Микроскопия интерферометрического рассеяния

Интерферометрическая рассеивающая микроскопия ( iSCAT ) относится к классу методов, которые обнаруживают и отображают субволновой объект путем интерференции света, рассеянного им, с опорным световым полем. Основная физика является общей для других традиционных интерферометрических методов, таких как фазовый контраст или дифференциальный интерференционный контраст или отражательная интерференционная микроскопия. Ключевой особенностью iSCAT является обнаружение упругого рассеяния от субволновых частиц, также известного как рэлеевское рассеяние , в дополнение к отраженным или проходящим сигналам от сверхволновых объектов. Обычно проблема заключается в обнаружении крошечных сигналов поверх больших и сложных, похожих на спеклы фонов. 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.

Историческая справка

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, которое взаимодействовало с объектом, т. е. через затухание. Фактически, даже микроскопия, основанная на интерференции с внешним световым полем, существует уже более 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 общее усилие по исследованию вариантов без флуоресценции для изучения отдельных молекул и нанообъектов. ^[2] В частности, золотые наночастицы размером до 5 нм были визуализированы посредством интерференции их рассеянного света с отраженным лучом от покровного стекла, на котором они находились. Использование суперконтинуального лазера дополнительно позволило регистрировать плазмонные спектры частиц. ^[2] Ранние измерения были ограничены остаточным спекл-подобным фоном. Новый подход к вычитанию фона и аббревиатура iSCAT были введены в 2009 году. ^[3] С тех пор различными группами был опубликован ряд 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 преобразуется в количественный метод измерения молекулярной массы отдельных биомолекул. ^[8]

Теоретическая основа

Когда опорный свет накладывается на рассеянный свет объекта, интенсивность на детекторе можно описать следующим образом: ^[2]^[7]

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

где и — комплексные электрические поля опорного и рассеянного света. Результирующие члены — интенсивность опорного луча , чистый рассеянный свет от объекта и перекрестный член, содержащий фазу . Эта фаза включает в себя компонент фазы Гуи из вариаций волновых векторов, компонент фазы рассеяния из материальных свойств объекта и синусоидально модулирующий компонент фазы, который зависит от положения частицы. ${\textstyle {\overline {E_{r}}}=E_{r}e^{i\phi _{r}}}$ ${\overline {E_{s}}}=E_{s}e^{i\phi _{s}}$ $(I_{r}=|{\overline {E_{r}}}|^{2})$ $(I_{s}=|{\overline {E_{s}}}|^{2})$ $(2E_{r}E_{s}\cos \phi )$ $\phi =\phi _{r}-\phi _{s}$

В общем случае опорный луч может проходить по другому пути, чем рассеянный свет в оптической установке, если они когерентны и интерферируют на детекторе. Однако метод становится проще и стабильнее, если оба луча разделяют один и тот же оптический путь. Поэтому в качестве опорного обычно используется отраженный свет от покровного стекла 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 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 опорного, а рассеивающая частица находится не более чем в нескольких сотнях нанометров над стеклом, можно использовать даже «некогерентный» свет, например, от светодиодов. ^[9]

Приложения

iSCAT использовался во многих приложениях. Их можно сгруппировать примерно так:

Визуализация без этикеток

Микротрубочки ^[1]^[10]
Внутриклеточные органеллы живых клеток ^[11]
Липидные нано/микродомены ^[12]
Сборка одного вируса ^[13]
Зависящий от времени iSCAT (StroboSCAT) ^[14]

Отслеживание отдельных частиц

Отслеживание отдельного вируса in vitro ^[3]
Отслеживание единичного вируса на ранней стадии инфекции в клетках ^[15]
Микросекундное отслеживание одиночной частицы на мембране живой клетки ^[16]
Отслеживание двигательного белка ^[17]^[18]

Обнаружение, визуализация, отслеживание и количественная оценка отдельных молекул без использования меток

Обнаружение отдельных молекул методом абсорбции ^[19]
Определение одного белка ^[20]^[21]
Отслеживание отдельного белка ^[22]
Массовая фотометрия ^[8]

Отслеживание ионов

Одиночные ионы, входящие/выходящие из катода батареи ^[23]

