Лантанидные наночастицы делают возможной STED-микроскопию в непрерывном режиме в ближнем ИК-диапазоне

Исследователи из Национального университета Сингапура разработали новое поколение нанозондов, излучающих в ближнем инфракрасном (NIR) диапазоне, для супер-разрешающей визуализации в глубоких тканях. Эти нанозонды основаны на легированных лантанидами наноматериалах, обладающих богатыми энергетическими уровнями, высокой фотостабильностью и программируемой оптической кинетикой.

Микроскопия на основе подавления спонтанного излучения (STED), изобретённая Штефаном ХЕЛЛОМ в 2000 году (Нобелевская премия по химии 2014), вывела оптическую микроскопию в наноразмерность. В типичном STED-микроскопе используются два лазерных луча: один заставляет флуоресцентные молекулы светиться, а другой гасит всё свечение, кроме того, что присутствует в нанометровом объёме. Сканируя образец шаг за шагом, можно получить изображение с разрешением, превышающим предел Аббе (физический предел для максимального разрешения традиционной оптической микроскопии). Обычно для STED-микроскопии используются органические флуорофоры. Однако интенсивные импульсы в STED-микроскопии часто конкурируют с быстрой спонтанной флуоресценцией (k > 10⁸ с^-1) от флуорофоров, что приводит к потенциальной фототоксичности, фотообесцвечиванию и значительному фоновому сигналу от повторного возбуждения. Это снижает качество получаемых изображений. Кроме того, органические флуорофоры часто работают в области видимого света, что ограничивает их применение для глубоких тканей.

Команда под руководством профессора ЛЮ Сяоганга обнаружила, что ряд наночастиц, легированных неодимом (Nd³⁺), могут выступать в качестве более эффективных нанозондов для STED-визуализации, обеспечивая сверхразрешающую визуализацию без автофлуоресценции и с низкой мощностью в ближнем ИК-диапазоне. При возбуждении лазером с длиной волны 808 нм эти наночастицы излучают сильную люминесценцию около 860 нм с эффективностью более 20%. При одновременном освещении лазером с длиной волны 1064 нм эта люминесценция немедленно гасится. Команда обнаружила, что можно достичь почти 100%-ной эффективности (98,8%) подавления люминесценции, увеличивая мощность гасящего луча. По сравнению с STED-микроскопией на органических красителях, мощность, необходимая для уменьшения интенсивности люминесценции наполовину (насыщающая интенсивность), более чем на два порядка ниже. Эта способность наночастиц включаться и выключаться с помощью лазеров разной длины волны при низкой мощности позволила достичь латерального разрешения около 19 нм для отдельной наночастицы. Команда также продемонстрировала высококонтрастную визуализацию в глубоких тканях (~50 мм) с пространственным разрешением около 70 нм. Важно, что нанозонды не показали признаков фотообесцвечивания даже после двух часов облучения.

Помимо визуального качества, команда исследовала механизм, лежащий в основе работы наночастиц в STED-приложениях. Благодаря квазичетырёхуровневой конфигурации и долгоживущим (>100 миллисекунд) метастабильным состояниям, эти наночастицы легко возбуждаются до метастабильного излучающего уровня и уровня выше основного состояния. Поскольку наночастицы могут оставаться в возбуждённых состояниях дольше, для процесса визуализации требуется меньше лазерной энергии. Четырёхуровневая конфигурация также устраняет повторное возбуждение, индуцированное гасящим лучом, что приводит к эффективному процессу STED.

Профессор Лю заявил: «Эта новая генерация лантанидных нанозондов может найти важные применения в биовизуализации и молекулярной детекции».