Интерферометрическая микроскопия рассеяния

Микроскопия интерферометрического рассеяния ( iSCAT ) относится к классу методов, которые обнаруживают и отображают объект субволновой длины путем интерференции рассеянного им света с эталонным световым полем. Основная физика разделяется другими традиционными интерферометрическими методами, такими как фазовый контраст или дифференциальный интерференционный контраст , или отражательная интерференционная микроскопия. Ключевой особенностью iSCAT является обнаружение упругого рассеяния субволновых частиц, также известного как рэлеевское рассеяние , в дополнение к отраженным или проходящим сигналам от сверхволновых объектов. Обычно задача состоит в обнаружении крошечных сигналов на большом и сложном фоне, напоминающем спеклы. iSCAT использовался для исследования наночастиц, таких как вирусы, белки, липидные везикулы, ДНК, экзосомы, наночастицы металлов, полупроводниковые квантовые точки, носители заряда и отдельные органические молекулы, без необходимости использования флуоресцентной метки.
Историческая справка
[ редактировать ]Принцип интерференции играет центральную роль во многих методах визуализации, включая визуализацию в светлом поле, поскольку его можно описать как интерференцию между полем освещения и тем полем, которое взаимодействовало с объектом, то есть посредством затухания. На самом деле, даже микроскопии, основанной на интерференции с внешним световым полем, уже более ста лет.
Первые измерения типа iSCAT были выполнены биофизическим сообществом в 1990-х годах. [ 1 ] Систематическая разработка метода обнаружения нанообъектов началась в начале 2000-х годов как общая попытка изучить бесфлуоресцентные варианты изучения одиночных молекул и нанообъектов. [ 2 ] В частности, наночастицы золота размером до 5 нм были визуализированы посредством интерференции их рассеянного света с отраженным лучом от поддерживающего их покровного стекла. Использование лазера суперконтинуума дополнительно позволило записать плазмонные спектры частиц. [ 2 ] Ранние измерения были ограничены остаточным спекл-подобным фоном. Новый подход к вычитанию фона и аббревиатура iSCAT были представлены в 2009 году. [ 3 ] С тех пор различные группы сообщили о ряде важных работ. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Примечательно, что дальнейшие инновации в области подавления фона и шума привели к разработке новых методов количественного определения, таких как масс-фотометрия (первоначально представленная как iSCAMS), в которой сверхчувствительное и точное интерферометрическое обнаружение преобразуется в количественные средства измерения молекулярной массы отдельных биомолекул. . [ 8 ]
Теоретическая основа
[ редактировать ]Когда опорный свет накладывается на рассеянный свет объекта, интенсивность на детекторе можно описать формулой: [ 2 ] [ 7 ]
где и – комплексные электрические поля опорного и рассеянного света. Полученные члены представляют собой интенсивность опорного луча. , чистый рассеянный свет от объекта , и перекрестный срок который содержит фазу . Эта фаза включает фазовую составляющую Гуи, обусловленную изменениями волновых векторов, фазовую составляющую рассеяния, обусловленную свойствами материала объекта, и синусоидально модулирующую фазовую составляющую, которая зависит от положения частицы.
