Jump to content

Интерферометрическая микроскопия рассеяния

Типичные конфигурации iSCAT, в которых в качестве эталонного поля используется отраженный от покровного стекла свет (a, c) или проходящий через образец (b, d). Сигнал можно получить с помощью камеры в широкоугольном режиме (а, б) или путем обнаружения точки в конфокальном расположении (в, г).

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 ]
  1. ^ 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 .
  2. ^ 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 .
  3. ^ 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 .
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 )
  6. ^ 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 .
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ 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 .
  11. ^ 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 .
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ 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 .
  17. ^ 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
  18. ^ 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 .
  19. ^ 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 .
  20. ^ 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 .
  21. ^ 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 .
  22. ^ 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 .
  23. ^ 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.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 413501c9269a8deefcdf7a554c8b5fb2__1714737840
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/41/b2/413501c9269a8deefcdf7a554c8b5fb2.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Interferometric scattering microscopy - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)