雪崩纳米粒子实时地破坏成像细胞的屏障

将光子雪崩机制哥伦比亚工程研究人员在其纳米颗粒中实现的链条反应过程的说明。在该过程中，单个低能量光子的吸收从能量转移和进一步吸收事件的链反应中脱落，从而导致纳米颗粒内的许多高度激发离子的进一步吸收事件，然后将它们的能量释放出许多更高能量的强度光子。

学习由伯克利实验室和哥伦比亚工程的联合主导，通过克服光线的基本属性，实时可以实现简单，高分辨率的生物成像。

自从最早的显微镜以来，科学家们一直在寻求构建具有更精细和更精细的分辨率的仪器，以将细胞的蛋白质 - 保持细胞和我们跑步的小型机器。但要成功，他们需要克服衍射极限，很长的光学显微镜引起光学显微镜的光学性质，从而缩小到可见光波长的一半（约200纳米或米的十亿分钟） - 太大探索牢房的许多内部工作。

超过一个世纪，科学家们已经尝试了不同的方法 - 从密集的计算到特殊激光和显微镜 - 以在更小的尺寸下解决蜂窝特征。在2014年，科学家们被授予诺贝尔化学奖化学奖化学措辞，通过利用特殊的荧光分子，异常形状的激光束或复杂的计算来绕过衍射限制以在纳米级上可视化图像来绕过衍射极限。

在左边：实验PISSI（光子雪崩单束超分辨率成像）分散300纳米分离的分子掺杂雪崩纳米粒子的图像。在右边：相同材料的Passi模拟。

现在，正如在“自然”期刊上的封面文章中所报告的，由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）和哥伦比亚大学的工程和应用科学学院（哥伦比亚工程）联合主导的研究人员团队开发了一种称为雪崩纳米颗粒（ANP）的新类晶体材料，当用作微观探针时，克服了没有重型计算的衍射限制或超分辨率显微镜。

研究人员称，ANP将推进细胞的细胞器和蛋白质的高分辨率，实时生物成像，以及超细光学传感器的发展和神经形态计算，以模仿人类脑的神经结构，以及其他应用。

“这些纳米颗粒使每个简单的扫描共聚焦显微镜成为实时超分辨率显微镜，但它们所做的并不完全是超级分辨率。他们实际上使衍射限制远低得多，但没有先前技术的过程重，伯克利实验室的分子铸造和分子生物物理学和综合生物成像部的员工科学家联合作者布鲁斯科恩。扫描共聚焦显微镜是一种通过扫描在样本上的聚焦激光器来产生样品，像素的像素的放大图像的技术。

一个惊喜的发现

目前研究中描述的光子雪崩纳米颗粒的直径约为25纳米。核心含有掺杂镧系元素的纳米晶体，其吸收并发光。绝缘壳可确保吸收和发光的纳米颗粒的一部分远离表面，不会对其周边环境失去其能量，使其在伯克利实验室的员工科学家共同作者的emory Chan提供了更有效的铸造。

Photon Avalanching Isitsextreme非线性定义特征。这意味着激光强度的每加倍闪耀着微观材料，比将材料的发射光的强度翻倍。对于ACHieveFephoton雪崩，激发激光强度的每倍增加了30,000倍的发射光的强度。

但对于研究人员的喜悦，目前研究中描述的ANPS在令人兴奋的激光强度达到每倍升起，随着发射的光线增加近80亿倍。在光学显微镜的世界中，这是一种令人眼花缭乱的非线性排放程度。自上学的出版以来，“我们现在实际上有一些更好的人，”科恩补充道。

如果在2016年的陈国的研究不是陈的研究，研究人员可能没有考虑Photon雪崩的潜力，这在刺激1,064纳米近红外光时计算了数百种镧系元素组合的发光性质。“令人惊讶的是，即使传统的智慧说，令人惊讶的是，掺杂硫化物纳米颗粒才能发出最大的光线，即他们应该是完全黑暗的，”陈说。

根据研究人员的模型，唯一的方法是通过称为能量循环的过程，这是一种作为能量循环的过程，这是一种链反应，其中吸收光的分子离子邻近距离离子的状态达到允许它们更好的状态吸收和发光。

那些兴奋的慢脊离子，反过来，使其他邻近的分子离子更容易吸收光线。该过程在正反馈回路中重复，直到大量的离子离子吸收和发光。

“这就像将麦克风靠近扬声器 - 由扬声器放大其自己的信号引起的反馈融入了令人讨厌的响亮声音。在我们的情况下，我们正在扩大可以以高度非线性方式发光的分子离子的数量，“Chan解释说。当能量循环非常有效时，他加入了少量吸收的光子，因为少量吸收的光子可以级联。他加入了许多光子的发射。

在2016年学习的时候，陈和同事希望他们可能会在实验上看到Photon Avalancing，但研究人员无法生产具有足够非线性的纳米粒子，以满足Photon雪崩的严格标准，直至目前的研究。