Как правило, опорный луч может идти по другому пути, чем рассеянный свет внутри оптической установки, если они когерентны и мешают детектору. Однако этот метод становится проще и стабильнее, если оба луча проходят один и тот же оптический путь. Поэтому в качестве эталона обычно используется отраженный от покровного стекла свет 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 и 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 на расстоянии не более нескольких сотен нанометров над стеклом, даже «некогерентный» свет, например, от светодиодов, может быть использовал. [ 9 ]
Приложения
[ редактировать ]iSCAT использовался во многих приложениях. Их можно сгруппировать примерно так:
Визуализация без меток
[ редактировать ]- Микротрубочки [ 1 ] [ 10 ]
- Внутриклеточные органеллы живых клеток [ 11 ]
- Липидные нано/микродомены [ 12 ]
- Сборка одного вируса [ 13 ]
- Зависящий от времени iSCAT (StroboSCAT) [ 14 ]
Отслеживание одиночных частиц
[ редактировать ]- Отслеживание единичного вируса in vitro [ 3 ]
- Отслеживание единичного вируса на ранней стадии заражения в клетках [ 15 ]
- Микросекундное отслеживание одиночных частиц на мембране живой клетки [ 16 ]
- Отслеживание моторных белков [ 17 ] [ 18 ]
Обнаружение, визуализация, отслеживание и количественный анализ одиночных молекул без меток
[ редактировать ]- Обнаружение одиночных молекул путем абсорбции [ 19 ]
- Чувствительность к одному белку [ 20 ] [ 21 ]
- Отслеживание одного белка [ 22 ]
- Массовая фотометрия [ 8 ]
Отслеживание ионов
[ редактировать ]- Одиночные ионы входят/выходят из катода батареи [ 23 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б АМОС, Луизиана; АМОС, ВБ (1 января 1991 г.). «Изгиб скользящих микротрубочек, полученный 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 . ПМК 2561856 . ПМИД 1715872 .
- ^ Jump up to: а б с Линдфорс, К.; Калькбреннер, Т.; Столлер, П.; Сандогдар, В. (июль 2004 г.). «Обнаружение и спектроскопия наночастиц золота с использованием конфокальной микроскопии суперконтинуума в белом свете». Письма о физических отзывах . 93 (3): 037401. Бибкод : 2004PhRvL..93c7401L . doi : 10.1103/physrevlett.93.037401 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 15323866 .
- ^ Jump up to: а б Кукура, Филипп; Эверс, Хельге; Мюллер, Кристиан; Ренн, Алоис; Хелениус, Ари; Сандогдар, Вахид (1 ноября 2009 г.). «Высокоскоростное наноскопическое отслеживание положения и ориентации отдельного вируса». Природные методы . 6 (12): 923–927. дои : 10.1038/nmeth.1395 . ISSN 1548-7091 . ПМИД 19881510 . S2CID 10615639 .
- ^ Се, Цзя-Лун (сентябрь 2018 г.). «Сверхчувствительная интерферометрическая визуализация на основе сверхвысокоскоростного рассеяния без меток». Оптические коммуникации . 422 : 69–74. Бибкод : 2018OptCo.422...69H . дои : 10.1016/j.optcom.2018.02.058 . ISSN 0030-4018 . S2CID 125505926 .
- ^ Микроскопия сверхвысокого разрешения без этикеток . Астратов, Василий. Чам. 31 августа 2019 г. ISBN 978-3-030-21722-8 . OCLC 1119720519 .
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) CS1 maint: другие ( ссылка ) - ^ Янг, Гэвин; Кукура, Филипп (14 июня 2019 г.). «Интерферометрическая микроскопия рассеяния». Ежегодный обзор физической химии . 70 (1): 301–322. Бибкод : 2019ARPC...70..301Y . doi : 10.1146/annurev-physchem-050317-021247 . ISSN 0066-426X . ПМИД 30978297 . S2CID 195661687 .
- ^ Jump up to: а б Тейлор, Ричард В.; Сандогдар, Вахид (17 июля 2019 г.). «Микроскопия интерферометрического рассеяния: наблюдение одиночных наночастиц и молекул с помощью рэлеевского рассеяния» . Нано-буквы . 19 (8): 4827–4835. Бибкод : 2019NanoL..19.4827T . дои : 10.1021/acs.nanolett.9b01822 . ISSN 1530-6984 . ПМК 6750867 . ПМИД 31314539 .
