A la izquierda: Im\u00e1genes experimentales PASSI (im\u00e1genes de superresoluci\u00f3n de un solo haz de avalancha de fotones) de nanopart\u00edculas en avalancha dopadas con tulio separadas por 300 nan\u00f3metros. A la derecha: simulaciones PASSI del mismo material. Cr\u00e9dito: Laboratorio de Berkeley y Universidad de Columbia <\/p>\n
Desde los primeros microscopios, los cient\u00edficos han estado en la b\u00fasqueda de construir instrumentos con una resoluci\u00f3n cada vez m\u00e1s fina para obtener im\u00e1genes de las prote\u00ednas de una c\u00e9lula, las diminutas m\u00e1quinas que mantienen a las c\u00e9lulas y a nosotros en funcionamiento. Pero para tener \u00e9xito, deben superar el l\u00edmite de difracci\u00f3n, una propiedad fundamental de la luz que durante mucho tiempo impidi\u00f3 que los microscopios \u00f3pticos enfocaran algo m\u00e1s peque\u00f1o que la mitad de la longitud de onda de la luz visible (alrededor de 200 nan\u00f3metros o milmillon\u00e9simas de metro), demasiado grande para explorar muchos de los mecanismos internos de una c\u00e9lula. <\/p>\n
Durante m\u00e1s de un siglo, los cient\u00edficos han experimentado con diferentes enfoques, desde c\u00e1lculos intensivos hasta l\u00e1seres y microscopios especiales, para resolver las caracter\u00edsticas celulares a escalas cada vez m\u00e1s peque\u00f1as. Y en 2014, los cient\u00edficos recibieron el Premio Nobel de Qu\u00edmica por su trabajo en microscop\u00eda \u00f3ptica de superresoluci\u00f3n, una t\u00e9cnica innovadora que supera el l\u00edmite de difracci\u00f3n al aprovechar mol\u00e9culas fluorescentes especiales, rayos l\u00e1ser de forma inusual o computaci\u00f3n sofisticada para visualizar im\u00e1genes a nanoescala. .<\/p>\n
Ahora, como se informa en un art\u00edculo de portada en la revista Nature, un equipo de investigadores codirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energ\u00eda de EE. UU. (Berkeley Lab) y la Escuela de Ingenier\u00eda de la Fundaci\u00f3n Fu de la Universidad de Columbia and Applied Science (Columbia Engineering) ha desarrollado una nueva clase de material cristalino llamado nanopart\u00edculas de avalancha (ANP) que, cuando se usa como sonda microsc\u00f3pica, supera el l\u00edmite de difracci\u00f3n sin c\u00e1lculos pesados ni un microscopio de superresoluci\u00f3n.<\/p>\n
Los investigadores dicen que los ANP avanzar\u00e1n en la obtenci\u00f3n de im\u00e1genes biol\u00f3gicas en tiempo real y de alta resoluci\u00f3n de los org\u00e1nulos y las prote\u00ednas de una c\u00e9lula, as\u00ed como en el desarrollo de ultras sensores \u00f3pticos sensibles y computaci\u00f3n neurom\u00f3rfica que imita la estructura neuronal del cerebro humano, entre otras aplicaciones.<\/p>\n
\u00abEstas nanopart\u00edculas convierten cualquier simple microscopio confocal de barrido en un microscopio de superresoluci\u00f3n en tiempo real, pero lo que hacen no es t exactamente superresoluci\u00f3n. En realidad, hacen que el l\u00edmite de difracci\u00f3n sea mucho m\u00e1s bajo\u00bb, pero sin el proceso pesado de c\u00e1lculo de las t\u00e9cnicas anteriores, dijo el coautor Bruce Cohen, cient\u00edfico del personal de la Divisi\u00f3n de Fundici\u00f3n Molecular y Biof\u00edsica Molecular y Bioimagen Integrada de Berkeley Lab. La microscop\u00eda confocal de barrido es una t\u00e9cnica que produce una imagen ampliada de un esp\u00e9cimen, p\u00edxel por p\u00edxel, mediante el escaneo de un l\u00e1ser enfocado a trav\u00e9s de una muestra.<\/p>\n
Un descubrimiento sorpresa<\/p>\n
Las nanopart\u00edculas de avalancha de fotones descritas en el estudio actual tienen aproximadamente 25 nan\u00f3metros de di\u00e1metro. El n\u00facleo contiene un nanocristal dopado con el tulio met\u00e1lico lant\u00e1nido, que absorbe y emite luz. Una capa aislante asegura que la parte de la nanopart\u00edcula que absorbe y emite luz est\u00e9 lejos de la superficie y no pierda su energ\u00eda. a su entorno, haci\u00e9ndolo m\u00e1s eficiente, explic\u00f3 el coautor Emory Chan, cient\u00edfico del personal de Molecular Foundry de Berkeley Lab.<\/p>\n
