Site Sponsors
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
Posted in | Microscopy | Nanoanalysis

There is 1 related live offer.

5% Off SEM, TEM, FIB or Dual Beam

Χρησιμοποιώντας Οπτική Μικροσκοπία να Εικόνας αντικείμενα με τα ψηφίσματα τόσο μικρό όσο 0,5 νανόμετρα

Published on July 14, 2010 at 8:01 PM

Συμβατική άποψη υποστηρίζει ότι η οπτική μικροσκοπία δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να "δει" κάτι τόσο μικρό όσο ένα μεμονωμένο μόριο. Αλλά η επιστήμη έχει και πάλι ανατραπεί συμβατική σοφία. Γραμματέας της ενέργειας, ο βραβευμένος με Νόμπελ και πρώην διευθυντής του Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), Steven Chu οδήγησε στην ανάπτυξη μιας τεχνικής που επιτρέπει τη χρήση της οπτικής μικροσκοπίας στα αντικείμενα της εικόνας ή η απόσταση μεταξύ τους με ψηφίσματα και τις μικρές και 0,5 νανόμετρα - το ήμισυ του ενός δισεκατομμυριοστού του μέτρου, ή μία τάξη μεγέθους μικρότερη από την προηγούμενη καλύτερη.

Γράφημα για την αριστερά δείχνει ότι με το εν ενεργεία σύστημα ανάδρασης μακριά υπάρχει μια μετατόπιση ψήφισμα της περίπου 0,3 pixels ή 19 νανομέτρων, αλλά με το σύστημα ανάδρασης για το ψήφισμα διατηρείται σε καλύτερη του 0,01 pixel, ή περίπου 0,64 νανόμετρα. Εικόνα στα δεξιά δείχνει μεμονωμένες κυανιδινών (Cy) φθορίζοντα μόρια χρωστικών ουσιών - Cy3 και Cy5 - χρησιμοποιείται για τη σήμανση 20 ζεύγη βάσεων της διπλής έλικας του DNA.

"Η δυνατότητα να πάρει υπο-nanometer ψήφισμα βιολογικά σχετικές υδατικό περιβάλλον έχει τη δυνατότητα να φέρουν επανάσταση της βιολογίας, ιδιαίτερα της δομικής βιολογίας», λέει ο γραμματέας Chu. "Ένα από τα κίνητρα για αυτή την εργασία, για παράδειγμα, ήταν η μέτρηση των αποστάσεων μεταξύ πρωτεϊνών που σχηματίζουν πολλούς τομείς, ιδιαίτερα περίπλοκες δομές, όπως η συναρμολόγηση πρωτεΐνη που αποτελεί το ανθρώπινο RNA πολυμεράση ΙΙ του συστήματος, το οποίο εισάγει μεταγραφή του DNA."

Γραμματέας Chu είναι ο ομο-συντάκτης ενός εγγράφου που εμφανίζεται τώρα στο περιοδικό Nature, που περιγράφει αυτή την έρευνα. Το έγγραφο έχει τίτλο "Subnanometre ένα μόνο μόριο εντοπισμό, καταγραφή και τις μετρήσεις απόστασης." Οι άλλοι συντάκτες είναι ο Αλέξανδρος Περτσινίδης, ένας μεταδιδακτορικός ερευνητής και μέλος της ερευνητικής ομάδας του Chu στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας (UC) Μπέρκλεϊ, ο οποίος τώρα είναι επίκουρος καθηγητής στο Sloan-Kettering Institute, και Yunxiang Zhang, μέλος της έρευνας του Chu ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ.

Σύμφωνα με ένα νόμο της φυσικής γνωστό ως το «όριο διάθλασης," το μικρότερο εικόνα που ένα οπτικό σύστημα μπορεί να επιλυθεί είναι το ήμισυ περίπου το μήκος κύματος του φωτός που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή αυτής της εικόνας. Για τις συμβατικές οπτική, αυτό αντιστοιχεί σε περίπου 200 νανόμετρα. Συγκριτικά, ένα μόριο DNA μέτρων περίπου 2,5 νανόμετρα σε πλάτος.

