Site Sponsors
  • Technical Sales Solutions - 5% off any SEM, TEM, FIB or Dual Beam
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
Posted in | Microscopy | Nanoanalysis

There is 1 related live offer.

5% Off SEM, TEM, FIB or Dual Beam

Optisen mikroskopia Image Objects päätöslauselmiin niin pieni kuin 0,5 nanometriä

Published on July 14, 2010 at 8:01 PM

Perinteiset viisaus katsoo, että optinen mikroskopia ei voi käyttää "nähdä" niinkin pieni kuin yksittäisen molekyylin. Mutta tiede on jälleen kerran kumonnut perinteisen viisauden. Ministeri Energia nobelisti ja entinen johtaja Lawrence Berkeley National Laboratoryn (Berkeley Lab) Steven Chu johti kehitystä tekniikka, joka mahdollistaa optisten mikroskopia kuva esineitä tai niiden väli kanssa päätöslauselmia niinkin pieni kuin 0,5 nanometriä - puolet yhden metrin miljardisosa, tai kertaluokkaa pienempi kuin edellinen paras.

Kuvaajan vasemmalla näkyy, että kun aktiivinen palautejärjestelmä pois on resoluutio drift noin 0,3 pikseliä tai 19 nanometriä, mutta palautetta järjestelmän tarkkuus säilyy paremmin kuin 0,01 pikseliä, eli noin 0,64 nanometriä. Kuva oikealla näyttää yksittäisten Cyanine (Cy) fluoresoiva värimolekyylit - Cy3 ja Cy5 - merkitsemiseen käytettävän 20 emäsparia kaksijuosteinen DNA.

"Kyky saada osa-nanometrin tarkkuus biologisesti merkittävistä vesi-ympäristöjä on mahdollista mullistaa biologiaa, erityisesti rakenteelliseen biologiaan," sanoo sihteeri Chu. "Yksi motiiveja tätä työtä, esimerkiksi oli mitata etäisyyksiä välillä proteiineja, jotka muodostavat multi-domain, erittäin monimutkaisia ​​rakenteita, kuten proteiini kokoonpano, joka muodostaa ihmisen RNA polymeraasi II-järjestelmän, joka aloittaa DNA transkriptio."

Sihteeri Chu on ollut mukana kirjoittamassa paperille nyt näkymisen Nature-lehdessä, joka kuvaa tätä tutkimusta. Paperi on otsikoitu "Subnanometre yhden molekyylin lokalisointi, rekisteröinti ja matkan mittaus." Muut kirjoittajat ovat Alexandros Pertsinidis, tutkijatohtori ja jäsen Chu n tutkimusryhmä Kalifornian yliopiston (UC) Berkeley, joka on nyt apulaisprofessorina Sloan-Kettering-instituutin ja Yunxiang Zhang, jäsen Chu tutkimus ryhmä Stanfordin yliopistossa.

Mukaan fysiikan laki tunnetaan nimellä "diffraktio rajoittaa," pienin kuva että optinen järjestelmä voi ratkaista on noin puoli aallonpituuden valoa käytetään tuottamaan että kuvan. Perinteisissä optiikka, tämä vastaa noin 200 nanometriä. Vertailun vuoksi DNA-molekyylin toimenpiteitä noin 2,5 nanometriä leveä.

Vaikka ei-optisen kuvantamisen järjestelmät, kuten elektronimikroskoopit, voi ratkaista esineitä pitkälle subnanometer mittakaavassa Nämä järjestelmät toimivat olosuhteissa, jotka eivät ihanteellinen tutkimuksen biologisia näytteitä. Havaitsemaan yksittäiset loisteputki etiketteihin biologisten molekyylien kiinnostavat käyttäen charge-coupled laitteet (CCD) - matriisit piisiru jotka muuntavat tulevan valon sähkövaraus on aikaansaanut päätöslauselmia hieno kuin viisi nanometriä. Tähän asti tämä tekniikka ei ole pystynyt kuva yksittäisten molekyylien tai etäisyydet pari molekyylejä paljon alle 20 nanometriä.

Chu ja hänen kanssaan kirjoittajat pystyivät käyttämään samaa CCD-fluoresenssi-tekniikka ratkaista etäisyydet subnanometer tarkkuuden ja korjaamalla vain näköharha. Sähkövaraukset in CCD array luodaan, kun fotonit lakko piin ja suistamaan elektroneja, joiden vahvuus maksulle verrannollinen intensiteetti tapahtumasta fotonit. Kuitenkin, riippuen juuri kun fotoni osuu kentän pintaan piisiru, siellä voi olla pieni ero siinä, miten fotoni absorboituu ja onko se tuottaa mitattavissa maksu. Tämä epäyhtenäisyys on vastaus CCD pii array saapuvien fotonien, joka on luultavasti artefakti on siru valmistusprosessi, johtaa hämärtymisestä pikseliä, joka vaikeuttaa ratkaista kaksi asiaa, jotka ovat muutaman nanometrin toisistaan .

