Posted in | Microscopy | Nanoanalysis

Использование оптической микроскопии для изображения объектов с резолюциями, как малого, 0,5 Нм

Published on July 14, 2010 at 8:01 PM

Здравый смысл считает, что оптическая микроскопия не могут быть использованы, чтобы "видеть" что-то как малые, как отдельные молекулы. Но наука в очередной раз отменил здравый смысл. Министра энергетики, лауреат Нобелевской премии и бывший директор Национальной лаборатории Лоренса Беркли (Berkeley Lab) Стивен Чу привел развитие техники, что позволяет использовать оптическую микроскопию, чтобы изображение объектов или расстояние между ними с разрешением размером до 0,5 нм - половины одной миллиардной метра, или на порядок меньше, чем в предыдущем лучших.

График слева показывает, что с активной системой обратной связи от есть разрешение дрейф около 0,3 пикселей или 19 нанометров, но с системой обратной связи по резолюции поддерживается на уровне менее 0,01 пикселей, или около 0,64 нм. Изображение справа показаны отдельные цианиновых (Су) флуоресцентных молекул красителя - Cy3 и Cy5 - используется для обозначения 20 пар оснований двухцепочечной ДНК.

"Возможность получения суб-нанометровым разрешением в соответствующие биологически водной среде имеет потенциал революционизировать биологии, в частности, структурной биологии", говорит секретарь Чу. "Одна из мотиваций для этой работы, например, было измерение расстояний между белками, которые образуют с несколькими доменами, весьма сложных структур, таких как белок сборка, формы человеческих РНК-полимеразы II система, которая инициирует транскрипцию ДНК."

Секретарь Чу соавтор бумаги сейчас появляются в журнале Природа, который описывает этот исследований. Статья под названием "Subnanometre одиночных молекул локализации, регистрации и измерения расстояний". Других авторов Александрос Pertsinidis, после защиты докторской исследователь, член исследовательской группы Чу в Калифорнийском университете (UC) Беркли, который в настоящее время доцент Слоан-Кеттеринг институте, а Юньсян Чжан, член исследования Чу группы в Стэнфордском университете.

По закону физики известно как "дифракционный предел", наименьшая изображения, оптическая система может решить составляет около половины длины волны света, используемого для производства этого образа. Для обычной оптики, это соответствует примерно 200 нанометров. Для сравнения, молекулы ДНК составляет около 2,5 нм в ширину.

Хотя не-оптические системы наблюдения, такие как электронные микроскопы, может решить объекты хорошо в субнанометровой масштабе, эти системы работают в условиях, не подходит для изучения биологических образцов. Обнаружение отдельных флуоресцентных меток прилагается к биологическим молекулам интерес использованием приборов с зарядовой связью (ПЗС) - массивы кремниевых чипов, которые преобразуют поступающий свет в электрический заряд, дала резолюций так хорошо, как пять нанометров. Однако до сих пор эта технология не смогла изображения отдельных молекул или расстояния между парой молекул намного меньше, чем 20 нанометров.

Чу и его соавторы смогли использовать те же ПЗС-технологии флуоресценции решить расстояния с точностью субнанометровой и точность, корректируя фокус света. Электрических зарядов в ПЗС-матрицы создаются, когда фотоны забастовки кремния и выбить электроны с силой заряда пропорциональна интенсивности падающего фотона. Однако, в зависимости именно там, где фотон попадает на поверхность кремниевого чипа, не может быть небольшая разница в том, как фотон поглощается и будет ли оно порождает измеримый заряд. Это неравномерность в ответе ПЗС-матрицы кремния на входящие фотонов, которые, вероятно, является артефактом процесса производства микросхем, приводит к размытости пикселей, что делает ее трудно решить две точки, которые находятся в пределах нескольких нанометров друг от друга .

"Мы разработали активную систему обратной связи, которая позволяет поместить изображение в одну флуоресцентную молекулу в любом месте на ПЗС-матрицы с субпиксельной точностью, которая, в свою очередь, позволяет нам работать в регионе меньше, чем типичный три пикселя длиной масштаба ПЗС-матрицы неоднородности ", говорит Pertsinidis, который является ведущим автором на природе бумаги. "С помощью этой системы обратной связи плюс использования дополнительных оптических пучков для стабилизации микроскопа, мы можем создать калиброванный области на кремний массив, где ошибка, связанная с неравномерностью уменьшается до 0,5 нм. Размещая молекул мы хотим измерить В центре этой области можно получить субнанометровой разрешение с помощью обычного оптического микроскопа, который можно найти в любой биологической лаборатории ".

Чу говорит, что способность двигаться стадии микроскоп малых расстояниях и вычислить геометрический центр (центр тяжести) изображения позволяет не только измерять фото-ответ неравномерность между пикселями, но и измерить неравномерность в рамках каждого отдельного пикселя.

"Зная об этом неравномерность затем позволяет внести коррективы между видимое положение и реальное положение центра тяжести изображения," говорит Чу. "Так как это неоднородная ответ встраивается в ПЗС-матрицы и не меняется изо дня в день, наша активная система обратной связи позволяет нам образ неоднократно в то же положение ПЗС-матрицы".

Pertsinidis продолжает работать с Чу и других членов группы на дальнейшее развитие и применение этого супер-разрешение техники. В дополнение к человеческой РНК-полимеразы II системе, он и группы используют его, чтобы определить структуру молекул Эпителиальные кадгерина, которые отвечают за клетки к клеточной адгезии, которая держит ткань и другие биологические материалы вместе. Pertsinidis, Чжан, а другой постдок в исследовательскую группу Чу, Сан Ryul парк, также используют этот метод для создания 3D-измерения молекулярной организации внутри клеток мозга.

"Идея заключается в определении структуры и динамики процесса слияния пузырьков, что релизы нейромедиаторов молекулы, используемые нейронами, чтобы общаться друг с другом", Pertsinidis говорит. "Сейчас мы получаем на месте измерений с разрешением около 10 нанометров, но мы думаем, мы можем нажать эту резолюцию в течение двух нанометров."

В сотрудничестве с Джо Грей, заместитель директора Лаборатории Беркли для естественных наук и ведущий научный сотрудник рака, постдоков в исследовательскую группу Чу также используют супер-разрешение методика исследования крепления сигнальных молекул на белка РАН, который был связан с число раковых заболеваний, в том числе молочной железы, поджелудочной железы, легких и толстой кишки. Это исследование может помочь объяснить, почему лечения рака, которые выполняют также на некоторых пациентов неэффективны на других.

В дополнение к своей биологических приложений, Pertsinidis, Чжан и Чу в их природы говорят, что их бумага сверхвысокого разрешения техники должны также оказаться полезными для характеристики и дизайн точность фотометрических систем визуализации в атомной физике или астрономии, а также позволяют новые инструменты в оптической литографии и нанометрологии .

Работа выполнена при поддержке Национального института здоровья, Национального научного фонда, Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства и обороны перспективных исследований Проекты агентства.

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