vom Light Publishing Center, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics And Physics, CAS
Die Erkennung einzelner Partikel und Moleküle hat neue Horizonte in der analytischen Chemie, der Zellbildgebung, den Nanomaterialien und der biomedizinischen Diagnostik eröffnet. Herkömmliche Methoden zur Erkennung einzelner Moleküle basieren in hohem Maße auf Fluoreszenztechniken, die eine Markierung der Zielmoleküle erfordern.
Im Gegensatz dazu hat sich die photothermische Mikroskopie als vielversprechende markierungsfreie, nichtinvasive Bildgebungstechnik erwiesen. Diese Methode misst lokale Schwankungen des Brechungsindex in der Umgebung einer Probe, die aus der Lichtabsorption durch Probenkomponenten resultieren, was zu Temperaturänderungen in der Umgebung führt. Resonatoren im Whispering Gallery Mode (WGM) sind aufgrund ihrer ultrahohen Qualitätsfaktoren (Q) ultraempfindliche Temperatursensoren.
In einem neuen Papier veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und AnwendungenEine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Judith Su vom Wyant College of Optical Sciences und der Abteilung für Biomedizintechnik der University of Arizona demonstrierte eine markierungsfreie, ultraempfindliche photothermische Mikroskopie mithilfe optischer Mikrotoroid-Resonatoren des Typs WGM.
Diese Technik ermöglicht die Erkennung einzelner Nanopartikel von nur 5 nm großen Quantenpunkten mit einem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von über 10.000. Diese Methode verbessert die photothermische Empfindlichkeit erheblich und erreicht eine Nachweisgrenze von 0,75 pW bei der Wärmeableitung. Dieser Fortschritt ermöglicht die genaue Erkennung einzelner Moleküle und zeigt die Fähigkeiten der photothermischen Mikroskopie.
Sus Gruppe hatte zuvor ein System namens Frequency Locked Optical Whispering Evanescent Resonator (FLOWER) entwickelt, das Frequenzsynchronisierung nutzt, um die Resonanzverschiebung optischer Mikrokavitäten zu verfolgen. Dieses photothermische Mikroskopiesystem verwendet FLOWER, um das photothermische Signal zu messen. Die Resonanzverschiebung, die durch einen Freiraum-Pumplaser angeregt wird, wird vom System gemessen.
Der Pumplaser mit einer Amplitudenmodulation (AM) von 203,7 Hz beleuchtet den Mikrotoroid durch ein Galvanometer-Spiegel-Scansystem. Die resultierende Schwingung der Resonanzverschiebung von 203,7 Hz wird von FLOWER erkannt. Ein Lock-In-Verstärker wird verwendet, um die Amplitude der Resonanzverschiebungsschwingung zu messen. Ein 2D-Raumscan des Pumplasers erzeugt ein photothermisches Bild des Mikrotoroids, wobei hohe photothermische Punkte zum Erkennen einzelner Nanopartikel verwendet werden.
Die Forscher sehen das Potenzial der photothermischen Mikroskopie und sagen: „Zukünftige Weiterentwicklungen könnten darüber hinaus spektroskopische Messungen umfassen, indem die Wellenlänge des Pumplasers variiert oder mit unterschiedlichen Wellenlängen angeregt wird, um eine mehrfarbige Bildgebung zu ermöglichen. Obwohl dies für viele Anwendungen nicht notwendig ist, können wir dieses System in zukünftigen Arbeiten auch mit spezifischen Einfangmitteln wie Aptameren oder Sorptionspolymeren kombinieren, um eine verbesserte Spezifität zu erreichen.“
„Die Integration der photothermischen Mikroskopie mit FLOWER eröffnet Möglichkeiten zur Echtzeitbeobachtung dynamischer Veränderungen und Wechselwirkungen von Zielmolekülen. Wir sind davon überzeugt, dass die auf FLOWER basierende photothermische Mikroskopie insgesamt eine vielseitige Plattform für markierungsfreie Bildgebung und Einzelmolekülerkennung darstellt. Die nachgewiesene hohe Empfindlichkeit und Unterscheidungsfähigkeit ebnen den Weg für Fortschritte bei Bildgebungs- und Charakterisierungstechniken im Nanomaßstab.“
Weitere Informationen:
Shuang Hao et al., Erkennung einzelner 5-nm-Quantenpunkte mittels optischer Mikrotoroid-Resonator-Photothermiemikroskopie, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01536-9
Zur Verfügung gestellt vom Light Publishing Center, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics And Physics, CAS