p Ao fazer imagens no nível de uma única molécula, pequenas irregularidades conhecidas como heterogeneidades tornam-se aparentes - características que são perdidas em maior escala, a chamada imagem de conjunto. Ao mesmo tempo, até recentemente era um desafio desenvolver sondas luminescentes com fotoestabilidade, brilho e emissão contínua necessários para microscopia de molécula única. Agora, Contudo, cientistas da Fundição Molecular do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, Berkeley, CA desenvolveu upconverting nanoparticles (UCNPs) abaixo de 10 nm de diâmetro, cujo brilho na imagem de partícula única excede o dos materiais existentes em mais de uma ordem de magnitude. Os pesquisadores afirmam que suas descobertas possibilitam uma série de aplicações, incluindo celular e na Vivo imagem, bem como relatórios sobre propriedades de campo próximo eletromagnéticas locais de nanoestruturas complexas. p Dr. P. James Schuck discutiu o artigo que ele, Dr. Bruce E. Cohen, Dr. Daniel J. Gargas, Dr. Emory M. Chan, e seus co-autores publicados em Nature Nanotechnology , começando com os principais desafios que os cientistas encontraram em:

• desenvolver sondas luminescentes com fotoestabilidade, brilho e emissão contínua necessários para microscopia de molécula única
• desenvolvimento sub-10 nm dopado com lantanídeo upconverting nanoparticles (UCNPs) uma ordem de magnitude mais brilhante em condições de imagem de partícula única do que as composições existentes, lantanídeos sendo metais de transição com propriedades distintas de outros elementos

p "Os emissores mais comuns usados ​​para imagens de molécula única - corantes orgânicos e pontos quânticos - têm limitações significativas que se mostraram extremamente desafiadoras para superar, "Schuck disse ao Phys.org. Ele explica que os corantes orgânicos são geralmente as menores sondas (tipicamente ~ 1 nm de tamanho), e será ligado e desligado aleatoriamente. Este "piscar" é bastante problemático para imagens de molécula única, ele continua, e normalmente depois de emitir cerca de 1 milhão de fótons sempre fotodegradação - isso é, desligue permanentemente. "Isso pode soar como muitos fótons no início, "Schuck diz, "mas isso significa que os corantes param de emitir depois de apenas cerca de 1 a 10 segundos na maioria das condições de imagem. UCNPs nunca piscam."

p Além disso, Schuck continua, Acontece que os mesmos problemas existem para pontos quânticos fluorescentes, ou Qdots , também. Contudo, embora seja possível fazer Qdots que não piscarão ou fotobranqueamento, isso geralmente requer a adição de camadas ao Qdot, o que os torna muito grandes para muitos aplicativos de imagem. (Um ponto quântico é um nanocristal semicondutor pequeno o suficiente para exibir propriedades mecânicas quânticas.) "Nossos novos UCNPs são pequenos, e não pisque ou descore. "

p Devido a essas propriedades, ele observa, Os UCNPs geraram recentemente um interesse significativo porque têm o potencial de serem marcadores e sondas luminescentes ideais para imagens ópticas - mas o principal obstáculo para a realização de seu potencial foi a incapacidade de projetar UCNPs abaixo de 10 nm brilhantes o suficiente para serem visualizados em um único Nível UCNP.

p "Isso me leva ao que é provavelmente a lição mais importante do nosso trabalho, que é a descoberta e demonstração de novas regras para projetar ultrabright, sondas ultrasmall UCNP de molécula única, "Diz Schuck. Além disso, ele enfatiza que essas novas regras contrastam diretamente com os métodos convencionais para a criação de UCNPs brilhantes. "Como mostramos em nosso jornal, nós sintetizamos e visualizamos UCNPs tão pequenos quanto uma única proteína fluorescente! Para muitas aplicações de bioimagem, muito pequenas - certamente menores do que 10 nm - sondas luminescentes são necessárias porque você realmente precisa do rótulo ou da sonda para perturbar o sistema que estão sondando o mínimo possível. "

p Schuck menciona outra vantagem de upconverting nanopartículas - ou seja, eles operam absorvendo dois ou mais fótons infravermelhos e emitindo luz visível de alta energia. "Uma vez que quase todos os outros materiais não convertem, ao obter imagens dos UCNPs em uma amostra, quase não há outro fundo autofluorescente proveniente da amostra. Isso resulta em um bom contraste de imagem e grandes níveis de sinal para fundo. "Além disso, enquanto os corantes orgânicos e Qdots também podem absorver luz IV e emitir luz de alta energia por meio de um processo de absorção não linear de dois + fótons, as potências de excitação necessárias para gerar sinais mensuráveis ​​de fluorescência de dois fótons em corantes e pequenos Qdots são muitas ordens de magnitude mais altas do que o necessário para gerar luminescência convertida de UCNPs. "Esses poderes elevados geralmente são ruins para amostras e uma grande preocupação nas comunidades de bioimagem" enfatiza Schuck, "onde podem causar danos e morte celular."

