Lanthanide-nanodeeltjes maken continue-golf NIR STED-microscopie mogelijk

Onderzoekers van de National University of Singapore hebben een nieuwe generatie nabij-infrarood (NIR)-emitterende nanosondes ontwikkeld voor beeldvorming met superresolutie in diepe weefsels. Deze nanosondes zijn gebaseerd op met lanthanide gedoteerde nanomaterialen met rijke energieniveaus, hoge fotostabiliteit en programmeerbare optische kinetiek.

Gestimuleerde-emissie-uitputting (STED)-microscopie, uitgevonden door Stefan HELL in 2000 (bekroond met de Nobelprijs voor scheikunde 2014), heeft optische microscopie in de nanodimensie gebracht en onze horizon aanzienlijk uitgebreid tot op subcellulair niveau. Voor een typische STED-microscoop worden twee laserstralen gebruikt; een van de laserstralen stimuleert fluorescerende moleculen om te gloeien en de andere elimineert alle fluorescentie behalve die welke aanwezig is in een nanometer-groot volume. Door stapsgewijs over het monster te scannen, nanometer voor nanometer, kan een beeld worden verkregen met een resolutie die beter is dan Abbe’s vastgestelde limiet (fysieke limiet voor de maximale resolutie van traditionele optische microscopie). Organische fluoroforen worden vaak gebruikt voor STED-microscopie. De intense pulsen in STED-microscopie concurreren echter vaak met snelle spontane fluorescentie (k> 10⁸ zo^-1) van de fluoroforen, wat resulteert in mogelijke fototoxiciteit, fotobleking en significante door uitputting geïnduceerde re-excitatieachtergrond. Dit vermindert de kwaliteit van de verkregen afbeeldingen. Bovendien werken organische fluoroforen vaak in het zichtbaar-lichtgebied en dit belemmert mogelijke toepassingen met diepe weefsels.

Een onderzoeksteam onder leiding van prof. LIU Xiaogang van de afdeling Scheikunde, National University of Singapore, ontdekte dat een reeks neodymium (Nd³⁺)-gedoteerde lanthanide-nanodeeltjes kunnen fungeren als effectievere nanosondes voor STED-beeldvormingstoepassingen, waardoor autofluorescentievrije, low-power, superresolutie-beeldvorming in NIR optische vensters mogelijk wordt. Na excitatie door een laserstraal met een golflengte van 808 nm, worden deze Nd³⁺-gedoteerde nanodeeltjes zenden sterke luminescentie uit rond het 860 nm NIR-gebied met een efficiëntie van meer dan 20%. Bij co-belichting met een laser met een golflengte van 1064 nm wordt deze NIR-luminescentie onmiddellijk uitgeschakeld. Het onderzoeksteam ontdekte dat een bijna-eenheidsrendement (98,8%) in luminescentieonderdrukking kan worden bereikt door het uitputtingsvermogen te vergroten. In vergelijking met organische kleurstof-gemedieerde STED-microscopie, is de hoeveelheid stroom die nodig is om de luminescentie-intensiteit met de helft te verminderen, bekend als de verzadigingsintensiteit, meer dan twee ordes van grootte lager. Dit vermogen van de Nd³⁺– gedoteerde nanodeeltjes die aan en uit konden worden gezet door verschillende laserstraalgolflengten te gebruiken bij lage stroomomstandigheden, stelde het STED-proces in staat om een ​​laterale resolutie van ongeveer 19 nm te bereiken voor een enkel nanodeeltje. Het onderzoeksteam demonstreerde ook contrastrijke diepe weefsel (~ 50 mm) beeldvorming met een ruimtelijke resolutie van ongeveer 70 nm. Belangrijk is dat deze nanosondes zelfs na twee uur bestraling geen teken van fotobleking vertoonden.

Naast de visuele kwaliteit heeft het team ook het mechanisme onderzocht dat ten grondslag ligt aan de prestaties van de Nd³⁺-gedoteerde nanodeeltjes in STED-beeldvormingstoepassingen. Met een quasi-vier-niveau configuratie en langlevende (> 100 milliseconden) metastabiele toestanden, deze Nd³⁺-dopednanodeeltjes kunnen gemakkelijk worden geëxciteerd tot het metastabiele emitterende niveau en het energieniveau boven de grondtoestand. Omdat de nanodeeltjes langere tijd in de aangeslagen toestand kunnen blijven, is er minder laserenergie nodig voor het beeldvormingsproces. De configuratie met vier niveaus kan ook door uitputting veroorzaakte re-excitatie elimineren, wat leidt tot een efficiënt proces van uitputting van gestimuleerde emissie.

Prof Liu zei: “In de afgelopen jaren zijn veel onderzoekers uitdagingen aangegaan op het gebied van beeldvorming op lange termijn, diep weefsel en hoge resolutie. Deze nieuwe generatie lanthanide-nanoprobes kan mogelijk belangrijke toepassingen vinden in biobeeldvorming en moleculaire detectie.”