Depuis les premiers microscopes, les scientifiques ont cherché à construire des instruments avec une résolution de plus en plus fine pour imager les protéines d’une cellule – les minuscules machines qui font fonctionner les cellules et nous. Mais pour réussir, ils doivent dépasser la limite de diffraction, une propriété fondamentale de la lumière qui a longtemps empêché les microscopes optiques de mettre au point quelque chose de plus petit que la moitié de la longueur d’onde de la lumière visible (environ 200 nanomètres ou milliardièmes de mètre) – bien trop gros pour explorez de nombreux mécanismes internes d’une cellule.
Depuis plus d’un siècle, les scientifiques ont expérimenté différentes approches – des calculs intensifs aux lasers et microscopes spéciaux – pour résoudre les caractéristiques cellulaires à des échelles toujours plus petites. Et en 2014, les scientifiques ont reçu le prix Nobel de chimie pour leurs travaux en microscopie optique à super-résolution, une technique révolutionnaire qui contourne la limite de diffraction en exploitant des molécules fluorescentes spéciales, des faisceaux laser de forme inhabituelle ou des calculs sophistiqués pour visualiser des images à l’échelle nanométrique. .
Maintenant, comme indiqué dans un article de couverture dans le journal La nature, une équipe de chercheurs codirigée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l’énergie et la Fu Foundation School of Engineering and Applied Science (Columbia Engineering) de l’Université Columbia a développé une nouvelle classe de matériaux cristallins appelés nanoparticules d’avalanche (ANP ) qui, lorsqu’elle est utilisée comme sonde microscopique, dépasse la limite de diffraction sans calculs lourds ni microscope à super-résolution.
Les chercheurs affirment que les ANP feront progresser la bio-imagerie à haute résolution et en temps réel des organites et des protéines d’une cellule, ainsi que le développement de capteurs optiques ultrasensibles et de calcul neuromorphique qui imite la structure neurale du cerveau humain, entre autres applications .
« Ces nanoparticules transforment chaque microscope confocal à balayage simple en un microscope à super-résolution en temps réel, mais ce qu’elles font n’est pas exactement une super-résolution. En fait, elles rendent la limite de diffraction beaucoup plus basse, » mais sans le calcul lourd des techniques précédentes, a déclaré co -auteur Bruce Cohen, membre du personnel scientifique de la fonderie moléculaire et de la biophysique moléculaire et de la bioimagerie intégrée du laboratoire de Berkeley. La microscopie confocale à balayage est une technique qui produit une image agrandie d’un spécimen, pixel par pixel, en balayant un laser focalisé sur un échantillon.
Une découverte surprise
Les nanoparticules à avalanche de photons décrites dans la présente étude ont un diamètre d’environ 25 nanomètres. Le noyau contient un nanocristal dopé au thulium métallique de lanthanide, qui absorbe et émet de la lumière. Une coque isolante garantit que la partie de la nanoparticule qui absorbe et émet de la lumière est éloignée de la surface et ne perd pas son énergie dans son environnement, ce qui la rend plus efficace, a expliqué le co-auteur Emory Chan, un scientifique du Berkeley Lab’s Molecular. Fonderie.
Une caractéristique déterminante de l’avalanche de photons est son extrême non-linéarité. Cela signifie que chaque doublement de l’intensité du laser brillait pour exciter un matériau microscopique plus que doublait l’intensité de la lumière émise du matériau. Pour obtenir une avalancheuse de photons, chaque doublement de l’intensité du laser d’excitation augmente de 30 000 fois l’intensité de la lumière émise.
Mais à la grande joie des chercheurs, les ANP décrits dans la présente étude ont rencontré chaque doublement de l’intensité laser excitante avec une augmentation de la lumière émise de près de 80 millions de fois. Dans le monde de la microscopie optique, c’est un degré éblouissant d’émission non linéaire. Et depuis la publication de l’étude, « nous en avons actuellement de meilleurs », a ajouté Cohen.
Les chercheurs n’auraient peut-être pas considéré le potentiel du thulium pour l’avalanche de photons s’il n’y avait pas eu l’étude de Chan en 2016, qui calculait les propriétés d’émission de lumière de centaines de combinaisons de dopants au lanthanide lorsqu’ils étaient stimulés par une lumière proche infrarouge de 1064 nanomètres. « De manière surprenante, les nanoparticules dopées au thulium devraient émettre le plus de lumière, même si la sagesse conventionnelle disait qu’elles devraient être complètement sombres », a noté Chan.
Selon les modèles des chercheurs, le seul moyen par lequel le thulium pourrait émettre de la lumière est un processus appelé boucle d’énergie, qui est une réaction en chaîne dans laquelle un ion thulium qui a absorbé la lumière excite les ions thulium voisins dans un état qui leur permet de mieux absorber et émettre de la lumière.
Ces ions thulium excités, à leur tour, rendent les autres ions thulium voisins plus susceptibles d’absorber la lumière. Ce processus se répète dans une boucle de rétroaction positive jusqu’à ce qu’un grand nombre d’ions thulium absorbent et émettent de la lumière.
C’est comme placer un microphone près d’un haut-parleur – la rétroaction causée par le haut-parleur amplifiant son propre signal se transforme en un son odieusement fort. Dans notre cas, nous amplifions le nombre d’ions thulium qui peuvent émettre de la lumière de manière très non linéaire. «
Emory Chan, chercheur, fonderie moléculaire du laboratoire Berkeley
Lorsque la boucle d’énergie est extrêmement efficace, on parle d’avalanche de photons, car quelques photons absorbés peuvent tomber en cascade dans l’émission de nombreux photons, a-t-il ajouté.
