Site Sponsors
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
  • 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

Met behulp van optische microscopie op het beeld Objecten met resoluties zo klein als 0,5 Nanometer

Published on July 14, 2010 at 8:01 PM

Conventionele wijsheid stelt dat optische microscopie niet kan worden gebruikt om te "zien" iets zo klein als een individueel molecuul. Maar de wetenschap heeft opnieuw vernietigd conventionele wijsheid. Minister van Energie, Nobelprijswinnaar en voormalig directeur van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) Steven Chu leidde de ontwikkeling van een techniek die het gebruik van optische microscopie in staat stelt om foto objecten of de afstand tussen hen met een resolutie zo klein als 0,5 nanometer - de helft van een miljardste van een meter, of een orde van grootte kleiner dan de vorige beste.

Grafiek links toont aan dat met de actieve feedback systeem uit is er een resolutie drift van ongeveer 0,3 pixels of 19 nanometer, maar met de feedback systeem op resolutie wordt gehandhaafd op 0,01 beter dan pixels, of ongeveer 0,64 nanometer. Afbeelding rechts geeft de afzonderlijke Cyanine (Cy) fluorescerende kleurstof moleculen - Cy3 en Cy5 - gebruikt tot 20 basenparen van double-stranded DNA label.

"De mogelijkheid om sub-nanometer resolutie te krijgen in de biologisch relevante waterige milieus heeft de potentie om een ​​revolutie biologie, met name structurele biologie," zegt secretaris Chu. "Een van de aanleidingen voor dit werk, bijvoorbeeld, was de afstanden tussen de eiwitten die multi-domein, zeer complexe structuren, zoals het eiwit vergadering die de menselijke RNA polymerase II-systeem, dat DNA-transcriptie initieert vormen vorm te meten."

Secretaris Chu is de co-auteur van een paper nu verschijnen in het tijdschrift Nature dat dit onderzoek beschrijft. Het papier is getiteld "Subnanometre single-molecule lokalisatie, registratie en op afstand metingen." De overige auteurs zijn Alexandros Pertsinidis, een post-doctoraal onderzoeker en lid van onderzoeksgroep Chu's groep aan de Universiteit van Californië (UC) Berkeley, die nu een assistent-professor aan de Sloan-Kettering Institute, en Yunxiang Zhang, een lid van onderzoeksgroep Chu's groep van Stanford University.

Volgens een wet van de natuurkunde bekend als de "diffractielimiet," het kleinste beeld dat een optisch systeem kan oplossen is ongeveer de helft van de golflengte van het licht gebruikt om dat beeld te produceren. Voor conventionele optiek komt dit overeen met ongeveer 200 nanometer. Ter vergelijking, een DNA-molecuul meet ongeveer 2,5 nanometer in de breedte.

Terwijl de niet-optische beeldvorming systemen, zoals elektronenmicroscopen, kunnen objecten op te lossen tot ver in de subnanometer schaal, deze systemen werken onder omstandigheden niet ideaal voor de studie van de biologische monsters. Het detecteren van individuele fluorescente labels aan biologische moleculen van belang met behulp van charge-coupled devices (CCD) - arrays van silicium chips die binnenkomende licht omzetten in een elektrische lading, heeft geleid tot resoluties zo fijn als vijf nanometer. Echter, tot nu toe deze technologie is niet in staat geweest om de afbeelding enkele moleculen of afstanden tussen een paar van moleculen veel minder dan 20 nanometer.

Chu en zijn co-auteurs waren in staat om dezelfde CCD-fluorescentie technologie te gebruiken om afstanden met subnanometer precisie en nauwkeurigheid op te lossen door het corrigeren van een speling van het licht. De elektrische ladingen in een CCD-array worden aangemaakt wanneer fotonen staking van de silicium en verjagen elektronen, met de kracht van de lading die evenredig is met de intensiteit van het incident fotonen. Echter, afhankelijk van precies waar een foton raakt het oppervlak van een silicium chip, kan er een klein verschil in de manier waarop het foton wordt geabsorbeerd en of het genereert een meetbaar te laden. Deze niet-uniformiteit in de reactie van de CCD silicium array inkomende fotonen, die waarschijnlijk een artefact van de chip productieproces, resulteert in een vervaging van de pixels dat maakt het moeilijk op te lossen twee punten die binnen een paar nanometer van elkaar .

