胞器和蛋白质的高分辨率实时生物成像,以及超灵敏光学传感器和模拟人脑神经结构的神经形态计算的发展,以及其他应用。
 
“这些纳米粒子使每个简单的扫描共聚焦显微镜变成实时超分辨率显微镜,但它们所做的并不是真正的超分辨率。他们实际上使衍射极限更低,”但没有之前技术的复杂计算过程,Bruce Cohen说,他是伯克利实验室分子铸造和分子生物物理学和集成生物成像部门的工作人员。扫描共聚焦显微镜是一种技术,通过扫描聚焦的激光在样品上产生一个像素一个像素的放大图像。
 
一个意外的发现
 
目前研究中描述的光子雪崩纳米颗粒直径约为25纳米。其核心包含一个掺杂镧系金属铥的纳米晶体,可以吸收和发射光。一个绝缘的外壳确保纳米粒子吸收和发射光的部分远离其表面,不会将其能量损失到其周围的环境中,使其更有效率,报告的合著者,天富平台登录伯克利实验室分子铸造的工作科学家埃默里·陈解释说。
 
光子雪崩的一个定义特征是它的极端非线性。这意味着,每增加一倍的激光强度,激发一种微观材料,其发出的光强度就增加一倍以上。为了实现光子雪崩,激励激光强度每增加一倍,发射光的强度就增加30000倍。
 
但令研究人员高兴的是,当前研究中描述的anp满足了每一倍的激励激光强度,发射的光增加了近8000万倍。在光学显微镜的世界里,这是一种令人眼花缭乱的非线性发射。科恩补充说,自从这项研究发表后,“我们现在实际上有了一些更好的研究。”
 
如果没有Chan在2016年的研究,研究人员可能不会考虑到铥光子雪崩的潜力,该研究计算了在1064纳米近红外光刺激下,数百种镧系掺杂剂组合的发光特性。“令人惊讶的是,掺铥的纳米颗粒被预测发出最多的光,尽管传统观点认为它们应该是完全黑暗的,”Chan指出。
 
根据研究者的模型、铥可以发光的唯一方法是通过一个称为能量循环的过程,这是一个连锁反应,最终导致一个铥离子吸收光邻近铥离子跃迁到一个国家,让他们更好的吸收和发光。
 
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