Микроскопия интерферометрического рассеяния - Interferometric scattering microscopy

Типичные конфигурации Iscat где либо отраженный свет от крышки скольжения (а, с) или прошедшего света через образец (B, C) используется в качестве опорного поля. Сигнал может быть получен камерой в широком поле зрения (a, b) или с помощью точечного обнаружения в конфокальном расположении (c, d).

Микроскопия интерферометрического рассеяния (iSCAT) относится к классу методов, которые обнаруживают и визуализируют объект субволновой длины с помощью мешающий свет, рассеянный им с опорным световым полем. Основная физика разделяется другими традиционными интерферометрическими методами, такими как фазовый контраст или же дифференциальный интерференционный контраст, или отражательная интерференционная микроскопия. Ключевой особенностью iSCAT является обнаружение упругого рассеяния субволновыми частицами, также известного как Рэлеевское рассеяние в дополнение к отраженным или передаваемым сигналам от сверхвысокочастотных 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 использования флуоресцентной метки.

Историческое прошлое

Принцип интерференции играет центральную роль во многих методах построения изображений, включая получение изображений в светлом поле, потому что его можно описать как интерференцию между полем освещения и полем, которое взаимодействует с объектом, то есть через ослабление. На самом деле, даже микроскопии, основанной на интерференции внешнего светового поля, больше ста лет.

Первые измерения типа iSCAT были выполнены в сообществе биофизиков 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] Особенно, наночастицы золота размером до 5 нм были получены путем интерференции их рассеянного света с отраженным лучом от поддерживающего их покровного стекла. Используя суперконтинуумный лазер дополнительно разрешена регистрация плазмонных спектров 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 сообщили о серии важных работ.^[4][5][6][7] Примечательно, что дальнейшие инновации в подавлении фона и шума привели к разработке новых методов количественной оценки, таких как масс-фотометрия (первоначально представленная как iSCAMS), в которой сверхчувствительное и точное интерферометрическое обнаружение превращается 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]

${\displaystyle I_{det}\propto |{\overline {E_{r}}}+{\overline {E_{s}}}|^{2}=I_{r}+I_{s}+2E_{r}E_{s}\cos \phi }$

куда ${\textstyle {\overline {E_{r}}}=E_{r}e^{i\phi _{r}}}$ и ${\displaystyle {\overline {E_{s}}}=E_{s}e^{i\phi _{s}}}$ являются сложными электрическими полями ссылки и рассеянного света. Полученные условия являются интенсивность эталонного пучка ${\displaystyle (I_{r}=|{\overline {E_{r}}}|^{2})}$, чистый рассеянный свет от объекта ${\displaystyle (I_{s}=|{\overline {E_{s}}}|^{2})}$, а перекрестный ${\displaystyle (2E_{r}E_{s}\cos \phi )}$ который содержит фазу ${\displaystyle \phi =\phi _{r}-\phi _{s}}$. Этот этап включает Фаза Гуи составляющая от вариаций волновых векторов, составляющая фазы рассеяния от свойств материала объекта и синусоидально модулирующая фазовая составляющая, которая зависит от положения частицы.

Как правило, опорный луч может двигаться по пути, отличному от пути рассеянного света в оптической системе, если они последовательный и мешают детектору. Однако этот метод становится более простым и стабильным, если оба луча используют один и тот же оптический путь. Следовательно, отраженный свет от покровного стекла или прошедший через образец луч обычно используется в качестве эталона. Для возникновения интерференции необходимо, чтобы обе световые волны (рассеянный свет и опорный свет) были когерентными. Интересно отметить, 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, даже «некогерентный» свет, например от светодиодов, можно использовать.^[9]

Приложения

iSCAT использовался в большом количестве приложений. Их можно примерно сгруппировать как:

Изображение без этикеток

• Микротрубочки^[1]
• Липидные нано / микродомены^[10]
• Сборка одного вируса^[11]
• Зависящий от времени iSCAT (StroboSCAT)^[12]

Отслеживание отдельных частиц

• Отслеживание одного вируса in vitro^[3]
• Отслеживание одного вируса на ранней стадии заражения в клетках^[13]
• Микросекундное отслеживание одиночных частиц на мембране живой клетки^[14]
• Отслеживание моторного белка^[15]

Обнаружение, визуализация, отслеживание и количественная оценка отдельных молекул без этикеток

• Обнаружение одиночных молекул путем абсорбции^[16]
• Чувствительность к одному белку^[17]
• Отслеживание одного белка^[18]
• Массовая фотометрия^[8]