- ^ Jump up to: а б Янг, Гэвин; Хундт, Николас; Коул, Дэниел; Файнберг, Адам; Андрека, Джоанна; Тайлер, Эндрю; Олеринёва, Анна; Ансари, Айла; Марклунд, Эрик Г.; Коллиер, Миранда П.; Чендлер, Шейн А. (27 апреля 2018 г.). «Количественная массовая визуализация одиночных биологических макромолекул» . Наука . 360 (6387): 423–427. Бибкод : 2018Sci...360..423Y . дои : 10.1126/science.aar5839 . ISSN 0036-8075 . ПМК 6103225 . ПМИД 29700264 .
- ^ Даабул, Г.Г.; Ведула, РС; Ан, С.; Лопес, Калифорния; Реддингтон, А.; Озкумур, Э.; Юнлю, М.С. (январь 2011 г.). «Светодиодный интерферометрический датчик отражения для количественного динамического мониторинга биомолекулярных взаимодействий». Биосенсоры и биоэлектроника . 26 (5): 2221–2227. дои : 10.1016/j.bios.2010.09.038 . ISSN 0956-5663 . ПМИД 20980139 .
- ^ Вала, Милан; Буяк, Лукаш; Гарсиа Марин, Антонио; Голанова, Кристина; Хенрикс, Верена; Браун, Маркус; Лански, Зденек; Пилярик, Марек (25 января 2021 г.). «Наноскопические структурные флуктуации разборки микротрубочек, выявленные с помощью безметочной микроскопии сверхразрешения» . Маленькие методы . 5 (4): 2000985. doi : 10.1002/smtd.202000985 . ISSN 2366-9608 . ПМИД 34927839 . S2CID 234070923 .
- ^ Купперс, Мишель; Альбрехт, Дэвид; Кашканова Анна Дмитриевна; Люр, Дженнифер; Сандогдар, Вахид (7 апреля 2023 г.). «Микроскопия конфокального интерферометрического рассеяния выявляет трехмерную наноскопическую структуру и динамику в живых клетках» . Природные коммуникации . 14 (1): 1962. Бибкод : 2023NatCo..14.1962K . дои : 10.1038/s41467-023-37497-7 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 10081331 . ПМИД 37029107 .
- ^ де Вит, Габриэль; Дэниал, Джон Ш.; Кукура, Филипп; Уоллес, Марк И. (23 сентября 2015 г.). «Динамическое изображение липидных нанодоменов без меток» . Труды Национальной академии наук . 112 (40): 12299–12303. Бибкод : 2015PNAS..11212299D . дои : 10.1073/pnas.1508483112 . ISSN 0027-8424 . ПМК 4603517 . ПМИД 26401022 .
- ^ Гарманн, Рис Ф.; Голдфейн, Аарон М.; Манохаран, Винотан Н. (2018). «Измерения кинетики самосборки отдельных вирусных капсидов вокруг их РНК-генома» . Труды Национальной академии наук . 116 (45): 22485–22490. arXiv : 1802.05211 . дои : 10.1073/pnas.1909223116 . ПМЦ 6842639 . ПМИД 31570619 .
- ^ Пенвелл, Сэмюэл Б.; Гинзберг, Лукас Д.С.; Норьега, Родриго; Гинзберг, Наоми С. (18 сентября 2017 г.). «Решение проблемы сверхбыстрой миграции экситонов в органических твердых телах на наноуровне». Природные материалы . 16 (11): 1136–1141. arXiv : 1706.08460 . Бибкод : 2017NatMa..16.1136P . дои : 10.1038/nmat4975 . ISSN 1476-1122 . ПМИД 28920937 . S2CID 205416059 .
- ^ Хуан, И-Фань; Чжо, Гуань-Юй; Чжоу, Чун-Ю; Линь, Ченг-Хао; Чанг, Вэнь; Се, Цзя-Лунг (13 января 2017 г.). «Когерентная светлопольная микроскопия обеспечивает пространственно-временное разрешение для изучения ранней стадии вирусной инфекции в живых клетках». АСУ Нано . 11 (3): 2575–2585. дои : 10.1021/acsnano.6b05601 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 28067508 .
