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

There is 1 related live offer.

5% Off SEM, TEM, FIB or Dual Beam

Ved hjelp av optisk mikroskopi å bildeobjektene med oppløsninger så lite som 0,5 nanometer

Published on July 14, 2010 at 8:01 PM

Konvensjonell visdom mener at optiske mikroskopi ikke kan brukes til å "se" noe så lite som ett enkelt molekyl. Men vitenskapen har nok en gang veltet konvensjonelle visdom. Secretary of Energy, nobelprisvinner og tidligere direktør ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) Steven Chu ledet utviklingen av en teknikk som muliggjør bruk av optiske mikroskop for å bildeobjektene eller avstanden mellom dem med oppløsninger så lite som 0,5 nanometer - halvparten av en milliarddel av en meter, eller en størrelsesorden mindre enn den forrige best.

Grafen til venstre viser at med aktiv feedback system off det er en oppløsning drift på ca 0,3 piksler eller 19 nanometer, men med feedback system på oppløsningen er opprettholdt på bedre enn 0.01 piksler, eller rundt 0,64 nanometer. Bildet til høyre viser individuelle Cyanine (Cy) fluorescerende fargestoffer - Cy3 og Cy5 - brukes til å merke 20 basepar av dobbel-strandet DNA.

"Muligheten til å få sub-nanometer oppløsning i biologisk relevant vannholdige miljøer har potensial til å revolusjonere biologi, spesielt strukturell biologi," sier sekretær Chu. "En av motivasjonene for dette arbeidet, for eksempel, var å måle avstander mellom proteiner som danner multi-domene, svært komplekse strukturer, slik som protein forsamlingen som danner det menneskelige RNA polymerase II-systemet, som utløser DNA transkripsjon."

Sekretær Chu er co-forfatter av en artikkel nå vises i tidsskriftet Nature som beskriver denne forskningen. Papiret har tittelen "Subnanometre single-molekyl lokalisering, registrering og distanse." De andre forfatterne er Alexandros Pertsinidis, en postdoktor og medlem av Chu forskningsgruppe ved University of California (UC) Berkeley, som nå er assisterende professor ved Sloan-Kettering Institute, og Yunxiang Zhang, medlem av Chu forskning gruppe ved Stanford University.

Ifølge en lov av fysikken kjent som "diffraksjon grensen," det minste bildet som et optisk system kan løse er omtrent halvparten av bølgelengden til lyset som brukes til å produsere det bildet. For konvensjonelle optikk, tilsvarer dette rundt 200 nanometer. Til sammenligning måler en DNA-molekylet omtrent 2,5 nanometer i bredden.

Mens ikke-optiske avbildning systemer, slik som elektronmikroskop, kan løse gjenstander godt inn i subnanometer skala, disse systemene operere under forhold ikke ideelt for studier av biologiske prøver. Oppdage individuelle fluorescerende etiketter festet til biologiske molekyler av interesse å bruke charge-coupled enheter (CCD) - matriser av silisium brikker som konverterer innkommende lys til en elektrisk ladning, har gitt oppløsninger så fint som fem nanometer. Men til nå denne teknologien har vært i stand til bildet single molekyler eller avstander mellom et par av molekyler mye mindre enn 20 nanometer.

Chu og hans medforfattere var i stand til å bruke samme CCD-fluorescens teknologi for å løse avstander med subnanometer presisjon og nøyaktighet ved å korrigere et triks av lyset. Den elektriske ladninger i en CCD array blir opprettet når fotonene treffer silisium og løsrive elektroner, med styrken av avgiften er proporsjonal med intensiteten av hendelsen fotoner. Men, avhengig av nøyaktig hvor et foton treffer overflaten av en silisium chip, kan det være en liten forskjell i hvordan foton absorberes og om det genererer en målbar kostnad. Denne ikke-ensartethet i responsen fra CCD silisium array til innkommende fotoner, som sannsynligvis er en gjenstand av chip produksjonsprosessen, resulterer i en uskarpe piksler som gjør det vanskelig å løse to punkter som er innenfor noen få nanometer av hverandre .

"Vi har utviklet et aktivt feedback system som tillater oss å plassere bildet på et enkelt fluorescerende molekyl hvor som helst på CCD array med sub-pixel presisjon, som igjen gjør oss i stand til å arbeide i et område mindre enn de typiske tre pixel lengde-skalaen av CCD ikke-ensartethet, "sier Pertsinidis, som er hovedforfatter på artikkelen i Nature. "Med denne tilbakemeldingen systemet pluss bruk av ekstra optisk bjelker å stabilisere mikroskop systemet, kan vi skape en kalibrert område på silisium array hvor feilen på grunn av manglende ensartethet er redusert til 0,5 nanometer. Ved å plassere molekyler vi ønsker å måle i sentrum av denne regionen kan vi få subnanometer oppløsning ved hjelp av en konvensjonell optisk mikroskop som du kan finne i noen biologi lab. "

Chu sier at evnen til å flytte scenen av et mikroskop små avstander og beregne geometriske senter (Tyngdepunktet) av bildet gjør det mulig å ikke bare måle foto-responsen non-enhetlighet mellom piksler, men også for å måle ikke-ensartethet innenfor hver enkelt piksel.

"Å vite dette non-ensartethet så tillater oss å gjøre rettelser mellom det tilsynelatende posisjon og den virkelige plasseringen av bildets Tyngdepunktet", sier Chu. "Siden dette ikke-uniform respons er bygd inn i CCD array, og ikke endres fra dag til dag, gjør at våre aktive feedback system oss til bilde gjentatte ganger på samme sted i CCD array."

Pertsinidis fortsetter å jobbe med Chu og andre i gruppen på videre utvikling og anvendelse av denne super-oppløsning teknikk. I tillegg til de menneskelige RNA polymerase II-systemet, er han og gruppen bruker den for å bestemme strukturen av Epithelial cadherin molekyler som er ansvarlige for celle-til-celle adhesjon som holder vev og annet biologisk materiale sammen. Pertsinidis, Zhang, og en annen postdoc i Chu sin forskergruppe, Sang Ryul Park, også bruker denne teknikken til å lage 3D-målinger av molekylære organisasjonen inne hjerneceller.

"Ideen er å bestemme strukturen og dynamikken i vesicle fusjon prosessen som frigjør nevrotransmitteren molekylene som brukes av nerveceller å kommunisere med hverandre," Pertsinidis sier. "Akkurat nå er vi får i situ målinger med en oppløsning på ca 10 nanometer, men vi tror vi kan skyve denne oppløsningen til innen to nanometer."

I et samarbeid med Joe Gray, Berkeley Lab er Associate Director for biovitenskap og en ledende kreft forsker, postdoc i Chu forskningsgruppe er også med super oppløsning teknikk for å studere vedlegget av signalmolekyler på RAS protein, som har vært knyttet til en rekke kreftformer, blant annet i bryst, bukspyttkjertel, lunger og tykktarm. Denne forskningen kan forklare hvorfor kreft terapier som gir gode resultater på enkelte pasienter er ineffektive på andre.

I tillegg til biologiske applikasjoner, Pertsinidis, Zhang og Chu i Nature si sin super-oppløsning teknikken bør også være verdifull å karakterisere og design presisjon fotometriske imaging-systemer i atomfysikk og astronomi, og åpner for nye verktøy i optisk litografi og nanometrology .

Denne forskningen ble støttet av National Institutes of Health, National Science Foundation, National Aeronautics and Space Administration, og Defense Advanced Research Projects Agency.

Last Update: 3. October 2011 02:54

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