Ссылки

^ ab AMOS, LA; AMOS, WB (1991-01-01). «Изгиб скользящих микротрубочек, визуализированный с помощью конфокальной световой микроскопии и электронной микроскопии с негативным окрашиванием». Journal of Cell Science . 1991 (Приложение 14): 95–101. doi : 10.1242/jcs.1991.supplement_14.20 . ISSN 0021-9533. PMC 2561856. PMID 1715872 .
^ abc Lindfors, K.; Kalkbrenner, T.; Stoller, P.; Sandoghdar, V. (июль 2004 г.). «Обнаружение и спектроскопия золотых наночастиц с использованием конфокальной микроскопии в белом свете суперконтинуума». Physical Review Letters . 93 (3): 037401. Bibcode :2004PhRvL..93c7401L. doi :10.1103/physrevlett.93.037401. ISSN 0031-9007. PMID 15323866.
^ ab Кукура, Филипп; Эверс, Хельге; Мюллер, Кристиан; Ренн, Алоис; Хелениус, Ари; Сандогдар, Вахид (2009-11-01). «Высокоскоростное наноскопическое отслеживание положения и ориентации одного вируса». Nature Methods . 6 (12): 923–927. doi :10.1038/nmeth.1395. ISSN 1548-7091. PMID 19881510. S2CID 10615639.
^ Hsieh, Chia-Lung (сентябрь 2018 г.). «Интерферометрическая визуализация на основе сверхвысокоскоростного рассеяния без использования меток». Optics Communications . 422 : 69–74. Bibcode : 2018OptCo.422...69H. doi : 10.1016/j.optcom.2018.02.058. ISSN 0030-4018. S2CID 125505926.
^ Безметковая микроскопия сверхвысокого разрешения . Астратов, Василий. Cham. 31 августа 2019. ISBN 978-3-030-21722-8. OCLC 1119720519.{{cite book}}: CS1 maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка ) CS1 maint: другие ( ссылка )
^ Янг, Гэвин; Кукура, Филипп (14.06.2019). «Микроскопия интерферометрического рассеяния». Annual Review of Physical Chemistry . 70 (1): 301–322. Bibcode : 2019ARPC...70..301Y. doi : 10.1146/annurev-physchem-050317-021247. ISSN 0066-426X. PMID 30978297. S2CID 195661687.
^ ab Taylor, Richard W.; Sandoghdar, Vahid (2019-07-17). «Микроскопия интерферометрического рассеяния: наблюдение отдельных наночастиц и молекул с помощью рэлеевского рассеяния». Nano Letters . 19 (8): 4827–4835. Bibcode : 2019NanoL..19.4827T. doi : 10.1021/acs.nanolett.9b01822 . ISSN 1530-6984. PMC 6750867. PMID 31314539 .
^ ab Young, Gavin; Hundt, Nikolas; Cole, Daniel; Fineberg, Adam; Andrecka, Joanna; Tyler, Andrew; Olerinyova, Anna; Ansari, Ayla; Marklund, Erik G.; Collier, Miranda P.; Chandler, Shane A. (2018-04-27). "Количественная массовая визуализация отдельных биологических макромолекул". Science . 360 (6387): 423–427. Bibcode :2018Sci...360..423Y. doi :10.1126/science.aar5839. ISSN 0036-8075. PMC 6103225 . PMID 29700264.
^ Daaboul, GG; Vedula, RS; Ahn, S.; Lopez, CA; Reddington, A.; Ozkumur, E.; Ünlü, MS (январь 2011 г.). «Интерферометрический датчик отражательной визуализации на основе светодиодов для количественного динамического мониторинга биомолекулярных взаимодействий». Биосенсоры и биоэлектроника . 26 (5): 2221–2227. doi :10.1016/j.bios.2010.09.038. ISSN 0956-5663. PMID 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. PMID 34927839. S2CID 234070923.
^ Кюпперс, Мишель; Альбрехт, Дэвид; Кашканова, Анна Д.; Люр, Дженнифер; Сандогдар, Вахид (7 апреля 2023 г.). «Конфокальная интерферометрическая рассеивающая микроскопия выявляет трехмерную наноскопическую структуру и динамику в живых клетках». Nature Communications . 14 (1): 1962. Bibcode :2023NatCo..14.1962K. doi :10.1038/s41467-023-37497-7. ISSN 2041-1723. PMC 10081331 . PMID 37029107.
