蛋白质nanoprobes明亮的未来
术语“光明的未来”可能是陈词滥调,但在超薄探针照亮了单个蛋白质的情况下,现在是最合适的。研究人员在美国能源部(DOE)的劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)发现了令人惊讶的新规则来创建超亮的发光晶体直径小于10纳米。这些事实上但超亮的nanoprobes应该生物成像是一个巨大的资产,特别是深层大脑神经元的光学成像。
工作在分子铸造,DOE国家纳米科学中心举办伯克利实验室,一个多学科的研究小组由詹姆斯·舒克和布鲁斯·科恩与伯克利实验室的材料科学部门,采用先进的单粒子表征和理论建模研究所谓“upconverting纳米颗粒”或UCNPs。上转换的过程是一种分子吸收两个或两个以上的光子能量较低,释放他们在更高的能量。研究小组确定的规则设计UCNP探针分子的集合体不适用于UCNP探针为单分子设计的。
“设计明亮的被广泛接受的传统智慧UCNPs一直要使用高浓度的离子敏化剂的发射器离子浓度相对较小,因为太多的发射器将导致自灭,导致降低亮度,舒克说,他的分子铸造的成像和操纵纳米结构设施。“我们的研究结果表明,在高激发力量用于成像单粒子,排放浓度应尽可能高不影响纳米晶体的结构,而敏化剂内容可以被消除。”
舒克和科恩是相应的描述这项研究的一篇论文的作者自然纳米技术。文章标题是“工程明亮sub-10-nm upconverting单分子成像纳米晶体”。Co-authors are Daniel Gargas, Emory Chan, Alexis Ostrowski, Shaul Aloni, Virginia Altoe, Edward Barnard, Babak Sanii, Jeffrey Urban and Delia Milliron.
蛋白质是生物的基本构建块之一。细胞,组织和器官都是由程序集的蛋白质与其他生物分子相互作用,而其他蛋白质控制几乎所有细胞内化学过程。研究位置、装配和运动的特定蛋白质对于理解是至关重要的细胞功能和病变细胞出错。科学家经常研究细胞内蛋白质通过发光标记探针,但是发现探针,聪明够成像,但不会太大,破坏蛋白质的功能一直是一个挑战。有机荧光染料分子和半导体量子点满足尺寸要求但强加其他限制。
“有机染料和量子点会眨眼,这意味着它们随机打开或关闭,这是很有问题的单分子成像,并将photobleach永久断开,通常不到10秒钟后在大多数成像条件下,“舒克说。
五年前,科恩和舒克和他们的同事在分子铸造和成像单UCNPs由纳米晶体合成氟化钇钠(NaYF4镧系元素的掺杂微量镱,敏化剂的离子,和铒离子排放国。这些UCNPs能够upconvert可见光近红外光子成绿色或红色,和他们的耐光性使得它们潜在的单分子成像的理想发光探针。
“细胞不含有天然的镧系元素,所以他们不upconvert光,这意味着我们可以想象没有任何可测量的背景下,“科恩说。“我们可以用近红外光激发,少了很多比可见或紫外线损害细胞。这些都是伟大的属性,但是让我们UCNPs更兼容细胞成像,我们不得不开发新的合成方法,使它们更小。”
然而,当铸造科学家UCNP规模萎缩,传统设计规则后,他们发现亮度损失成为了主要问题。UCNPs小于10纳米不再足够明亮的单分子成像。这促使这项新研究,表明因素在批量实验失去重要性增加亮度更高的激励力量,矛盾的是,最聪明的探针在单分子激发下几乎不发光的整体水平。
“这一发现是真的因此多学科协作环境的分子铸造,”丹尼尔Gargas说,该研究的自然纳米技术纸。“利用我们的日常联系和友谊与科学家在整个铸造,我们能够执行高度先进的纳米材料的研究,包括研究单分子photophysics,能够合成超微upconverting纳米晶体的几乎任何成分,和先进的建模/仿真UCNP光学性质。没有世界上许多设施可以匹配这个协作氛围在如此高水平的科学鉴定。”
UCNPs利用感光剂的离子,如镱,相对较大的光子吸收截面,吸收入射光和被吸收的能量转给发射器离子,如铒,发冷光。原lanthanide-doped UCNPs包含20%和2%铒镱,这被认为是最优浓度对亮度散装和纳米晶体。然而,新分子铸造研究表明UCNPs小于10纳米,铒的浓度可以提高到20%和镱的浓度可以减少到2%,甚至消除UCNPs接近5纳米。
“人们通常认为粒子是最聪明最聪明的在低权力也将在高权力,但是我们发现我们的超薄UCNPs龟兔赛跑是一个经典的例子,”埃默里Chan说,另一位联席作者自然纳米技术纸。“UCNPs大量掺铒开始慢慢走出大门,在低权力非常昏暗,但当高功率激光强度提高了,他们通过传统掺杂UCNPs优秀人才在低权力。”
陈的电脑模型预测,新规则是普遍lanthanide-doped纳米晶体主机和他现在使用铸造的万达机器人自动化纳米材料的发现和分析(工作站),他开发了迪莉娅迪莉娅·米莉蓉合著者,为最好的创造和屏幕UCNP成分基于不同操作/应用注意事项和标准。
过程中发现设计超薄UCNPs的新规则,该研究小组还发现,复杂程度的异质性存在于这些UCNPs的发射光谱。这表明,排放的UCNPs只能来自总排放的一个小子集。
“未来的研究可能会决定如何工程师粒子组成的只有这些super-emitters超微小UCNPs排放导致更加美好”Gargas说。
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出版
Daniel j . Gargas埃默里m . Chan亚历克西斯·d·奥斯托夫斯基扫Aloni, m .弗吉尼亚·Altoe爱德华·s·巴纳德Babak Sanii,杰弗里·j·城市迪莉娅j .迪莉娅·米莉蓉布鲁斯·e·科恩p·詹姆斯·舒克。工程明亮sub-10-nm upconverting纳米晶体的单分子成像。自然纳米技术,2014年3月16日在线发表。doi: 10.1038 / nnano.2014.29
