La figura (a) mostra il meccanismo proposto di esaurimento dell'emissione ottica della luminescenza downshifting nel vicino infrarosso (NIR) nel processo di esaurimento delle emissioni stimolate (STED) mediato dal neodimio. La figura (b) confronta le immagini ottenute dall'imaging confocale convenzionale e dall'imaging STED utilizzando le nanoparticelle di lantanidi, con un miglior contrasto in quest'ultima tecnica. Attestazione:LIANG Liangliang
I ricercatori della National University of Singapore hanno sviluppato una nuova generazione di nanosonde che emettono nel vicino infrarosso (NIR) per l'imaging a super risoluzione nei tessuti profondi. Queste nanosonde sono basate su nanomateriali drogati con lantanidi con ricchi livelli di energia, elevata fotostabilità e cinetica ottica programmabile.
Microscopia a deplezione di emissione stimolata (STED), inventato da Stefan HELL nel 2000 (premio Nobel per la Chimica 2014), ha portato la microscopia ottica nella nanodimensione e ha esteso profondamente i nostri orizzonti al livello subcellulare. Per un tipico microscopio STED, vengono utilizzati due raggi laser; uno dei raggi laser stimola le molecole fluorescenti a brillare e l'altro annulla tutta la fluorescenza ad eccezione di quella presente in un volume di dimensioni nanometriche. Scansionando il campione in modo graduale, nanometro per nanometro, è possibile ottenere un'immagine con una risoluzione migliore del limite stabilito da Abbe (limite fisico per la risoluzione massima della microscopia ottica tradizionale). I fluorofori organici sono comunemente usati per la microscopia STED. Però, gli impulsi intensi nella microscopia STED spesso competono con la rapida fluorescenza spontanea (k> 10 8 S -1 ) dai fluorofori, con conseguente potenziale fototossicità, fotosbiancamento, e un significativo background di rieccitazione indotto da esaurimento. Ciò riduce la qualità delle immagini ottenute. Inoltre, i fluorofori organici spesso lavorano nella regione della luce visibile e questo ostacola potenziali applicazioni che coinvolgono i tessuti profondi.
Un gruppo di ricerca guidato dal Prof LIU Xiaogang del Dipartimento di Chimica, Università Nazionale di Singapore, scoperto che una serie di neodimio (Nd 3+ le nanoparticelle di lantanidi drogati ) possono fungere da nanosonde più efficaci per le applicazioni di imaging STED, consentendo l'autofluorescenza, a bassa potenza, imaging ad alta risoluzione nelle finestre ottiche NIR. All'eccitazione da un raggio laser di lunghezza d'onda di 808 nm, questi Nd 3+ le nanoparticelle drogate emettono una forte luminescenza intorno alla regione NIR di 860 nm con un'efficienza superiore al 20%. Quando co-illuminato con un 1, laser a lunghezza d'onda 064 nm, questa luminescenza NIR viene immediatamente spenta. Il team di ricerca ha scoperto che un'efficienza quasi unitaria (98,8%) nella soppressione della luminescenza può essere ottenuta aumentando il potere di esaurimento. Rispetto alla microscopia STED mediata da coloranti organici, la quantità di potenza necessaria per ridurre della metà l'intensità della luminescenza, nota come intensità di saturazione, è inferiore di più di due ordini di grandezza. Questa capacità del Nd 3+ - le nanoparticelle drogate da attivare e disattivare utilizzando diverse lunghezze d'onda del raggio laser in condizioni di bassa potenza hanno consentito al processo STED di ottenere una risoluzione laterale di circa 19 nm per una singola nanoparticella. Il team di ricerca ha anche dimostrato l'imaging dei tessuti profondi ad alto contrasto (~50 mm) con una risoluzione spaziale di circa 70 nm. È importante sottolineare che queste nanosonde non hanno mostrato alcun segno di photobleaching anche dopo due ore di irradiazione.
Oltre alla qualità visiva, il team ha anche studiato il meccanismo alla base delle prestazioni del Nd 3+ nanoparticelle drogate in applicazioni di imaging STED. Con una configurazione quasi a quattro livelli e di lunga durata (> 100 millisecondi) stati metastabili, questi Nd 3+ -le nanoparticelle drogate possono essere facilmente eccitate al livello di emissione metastabile e al livello di energia al di sopra dello stato fondamentale. Poiché le nanoparticelle possono rimanere negli stati eccitati per un periodo di tempo più lungo, è necessaria meno energia laser per il processo di imaging. La configurazione a quattro livelli può anche eliminare la rieccitazione indotta dal fascio di esaurimento, portando a un efficiente processo di esaurimento delle emissioni stimolate.
Il professor Liu ha detto, "Negli ultimi anni, molti ricercatori hanno affrontato sfide a lungo termine, tessuto profondo, immagini ad alta risoluzione. Questa nuova generazione di nanosonde di lantanidi potrebbe potenzialmente trovare importanti applicazioni nel bioimaging e nel rilevamento molecolare".
