Наночастицы с эрбием и иттербием помогут безопасно визуализировать глубокие ткани

Bining Tian et al./ Nature Communications, 2018

Американские физики обнаружили, что использование наночастиц со структурой из инертной оболочки и активного ядра, содержащего тетрафториды на основе эрбия и иттербия, может значительно повысить чувствительность метода мультифотонной микроскопии, используемого для визуализации тканей in vivo. Эти частицы размером около 12 нанометров позволяют добиться 25-кратного превышения сигнала над фоном при мощности облучения всего в 0,1 ватта на квадратный сантиметр. В будущем подобные наночастицы помогут разработать методы безопасной визуализации тканей, находящихся глубоко под поверхностью кожи, пишут ученые в Nature Communications.

Один из популярных методов визуализации клеток и тканей в живом организме — использование флуоресцирующих частиц, свечение которых возбуждается лазером. Однако чтобы избежать разрушения клеток при возбуждении флуоресценции с помощью лазера, приходится использовать излучение довольно небольших мощностей, что в свою очередь сильно снижает чувствительность метода. Для решения этой проблемы ученые предложили использовать двухфотонную лазерную микроскопию — метод, основанный на эффекте двухфотонной флуоресценции.

При таком подходе для перевода электронов в активное состояние флуоресцентная частица поглощает не один фотон, а два, но значительно меньшей энергии. В некоторых случаях удается использовать и более сложные схемы, при которых одновременно поглощаются не два фотона, а три или больше. При этом за счет снижения энергии возбуждающего излучения (и смещения его диапазона из видимой области в инфракрасную) использование такой мультифотонной флуоресценции значительно уменьшает рассеяние поглощаемого света и за счет этого защищает клетки от разрушения. В результате повышается чувствительность метода, что позволяет в условиях in vivo получать детальные изображения тканей человека и животных, расположенных глубоко под поверхностью кожи. Например, недавно с помощью двухфотонной лазерной микроскопии ученые обнаружили наличие сигнальных функций у капилляров мозга.

Тем не менее, снизить мощность используемого излучения даже при таком подходе не всегда удается до такого уровня, чтобы этого оказалось достаточно для безопасного получения точных изображений различных тканей и органов. Для решения этой проблемы группа американских физиков Брюса Коэна (Bruce E. Cohen) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли предложила использовать наночастицы на основе тетрафтороиттриата натрия NaYF 4. Эти частицы имеют двухслойную структуру, в которой оболочка полностью состоит из инертного фтороиттриата, а в ядре это же вещество выступает в роли матрицы, в которой частично или полностью ионы иттрия Y3+ замещаются светопоглощающими ионами иттербия Yb3+ и эрбия Eb3+.

Именно в системе ионов иттербия и эрбия происходило поглощение нескольких фотонов из инфракрасной области, которые затем превращались в флуоресцентное излучение уже в видимой области. При этом оказалось, что наиболее эффективно таки частицы работают, когда их ядро полностью состоит из сплава, содержащего только ионы иттербия и эрбия, а инертная иттриевая матрица — отсутствует. Такой эффект ученые объясняют появлением еще одного механизма изменения энергетического состояния электронов в ионах иттербии, если вокруг находятся еще и ионы эрбия.

Схема электронных переходов в системе ионов иттербия и эрбия. Bining Tian et al./ Nature Communications, 2018

По словам авторов, поглощение инфракрасного излучения длиной волны 980 нанометров происходит в этой системе в обоих ионах — эрбия и иттербия, а светоизлучательные переходы — происходят только в ионах эрбия и приводят к флуоресценции в зеленой и красной частях видимого спектра. Проварьировав содержание лантаноидов в ядре частиц и исследовав их оптические свойства, ученые обнаружили, что предложенная конфигурация из инертной оболочки и сплава активных фторидов (примерно 60 процентов фтороэрбиата и 40 процентов — фтороиттербиата) в ядре позволяет резко увеличить интенсивность флуоресценции (примерно в 300 раз по сравнению с другими подобными частицами на основе лантаноидов).

Микрофотографии наночастиц. Масштабные линейки соответствуют 5 нанометрам — слева и 25 нанометрам — справа. Bining Tian et al./ Nature Communications, 2018

Размер частиц исследованных частиц составил от 12 до 15 нанометров — примерно с крупный белок. Предложенные частицы были проверены для визуализации жировой ткани молочной железы мыши, находящейся примерно в 3–4 миллиметрах под поверхностью кожи. Оказалось, что выбранные структура и состав частиц приводят к значительному увеличению чувствительности метода мультифотонной микроскопии: отношение сигнала к фону составило более 25, при этом мощность возбуждающего инфракрасного излучения не превышала 0,1 ватта на квадратный сантиметр.

Визуализация жировой ткани молочной железы мыши с использованием предложенных частиц. Bining Tian et al./ Nature Communications, 2018

По словам ученых, предложенные ими лантаноидные частицы могут использоваться для разработки методов лазерной биовизуализации высокого разрешения, в том числе глубоких тканей, а также для создания сенсорных систем и для исследования стволовых клеток и эмбрионов.

Похожие эффекты используются не только для биовизуализации, но и, например, для создания микролазеров биологического и медицинского назначения, работающих in vivo. Например, недавно физики разработали микроустройство, состоящий из полистирольной микросферы, покрытой слоем наночастиц смешанного фторида иттрия и натрия с небольшой примесью ионов тулия. Такие частицы преобразуют непрерывное инфракрасное излучение в периодические импульсы в видимом диапазоне за счет мультифотонной флуоресценции и эффекта шепчущей галереи. Спектральные характеристики и возможность долгой непрерывной работы делают эти частицы перспективным источником лазерного излучения для биологического анализа.

Автор: Александр Дубов

Пожалуйста, оцените статью:
Пока нет голосов
Источник(и):

nplus1.ru