- ^ Тейлор, Ричард В.; Махмудабади, Реза Голами; Раушенбергер, Верена; Гиссль, Андреас; Шамбони, Александра; Сандогдар, Вахид (июль 2019 г.). «Микроскопия интерферометрического рассеяния обнаруживает микросекундное наноскопическое движение белка на мембране живой клетки» . Природная фотоника . 13 (7): 480–487. Бибкод : 2019NaPho..13..480T . дои : 10.1038/s41566-019-0414-6 . ISSN 1749-4893 . S2CID 195094855 .
- ^ Андрека, Дж.; Такаги, Ю.; Миколайчик, К.Дж.; Липперт, Л.Г.; Селлерс, младший; Хэнкок, Висконсин; Гольдман, Ю.Е.; Кукура, П. (2016), «Интерферометрическая рассеивающая микроскопия для изучения молекулярных моторов», Одномолекулярная энзимология: методы на основе флуоресценции и высокопроизводительные методы , том. 581, Elsevier, стр. 517–539, номер документа : 10.1016/bs.mie.2016.08.016 , ISBN. 978-0-12-809267-5 , PMC 5098560 , PMID 27793291
- ^ Буяк, Лукаш; Голанова, Кристина; Гарсиа Марин, Антонио; Хенрикс, Верена; Барвик, Иван; Браун, Маркус; Лански, Зденек; Пилярик, Марек (16 августа 2021 г.). «Быстрые скачки между миллисекундными ограничениями управляют диффузией Ase1 вдоль микротрубочек» . Маленькие методы . 5 (10): 2100370. doi : 10.1002/smtd.202100370 . ISSN 2366-9608 . ПМИД 34927934 . S2CID 238695264 .
- ^ Кукура, Филипп; Селебрано, Микеле; Ренн, Алоис; Сандогдар, Вахид (11 ноября 2010 г.). «Одномолекулярная чувствительность при оптическом поглощении при комнатной температуре». Журнал физической химии . 1 (23): 3323–3327. дои : 10.1021/jz101426x . ISSN 1948-7185 .
- ^ Пилярик, Марек; Сандогдар, Вахид (29 июля 2014 г.). «Прямое оптическое зондирование одиночных немеченых белков и визуализация мест их связывания со сверхвысоким разрешением» . Природные коммуникации . 5 (1): 4495. arXiv : 1310,7460 . Бибкод : 2014NatCo...5.4495P . дои : 10.1038/ncomms5495 . ISSN 2041-1723 . ПМИД 25072241 .
- ^ Дахмарде, Махьяр; Мирзаалян Дастджерди, Хоуман; Мазал, Хишам; Кестлер, Харальд; Сандогдар, Вахид (27 февраля 2023 г.). «Машинное обучение с самоконтролем расширяет границы чувствительности при обнаружении без меток отдельных белков с массой ниже 10 кДа» . Природные методы . 20 (3): 442–447. дои : 10.1038/s41592-023-01778-2 . ISSN 1548-7105 . ПМЦ 9998267 . ПМИД 36849549 .
- ^ Спиллейн, Кейтлин М.; Ортега-Арройо, Хайме; де Вит, Габриэль; Эггелинг, Кристиан; Эверс, Хельге; Уоллес, Марк И.; Кукура, Филипп (27 августа 2014 г.). «Высокоскоростное одночастичное отслеживание GM1 в модельных мембранах обнаруживает аномальную диффузию из-за межлистового взаимодействия и молекулярного закрепления» . Нано-буквы . 14 (9): 5390–5397. Бибкод : 2014NanoL..14.5390S . дои : 10.1021/nl502536u . ISSN 1530-6984 . ПМК 4160260 . ПМИД 25133992 .
- ^ Лаварс, Ник (24 июня 2021 г.). «Вид движения ионов лития в режиме реального времени открывает двери для батарей следующего поколения» . Новый Атлас . Проверено 24 июня 2021 г.