Американские физики обнаружили, что использование наночастиц со структурой из инертной оболочки и активного ядра, содержащего тетрафториды на основе эрбия и иттербия, может значительно повысить чувствительность метода мультифотонной микроскопии, используемого для визуализации тканей in vivo. Эти частицы размером около 12 нанометров позволяют добиться 25-кратного превышения сигнала над фоном при мощности облучения всего в 0,1 ватта на квадратный сантиметр. В будущем подобные наночастицы помогут разработать методы безопасной визуализации тканей, находящихся глубоко под поверхностью кожи, пишут ученые в Nature Communications.
Один из популярных методов визуализации клеток и тканей в живом организме — использование флуоресцирующих частиц, свечение которых возбуждается лазером. Однако чтобы избежать разрушения клеток при возбуждении флуоресценции с помощью лазера, приходится использовать излучение довольно небольших мощностей, что в свою очередь сильно снижает чувствительность метода. Для решения этой проблемы ученые предложили использовать двухфотонную лазерную микроскопию — метод, основанный на эффекте двухфотонной флуоресценции.
При таком подходе для перевода электронов в активное состояние флуоресцентная частица поглощает не один фотон, а два, но значительно меньшей энергии. В некоторых случаях удается использовать и более сложные схемы, при которых одновременно поглощаются не два фотона, а три или больше. При этом за счет снижения энергии возбуждающего излучения (и смещения его диапазона из видимой области в инфракрасную) использование такой мультифотонной флуоресценции значительно уменьшает рассеяние поглощаемого света и за счет этого защищает клетки от разрушения. В результате повышается чувствительность метода, что позволяет в условиях in vivo получать детальные изображения тканей человека и животных, расположенных глубоко под поверхностью кожи. Например, недавно с помощью двухфотонной лазерной микроскопии ученые обнаружили наличие сигнальных функций у капилляров мозга.
Тем не менее, снизить мощность используемого излучения даже при таком подходе не всегда удается до такого уровня, чтобы этого оказалось достаточно для безопасного получения точных изображений различных тканей и органов. Для решения этой проблемы группа американских физиков Брюса Коэна (Bruce E. Cohen) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли предложила использовать наночастицы на основе тетрафтороиттриата натрия NaYF 4. Эти частицы имеют двухслойную структуру, в которой оболочка полностью состоит из инертного фтороиттриата, а в ядре это же вещество выступает в роли матрицы, в которой частично или полностью ионы иттрия Y3+ замещаются светопоглощающими ионами иттербия Yb3+ и эрбия Eb3+.
Именно в системе ионов иттербия и эрбия происходило поглощение нескольких фотонов из инфракрасной области, которые затем превращались в флуоресцентное излучение уже в видимой области. При этом оказалось, что наиболее эффективно таки частицы работают, когда их ядро полностью состоит из сплава, содержащего только ионы иттербия и эрбия, а инертная иттриевая матрица — отсутствует. Такой эффект ученые объясняют появлением еще одного механизма изменения энергетического состояния электронов в ионах иттербии, если вокруг находятся еще и ионы эрбия.
По словам авторов, поглощение инфракрасного излучения длиной волны 980 нанометров происходит в этой системе в обоих ионах — эрбия и иттербия, а светоизлучательные переходы — происходят только в ионах эрбия и приводят к флуоресценции в зеленой и красной частях видимого спектра. Проварьировав содержание лантаноидов в ядре частиц и исследовав их оптические свойства, ученые обнаружили, что предложенная конфигурация из инертной оболочки и сплава активных фторидов (примерно 60 процентов фтороэрбиата и 40 процентов — фтороиттербиата) в ядре позволяет резко увеличить интенсивность флуоресценции (примерно в 300 раз по сравнению с другими подобными частицами на основе лантаноидов).
Размер частиц исследованных частиц составил от 12 до 15 нанометров — примерно с крупный белок. Предложенные частицы были проверены для визуализации жировой ткани молочной железы мыши, находящейся примерно в 3–4 миллиметрах под поверхностью кожи. Оказалось, что выбранные структура и состав частиц приводят к значительному увеличению чувствительности метода мультифотонной микроскопии: отношение сигнала к фону составило более 25, при этом мощность возбуждающего инфракрасного излучения не превышала 0,1 ватта на квадратный сантиметр.
По словам ученых, предложенные ими лантаноидные частицы могут использоваться для разработки методов лазерной биовизуализации высокого разрешения, в том числе глубоких тканей, а также для создания сенсорных систем и для исследования стволовых клеток и эмбрионов.
Похожие эффекты используются не только для биовизуализации, но и, например, для создания микролазеров биологического и медицинского назначения, работающих in vivo. Например, недавно физики разработали микроустройство, состоящий из полистирольной микросферы, покрытой слоем наночастиц смешанного фторида иттрия и натрия с небольшой примесью ионов тулия. Такие частицы преобразуют непрерывное инфракрасное излучение в периодические импульсы в видимом диапазоне за счет мультифотонной флуоресценции и эффекта шепчущей галереи. Спектральные характеристики и возможность долгой непрерывной работы делают эти частицы перспективным источником лазерного излучения для биологического анализа.
Александр Дубов