p Schuck observa que dois outros aspectos centrais para as descobertas mencionadas no artigo - usando a caracterização avançada de uma única partícula, e modelagem teórica - foram consequência do ambiente colaborativo multidisciplinar da Fundição. "Este estudo exigiu que combinássemos a fotofísica de uma única molécula, a capacidade de sintetizar nanocristais ultra-pequenos de conversão ascendente de quase qualquer composição, e a modelagem avançada e simulação de propriedades ópticas UCNP, "ele diz." Simular e modelar com precisão o comportamento fotofísico desses materiais é um desafio devido ao grande número de níveis de energia nesses materiais que interagem de maneiras complexas, e Emory Chan desenvolveu um modelo único que responde objetivamente por todos os mais de 10, 000 transições de manifold a manifold na faixa de energia permitida. "

p Anteriormente, Schuck diz que a sabedoria convencional para projetar UCNPs brilhantes era usar uma concentração relativamente pequena de íons emissores nas nanopartículas, uma vez que muitos emissores levarão a um brilho menor devido aos efeitos de auto-extinção, uma vez que a concentração do emissor UCNP exceda ~ 1%. "Isso acaba sendo verdade se você quiser fazer partículas que são brilhantes em condições de imagem em conjunto - isto é, onde uma potência de excitação relativamente baixa é usada - uma vez que você tem muitas partículas sinalizando coletivamente, "Schuck explica." No entanto, isso se decompõe em condições de imagem de uma única molécula. "Em seu artigo, os pesquisadores demonstraram que sob os poderes de excitação mais elevados usados ​​para a geração de imagens de partículas individuais, os níveis de energia relevantes tornam-se mais saturados e a auto-extinção é reduzida. "Portanto, "Schuck continua, "você deseja incluir em seus UCNPs a concentração mais alta possível de íons emissores." Isso resulta nas nanopartículas sendo quase não luminescentes em condições de conjunto de baixa potência de excitação devido a auto-extinção significativa, mas ultrabrilhante em condições de imagem de uma única molécula.

p Outra implicação importante desta descoberta, Schuck acrescenta, é que isso deve mudar a forma como as pessoas farão a triagem das melhores sondas luminescentes de uma única molécula no futuro. "Até agora, "ele observa, "as pessoas primeiro olhariam para ver quais sondas eram brilhantes usando condições de nível de conjunto, então, investigaria apenas esse subconjunto como possíveis sondas de molécula única. Nossas novas sondas seriam, claro, falharam naquele teste de triagem! "

p Schuck novamente enfatiza que "um dos principais motivos pelos quais essa descoberta aconteceu é que temos especialistas em todas as áreas-chave no mesmo prédio, e fomos capazes de iterar rapidamente através do ciclo teoria-síntese-caracterização. "

p Em relação a futuras direções de pesquisa, observa Schuck, os cientistas estão buscando alguns caminhos diferentes. "Nós certamente gostaríamos de usar agora esses UCNPs recém-projetados para bioimagem ... até agora, apenas investigamos as propriedades fotofísicas fundamentais dessas partículas quando estão isoladas no vidro. Acreditamos que uma aplicação empolgante e importante será seu uso em imagens cerebrais - particularmente para tecidos profundos na Vivo imagens ópticas de neurônios e função cerebral.

p Para encerrar, Schuck menciona outras áreas de pesquisa que podem se beneficiar de seu estudo. "Acho que uma aplicação primária é no rastreamento de uma única partícula dentro das células. Por exemplo, "ele ilustra, "rotular proteínas específicas com UCNPs individuais e rastreá-los para entender sua cinética celular."

p Em linhas diferentes, Schuck acrescenta, Acontece que os UCNPs também são excelentes sondas de campos eletromagnéticos muito locais. "Isso ocorre porque os lantanídeos têm um conjunto bastante único de propriedades fotofísicas, como a emissão de dipolo magnético relativamente prevalente, nos permitindo sondar campos magnéticos ópticos, e vidas muito longas, de modo que as transições não são fortemente permitidas, o que nos permite sondar mais facilmente os efeitos ópticos quânticos da cavidade, como o aumento de emissão de Purcell. Na verdade, Schuck conclui, um experimento que usa UCNPs para relatar as forças de campo próximo e distribuições de campo em torno dos dispositivos nanoplasmáticos está apenas em andamento. " p © 2014 Phys.org