"Olemme kehittäneet aktiivisesti palautejärjestelmää, jonka avulla voimme sijoittaa kuvan yhden fluoresoiva molekyyli tahansa CCD-matriisi ja alikuvapisteessä tarkkuus, mikä puolestaan ​​auttaa meitä toimimaan alueella pienempi kuin tyypillinen kolmelaivainen pikselin pituus-asteikko CCD: n epäyhtenäisyys ", sanoo Pertsinidis, joka johtaa tekijän Nature paperia. "Tämän palautejärjestelmä sekä käyttö optisten palkkien vakauttaa mikroskoopin järjestelmä, voimme luoda kalibroitu alueen pii array missä virhe johtuu epäyhtenäisyys on vähentää 0,5 nanometriä. Sijoittamalla molekyylejä halutaan mitata keskustassa alueella voimme saada subnanometer resoluutio käyttäen perinteisiä optisella mikroskoopilla että löydät missään biologian laboratoriossa. "

Chu sanoo, että kyky liikkua vaiheessa mikroskooppi pieniä etäisyyksiä ja laskea geometrinen keskipiste (painopiste) kuvan mahdollistaa paitsi mitata valokuva-vaste epäyhtenäisyys välillä pikseliä, mutta myös mitata epäyhtenäisyys kunkin yksittäisen pikselin.

"Tietäen tämän epäyhtenäisyys sitten voimme tehdä korjauksia välillä näennäinen asema ja todellinen sijainti kuvan painopisteen", sanoo Chu. "Koska tämä ei ole yhdenmukaista ratkaisua on sisäänrakennettu CCD array ja ei muutu päivästä toiseen, meidän aktiivista palautetta järjestelmän avulla voimme kuva toistuvasti samaan asemaan CCD array."

Pertsinidis on jatkaa yhteistyötä Chu ja muiden ryhmän edelleen kehittäminen ja soveltaminen Tämä super-resoluutio tekniikkaa. Sen lisäksi ihmisen RNA polymeraasi II-järjestelmän, hän ja ryhmä käytät sitä rakenteen määrittämiseen epiteelisolujen cadherin molekyylejä, jotka ovat vastuussa solun-to-soluadheesio, joka pitää hallussaan kudoksen ja muita biologisia materiaaleja yhdessä. Pertsinidis, Zhang, ja toinen post doc Chu tutkimusryhmä, Sang Ryul Park, ovat myös tällä tekniikalla luoda 3D mittaukset molekyyli organisaation sisällä aivosoluja.

"Ideana on selvittää rakennetta ja dynamiikkaa rakkula fuusioprosessi, joka vapauttaa välittäjäaine molekyylejä käytetään neuronien kommunikoida toistensa kanssa," Pertsinidis sanoo. "Juuri nyt me saamme in situ mittaukset, joiden resoluutio on noin 10 nanometriä, mutta uskomme, voimme työntää tämän päätöslauselman sisällä kaksi nanometriä."

Vuonna yhteistyössä Joe Gray, Berkeley Lab Apulaisjohtaja biotieteiden ja johtava syöpä tutkija, postdocs vuonna Chu tutkimusryhmä käytetään myös super-resoluutio tekniikka tutkia kiinnitys molekyylejä on RAS proteiini, joka on sidoksissa useita syöpiä, mukaan lukien rinta-, haima-, keuhko-ja paksusuolen. Tämä tutkimus voisi auttaa selittämään, miksi syövän hoitomuotoja, että toimi hyvin joillakin potilailla ovat tehottomia muille.

Sen lisäksi biologisia sovelluksia, Pertsinidis, Zhang ja Chu niiden Luonto paperi sanoa niiden super-resoluutio tekniikka olisi myös osoittautua arvokkaaksi kuvaamaan ja suunnitella tarkasti fotometristen kuvantamisen järjestelmät ydinfysiikkaa tai tähtitieteen ja mahdollistaa uusia työkaluja optinen litografia ja nanometrologia .

Tämä tutkimus tukee National Institutes of Health, National Science Foundation, ilmailu-ja avaruushallinto, ja Defense Advanced Research Projects Agency.

Last Update: 10. October 2011 02:12

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