Interferometrická rozptylová mikroskopie - Interferometric scattering microscopy

Interferometrická rozptylová mikroskopie (iSCAT) odkazuje na třídu metod, které detekují a zobrazují objekty o vlnové délce pomocí rušivé světlo rozptýlené pomocí referenčního světelného pole. Základní fyzika je sdílena jinými konvenčními interferometrickými metodami, jako je fázový kontrast nebo rozdílový interferenční kontrast nebo reflexní interferenční mikroskopie. Klíčovým rysem iSCAT je detekce elastického rozptylu od částic o vlnové délce, známého také jako Rayleighův rozptyl, kromě odražených nebo přenosových signálů z objektů nad vlnovou délkou. Výzvou je obvykle detekce malých signálů nad velkými a složitými skvrnitými pozadími. iSCAT se používá ke zkoumání nanočástic, jako jsou viry, proteiny, lipidové vezikuly, DNA, exosomy, kovové nanočástice, polovodičové kvantové tečky, nosiče náboje a jednotlivé organické molekuly bez potřeby fluorescenční značky.
Historické pozadí
Princip rušení hraje ústřední roli v mnoha zobrazovacích metodách, včetně zobrazování ve světlém poli, protože jej lze popsat jako interference mezi osvětlovacím polem a polem, které interagovalo s objektem, tj. Zánikem. Ve skutečnosti je dokonce i mikroskopie založená na interferenci s vnějším světelným polem stará více než sto let.
První měření typu iSCAT byla provedena v biofyzikální komunitě v 90. letech.[1] Systematický vývoj metody detekce nanoobjektů byl zahájen počátkem dvacátých let jako obecná snaha prozkoumat možnosti fluorescence bez studia jednotlivých molekul a nanoobjektů.[2] Zejména, zlaté nanočástice až do velikosti 5 nm byly zobrazeny interferencí jejich rozptýleného světla s odraženým paprskem z krycího sklíčka, které je podporovalo. Používat superkontinuální laser dále povoleno pro záznam plazmonových spekter částic.[2] Počáteční měření byla omezena zbytkovým skvrnitým pozadím. V roce 2009 byl představen nový přístup k odečítání pozadí a zkratka iSCAT.[3] Od té doby různé skupiny ohlásily řadu důležitých prací.[4][5][6][7] Zejména další inovace v pozadí a potlačení šumu vedly k vývoji nových kvantifikačních metod, jako je hmotnostní fotometrie (původně zavedená jako iSCAMS), ve které se ultrazvuková a přesná interferometrická detekce převede na kvantitativní prostředek pro měření molekulové hmotnosti jednotlivých biomolekul .[8]
Teoretické základy
Když je referenční světlo superponováno rozptýleným světlem objektu, lze intenzitu na detektoru popsat pomocí,[2][7]
kde a jsou komplexní elektrická pole referenčního a rozptýleného světla. Výslednými členy jsou intenzita referenčního paprsku , čisté rozptýlené světlo z objektu a průřezový termín který obsahuje fázi . Tato fáze zahrnuje a Fáze gouy složka z variací vlnových vektorů, složka rozptylové fáze z materiálových vlastností objektu a sinusově modulovaná složka fáze, která závisí na poloze částice.
