Микроскопия интерферометрического рассеяния ( iSCAT ) относится к классу методов, которые обнаруживают и визуализируют объект субволновой длины, создавая помехи для рассеянного им света с помощью опорного светового поля. , Лежащий в основе физика совместно с другими традиционными интерферометрическими методами , такими как фазовый контраст или дифференциальным интерференционным контрастом , или отражение интерференционной микроскопии. Ключевой особенностью iSCAT является обнаружение упругого рассеяния субволновыми частицами, также известного как рэлеевское рассеяние., в дополнение к отраженным или передаваемым сигналам от сверхдлинноволновых объектов. Как правило, проблема заключается в обнаружении крошечных сигналов поверх большого и сложного, похожего на крапинки фона. iSCAT использовался для исследования наночастиц, таких как вирусы, белки, липидные везикулы, ДНК, экзосомы, металлические наночастицы, полупроводниковые квантовые точки, носители заряда и отдельные органические молекулы без необходимости во флуоресцентной метке.
Историческое прошлое
Принцип интерференции играет центральную роль во многих методах построения изображений, включая получение изображений в светлом поле, поскольку его можно описать как интерференцию между полем освещения и полем, которое взаимодействует с объектом, то есть через ослабление. Фактически, даже микроскопии, основанной на интерференции внешнего светового поля, более ста лет.
Первые измерения типа iSCAT были выполнены в биофизическом сообществе в 1990-х годах. [1] Систематическая разработка метода обнаружения нанообъектов началась в начале 2000-х годов как общая попытка изучить варианты без флуоресценции для изучения одиночных молекул и нанообъектов. [2] В частности, наночастицы золота размером до 5 нм были отображены посредством интерференции их рассеянного света с отраженным лучом от поддерживающего их покровного стекла. Использование суперконтинуального лазера позволило дополнительно регистрировать плазмонные спектры частиц. [2] Первые измерения были ограничены остаточным спекл-фоном. Новый подход к вычитанию фона и аббревиатура iSCAT были представлены в 2009 году. [3] С тех пор различные группы опубликовали ряд важных работ. [4] [5] [6] [7] Примечательно, что дальнейшие инновации в подавлении фона и шума привели к разработке новых методов количественной оценки, таких как массовая фотометрия (первоначально представленная как iSCAMS), в которой сверхчувствительное и точное интерферометрическое обнаружение преобразуется в количественное средство для измерения молекулярной массы отдельных биомолекул. [8]
Теоретические основы
Когда эталонный свет накладывается на рассеянный свет объекта, интенсивность на детекторе может быть описана следующим образом: [2] [7]
где а также - сложные электрические поля опорного и рассеянного света. Результирующие члены - это интенсивность опорного луча., чистый рассеянный свет от объекта , а перекрестный который содержит фазу . Эта фаза включает компонент фазы Гуи из вариаций волновых векторов, компонент фазы рассеяния из свойств материала объекта и синусоидально модулирующий фазовый компонент, который зависит от положения частицы.
Как правило, опорный луч может идти по другому пути, чем рассеянный свет в оптической системе, если они когерентны и мешают детектору. Однако этот метод становится более простым и стабильным, если оба луча имеют одинаковый оптический путь. Поэтому в качестве эталона обычно используется отраженный свет от покровного стекла или прошедший через образец луч. Для возникновения интерференции необходимо, чтобы обе световые волны (рассеянный свет и опорный свет) были когерентными. Интересно, что источник света с большой длиной когерентности порядка метров или более (как в современных узкополосных лазерных системах) обычно не требуется. В наиболее распространенных схемах реализации iSCAT, где отраженный свет покровного стекла используется в качестве эталона, а рассеивающая частица находится не более чем на несколько сотен нанометров над стеклом, может быть даже «некогерентный» свет, например, от светодиодов. использовал. [9]
Приложения
iSCAT используется в большом количестве приложений. Их можно примерно сгруппировать следующим образом:
Изображение без этикеток
- Микротрубочки [1]
- Липидные нано / микродомены [10]
- Сборка одного вируса [11]
- Зависящий от времени iSCAT (StroboSCAT) [12]
Отслеживание одиночной частицы
- Отслеживание одного вируса in vitro [3]
- Отслеживание одиночного вируса на ранней стадии заражения в клетках [13]
- Микросекундное отслеживание одиночных частиц на мембране живой клетки [14]
- Отслеживание моторных белков [15]
Обнаружение, визуализация, отслеживание и количественная оценка отдельных молекул без маркировки
Рекомендации
- ^ a b AMOS, Лос-Анджелес; AMOS, ВБ (1 января 1991 г.). «Изгиб скользящих микротрубочек, отображаемых с помощью конфокальной световой микроскопии и электронной микроскопии с отрицательным окрашиванием» . Журнал клеточной науки . 1991 (Приложение 14): 95–101. DOI : 10,1242 / jcs.1991.supplement_14.20 . ISSN 0021-9533 . PMC 2561856 . PMID 1715872 .