^ de Wit, Gabrielle; Danial, John SH; Kukura, Philipp; Wallace, Mark I. (2015-09-23). "Динамическая визуализация липидных нанодоменов без меток". Труды Национальной академии наук . 112 (40): 12299–12303. Bibcode : 2015PNAS..11212299D. doi : 10.1073/pnas.1508483112 . ISSN 0027-8424. PMC 4603517. PMID 26401022 .
^ Гарманн, Риз Ф.; Голдфайн, 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 . doi : 10.1073/pnas.1909223116 . PMC 6842639. PMID 31570619 .
^ Пенвелл, Сэмюэл Б.; Гинсберг, Лукас Д.С.; Норьега, Родриго; Гинсберг, Наоми С. (2017-09-18). «Разрешение сверхбыстрой миграции экситонов в органических твердых телах в наномасштабе». Nature Materials . 16 (11): 1136–1141. arXiv : 1706.08460 . Bibcode :2017NatMa..16.1136P. doi :10.1038/nmat4975. ISSN 1476-1122. PMID 28920937. S2CID 205416059.
^ Хуан, И-Фань; Чжо, Гуань-Ю; Чоу, Чунь-Ю; Линь, Чэн-Хао; Чан, Вэнь; Хси, Чиа-Лунг (13.01.2017). «Когерентная светлопольная микроскопия обеспечивает пространственно-временное разрешение для изучения ранней стадии вирусной инфекции в живых клетках». ACS Nano . 11 (3): 2575–2585. doi :10.1021/acsnano.6b05601. ISSN 1936-0851. PMID 28067508.
^ 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». Nature Photonics . 13 (7): 480–487. Bibcode :2019NaPho..13..480T. doi :10.1038/s41566-019-0414-6. ISSN 1749-4893. S2CID 195094855.
^ Андрецка, Дж.; Такаги, Ю.; Миколайчик, К.Дж.; Липперт, LG; Селлерс, Дж.Р.; Хэнкок, У.О.; Голдман, Й.Э.; Кукура, П. (2016), «Микроскопия интерферометрического рассеяния для изучения молекулярных моторов», Энзимология одиночных молекул: методы на основе флуоресценции и высокой пропускной способности , т. 581, Elsevier, стр. 517–539, doi :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. PMID 34927934. S2CID 238695264.
^ Кукура, Филипп; Челебрано, Мишель; Ренн, Алоис; Сандогдар, Вахид (11.11.2010). «Чувствительность одиночной молекулы к оптическому поглощению при комнатной температуре». The Journal of Physical Chemistry Letters . 1 (23): 3323–3327. doi :10.1021/jz101426x. ISSN 1948-7185.
^ Пилярик, Марек; Сандогдар, Вахид (29 июля 2014 г.). «Прямое оптическое зондирование отдельных немеченых белков и сверхвысокое разрешение изображений их сайтов связывания». Nature Communications . 5 (1): 4495. arXiv : 1310.7460 . Bibcode :2014NatCo...5.4495P. doi : 10.1038/ncomms5495 . ISSN 2041-1723. PMID 25072241.
^ Дахмардех, Махьяр; Мирзаалиан Дастджерди, Хоуман; Мазал, Хишам; Кёстлер, Харальд; Сандогдар, Вахид (27.02.2023). «Самостоятельное машинное обучение расширяет пределы чувствительности при безметковом обнаружении отдельных белков ниже 10 кДа». Nature Methods . 20 (3): 442–447. doi : 10.1038/s41592-023-01778-2 . ISSN 1548-7105. PMC 9998267. PMID 36849549 .
^ Spillane, Katelyn M.; Ortega-Arroyo, Jaime; de Wit, Gabrielle; Eggeling, Christian; Ewers, Helge; Wallace, Mark I.; Kukura, Philipp (2014-08-27). "Высокоскоростное одночастичное отслеживание GM1 в модельных мембранах выявляет аномальную диффузию из-за межслоевого сцепления и молекулярного закрепления". Nano Letters . 14 (9): 5390–5397. Bibcode :2014NanoL..14.5390S. doi : 10.1021/nl502536u . ISSN 1530-6984. PMC 4160260 . PMID 25133992.
^ Лаварс, Ник (24 июня 2021 г.). «Вид в реальном времени движущихся ионов лития открывает двери к батареям следующего поколения». Новый Атлас . Получено 24.06.2021 .