Una caracter\u00edstica definitoria de la avalancha de fotones es i Su extrema no linealidad. Esto significa que cada vez que se duplica la intensidad del l\u00e1ser para excitar un material microsc\u00f3pico, se duplica con creces la intensidad de la luz emitida por el material. Para lograr la avalancha de fotones, cada duplicaci\u00f3n de la intensidad del l\u00e1ser excitante aumenta la intensidad de la luz emitida en 30\u00a0000 veces.<\/p>\n
Pero para deleite de los investigadores, los ANP descritos en el estudio actual cumplieron con cada duplicaci\u00f3n de la intensidad del l\u00e1ser excitante. intensidad con un aumento de la luz emitida en casi 80 millones de veces. En el mundo de la microscop\u00eda \u00f3ptica, ese es un grado deslumbrante de emisi\u00f3n no lineal. Y desde la publicaci\u00f3n del estudio, \u00abde hecho, ahora tenemos algunos mejores\u00bb, agreg\u00f3 Cohen.<\/p>\n
Los investigadores podr\u00edan no haber considerado el potencial del tulio para la avalancha de fotones si no fuera por el estudio de Chan en 2016, que calcul\u00f3 las propiedades de emisi\u00f3n de luz de cientos de combinaciones de dopantes de lant\u00e1nidos cuando se estimulan con luz infrarroja cercana de 1.064 nan\u00f3metros. \u00abSorprendentemente, se predijo que las nanopart\u00edculas dopadas con tulio emitir\u00edan la mayor cantidad de luz, a pesar de que la sabidur\u00eda convencional dec\u00eda que deber\u00edan estar completamente oscuras\u00bb, se\u00f1al\u00f3 Chan.<\/p>\n
Seg\u00fan los modelos de los investigadores, la \u00fanica forma en que el tulio podr\u00eda estar emitiendo luz a trav\u00e9s de un proceso llamado bucle de energ\u00eda, que es una reacci\u00f3n en cadena en la que un ion de tulio que ha absorbido la luz excita a los iones de tulio vecinos a un estado que les permite absorber y emitir mejor la luz.<\/p>\n
Esos iones de tulio excitados, a su vez, hacen que otros iones de tulio vecinos sean m\u00e1s propensos a absorber la luz. Este proceso se repite en un ciclo de retroalimentaci\u00f3n positiva hasta que una gran cantidad de iones de tulio absorben y emiten luz.<\/p>\n
\u00abEs como colocar un micr\u00f3fono cerca de un altavoz: la retroalimentaci\u00f3n causada por el altavoz que amplifica su propia se\u00f1al explota en un sonido desagradablemente fuerte. En nuestro caso, estamos amplificando la cantidad de iones de tulio que pueden emitir luz de una manera altamente no lineal\u00bb, explic\u00f3 Chan. Cuando el bucle de energ\u00eda es extremadamente eficiente, se denomina avalancha de fotones, ya que unos pocos fotones absorbidos pueden convertirse en cascada en la emisi\u00f3n de muchos fotones, agreg\u00f3.<\/p>\n
En el momento del estudio de 2016, Chan y sus colegas esperaban poder podr\u00eda ver una avalancha de fotones experimentalmente, pero los investigadores no pudieron producir nanopart\u00edculas con suficiente no linealidad para cumplir con los estrictos criterios para la avalancha de fotones hasta el estudio actual.<\/p>\n
Para producir nanopart\u00edculas con avalancha, los investigadores confiaron en Molecular El robot de fabricaci\u00f3n de nanocristales de Foundry WANDA (Estaci\u00f3n de trabajo para el descubrimiento y an\u00e1lisis automatizado de nanomateriales) para fabricar muchos lotes diferentes de nanocristales dopados con diferentes cantidades de tulio y recubiertos con capas aislantes. \u00abUna de las formas en que pudimos lograr un rendimiento de avalancha de fotones tan bueno con nuestras nanopart\u00edculas de tulio fue cubri\u00e9ndolas con caparazones muy gruesos a escala nanom\u00e9trica\u00bb, dijo Chan, quien co-desarroll\u00f3 WANDA en 2010.<\/p>\n