Obecně může referenční paprsek zaujmout jinou cestu než rozptýlené světlo v optickém nastavení, pokud jsou koherentní a rušit detektor. Tato technika se však stává jednodušší a stabilnější, pokud oba paprsky sdílejí stejnou optickou cestu. Proto se jako reference obvykle používá odražené světlo z krycího skluzu nebo procházejícího paprsku procházejícího vzorkem. Aby k interferenci mohlo dojít, je nutné, aby obě světelné vlny (rozptýlené světlo a referenční světlo) byly koherentní. Zajímavé je, že světelný zdroj s velkou koherenční délkou řádově metrů nebo více (jako v moderních úzkopásmových laserových systémech) obvykle není potřeba. V nejběžnějších realizačních schématech iSCAT, kde se jako reference používá odražené světlo krycího sklíčka a rozptyl částice není více než několik stovek nanometrů nad sklem, dokonce ani „nekoherentní“ světlo, např. z LED, lze použít.[9]
Aplikace
iSCAT se používá v široké škále aplikací. Mohou být seskupeny zhruba takto:
Zobrazování bez štítků
- Mikrotubuly[1]
- Lipidové nano / mikrodomény[10]
- Sestavení jednoho viru[11]
- Časově závislý iSCAT (StroboSCAT)[12]
Sledování jednotlivých částic
- Sledování jednoho viru in vitro[3]
- Sledování jednoho viru během rané fáze infekce v buňkách[13]
- Mikrosekundové sledování jednotlivých částic na živé buněčné membráně[14]
- Sledování motorických bílkovin[15]
Detekce, zobrazování, sledování a kvantifikace jedné molekuly bez štítků
- Detekce jedné molekuly absorpcí[16]
- Snímání jednoho proteinu[17]
- Sledování jednoho proteinu[18]
- Hromadná fotometrie[8]
Reference
- ^ A b AMOS, L. A .; AMOS, W. B. (1991-01-01). „Ohýbání posuvných mikrotubulů zobrazených pomocí konfokální světelné mikroskopie a elektronové mikroskopie s negativním barvením“. Journal of Cell Science. 1991 (Dodatek 14): 95–101. doi:10.1242 / jcs.1991.supplement_14.20. ISSN 0021-9533. PMC 2561856. PMID 1715872.
- ^ A b C Lindfors, K .; Kalkbrenner, T .; Stoller, P .; Sandoghdar, V. (červenec 2004). "Detekce a spektroskopie nanočástic zlata pomocí konfokální mikroskopie superkontinuálního bílého světla". Dopisy o fyzické kontrole. 93 (3): 037401. Bibcode:2004PhRvL..93c7401L. doi:10.1103 / physrevlett.93.037401. ISSN 0031-9007. PMID 15323866.
- ^ A b Kukura, Philipp; Ewers, Helge; Müller, Christian; Renn, Alois; Helenius, Ari; Sandoghdar, Vahid (01.11.2009). "Vysokorychlostní nanoskopické sledování polohy a orientace jednoho viru". Přírodní metody. 6 (12): 923–927. doi:10.1038 / nmeth.1395. ISSN 1548-7091. PMID 19881510.
- ^ Hsieh, Chia-Lung (září 2018). "Bez etiket, ultravysoké, ultrarychlé rozptylové interferometrické zobrazování". Optická komunikace. 422: 69–74. Bibcode:2018OptCo.422 ... 69H. doi:10.1016 / j.optcom.2018.02.058. ISSN 0030-4018.
- ^ Mikroskopie s vysokým rozlišením bez štítků. Astratov, Vasilij. Cham. 31. srpna 2019. ISBN 978-3-030-21722-8. OCLC 1119720519.CS1 maint: ostatní (odkaz)
- ^ Young, Gavin; Kukura, Philipp (14.06.2019). "Interferometrická rozptylová mikroskopie". Roční přehled fyzikální chemie. 70 (1): 301–322. Bibcode:2019ARPC ... 70..301Y. doi:10.1146 / annurev-physchem-050317-021247. ISSN 0066-426X. PMID 30978297.
- ^ A b Taylor, Richard W .; Sandoghdar, Vahid (2019-07-17). „Interferometrická rozptylová mikroskopie: pozorování jednotlivých nanočástic a molekul pomocí Rayleighova rozptylu“. Nano dopisy. 19 (8): 4827–4835. Bibcode:2019NanoL..19.4827T. doi:10.1021 / acs.nanolett.9b01822. ISSN 1530-6984. PMC 6750867. PMID 31314539.
- ^ A b Young, Gavin; Hundt, Nikolas; Cole, Daniel; Fineberg, Adam; Andrecka, Joanna; Tyler, Andrew; Olerinyova, Anna; Ansari, Ayla; Marklund, Erik G .; Collier, Miranda P .; Chandler, Shane A. (2018-04-27). „Kvantitativní hromadné zobrazování jednotlivých biologických makromolekul“. Věda. 360 (6387): 423–427. Bibcode:2018Sci ... 360..423Y. doi:10.1126 / science.aar5839. ISSN 0036-8075. PMC 6103225. PMID 29700264.
- ^ Daaboul, G.G .; Vedula, R.S .; Ahn, S .; Lopez, C. A.; Reddington, A .; Ozkumur, E .; Ünlü, M.S. (Leden 2011). „Interferometrický odrazový zobrazovací senzor na bázi LED pro kvantitativní dynamické monitorování biomolekulárních interakcí“. Biosenzory a bioelektronika. 26 (5): 2221–2227. doi:10.1016 / j.bios.2010.09.038. ISSN 0956-5663. PMID 20980139.