Ενώ οι μη-οπτικά συστήματα απεικόνισης, όπως ηλεκτρονικά μικροσκόπια, μπορεί να λύσει τα αντικείμενα καλά στην κλίμακα subnanometer, τα συστήματα αυτά λειτουργούν υπό συνθήκες δεν είναι ιδανικές για τη μελέτη των βιολογικών δειγμάτων. Ανίχνευση επιμέρους φθορισμού ετικέτες που επικολλώνται στα βιολογικά μόρια ενδιαφέροντος χρησιμοποιώντας επιβάρυνση-σε συνδυασμό συσκευές (ΚΗΕ) - συστοιχίες των τσιπ πυριτίου που μετατρέπουν το εισερχόμενο φως σε ένα ηλεκτρικό φορτίο, που απέδωσε ψηφίσματα ως πρόστιμο από πέντε νανομέτρων. Ωστόσο, μέχρι τώρα η τεχνολογία αυτή έχει θέση στην εικόνα μεμονωμένων μορίων ή αποστάσεις μεταξύ δύο μορίων πολύ λιγότερο από 20 νανόμετρα.

Chu και οι συνεργάτες του ήταν σε θέση να χρησιμοποιούν το ίδιο CCD-φθορισμού τεχνολογία για την επίλυση αποστάσεις με ακρίβεια subnanometer και την ακρίβεια με τη διόρθωση τέχνασμα του φωτός. Τα ηλεκτρικά φορτία σε συστοιχία CCD δημιουργούνται όταν φωτόνια απεργία του πυριτίου και αποσπάσει ηλεκτρόνια, με τη δύναμη του φόρου είναι ανάλογη με την ένταση των φωτονίων. Ωστόσο, ανάλογα με το πού ακριβώς ένα φωτόνιο χτυπά την επιφάνεια του τσιπ πυριτίου, μπορεί να υπάρχει μια μικρή διαφορά στο πώς το φωτόνιο απορροφάται και αν δημιουργεί μια μετρήσιμη χρέωση. Αυτή η μη-ομοιομορφία στην απόκριση του πίνακα πυριτίου CCD σε εισερχόμενα φωτόνια, που είναι πιθανώς ένα κατασκεύασμα της διαδικασίας κατασκευής τσιπ, οδηγεί σε μια σύγχυση των pixels που καθιστά δύσκολο να επιλυθούν δύο σημεία που είναι μέσα σε λίγα νανόμετρα ένας από τον άλλο .

«Έχουμε αναπτύξει ένα ενεργό σύστημα ανάδρασης που μας επιτρέπει να τοποθετήσετε την εικόνα ενός ενιαίου μορίου φθορισμού οπουδήποτε στη συστοιχία CCD με sub-pixel ακρίβεια, η οποία με τη σειρά του μας δίνει τη δυνατότητα να εργαστούν σε μια περιοχή μικρότερη από το τυπικό pixel μήκος τριών κλίμακας της CCD μη ομοιομορφία », λέει ο Περτσινίδης, ο οποίος είναι ο βασικός συγγραφέας στο χαρτί Φύσης. "Με αυτό το σύστημα ανάδρασης συν τη χρήση πρόσθετων οπτικών δοκάρια να σταθεροποιήσει το σύστημα μικροσκόπιο, μπορούμε να δημιουργήσουμε μια βαθμονομημένη περιοχή στη συστοιχία πυριτίου, όπου το σφάλμα οφείλεται σε μη ομοιομορφία μειώνεται στο 0,5 νανόμετρα. Βάζοντας τα μόρια που θέλουμε να μετρήσουμε Στο κέντρο αυτής της περιοχής μπορούμε να επιτύχουμε ψήφισμα subnanometer χρησιμοποιώντας ένα συμβατικό οπτικό μικροσκόπιο που μπορείτε να βρείτε σε οποιοδήποτε εργαστήριο βιολογίας. "

Chu λέει ότι η ικανότητα να κινηθεί το στάδιο της μικροσκόπιο μικρές αποστάσεις και να υπολογίζει το γεωμετρικό κέντρο (κέντρο βάρους), της εικόνας που δίνει τη δυνατότητα να μην μετρούν μόνο τη φωτογραφία-απόκρισης μη ομοιομορφία μεταξύ των pixels, αλλά και για τη μέτρηση της μη ομοιομορφίας μέσα σε κάθε pixel.