- ^ а б в Lindfors, K .; Калькбреннер, Т .; Stoller, P .; Сандогдар, В. (июль 2004 г.). "Обнаружение и спектроскопия наночастиц золота с помощью конфокальной микроскопии суперконтинуума в белом свете". Письма с физическим обзором . 93 (3): 037401. Bibcode : 2004PhRvL..93c7401L . DOI : 10.1103 / physrevlett.93.037401 . ISSN 0031-9007 . PMID 15323866 .
- ^ а б Кукура, Филипп; Эверс, Хельге; Мюллер, Кристиан; Ренн, Алоис; Хелениус, Ари; Сандогдар, Вахид (01.11.2009). «Высокоскоростное наноскопическое отслеживание положения и ориентации отдельного вируса». Природные методы . 6 (12): 923–927. DOI : 10.1038 / nmeth.1395 . ISSN 1548-7091 . PMID 19881510 .
- ^ Се, Чиа-Лунг (сентябрь 2018 г.). «Сверхчувствительная, сверхвысокоскоростная интерферометрическая визуализация на основе рассеяния без этикеток». Оптика Коммуникации . 422 : 69–74. Bibcode : 2018OptCo.422 ... 69H . DOI : 10.1016 / j.optcom.2018.02.058 . ISSN 0030-4018 .
- ^ Микроскопия сверхвысокого разрешения без этикеток . Астратов, Василий. Чам. 31 августа 2019 г. ISBN 978-3-030-21722-8. OCLC 1119720519 .CS1 maint: другие ( ссылка )
- ^ Янг, Гэвин; Кукура, Филипп (14.06.2019). «Интерферометрическая рассеивающая микроскопия». Ежегодный обзор физической химии . 70 (1): 301–322. Bibcode : 2019ARPC ... 70..301Y . DOI : 10,1146 / annurev-physchem-050317-021247 . ISSN 0066-426X . PMID 30978297 .
- ^ а б Тейлор, Ричард В .; Сандогдар, Вахид (17.07.2019). "Интерферометрическая рассеивающая микроскопия: наблюдение отдельных наночастиц и молекул через рэлеевское рассеяние" . Нано-буквы . 19 (8): 4827–4835. Bibcode : 2019NanoL..19.4827T . DOI : 10.1021 / acs.nanolett.9b01822 . ISSN 1530-6984 . PMC 6750867 . PMID 31314539 .
- ^ а б Янг, Гэвин; Хундт, Николас; Коул, Дэниел; Файнберг, Адам; Андрецка, Иоанна; Тайлер, Эндрю; Олеринёва, Анна; Ансари, Айла; Марклунд, Эрик Дж .; Кольер, Миранда П .; Чендлер, Шейн А. (27.04.2018). «Количественная массовая визуализация отдельных биологических макромолекул» . Наука . 360 (6387): 423–427. Bibcode : 2018Sci ... 360..423Y . DOI : 10.1126 / science.aar5839 . ISSN 0036-8075 . PMC 6103225 . PMID 29700264 .
- ^ Daaboul, GG; Vedula, RS; Ahn, S .; Лопес, Калифорния; Реддингтон, А .; Ozkumur, E .; Ünlü, MS (январь 2011 г.). «Датчик изображения интерферометрического отражения на основе светодиодов для количественного динамического мониторинга биомолекулярных взаимодействий». Биосенсоры и биоэлектроника . 26 (5): 2221–2227. DOI : 10.1016 / j.bios.2010.09.038 . ISSN 0956-5663 . PMID 20980139 .
