Posted in | Microscopy | Nanoanalysis

באמצעות מיקרוסקופ אופטי אל אובייקטים תמונה עם החלטות קטן כמו 0.5 ננומטרים

Published on July 14, 2010 at 8:01 PM

הדעה הרווחת גורסת כי מיקרוסקופיה אופטית לא ניתן להשתמש בהם כדי "לראות" משהו קטן כמו מולקולה בודדת. אבל המדע הפך שוב החוכמה המקובלת. שר האנרגיה, חתן פרס נובל ומנהל לשעבר של המעבדה הלאומית לורנס ברקלי (ברקלי) סטיבן צ 'הוביל את הפיתוח של טכניקה המאפשרת להשתמש במיקרוסקופ אופטי לאובייקטים תמונה או המרחק ביניהם עם החלטות קטן כמו 0.5 ננומטר - מחצית של אחד חלקי מיליארד של מטר, או בסדר גודל קטן יותר מאשר הטוב ביותר הקודם.

גרף על מראה שמאל כי עם מערכת משוב פעיל את נדידת יש רזולוציה של כ - 0.3 פיקסלים או 19 ננומטר, אך עם מערכת משוב על ההחלטה נשמר טוב יותר מאשר 0.01 פיקסלים, או כ - 0.64 ננומטרים. התמונה מראה על זכות הפרט Cyanine (סי) מולקולות צבע פלואורסצנטי - Cy3 ו Cy5 - פעם תווית 20 זוגות בסיסים של גדילי הדנ"א הכפול.

"היכולת לקבל משנה ננומטר ברזולוציה בסביבות מימיות רלוונטי מבחינה ביולוגית יש פוטנציאל לחולל מהפכה בביולוגיה, במיוחד ביולוגיה מבנית", אומר מזכיר צ. "אחד המניעים עבור עבודה זו, למשל, היה כדי למדוד מרחקים בין חלבונים טופס רב תחום, מבנים מורכבים ביותר, כגון הרכבה החלבון שמהווה את האדם RNA פולימראז II המערכת, אשר יוזם שעתוק דנ"א."

מזכיר צ'ו הוא ממחברי נייר עכשיו המופיעים בכתב העת נייצ'ר המתאר את המחקר. העיתון נקרא "יחיד מולקולה Subnanometre לוקליזציה, אחת ומדידות מרחק." מחברים אחרים הם אלכסנדרוס Pertsinidis, חוקר פוסט דוקטורט וחבר בקבוצת המחקר של צ'ו מאוניברסיטת קליפורניה (UC) בברקלי, כיום מרצה במכון סלואן קטרינג, ו Yunxiang ז'אנג, חבר מחקר של צ'ו הקבוצה באוניברסיטת סטנפורד.

על פי החוק של הפיזיקה הידועה בשם "גבול דיפרקציה," את התמונה הקטנה כי מערכת אופטית יכולה לפתור הוא כמחצית אורך הגל של האור המשמש לייצור כי התמונה. עבור אופטיקה קונבנציונאלי, זה מקביל בערך 200 ננומטר. לשם השוואה, מולקולת דנ"א מודד כ -2.5 ננומטר רוחב.

אמנם אי - אופטי מערכות הדמיה, כגון מיקרוסקופ אלקטרונים, יכול לפתור גם חפצים לתוך subnanometer הסולם, מערכות אלה פועלות תחת תנאים לא אידיאליים עבור המחקר של דגימות ביולוגיות. זיהוי תוויות ניאון הפרט המצורפת מולקולות ביולוגיות של הריבית באמצעות תשלום מצמידים ההתקנים (CCDs) - מערכים של שבבי סיליקון, כי להמיר האור הנכנס לתוך מטען חשמלי, הניבה החלטות כמו קנס כאמור חמישה ננומטרים. עם זאת, עד היום הטכנולוגיה הזו לא הצליחה מולקולות תמונה אחת או מרחקים בין זוג מולקולות הרבה פחות מ -20 ננומטר.

צ'ו שלו המחברים יכלו להשתמש בטכנולוגיה דומה CCD-פלואורסצנציה לפתור מרחקים בדייקנות subnanometer ודיוק ידי תיקון טריק של האור. האישומים חשמל במערך CCD נוצרות כאשר פוטונים השביתה סיליקון לעקור אלקטרונים, עם הכוח של המטען להיות פרופורציונלי בעוצמה של פוטונים האירוע. עם זאת, תלוי היכן בדיוק פוטון פוגע את פני השטח של שבב סיליקון, לא יכול להיות הבדל קטן איך פוטון נספג אם זה יוצר שעבוד מדידים. זה לא אחידות בתגובה של מערך ה-CCD סיליקון כדי פוטונים נכנסת, אשר היא כנראה תוצר של תהליך ייצור השבבים, התוצאה היא טשטוש פיקסלים שמקשה על מנת לפתור שתי נקודות כי הם בתוך ננומטרים ספורים זה מזה .

