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通過細胞看到更小 用于亞波長成像的天然單細胞生物放大器

光學顯微鏡和鑷子可以在微觀尺度上成像和操縱物體,用于細胞和分子生物學中的應用。然而,光學分辨率受到衍射極限的阻礙,因此顯微鏡和鑷子都不能直接成像和操縱納米物體。等離子體/光子納米鏡和納米鑷子中的新興技術旨在實現納米級分辨率,盡管高折射率材料結構很容易對納米級生物樣本造成機械和光熱損害。

在最近發表在Light:Science&Applications上的一項研究中,Yuchao Li及其在中國納米光子學研究所的同事開發了一種光學顯微鏡系統,該系統使用活細胞作為微小透鏡來成像和操縱小于光波長的物體。他們展示了亞衍射極限成像和非侵入性設備對納米物體的操縱,它們通過將細胞捕獲在纖維尖端上而構建。捕獲的細胞形成生物放大器,可以在白光顯微鏡下放大分辨率為100nm的納米結構。利用生物放大器,Li等人。形成納米光學陷阱以精確地操縱具有50nm半徑的單個納米顆粒。該技術為光學成像提供了高精度工具生物納米材料的傳感和組裝,沒有機械或光熱損傷。

操作小物體的光學成像對于醫學診斷,生物傳感,細胞探索,分子訓練和材料組裝至關重要。鑷子和顯微鏡是用于非接觸成像和操縱微小樣品的標準裝置,微小樣品的范圍從幾納米到幾微米。然而,使用該技術在納米級成像是具有挑戰性的,因為光學分辨率被限制在大約一半的照射波長。

在過去的幾十年里,科學家們已經取得了近場納米鏡和納米鑷子的巨大進步,以實現納米分辨率的光學成像。這些成像技術被高折射率無機材料(例如貴金屬和用于制造它們的半導體)所阻止,這些材料可在近場成像和操縱過程中機械地損壞生物細胞或組織的樣品。

因此,科學家研究了基于電介質微球的更簡單的光學成像方案,以克服傳統顯微鏡常見的衍射極限。雖然該技術不含標簽且可行,但這種微球基于人造無機材料,例如二氧化硅(SiO 2),二氧化鈦(TiO 2)和鈦酸鋇(BaTiO 3)。因此,研究人員有興趣開發一種天然生物材料,以構建生物相容性裝置,用于納米級空間分辨率的生物成像,操作和生物放大。

李等人。選擇的生物細胞取代微球,因為細胞既豐富又與生物系統接觸時具有生物相容性。例如,科學家可以使用活細胞來操縱生物環境中的光,并充當光流控微透鏡,光學探針,甚至將大腸桿菌作為生物光子波導。在目前的工作中,李等人。通過使用半浸入介質中的球形以實現在亞波長處聚焦來增強活細胞的折射率對比度。科學家捕獲了生物圖像使用子衍射光點照射目標樣品以及白光顯微鏡。納米尺寸的光斑施加強的光學梯度力以捕獲和操縱單個納米顆粒,使得生物放大器還能夠用作光學納米鑷子。

科學家們在反射模式光學顯微鏡下進行了所有實驗,并與電荷耦合器件(CCD)相機和物鏡相連。他們分別使用390 nm,560 nm和808 nm的光源進行激發,照明和俘獲。使用具有錐形尖端的光纖,Li等人。將生物放大器困在光纖的末端,通過使用顯微操縱器移動光頭來控制它。李等人。選擇光滑和球形細胞以最大限度地減少圖像像差,并注意到細胞在半浸入溶液中時表現出更好的聚焦性能以維持細胞活力。

在實驗成像過程中,科學家們將一個半浸沒式生物放大器放置在測試樣品的頂部,并從樣品中收集潛在的近場信息,以形成由光學顯微鏡檢測到的虛像。李等人。使用多種細胞制備了各種生物放大器,包括細菌,酵母,紅細胞和干細胞。對于第一個成像樣品,他們使用光泳技術在玻璃基板上使用具有200nm直徑的二維六方二氧化硅納米球陣列。

只有在其頂部具有生物放大器的納米球可以在成像期間被分辨,而沒有生物放大器的納米球不能使用常規顯微鏡來解析。基于干細胞的生物放大器的放大系數M被確定為3.3倍(x3.3),科學家們發現實驗M取決于生物放大器的直徑。隨后,李等人。使用該直徑的生物放大器進行所有實驗。

此后,當它們通過物鏡同時照射生物放大器上的近紅外(IR)和UV激光束時,它們可以捕獲并激發納米顆粒。對于這些實驗,科學家們使用平均半徑為50納米的熒光納米粒子。當他們將單個納米顆粒捕獲在生物放大器的焦點中時,他們觀察到感興趣的樣品的光學和熒光圖像。李等人。然后使用標準光學鑷子實時計算顆粒的俘獲剛度。在沒有接觸且精確地通過光學器件的情況下操縱單個納米顆粒的能力將有助于組裝良好調節的納米結構。當李等人。采用三維仿真和COMSOL軟件對生物放大器的成像機理和捕獲剛度進行了數值研究。他們觀察到了由光學納米噴射效應和鏡面相干干涉增強組合產生的亞衍射極限光聚焦能力。

與具有均勻折射率的電介質微球相比,該方法的局限性包括由于天然生物放大器的不均勻細胞內結構導致的成像畸變和畸變。幸運的是,細胞內材料對可見光和近紅外光是光學透明的,并且單個細胞內的光學相互作用相對較弱。細胞內活動還可以改變細胞中的部分折射率分布,從而在捕獲和成像期間引起光變形,但是大多數細胞內活動是超快的并且不影響成像方案。

通過這種方式,Yuchao Li及其同事開發了一種新的實驗成像技術,并通過FEM模擬驗證了實驗能力。李等人。在單個設備中集成光學納米顯微鏡和納米鑷子,在本工作中首次同時成像和操縱納米結構。他們將該技術的分辨率提升至100納米,并提出了無標記成像程序。科學家們設想生物生物放大器在超分辨率成像,實時傳感和生物納米材料的精確納米組裝方面開辟了新的機會,形成了感興趣的納米結構。

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