- ^ де Вит, Габриель; Даниал, Джон Ш. Кукура, Филипп; Уоллес, Марк I. (2015-09-23). «Динамическая визуализация липидных нанодоменов без меток» . Труды Национальной академии наук . 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 .; Манохаран, Винотан Н. (2018). «Измерения кинетики самосборки отдельных вирусных капсидов вокруг их генома РНК». arXiv : 1802.05211 [ cond-mat.soft ].
- ^ Penwell, Samuel B .; Гинзберг, Лукас Д.С.; Норьега, Родриго; Гинзберг, Наоми С. (18 сентября 2017 г.). «Разрешение сверхбыстрой миграции экситонов в органических твердых телах на наноуровне». Материалы природы . 16 (11): 1136–1141. arXiv : 1706.08460 . Bibcode : 2017NatMa..16.1136P . DOI : 10.1038 / nmat4975 . ISSN 1476-1122 . PMID 28920937 .
- ^ Хуанг И-Фань; Чжо, Гуань-Ю; Чжоу, Чун-Ю; Линь, Чэн-Хао; Чанг, Вэнь; Се, Чиа-Лунг (13.01.2017). «Когерентная светлопольная микроскопия обеспечивает пространственно-временное разрешение для изучения ранней стадии вирусной инфекции в живых клетках». САУ Нано . 11 (3): 2575–2585. DOI : 10.1021 / acsnano.6b05601 . ISSN 1936-0851 . PMID 28067508 .
- ^ Тейлор, Ричард В .; Махмудабади, Реза Голами; Раушенбергер, Верена; Гиссл, Андреас; Шамбони, Александра; Сандогдар, Вахид (июль 2019 г.). «Микроскопия интерферометрического рассеяния выявляет микросекундное наноскопическое движение белка на мембране живой клетки» . Природа Фотоника . 13 (7): 480–487. Bibcode : 2019NaPho..13..480T . DOI : 10.1038 / s41566-019-0414-6 . ISSN 1749-4893 .
- ^ Andrecka, J .; Takagi, Y .; Mickolajczyk, KJ; Липперт, LG; Продавцы, JR; Хэнкок, Вашингтон; Гольдман Ю.Е .; Кукура, П. (2016), "Микроскопия интерферометрического рассеяния для изучения молекулярных двигателей", Одномолекулярная энзимология: флуоресцентные и высокопроизводительные методы , Elsevier, 581 , стр. 517–539, doi : 10.1016 / bs. mie.2016.08.016 , ISBN 978-0-12-809267-5, PMC 5098560 , PMID 27793291
- ^ Кукура, Филипп; Селебрано, Микеле; Ренн, Алоис; Сандогдар, Вахид (11 ноября 2010 г.). «Чувствительность одиночных молекул в оптическом поглощении при комнатной температуре». Журнал писем по физической химии . 1 (23): 3323–3327. DOI : 10.1021 / jz101426x . ISSN 1948-7185 .
- ^ Пилиарик, Марек; Сандогдар, Вахид (29.07.2014). «Прямое оптическое зондирование одиночных немеченых белков и визуализация их сайтов связывания в сверхвысоком разрешении» . Nature Communications . 5 (1): 4495. arXiv : 1310.7460 . Bibcode : 2014NatCo ... 5.4495P . DOI : 10,1038 / ncomms5495 . ISSN 2041-1723 . PMID 25072241 .
- ^ Спиллейн, Кейтлин М .; Ортега-Арройо, Хайме; де Вит, Габриель; Эггелинг, Кристиан; Эверс, Хельге; Уоллес, Марк I .; Кукура, Филипп (27.08.2014). «Высокоскоростное отслеживание одной частицы GM1 в модельных мембранах выявляет аномальную диффузию из-за межлепесткового взаимодействия и молекулярного пиннинга» . Нано-буквы . 14 (9): 5390–5397. Bibcode : 2014NanoL..14.5390S . DOI : 10.1021 / nl502536u . ISSN 1530-6984 . PMC 4160260 . PMID 25133992 .