"פיתחנו מערכת משוב פעילים אשר מאפשרת לנו למקם את התמונה של מולקולה פלורסנט בודד בכל מקום על מערך ה-CCD עם דיוק תת פיקסלים, אשר בתורו מאפשר לנו לעבוד באזור קטן יותר בקנה מידה באורך טיפוסי three פיקסל של אחידות הלא CCD ", אומר Pertsinidis, מי הוא הכותב הראשי על הטבע הנייר. "עם המערכת הזו בתוספת משוב השימוש קורות אופטי נוסף כדי לייצב את המערכת מיקרוסקופ, נוכל ליצור אזור מכויל על סיליקון מערך שבו השגיאה בשל אי אחידות מצטמצם 0.5 ננומטרים. ידי הצבת המולקולות אנו רוצים למדוד במרכז האזור הזה אנחנו יכולים להשיג רזולוציה subnanometer באמצעות מיקרוסקופ אופטי קונבנציונלי, כי אתה יכול למצוא במעבדה כל הביולוגיה ".

צ'ו אומר כי היכולת להזיז את הבמה של מרחקים מיקרוסקופ קטן לחשב את מרכז גיאומטרי (centroid) של התמונה מאפשר לא רק למדוד את התמונות התגובה הלא אחידות בין פיקסלים, אלא גם כדי למדוד את אי - אחידות בתוך כל פיקסל בודד.

"הידיעה הזאת אי - אחידות מכן מאפשר לנו לבצע תיקונים בין העמדה לכאורה ואת המיקום האמיתי של centroid של התמונה", אומר צ'ו. "מאז התגובה הזאת לא אחידה מובנה בתוך מערך ה-CCD ואינו משתנה מיום ליום, מערכת משוב פעילים שלנו מאפשר לנו התמונה שוב ושוב בכל תנוחה של מערך ה-CCD."

Pertsinidis הוא ממשיך לעבוד עם צ'ו ואחרים בקבוצה על פיתוח יישום נוסף של טכניקה סופר החלטה זו. בנוסף האדם RNA פולימראז II המערכת, הוא וקבוצת משתמשים בו כדי לקבוע את המבנה של מולקולות cadherin אפיתל אחראים הידבקות התא אל התא המכיל רקמות וחומרים ביולוגיים אחרים יחד. Pertsinidis, אנג, ועוד פוסט דוקטורט בקבוצת המחקר של צ'ו, סאנג Ryul פארק, גם הם שימוש בטכניקה זו כדי ליצור מדידות 3D של הארגון מולקולרי בתוך התאים במוח.

"הרעיון הוא לקבוע את המבנה והדינמיקה של שלפוחית ​​תהליך היתוך המשחרר את מולקולות הנוירוטרנסמיטר המשמשים נוירונים כדי לתקשר אחד עם השני", אומר Pertsinidis. "כרגע אנחנו מקבלים במדידות באתרו עם רזולוציה של כ 10 ננומטר, אבל אנחנו חושבים שאנחנו יכולים לדחוף את ההחלטה בתוך שני ננומטר."

בשיתוף פעולה עם ג'ו גריי, מנהל שותף המעבדה של ברקלי למדעי החיים חוקר הסרטן המוביל, postdocs בקבוצת המחקר של צ'ו גם באמצעות טכניקה סופר רזולוציה ללמוד את הקובץ המצורף של מולקולות איתות על החלבון RAS, אשר נקשר מספר סוגי סרטן, כולל אלו של הריאות, השד, הלבלב והמעי הגס. מחקר זה יכול להסביר מדוע הטיפולים בסרטן המבצעות גם על חלק מהחולים אינם יעילים על אחרים.

בנוסף יישומים ביולוגיים, Pertsinidis, ג'אנג צ'ו בעיתון הטבע שלהם אומרים טכניקה סופר רזולוציה שלהם צריך גם להוכיח את ערך לאפיון ועיצוב photometric דיוק מערכות הדמיה בפיסיקה אטומית או אסטרונומיה, ולאפשר כלים חדשים nanometrology ליתוגרפיה אופטית .

מחקר זה מומן על ידי מכוני הבריאות הלאומיים, הקרן הלאומית למדע, מינהל התעופה הלאומית שטח המינהל, לבין מחקר מתקדם הביטחון הסוכנות.

Last Update: 21. October 2011 17:28

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