- ^ de Wit, Gabrielle; Danial, John S. H .; Kukura, Philipp; Wallace, Mark I. (2015-09-23). „Dynamické zobrazování lipidových nanodomén bez štítků“. Sborník Národní akademie věd. 112 (40): 12299–12303. Bibcode:2015PNAS..11212299D. doi:10.1073 / pnas.1508483112. ISSN 0027-8424. PMC 4603517. PMID 26401022.
- ^ Garmann, Rees F .; Goldfain, Aaron M .; Manoharan, Vinothan N. (2018). „Měření kinetiky sebezhromažďování jednotlivých virových kapsid kolem jejich genomu RNA“. arXiv:1802.05211 [cond-mat.soft ].
- ^ Penwell, Samuel B .; Ginsberg, Lucas D. S .; Noriega, Rodrigo; Ginsberg, Naomi S. (2017-09-18). "Řešení ultrarychlé migrace excitonu v organických pevných látkách v nanoměřítku". Přírodní materiály. 16 (11): 1136–1141. arXiv:1706.08460. Bibcode:2017NatMa..16.1136P. doi:10.1038 / nmat4975. ISSN 1476-1122. PMID 28920937.
- ^ Huang, Yi-Fan; Zhuo, Guan-Yu; Chou, Chun-Yu; Lin, Cheng-Hao; Chang, Wen; Hsieh, Chia-Lung (13.01.2017). „Koherentní mikroskopie ve světlém poli poskytuje prostoroprostorové rozlišení ke studiu včasné fáze virové infekce v živých buňkách“. ACS Nano. 11 (3): 2575–2585. doi:10.1021 / acsnano.6b05601. ISSN 1936-0851. PMID 28067508.
- ^ Taylor, Richard W .; Mahmoodabadi, Reza Gholami; Rauschenberger, Verena; Giessl, Andreas; Schambony, Alexandra; Sandoghdar, Vahid (červenec 2019). „Interferometrická rozptylová mikroskopie odhaluje mikrosekundový nanoskopický pohyb proteinů na živé buněčné membráně“. Fotonika přírody. 13 (7): 480–487. Bibcode:2019NaPho..13..480T. doi:10.1038 / s41566-019-0414-6. ISSN 1749-4893.
- ^ Andrecka, J .; Takagi, Y .; Mickolajczyk, K.J .; Lippert, L.G .; Sellers, J.R .; Hancock, W.O .; Goldman, Y.E .; Kukura, P. (2016), „Interferometrická rozptylová mikroskopie pro studium molekulárních motorů“, Single-Molecule Enzymology: Fluorescence-Based and High-Throughput Methods, Elsevier, 581, str. 517–539, doi:10.1016 / bs.mie.2016.08.016, ISBN 978-0-12-809267-5, PMC 5098560, PMID 27793291
- ^ Kukura, Philipp; Celebrano, Michele; Renn, Alois; Sandoghdar, Vahid (11. 11. 2010). "Citlivost jedné molekuly v optické absorpci při pokojové teplotě". The Journal of Physical Chemistry Letters. 1 (23): 3323–3327. doi:10.1021 / jz101426x. ISSN 1948-7185.
- ^ Piliarik, Marek; Sandoghdar, Vahid (2014-07-29). „Přímé optické snímání jednotlivých neznačených proteinů a zobrazování jejich vazebných míst ve vysokém rozlišení“. Příroda komunikace. 5 (1): 4495. arXiv:1310.7460. Bibcode:2014NatCo ... 5.4495P. doi:10.1038 / ncomms5495. ISSN 2041-1723. PMID 25072241.
- ^ Spillane, Katelyn M .; Ortega-Arroyo, Jaime; de Wit, Gabrielle; Eggeling, Christian; Ewers, Helge; Wallace, Mark I .; Kukura, Philipp (2014-08-27). „Vysokorychlostní sledování jedné částice GM1 v modelových membránách odhaluje anomální difúzi díky vazbě mezi listy a molekulárnímu připínání“. Nano dopisy. 14 (9): 5390–5397. Bibcode:2014NanoL..14.5390S. doi:10.1021 / nl502536u. ISSN 1530-6984. PMC 4160260. PMID 25133992.