La figure (a) montre le mécanisme d'appauvrissement des émissions optiques proposé de la luminescence descendante dans le proche infrarouge (NIR) dans le processus d'appauvrissement des émissions stimulées (STED) induit par le néodyme. La figure (b) compare les images obtenues à partir de l'imagerie confocale conventionnelle et de l'imagerie STED utilisant les nanoparticules de lanthanide, avec un meilleur contraste dans cette dernière technique. Crédit :LIANG Liangliang
Des chercheurs de l'Université nationale de Singapour ont développé une nouvelle génération de nanosondes émettant dans le proche infrarouge (NIR) pour l'imagerie en super-résolution dans les tissus profonds. Ces nanosondes sont basées sur des nanomatériaux dopés aux lanthanides avec des niveaux d'énergie riches, photostabilité élevée et cinétique optique programmable.
Microscopie à déplétion par émission stimulée (STED), inventé par Stefan HELL en 2000 (prix Nobel de chimie 2014), a fait entrer la microscopie optique dans la nanodimension et a profondément étendu nos horizons au niveau subcellulaire. Pour un microscope STED typique, deux faisceaux laser sont utilisés ; l'un des faisceaux laser stimule les molécules fluorescentes à briller et l'autre annule toute la fluorescence à l'exception de celle qui est présente dans un volume de taille nanométrique. En balayant l'échantillon par étapes, nanomètre par nanomètre, une image avec une résolution meilleure que la limite stipulée par Abbe (limite physique pour la résolution maximale de la microscopie optique traditionnelle) peut être obtenue. Les fluorophores organiques sont couramment utilisés pour la microscopie STED. Cependant, les impulsions intenses en microscopie STED rivalisent souvent avec la fluorescence spontanée rapide (k> dix 8 s -1 ) des fluorophores, entraînant une phototoxicité potentielle, photoblanchiment, et un bruit de fond de réexcitation induit par l'épuisement significatif. Cela réduit la qualité des images obtenues. De plus, les fluorophores organiques fonctionnent souvent dans la région de la lumière visible, ce qui entrave les applications potentielles impliquant les tissus profonds.
Une équipe de recherche dirigée par le professeur LIU Xiaogang du département de chimie, Université nationale de Singapour, découvert qu'une série de néodyme (Nd 3+ Les nanoparticules de lanthanide dopées peuvent agir comme des nanosondes plus efficaces pour les applications d'imagerie STED, permettant sans autofluorescence, batterie faible, imagerie super-résolution dans les fenêtres optiques NIR. Après excitation par un faisceau laser de longueur d'onde de 808 nm, ces Nd 3+ -les nanoparticules dopées émettent une forte luminescence autour de la région NIR de 860 nm avec plus de 20% d'efficacité. Lorsqu'il est co-illuminé avec un 1, Laser de longueur d'onde 064 nm, cette luminescence NIR est immédiatement éteinte. L'équipe de recherche a découvert qu'une efficacité proche de l'unité (98,8 %) dans la suppression de la luminescence peut être obtenue en augmentant la puissance d'appauvrissement. Par rapport à la microscopie STED à colorant organique, la quantité d'énergie nécessaire pour réduire de moitié l'intensité de la luminescence, connue sous le nom d'intensité de saturation, est inférieure de plus de deux ordres de grandeur. Cette capacité du Nd 3+ -des nanoparticules dopées à activer et désactiver en utilisant différentes longueurs d'onde de faisceau laser dans des conditions de faible puissance ont permis au processus STED d'atteindre une résolution latérale d'environ 19 nm pour une seule nanoparticule. L'équipe de recherche a également démontré une imagerie des tissus profonds à contraste élevé (~ 50 mm) avec une résolution spatiale d'environ 70 nm. Surtout, ces nanosondes n'ont montré aucun signe de photoblanchiment même après deux heures d'irradiation.
Outre la qualité visuelle, l'équipe a également étudié le mécanisme sous-jacent à la performance du Nd 3+ nanoparticules dopées dans les applications d'imagerie STED. Avec une configuration à quasi-quatre niveaux et une longue durée de vie (> 100 millisecondes) états métastables, ces Nd 3+ -les nanoparticules dopées peuvent être facilement excitées au niveau d'émission métastable et au niveau d'énergie au-dessus de l'état fondamental. Comme les nanoparticules peuvent rester à l'état excité plus longtemps, moins d'énergie laser est nécessaire pour le processus d'imagerie. La configuration à quatre niveaux peut également éliminer la réexcitation induite par le faisceau d'appauvrissement, conduisant à un processus efficace d'épuisement des émissions stimulées.
Le professeur Liu a dit, "Dans les années récentes, de nombreux chercheurs ont relevé des défis à long terme, tissus profonds, imagerie haute résolution. Cette nouvelle génération de nanosondes à lanthanides pourrait potentiellement trouver des applications importantes en bio-imagerie et en détection moléculaire. »
