کوچک و آبی: تصویر STED از UCNPها

فیزیکدان‌های استرالیایی و چینی روش جدیدی برای غلبه بر محدودیت پراش در میکروسکوپ نوری ابداع کرده‌اند. این روش از نانوذرات برای افزایش بازدهی میکروسکوپ کاهش گسیل القایی (STED) بهره برده و استفاده از آن را با میزان کمتری از روشنایی نسبت به قبل ممکن می‌سازد.

میکروسکوپ STED توسط یک فیزیکدان آلمانی الاصل به نام استفان هل Hell Stephen ساخته شد که به خاطر ابداع آن یک سوم جایزه نوبل شیمی 2014 را از آن خود کرد. با این روش می‌توانیم اجسامی بسیار کوچکتر از طول موج نور را با میکروسکوپ مشاهده کنیم- چیزی که با میکروسکوپ‌های معمولی غیرممکن است.

حفره‌ی دونات

روش STED شامل هدفگیری مولکول‌های فلورسانس و استفاده از نور برای تحریک مولکول‌ها به تابش نور است. پرتوی کاهنده نور دوم بر شکلی دونات مانند از نمونه متمرکز شده و فلورسانس را در تمام نواحی تمرکز به جز حفره‌ی مرکزی دونات خاموش می‌کند. با روبش پرتوهای روی نمونه، توزیع فضایی مولکول‌های فلورسانس را می‌توان با تفکیکی بسیار کوچکتر از طول موج نور استفاده شده تعیین کرد.

شدت پرتوی کاهنده، قدرت تفکیک STED را افزایش می‌دهد. اما اگر پرتوی کاهنده خیلی قوی باشد نمونه را گرم کرده و آن را تخریب می‌کند. لذا قدرت تفکیک قابل دسترس در عمل محدود می‌شود.

اکنون پنگ زی Peng Xi، دایونگ جین Dayon Jin و همکارانشان در دانشگاه مکوآری و چندین موسسه دیگر در استرالیا و ژاپن با استفاده از نانوذراتِ upconversion آلاییده با لانتانید (UCNPs) به جای مولکول‌های فلورسانس به این مسئله پرداخته‌اند. UCNPها کریستال‌های ریزی- با قطر nm13 در این تحقیق خاص- هستند که دو یا چند فوتون نور با طول موج بلند را جذب کرده و سپس یک فوتون با طول موج کوتاهتر تابش می‌کنند.

نور آبی

وقتی UCNPهای گروه در معرض نور فروسرخِ نزدیک در nm980 قرار گرفتند، نور آبی در nm 455 تابش کردند. اما وقتی یک پرتوی کاهنده فروسرخِ نزدیک nm 808 هم بر نانوکریستال‌ها تابانده شد، فرآیند تابش القایی موجب شد تا تابش نور آبی در UCNPها متوقف شده و در عوض نور فروسرخِ نزدیک ساطع کنند.

برای بررسی اینکه آیا این UCNPها برای STED مناسب هستند یا نه، نانوکریستال‌ها در محیطی پخش شدند که مخصوص میکروسکوپ فلورسانسی فرمول‌بندی شده بود. سپس گروه تحقیقاتی از  STEDاستفاده کرد تا تصویر UCNPها را با تفکیک فضایی حدود  nm 28 که بسیار کوتاهتر از طول موج نور به کار رفته در میکروسکوپ است به دست آورد. به گفته‌ی پژوهشگران برای دستیابی به قدرت تفکیک مشابه با استفاده از تکنیک‌های STED معمول پرتوی کاهنده‌ی خیلی قویتری نیاز است. مزیت دیگر استفاده از UCNPها این است که نور فروسرخ نزدیک با دو لیزر دیودی ساده قابل تولید است.

با این وجود، چنین روشی معایبی هم دارد. شدت نور آبی‌ای که UCNPها می‌دهند خیلی کمتر از نوری است که در STED معمولی تولید می‌شود. یعنی 10 برابر بیشتر طول می‌کشد تا یک تصویر بگیریم. تحقیقات بیشتری باید انجام شود تا مطمئن شویم که نانوذرات فقط نواحی خاصی از نمونه را هدف می‌گیرند. پژوهشگران همچنین باید مطمئن شوند که UCNPها هنگام پخش در نمونه به هم نمی‌‌چسبند.

این روش در Nature توضیح داده شده است.  

منبع

Nanoparticles give super-resolution microscopy a boost