«Γνωρίζοντας ότι η μη ομοιογένεια, στη συνέχεια, μας επιτρέπει να γίνουν οι διορθώσεις μεταξύ των προφανή θέση και την πραγματική θέση του κέντρου βάρους της εικόνας», λέει ο Chu. «Δεδομένου ότι αυτή η μη ομοιόμορφη απάντηση είναι ενσωματωμένη συστοιχία CCD και δεν αλλάζει από μέρα σε μέρα, ενεργό σύστημα ανάδρασης μας, μας επιτρέπει να την εικόνα επανειλημμένα στην ίδια θέση του πίνακα CCD."

Περτσινίδης συνεχίζει να συνεργάζεται με Chu και άλλους στην ομάδα για την περαιτέρω ανάπτυξη και εφαρμογή αυτής της υπερ-ανάλυση τεχνική. Εκτός από το ανθρώπινο RNA πολυμεράση ΙΙ του συστήματος, ο ίδιος και η ομάδα το χρησιμοποιούν για να καθορίσουν τη δομή των μορίων Επιθηλιακά cadherin που είναι υπεύθυνα για την προσκόλληση των κυττάρων-να-κυττάρων που κρατά ιστών και άλλων βιολογικών υλικών μαζί. Περτσινίδης, Zhang, και ένα άλλο μεταδιδακτορικός στην έρευνα ομάδας Chu, Sang Ryul πάρκο, χρησιμοποιούν επίσης αυτή την τεχνική για να δημιουργήσει 3D μετρήσεις της μοριακής οργάνωσης στο εσωτερικό των κυττάρων του εγκεφάλου.

«Η ιδέα είναι να καθορίσει τη δομή και τη δυναμική των κυστιδίων διαδικασία της σύντηξης που απελευθερώνει τα μόρια του νευροδιαβιβαστή που χρησιμοποιείται από τους νευρώνες να επικοινωνούν μεταξύ τους," λέει ο Περτσινίδης. «Αυτήν τη στιγμή έχουμε πάρει σε επιτόπιες μετρήσεις με ένα ψήφισμα από περίπου 10 νανομέτρων, αλλά πιστεύουμε ότι μπορούμε να διεκδικήσουμε δυναμικά το παρόν ψήφισμα εντός δύο νανόμετρα."

Σε μια συνεργασία με τον Joe Gray, Αναπληρωτής Διευθυντής Berkeley Lab για τις βιοεπιστήμες και τη ηγετικό ερευνητής καρκίνου, εταδιδακτορικών στην έρευνα ομάδας Chu χρησιμοποιούν επίσης την υπερ-ανάλυση τεχνική για να μελετήσει την κατάσχεση των σηματοδοτικών μορίων για την πρωτεΐνη RAS, το οποίο έχει συνδεθεί με έναν αριθμό καρκίνων, συμπεριλαμβανομένων αυτών του μαστού, του παγκρέατος, του πνεύμονα και του παχέος εντέρου. Αυτή η έρευνα θα μπορούσε να βοηθήσει να εξηγήσει γιατί θεραπείες του καρκίνου που έχουν καλές επιδόσεις σε ορισμένους ασθενείς είναι αναποτελεσματικά για τους άλλους.

Εκτός από τις βιολογικές εφαρμογές της, Περτσινίδης, Zhang και Chu στο έγγραφό της φύσης τους λένε υπερ-ανάλυση τεχνική τους θα πρέπει επίσης να αποδειχθεί πολύτιμη για τον χαρακτηρισμό και το σχεδιασμό ακρίβειας φωτομετρικές απεικονιστικών συστημάτων στην ατομική φυσική ή την αστρονομία, και να επιτρέψει για τα νέα μέσα στην οπτική λιθογραφία και νανομετρολογία .

Αυτή η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ινστιτούτο Υγείας, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, η Εθνική Υπηρεσία Αεροναυτικής και Διαστήματος, και η Defense Advanced Research Projects Οργανισμού.

Last Update: 10. October 2011 02:11

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit