La Figura (a) muestra el mecanismo de reducción de emisión óptica propuesto de la luminiscencia de cambio descendente del infrarrojo cercano (NIR) en el proceso de reducción de emisión estimulada mediada por neodimio (STED). La figura (b) compara las imágenes obtenidas a partir de imágenes confocales convencionales y de imágenes STED utilizando las nanopartículas de lantánidos. con mejor contraste en la última técnica. Crédito:LIANG Liangliang
Investigadores de la Universidad Nacional de Singapur han desarrollado una nueva generación de nanosensas emisoras de infrarrojo cercano (NIR) para obtener imágenes de superresolución en tejidos profundos. Estas nano sondas se basan en nanomateriales dopados con lantánidos con ricos niveles de energía, alta fotoestabilidad y cinética óptica programable.
Microscopía de agotamiento de emisiones estimuladas (STED), inventado por Stefan HELL en 2000 (galardonado con el Premio Nobel de Química 2014), ha llevado la microscopía óptica a la nanodimensión y ha ampliado profundamente nuestros horizontes hasta el nivel subcelular. Para un microscopio STED típico, se utilizan dos rayos láser; uno de los rayos láser estimula las moléculas fluorescentes para que brillen y el otro anula toda la fluorescencia excepto la que está presente en un volumen del tamaño de un nanómetro. Al escanear la muestra de manera escalonada, nanómetro por nanómetro, Se puede obtener una imagen con una resolución mejor que el límite estipulado por Abbe (límite físico para la resolución máxima de la microscopía óptica tradicional). Los fluoróforos orgánicos se utilizan comúnmente para microscopía STED. Sin embargo, los pulsos intensos en microscopía STED a menudo compiten con fluorescencia espontánea rápida (k> 10 8 s -1 ) de los fluoróforos, resultando en fototoxicidad potencial, fotoblanqueo y fondo significativo de reexcitación inducida por agotamiento. Esto reduce la calidad de las imágenes obtenidas. Es más, Los fluoróforos orgánicos a menudo funcionan en la región de la luz visible y esto dificulta las aplicaciones potenciales que involucran tejidos profundos.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor LIU Xiaogang del Departamento de Química, Universidad Nacional de Singapur, descubrió que una serie de neodimio (Nd 3+ ) nanopartículas de lantánidos dopadas pueden actuar como nanosensas más efectivas para aplicaciones de imágenes STED, permitiendo sin autofluorescencia, de baja potencia Imágenes de superresolución en ventanas ópticas NIR. Tras la excitación por un rayo láser de longitud de onda de 808 nm, estos Nd 3+ Las nanopartículas dopadas emiten una fuerte luminiscencia alrededor de la región NIR de 860 nm con una eficiencia superior al 20%. Cuando se co-ilumina con un 1, Láser de longitud de onda de 064 nm, esta luminiscencia NIR se apaga inmediatamente. El equipo de investigación descubrió que se puede lograr una eficiencia cercana a la unidad (98,8%) en la supresión de luminiscencia aumentando el poder de agotamiento. En comparación con la microscopía STED mediada por colorantes orgánicos, la cantidad de energía necesaria para reducir la intensidad de luminiscencia a la mitad, conocida como intensidad de saturación, es más de dos órdenes de magnitud menor. Esta habilidad del Nd 3+ Las nanopartículas dopadas para encenderse y apagarse mediante el uso de diferentes longitudes de onda de rayo láser en condiciones de baja potencia permitieron que el proceso STED lograra una resolución lateral de aproximadamente 19 nm para una sola nanopartícula. El equipo de investigación también demostró imágenes de tejido profundo de alto contraste (~ 50 mm) con una resolución espacial de aproximadamente 70 nm. En tono rimbombante, estas nanosensas no mostraron signos de fotoblanqueo incluso después de dos horas de irradiación.
Aparte de la calidad visual, El equipo también ha investigado el mecanismo subyacente al desempeño del Nd 3+ nanopartículas dopadas en aplicaciones de imágenes STED. Con una configuración de cuasi-cuatro niveles y de larga duración (> 100 milisegundos) estados metaestables, estos Nd 3+ Las nanopartículas dopadas pueden excitarse fácilmente hasta el nivel de emisión metaestable y el nivel de energía por encima del estado fundamental. Como las nanopartículas pueden permanecer en los estados excitados durante un período de tiempo más largo, se requiere menos energía láser para el proceso de formación de imágenes. La configuración de cuatro niveles también puede eliminar la reexcitación inducida por el haz de agotamiento, conduciendo a un proceso eficiente de agotamiento de las emisiones estimuladas.
El profesor Liu dijo:"En años recientes, muchos investigadores se han enfrentado a retos a largo plazo, tejido profundo, imágenes de alta resolución. Esta nueva generación de nanosensas de lantánidos puede encontrar aplicaciones importantes en bioimagen y detección molecular ".