Рекомендации

1. AMOS, L.A .; AMOS, W. B. (1991-01-01). «Изгиб скользящих микротрубочек, полученный с помощью конфокальной световой микроскопии и электронной микроскопии с отрицательным окрашиванием». Журнал клеточной науки. 1991 (Приложение 14): 95–101. Дои:10.1242 / jcs.1991.supplement_14.20. ISSN  0021-9533. ЧВК  2561856. PMID  1715872.
2. Lindfors, K .; Калькбреннер, Т .; Stoller, P .; Сандогдар, В. (июль 2004 г.). "Обнаружение и спектроскопия наночастиц золота с помощью конфокальной микроскопии в белом свете суперконтинуума". Письма с физическими проверками. 93 (3): 037401. Bibcode:2004PhRvL..93c7401L. Дои:10.1103 / Physrevlett.93.037401. ISSN  0031-9007. PMID  15323866.
3. Кукура, Филипп; Эверс, Хельге; Мюллер, Кристиан; Ренн, Алоис; Хелениус, Ари; Сандогдар, Вахид (01.11.2009). «Высокоскоростное наноскопическое отслеживание положения и ориентации отдельного вируса». Методы природы. 6 (12): 923–927. Дои:10.1038 / nmeth.1395. ISSN  1548-7091. PMID  19881510.
4. Се, Чиа-Лунг (сентябрь 2018 г.). «Сверхчувствительная, сверхвысокоскоростная интерферометрическая визуализация на основе рассеяния без этикеток». Оптика Коммуникации. 422: 69–74. Bibcode:2018OptCo.422 ... 69H. Дои:10.1016 / j.optcom.2018.02.058. ISSN  0030-4018.
5. Микроскопия сверхвысокого разрешения без этикеток. Астратов, Василий. Чам. 31 августа 2019. ISBN  978-3-030-21722-8. OCLC  1119720519.
6. Янг, Гэвин; Кукура, Филипп (14.06.2019). «Интерферометрическая рассеивающая микроскопия». Ежегодный обзор физической химии. 70 (1): 301–322. Bibcode:2019ARPC ... 70..301л. Дои:10.1146 / annurev-physchem-050317-021247. ISSN  0066-426X. PMID  30978297.
7. Тейлор, Ричард В .; Сандогдар, Вахид (17.07.2019). "Интерферометрическая рассеивающая микроскопия: наблюдение отдельных наночастиц и молекул посредством рэлеевского рассеяния". Нано буквы. 19 (8): 4827–4835. Bibcode:2019NanoL..19.4827T. Дои:10.1021 / acs.nanolett.9b01822. ISSN  1530-6984. ЧВК  6750867. PMID  31314539.
8. Янг, Гэвин; Хундт, Николас; Коул, Дэниел; Файнберг, Адам; Андрецка, Иоанна; Тайлер, Эндрю; Олеринёва, Анна; Ансари, Айла; Марклунд, Эрик Дж .; Collier, Miranda P .; Чендлер, Шейн А. (27.04.2018). «Количественная массовая визуализация отдельных биологических макромолекул». Наука. 360 (6387): 423–427. Bibcode:2018Научный ... 360..423Y. Дои:10.1126 / science.aar5839. ISSN  0036-8075. ЧВК  6103225. PMID  29700264.
9. Daaboul, G.G .; Vedula, R.S .; Ahn, S .; Lopez, C.A .; Реддингтон, А .; Ozkumur, E .; Юнлю, М. (Январь 2011 г.). «Датчик изображения интерферометрического отражения на основе светодиодов для количественного динамического мониторинга биомолекулярных взаимодействий». Биосенсоры и биоэлектроника. 26 (5): 2221–2227. Дои:10.1016 / j.bios.2010.09.038. ISSN  0956-5663. PMID  20980139.
10. де Вит, Габриель; Даниал, Джон С. Х .; Кукура, Филипп; Уоллес, Марк I. (2015-09-23). «Динамическая визуализация липидных нанодоменов без меток». Труды Национальной академии наук. 112 (40): 12299–12303. Bibcode:2015ПНАС..11212299D. Дои:10.1073 / pnas.1508483112. ISSN  0027-8424. ЧВК  4603517. PMID  26401022.
11. 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 ].
12. Penwell, Samuel B .; Гинзберг, Лукас Д. С .; Норьега, Родриго; Гинзберг, Наоми С. (18.09.2017). «Разрешение сверхбыстрой миграции экситонов в органических твердых телах на наноуровне». Материалы Природы. 16 (11): 1136–1141. arXiv:1706.08460. Bibcode:2017НатМа..16.1136П. Дои:10.1038 / nmat4975. ISSN  1476-1122. PMID  28920937.
13. 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. Дои:10.1021 / acsnano.6b05601. ISSN  1936-0851. PMID  28067508.
14. 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:2019НаФо..13..480т. Дои:10.1038 / s41566-019-0414-6. ISSN  1749-4893.
15. Andrecka, J .; Takagi, Y .; Mickolajczyk, K.J .; Lippert, L.G .; Продавцы, J.R .; Hancock, W.O .; Goldman, Y.E .; Кукура, П. (2016), "Интерферометрическая микроскопия рассеяния для изучения молекулярных двигателей", Одномолекулярная энзимология: флуоресцентные и высокопроизводительные методы, Эльзевьер, 581, стр. 517–539, Дои:10.1016 / bs.mie.2016.08.016, ISBN  978-0-12-809267-5, ЧВК  5098560, PMID  27793291
16. Кукура, Филипп; Селебрано, Микеле; Ренн, Алоис; Сандогдар, Вахид (11 ноября 2010 г.). «Чувствительность одиночных молекул в оптическом поглощении при комнатной температуре». Письма в Журнал физической химии. 1 (23): 3323–3327. Дои:10.1021 / jz101426x. ISSN  1948-7185.
17. 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:2014НатКо ... 5.4495P. Дои:10.1038 / ncomms5495. ISSN  2041-1723. PMID  25072241.
18. 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. Дои:10.1021 / nl502536u. ISSN  1530-6984. ЧВК  4160260. PMID  25133992.