"We hebben een actieve feedback-systeem dat ons in staat stelt om het beeld van een enkel fluorescerend molecuul willekeurige plaats op de CCD-array met sub-pixel precisie, die op zijn beurt stelt ons in staat om te werken in een gebied kleiner dan de typische drie pixel lengte-schaal van de CCD non-uniformiteit ", zegt Pertsinidis, wie is de hoofdauteur van het Nature papier. "Met dit feedback-systeem plus het gebruik van extra optische balken aan de microscoop systeem te stabiliseren, kunnen we een gekalibreerde regio te maken op het silicium array waar de fout als gevolg van niet-uniformiteit wordt gereduceerd tot 0,5 nanometer. Door het plaatsen van de moleculen die we willen meten in het centrum van deze regio kunnen we krijgen subnanometer resolutie met behulp van een conventionele optische microscoop die je kunt vinden in een biologie laboratorium. "

Chu zegt dat de mogelijkheid om de fase van een microscoop kleine afstanden te verplaatsen en het berekenen van de geometrische centrum (zwaartepunt) van de afbeelding maakt het mogelijk om niet alleen het meten van de foto-response non-uniformiteit tussen de pixels, maar ook voor de niet-uniformiteit te meten binnen elke afzonderlijke pixel.

"Weten deze niet-uniformiteit dan kunnen we correcties tussen de schijnbare positie en de werkelijke positie van het zwaartepunt van de afbeelding", zegt Chu. "Sinds deze niet-uniforme respons is ingebouwd in de CCD-array en verandert niet van dag tot dag, onze actieve feedback systeem stelt ons in staat om de afbeelding meerdere malen op dezelfde positie van de CCD-array."

Pertsinidis blijft met Chu en anderen werken in de groep op de verdere ontwikkeling en toepassing van deze super-resolutie techniek. In aanvulling op het menselijk RNA polymerase II-systeem, zijn hij en de groep te gebruiken om de structuur van de epitheliale cadherine moleculen die verantwoordelijk zijn voor de cel-cel adhesie dat weefsel en andere biologische materialen bij elkaar houdt vast te stellen. Pertsinidis, Zhang, en nog een postdoc in het onderzoek Chu groep, Sang Ryul Park, zijn ook met behulp van deze techniek om 3D-metingen van de moleculaire organisatie binnen hersencellen te creëren.

"Het idee is het bepalen van de structuur en dynamiek van het blaasje fusieproces dat de neurotransmitter-moleculen worden gebruikt door neuronen te communiceren met elkaar releases," Pertsinidis zegt. "Op dit moment zijn we steeds in situ metingen met een resolutie van ongeveer 10 nanometer, maar we denken dat we deze resolutie te duwen om binnen twee nanometer."

In een samenwerking met Joe Gray, Associate Director Berkeley Lab for Life Sciences en een toonaangevende kanker onderzoeker, postdocs in het onderzoek van Chu's groep worden ook met behulp van de super-resolutie techniek om de bevestiging van signaalmoleculen studie over het RAS eiwit, dat is gekoppeld aan de een aantal kankers, waaronder die van de borst, pancreas, long-en dikke darm. Dit onderzoek zou kunnen helpen verklaren waarom kanker therapieën die goed presteren op sommige patiënten niet effectief zijn op anderen.

Naast de biologische toepassingen, Pertsinidis, Zhang en Chu in hun Nature paper zeggen dat hun super-resolutie techniek moet ook waardevol blijken te karakteriseren en precisie fotometrische imaging systemen te ontwerpen in de atoomfysica of sterrenkunde, en zorgen voor nieuwe tools in optische lithografie en nanometrologie .

Dit onderzoek werd ondersteund door de National Institutes of Health, de National Science Foundation, de National Aeronautics and Space Administration, en de 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