为了生产雪崩纳米粒子，研究人员依赖于分子铸造的纳米晶制剂机器人万达（用于自动纳米材料发现和分析的工作站），以制造许多不同批次掺杂有不同量的菌率并涂有绝缘壳的批量批次。“我们能够通过纳米颗粒实现如此巨大的光子刺激性性能的方式之一是用非常厚的纳米级贝壳涂覆它们，”2010年共同开发的万达陈说。

他解释说，生长炮弹是一个可能需要12个小时的严格过程。通过万达自动化过程允许研究人员执行其他任务，同时确保壳体中的厚度和组成的均匀性，并进行微调对光和分辨率的响应。

在纳米尺度下利用雪崩

扫描由Co-Author P. James Schuck领导的Coy Author P. James Schuck校长哥伦比亚工程师副教授的实验表明，伯克利实验室的分子铸造师的高级科学家，表明纳米颗粒掺杂具有中等高浓度的小分子，表现出大于预期的非线性响应对于光子刺激，使这些纳米颗粒成为已知的最多非线性纳米材料之一。

Schuck的实验室的研究生常盛李执行了光学测量和计算的电池，以确认纳米粒子符合光子雪崩的严格标准。这项工作是第一次在单个纳米大小的颗粒中满足了光子雪崩的所有标准。

雪崩纳米颗粒的极端非线性使肖克和李激会来，单位纳米颗粒间隔开以上比70纳米相距。在常规的“线性”光学显微镜中，许多纳米颗粒被激光束激发，其直径大于500纳米，使纳米颗粒出现为一个大的光点。

Chan表示，作者的技术称为Photon Avalanche单梁超分辨率成像（Passi） - 利用了聚焦激光束斑比其中心更强烈的事实。由于ANP的发射急剧增加激光强度，因此激光束的70纳米中心中的颗粒发出了明显的光线，导致Passi的精致分辨率。

研究人员所说的目前的研究，立即在超敏感的红外光子检测和近红外光转化为具有市售扫描共聚焦光学显微镜的超分辨率成像的更高能量的新应用，以及状态的改进的分辨率 - 艺术超分辨率光学显微镜。

“太棒了。通常在光学科学中，你必须使用真正强烈的光线来获得大量的非线性效果 - 这对生物分析并不好，因为你正在用这种力量烹饪你的细胞，“Schuck说，他在继续他的合作研究作为用户的分子铸造。“但是通过这些掺杂的纳米颗粒，我们已经表明，它们不要求这一强度达到小于70纳米的分辨率。通常，通过扫描共聚焦显微镜，您可以获得300纳米。这是一个非常好的改进，我们会接受它，特别是因为您基本上免费获得超级分辨率的图像。“

现在他们已经成功降低了与光子雪崩纳米粒子的衍射极限，研究人员想试验到图像生物系统的新配方，或者检测细胞器细胞器和蛋白质复合物的温度变化。

“观察纳米粒子中的这种高度非线性现象是令人兴奋的，因为非线性过程被认为是像动物条纹的图案结构，并产生周期性的时钟状行为”。“纳米级非线性工艺可用于制造微小的模数转换器，这对于基于轻基的计算机芯片可能是有用的，或者它们可以用于将暗淡，均匀的光浓缩成浓缩脉冲。”

“这些是如此异常的材料，它们是全新的。我们希望人们希望用不同的显微镜和不同的样品来试用它们，因为基础科学发现的伟大事物是你可以采取意想不到的结果，并在令人兴奋的新方向上看到你的同事们在令人兴奋的新方向上运行。“

读取第一个纳米材料开发，展示了“Photon Avalancanching”，了解这项研究。

参考：“巨型非线性光学响应来自光子雪崩纳米粒子”常盛李，艾玛徐，亚湾刘，艾美岛刘，猕猴桃，天使费尔南德斯 - Bravo，Agata Kotulska，唱Kotulska，Sang Hwan Nam，yung Doug Suh，Artur Bednarkiewicz，Bruce E. Cohen，Bruce E. Cohen，Bruce E. Cohen，Bruce E. Cohen M. Chan和P. James Schuck，1月2021年1月13日，Nature.Doi：
10.1038 / s41586-020-03092-9

Chan，Cohen和Schuck Co-Led与The Artur Bednarkiewicz的Polish科学院和韩国化学科学研究所（克里克省）和Sygkyunkwan大学（Skku），韩国王豆腐Suh的研究以及韩国苏格·苏格苏。他们的共同作者包括长华李（领导作者），艾玛徐和哥伦比亚工程的开元瑶;叶威刘（中国科学院），Ayelet Teitelboim和伯克利实验室的天使费尔南德 - 布拉沃的分子铸造;波兰科兰科院Agata Kotulska;韩国化学技术研究院桑旺南。

分子铸造厂是伯克利实验室的DOE科学用户设施办事处。

该研究部分得到了DOE科学办公室的支持，包括由美国能源部资助的能源前沿研究中心提供的可编程量子材料的资金。