Апконвертирующие наночастицы (UCNP) — это синтетические наноматериалы, способные последовательно поглощать два или более фотона низкой энергии (обычно ближнего инфракрасного диапазона) и излучать один фотон более высокой энергии (в видимой или ультрафиолетовой области спектра). Десятилетиями считалось, что это абсолютно стабильные, немерцающие источники света. А для микроскопии сверхвысокого разрешения как раз нужно, чтобы частицы хаотично «включались» и «выключались» (мерцали) — это позволяет различать перекрывающиеся молекулы. Поэтому UCNP считались непригодными для такого типа визуализации. Команда ученых из Массачусетского технологического института и Института Броуда задалась вопросом: можно ли заставить эти частицы мерцать, изменив их состав? Ответ оказался утвердительным.
Ученые создали наночастицы размером около 10 нм с оболочкой из нескольких слоев, которые спонтанно мерцают при непрерывном облучении ближним инфракрасным лазером. Причем это мерцание может продолжаться бесконечно долго, не нуждаясь в специальных буферных растворах, поглотителях кислорода или внешнем вмешательстве.
В отличие от традиционных красителей, которые быстро выцветают под действием света и ограничивают возможности сбора данных, платформа U-STORM (микроскопия стохастической оптической реконструкции с использованием апконверсии) использует новый класс апконверсионых наночастиц с заданным составом, способных к спонтанному и неограниченно долгому мерцанию.
Благодаря бесконечному мерцанию исследователи смогли собрать более 88 000 локализационных событий от одной-единственной частицы, пишет MIT News. Это позволило достичь точности локализации 0,6 ангстрема. Другими словами, стало возможно различить детали, размеры которых меньше диаметра атома водорода. Стандартные флуоресцентные красители дают разрешение порядка 10–20 нанометров (100–200 ангстрем).
Кроме того, обычная многоцветная микроскопия сверхвысокого разрешения требует нескольких дорогих лазеров и сложной оптической юстировки. U-STORM использует всего один инфракрасный лазер, который одновременно возбуждает частицы, излучающие разные цвета. Это радикально упрощает эксперименты: вместо того чтобы снимать изображения в несколько заходов, система захватывает все цвета одновременно. Исследователи успешно продемонстрировали это, картировав димеры и мультимеры рецептора эпидермального фактора роста в живых клетках в физиологических условиях.
Ученые уже работают над расширением цветовой палитры, уменьшением размера частиц и увеличением их яркости. В дальнейших планах — применение U-STORM для изучения сложных белковых ансамблей и сигнальных путей в клетках, которые раньше были невидимы.
ТГц-излучение идеально соответствует естественным колебаниям атомов и электронов в материалах. Однако из-за большой длины волны терагерцевые лучи невозможно сфокусировать в маленькое пятно. До сих пор это ограничивало их применение в микроскопии. Физики из США смогли обойти дифракционный предел — они разработали новый микроскоп, способный сжимать ТГц-излучение до микроскопических размеров.