Cultivar las conchas es un proceso exigente que puede llevar hasta 12 horas, explic\u00f3. Automatizar el proceso con WANDA permiti\u00f3 a los investigadores realizar otras tareas mientras aseguraban una uniformidad de grosor y composici\u00f3n entre las capas, y afinaban la respuesta del material a la luz y la potencia de resoluci\u00f3n.<\/p>\n
Aprovechar una avalancha en el nanoescala<\/p>\n
Los experimentos de microscop\u00eda confocal de barrido dirigidos por el coautor P. James Schuck, profesor asociado de ingenier\u00eda mec\u00e1nica en Columbia Engineering y cient\u00edfico principal en Molecular Foundry de Berkeley Lab, demostraron que las nanopart\u00edculas dopadas con concentraciones moderadamente altas de tulio mostr\u00f3 respuestas no lineales mayores de lo esperado para la avalancha de fotones, lo que convierte a estas nanopart\u00edculas en uno de los nanomateriales m\u00e1s no lineales que se sabe que existen.<\/p>\n
Changhwan Lee, un estudiante graduado en el laboratorio de Schuck, realiz\u00f3 una bater\u00eda de mediciones y c\u00e1lculos \u00f3pticos para confirmar que las nanopart\u00edculas cumpl\u00edan con los estrictos criterios para la avalancha de fotones. Este trabajo es la primera vez que se cumplen todos los criterios para la avalancha de fotones en una sola part\u00edcula de tama\u00f1o nanom\u00e9trico.<\/p>\n
La extrema no linealidad de las nanopart\u00edculas en avalancha permiti\u00f3 a Schuck y Lee excitar e imaginar nanopart\u00edculas individuales espaciadas m\u00e1s cerca de 70 nan\u00f3metros de distancia. En la microscop\u00eda de luz \u00ablineal\u00bb convencional, muchas nanopart\u00edculas son excitadas por el rayo l\u00e1ser, que tiene un di\u00e1metro de m\u00e1s de 500 nan\u00f3metros, lo que hace que las nanopart\u00edculas parezcan un gran punto de luz.<\/p>\n
La t\u00e9cnica de los autores llamada fot\u00f3n Im\u00e1genes de superresoluci\u00f3n de haz \u00fanico de avalancha (PASSI): aprovecha el hecho de que un punto de haz l\u00e1ser enfocado es m\u00e1s intenso en su centro que en sus bordes, dijo Chan. Dado que la emisi\u00f3n de ANP aumenta abruptamente con la intensidad del l\u00e1ser, solo las part\u00edculas en el centro de 70 nan\u00f3metros del rayo l\u00e1ser emiten cantidades apreciables de luz, lo que conduce a la exquisita resoluci\u00f3n de PASSI.<\/p>\n
El estudio actual, dicen los investigadores, abre de inmediato nuevas aplicaciones en la detecci\u00f3n ultrasensible de fotones infrarrojos y la conversi\u00f3n de luz infrarroja cercana en energ\u00edas m\u00e1s altas para im\u00e1genes de s\u00faper resoluci\u00f3n con microscopios \u00f3pticos confocales de barrido disponibles comercialmente, y resoluci\u00f3n mejorada en s\u00faper resoluci\u00f3n de \u00faltima generaci\u00f3n. microscopios \u00f3pticos.<\/p>\n
\u00abEso es incre\u00edble. Por lo general, en la ciencia \u00f3ptica, tienes que usar una luz muy intensa para obtener un gran efecto no lineal y eso no es bueno para la bioimagen porque est\u00e1s cocinando tus c\u00e9lulas con ese poder de la luz, \u00ab, dijo Schuck, quien ha continuado su investigaci\u00f3n colaborativa en Molecular Foundry como usuario. \u00abPero con estas nanopart\u00edculas dopadas con tulio, hemos demostrado que no requieren tanta intensidad de entrada para obtener una resoluci\u00f3n de menos de 70 nan\u00f3metros. Normalmente, con un microscopio confocal de barrido, obtendr\u00eda 300 nan\u00f3metros. Eso es un una mejora bastante buena, y la tomaremos, especialmente porque obtienes im\u00e1genes de s\u00faper resoluci\u00f3n esencialmente gratis\u00bb.<\/p>\n
Ahora que han reducido con \u00e9xito el l\u00edmite de difracci\u00f3n con sus nanopart\u00edculas de avalancha de fotones, los investigadores le gustar\u00eda experimentar con nuevas formulaciones del material para obtener im\u00e1genes de sistemas vivos o detectar cambios de temperatura en el org\u00e1nulo de una c\u00e9lula y el complejo proteico.<\/p>\n
