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

Använda optisk mikroskopi till bild Objekt med resolutionerna så liten som 0,5 nanometer

Published on July 14, 2010 at 8:01 PM

Konventionell visdom anser att optisk mikroskopi inte kan användas för att "se" något så litet som en enskild molekyl. Men vetenskapen har återigen välte konventionell visdom. S energiminister, nobelpristagaren och tidigare chef för Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) Steven Chu lett utvecklingen av en teknik som möjliggör användning av optisk mikroskopi för att bilden objekt eller avståndet mellan dem med upplösningar så liten som 0,5 nanometer - hälften av en miljarddels meter, eller en storleksordning lägre än föregående bästa.

Diagram till vänster visar att med aktiv feedback system av det finns en resolution drift på cirka 0,3 pixlar eller 19 nanometer, men med feedback system på upplösning bibehålls på bättre än 0,01 bildpunkter, eller ca 0,64 nanometer. Bilden till höger visar de enskilda Cyanine (CY) fluorescerande färg molekyler - Cy3 och Cy5 - används för att märka 20 baspar i dubbelsträngat DNA.

"Förmågan att få sub-nanometers upplösning i biologiskt relevanta akvatisk miljö har potential att revolutionera biologi, särskilt strukturbiologi", säger utrikesminister Chu. "Ett av motiven för detta arbete, till exempel, var att mäta avstånd mellan proteiner som bildar flera domän, mycket komplexa strukturer, såsom det protein församling som utgör det mänskliga RNA-polymeras II, som initierar DNA transkription".

Sekreterare Chu är medförfattare till ett papper som återfinns nu i tidskriften Nature som beskriver denna forskning. Papperet heter "Subnanometre enda molekyl lokalisering, registrering och mätning avstånd." De andra författarna är Alexandros Pertsinidis, en post-doc forskare och medlem i Chu forskargrupp vid University of California (UC) Berkeley, som nu är biträdande professor vid Sloan-Kettering Institute och Yunxiang Zhang, en medlem av Chu forskning grupp vid Stanford University.

Enligt en fysikalisk lag som kallas "diffraktionsgränsen," den minsta bild som ett optiskt system kan lösa är ungefär hälften av ljusets våglängd används för att producera den bilden. För konventionell optik, motsvarar detta cirka 200 nanometer. Som jämförelse mäter en DNA-molekyl cirka 2,5 nanometer i bredd.

Medan icke-optisk avbildning, såsom elektronmikroskop, kan lösa föremål långt in på subnanometer skala, dessa system fungerar under förhållanden som inte är idealisk för undersökning av biologiska prover. Upptäcka enskilda fluorescerande etiketter knutna till biologiska molekyler av intresse att använda kostnad-kopplade enheter (CCD) - kedjor av kisel chips som omvandlar inkommande ljus till en elektrisk laddning, har givit resolutioner lika bra som fem nanometer. Men fram tills nu denna teknik har inte kunnat bilden enstaka molekyler eller avstånd mellan ett par av molekyler betydligt mindre än 20 nanometer.

Chu och hans medförfattare kunde använda samma CCD-fluorescens teknik för att lösa avstånd med subnanometer precision och noggrannhet genom att korrigera ett trick av ljuset. Den elektriska laddningar i en CCD-array skapas när fotoner strejk kisel och få bort elektroner, med styrkan av avgiften är proportionell mot intensiteten av händelsen fotoner. Men beroende på exakt var en foton träffar ytan av ett kisel-chip kan det finnas en liten skillnad i hur fotonen absorberas och om det genererar en mätbar kostnad. Denna icke-enhetlig respons CCD kisel array till inkommande fotoner, vilket sannolikt är en artefakt av chip tillverkningsprocessen leder till en urvattning av pixlar som gör det svårt att lösa två punkter som ligger inom några få nanometer av varandra .

"Vi har utvecklat en aktiv feedback-system som tillåter oss att placera bilden av en enda fluorescerande molekyl någonstans på CCD-array med sub-pixel precision, vilket i sin tur gör att vi kan arbeta i en region är mindre än den typiska tre pixel längd skala av CCD icke-likformighet ", säger Pertsinidis, som är huvudförfattare på Nature papper. "Med denna feedback-system samt användning av extra optiska balkar att stabilisera mikroskop system kan vi skapa en kalibrerad region på kisel rad där felet på grund av icke-likformighet reduceras till 0,5 nanometer. Genom att placera de molekyler vi vill mäta i centrum av denna region kan vi få subnanometer upplösning med en konventionell optisk mikroskop som du kan hitta i någon biologi labb. "

Chu säger att förmågan att röra sig på scenen av ett mikroskop små avstånd och beräkna geometriska mittpunkt (tyngdpunkt) på bilden gör det möjligt att inte bara mäta foto-svar utan enhetlighet mellan pixlar, men också för att mäta icke-likformighet inom varje enskild pixel.

"Att veta detta icke-likformighet sedan ger oss möjlighet att göra korrigeringar mellan skenbara position och den verkliga placeringen av bildens centroiden", säger Chu. "Eftersom detta inte är enhetligt svar är inbyggd i CCD-array och ändras inte från dag till dag, gör våra aktiva återkopplingssystem oss att bilden flera gånger på samma position CCD-array."

Pertsinidis fortsätter att arbeta med Chu och andra i gruppen om den fortsatta utvecklingen och tillämpningen av denna super-upplösning teknik. Förutom det mänskliga RNA-polymeras II-systemet, är han och gruppen använder den för att bestämma strukturen av Epithelial cadherin molekyler som är ansvariga för cell-till-cell adhesion som håller vävnad och andra biologiska material tillsammans. Pertsinidis, Zhang och en annan postdoc i Chu forskargrupp, Sang Ryul Park, använder också denna teknik för att skapa 3D-mätningar av den molekylära organisationen inuti hjärnceller.

"Tanken är att bestämma strukturen och dynamiken i vesikelfusion process som frigör signalsubstansen molekyler som används av nervceller att kommunicera med varandra", Pertsinidis säger. "Just nu vi får in situ mätningar med en upplösning på cirka 10 nanometer, men vi tror att vi kan driva denna resolution till inom två nanometer."

I ett samarbete med Joe Gray, Berkeley Lab Associate Director for Life Sciences och en ledande cancerforskare, postdoktorer i Chu forskargrupp använder också super-upplösning teknik för att studera fastsättning av signalmolekyler på RAS-protein, som har kopplats till ett antal cancerformer, inklusive de i bröst, bukspottkörtel, lunga och kolon. Denna forskning skulle kunna förklara varför cancerbehandlingar som presterar bra på vissa patienter är ineffektiva på andra.

Utöver sin biologiska tillämpningar, Pertsinidis, Zhang och Chu i Nature papper säger att deras super-upplösning tekniken också skulle visa sig värdefull för att karakterisera och design precision fotometriska bildsystem i atomfysik och astronomi, och möjliggöra nya verktyg inom optisk litografi och nanometrologi .

Denna forskning stöds av National Institutes of Health, National Science Foundation, National Aeronautics and Space Administration, och 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