\u00abObservar fen\u00f3menos tan altamente no lineales en nanopart\u00edculas es emocionante porque se cree que los procesos no lineales modelar estructuras como rayas en animales y producir un comportamiento peri\u00f3dico similar al de un reloj\u00bb, anot\u00f3 Chan. \u00abLos procesos no lineales a nanoescala podr\u00edan usarse para hacer peque\u00f1os convertidores de anal\u00f3gico a digital, que pueden ser \u00fatiles para chips de computadora basados en luz, o podr\u00edan usarse para concentrar luz tenue y uniforme en pulsos concentrados\u00bb.<\/p>\n
\u00abEstos son materiales tan inusuales y son completamente nuevos. Esperamos que la gente quiera probarlos con diferentes microscopios y diferentes muestras, porque lo bueno de los descubrimientos de la ciencia b\u00e1sica es que puedes tomar un resultado inesperado y ver tu colegas corren con \u00e9l en nuevas y emocionantes direcciones\u00bb, dijo Cohen. <\/p>\n
Explore m\u00e1s<\/p>\n
Ingenieros observan avalanchas en nanopart\u00edculas por primera vez M\u00e1s informaci\u00f3n:<\/strong> Respuestas \u00f3pticas no lineales gigantes de nanopart\u00edculas con avalancha de fotones, Nature (2021). DOI: 10.1038\/s41586-020-03092-9 , www.nature.com\/articles\/s41586-020-03092-9 Informaci\u00f3n de la revista:<\/strong> Nature <\/p>\n Proporcionada por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Cita<\/strong>: Shine on: Las nanopart\u00edculas en avalancha rompen las barreras para obtener im\u00e1genes de las c\u00e9lulas en tiempo real (13 de enero de 2021) consultado el 30 de agosto de 2022 en https:\/\/medicalxpress.com\/news\/2021-01-avalanching-nanoparticles-barriers -imaging-cells.html Este documento est\u00e1 sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigaci\u00f3n privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona \u00fanicamente con fines informativos.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" A la izquierda: Im\u00e1genes experimentales PASSI (im\u00e1genes de superresoluci\u00f3n de un solo haz de avalancha de fotones) de nanopart\u00edculas en avalancha dopadas con tulio separadas por 300 nan\u00f3metros. A la derecha: simulaciones PASSI del mismo material. Cr\u00e9dito: Laboratorio de Berkeley y Universidad de Columbia Desde los primeros microscopios, los cient\u00edficos han estado en la b\u00fasqueda … Continuar leyendo \u00abSigue brillando: las nanopart\u00edculas en avalancha rompen las barreras para obtener im\u00e1genes de las c\u00e9lulas en tiempo real\u00bb<\/span><\/a><\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"","ping_status":"","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[1],"tags":[],"class_list":["post-13636","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-general"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.biblia.work\/articulos-salud\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/13636","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.biblia.work\/articulos-salud\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.biblia.work\/articulos-salud\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.biblia.work\/articulos-salud\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.biblia.work\/articulos-salud\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=13636"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.biblia.work\/articulos-salud\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/13636\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.biblia.work\/articulos-salud\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=13636"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.biblia.work\/articulos-salud\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=13636"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.biblia.work\/articulos-salud\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=13636"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}