Au moment de l’étude de 2016, Chan et ses collègues espéraient voir une avalanche de photons expérimentalement, mais les chercheurs n’étaient pas en mesure de produire des nanoparticules avec une non-linéarité suffisante pour répondre aux critères stricts d’avalanche de photons jusqu’à l’étude en cours.
Pour produire des nanoparticules d’avalanche, les chercheurs se sont appuyés sur le robot de fabrication de nanocristaux WANDA (Workstation for Automated Nanomaterial Discovery and Analysis) de Molecular Foundry pour fabriquer de nombreux lots différents de nanocristaux dopés avec différentes quantités de thulium et recouverts de coquilles isolantes. «L’un des moyens par lesquels nous avons pu obtenir de si bonnes performances d’avalanche de photons avec nos nanoparticules de thulium a été de les enduire de coquilles très épaisses à l’échelle nanométrique», a déclaré Chan, qui a co-développé WANDA en 2010.
La culture des coquilles est un processus exigeant qui peut prendre jusqu’à 12 heures, a-t-il expliqué. L’automatisation du processus avec WANDA a permis aux chercheurs d’exécuter d’autres tâches tout en assurant une uniformité d’épaisseur et de composition parmi les coques, et d’affiner la réponse du matériau à la lumière et à la puissance de résolution.
Exploiter une avalanche à l’échelle nanométrique
Des expériences de microscopie confocale à balayage menées par le co-auteur P. James Schuck, professeur agrégé de génie mécanique à Columbia Engineering qui était chercheur principal à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, ont montré que les nanoparticules dopées avec des concentrations modérément élevées de thulium présentaient des réponses non linéaires supérieures aux attentes. pour l’avalanche de photons, faisant de ces nanoparticules l’un des nanomatériaux les plus non linéaires connus.
Changhwan Lee, un étudiant diplômé du laboratoire de Schuck, a effectué une batterie de mesures et de calculs optiques pour confirmer que les nanoparticules répondaient aux critères stricts de l’avalanche de photons. Ce travail est la première fois que tous les critères de l’avalanche de photons sont remplis dans une seule particule de taille nanométrique.
L’extrême non-linéarité des nanoparticules en avalanche a permis à Schuck et Lee d’exciter et d’imaginer des nanoparticules uniques espacées de plus de 70 nanomètres. Dans la microscopie optique «linéaire» conventionnelle, de nombreuses nanoparticules sont excitées par le faisceau laser, qui a un diamètre supérieur à 500 nanomètres, faisant apparaître les nanoparticules comme une seule grande tache de lumière.
La technique des auteurs – appelée imagerie à super-résolution à faisceau unique à avalanche de photons (PASSI) – tire parti du fait qu’un point de faisceau laser focalisé est plus intense en son centre que sur ses bords, a déclaré Chan. Puisque l’émission des ANP augmente fortement avec l’intensité du laser, seules les particules situées au centre de 70 nanomètres du faisceau laser émettent des quantités appréciables de lumière, conduisant à la résolution exquise du PASSI.
L’étude actuelle, disent les chercheurs, ouvre immédiatement de nouvelles applications dans la détection de photons infrarouges ultrasensibles et la conversion de la lumière proche infrarouge en énergies plus élevées pour l’imagerie à super-résolution avec des microscopes optiques confocaux à balayage disponibles dans le commerce, et une résolution améliorée dans l’état du art microscopes optiques à super-résolution.
« C’est incroyable. Habituellement, en science optique, vous devez utiliser une lumière très intense pour obtenir un effet non linéaire important – et ce n’est pas bon pour la bio-imagerie parce que vous faites cuire vos cellules avec ce pouvoir de lumière », a déclaré Schuck, qui a poursuivi recherche collaborative à la fonderie moléculaire en tant qu’utilisateur. « Mais avec ces nanoparticules dopées au thulium, nous avons montré qu’elles ne nécessitent pas autant d’intensité d’entrée pour obtenir une résolution inférieure à 70 nanomètres. Normalement, avec un microscope confocal à balayage, vous obtenez 300 nanomètres. une très bonne amélioration, et nous la prendrons, d’autant plus que vous obtenez des images en super-résolution essentiellement gratuitement. «
Maintenant qu’ils ont réussi à abaisser la limite de diffraction avec leurs nanoparticules à avalanch de photons, les chercheurs aimeraient expérimenter de nouvelles formulations du matériau pour imager les systèmes vivants ou détecter les changements de température à travers l’organite et le complexe protéique d’une cellule.
« L’observation de ces phénomènes hautement non linéaires dans les nanoparticules est passionnante car on pense que les processus non linéaires modèlent des structures comme les rayures chez les animaux et produisent un comportement périodique, semblable à une horloge », a noté Chan. «Des processus non linéaires à l’échelle nanométrique pourraient être utilisés pour fabriquer de minuscules convertisseurs analogique-numérique, qui pourraient être utiles pour les puces informatiques à base de lumière, ou ils pourraient être utilisés pour concentrer une lumière tamisée et uniforme en impulsions concentrées.
« Ce sont des matériaux tellement inhabituels, et ils sont neufs. Nous espérons que les gens voudront les essayer avec différents microscopes et différents échantillons, car ce qui est génial avec les découvertes scientifiques fondamentales, c’est que vous pouvez prendre un résultat inattendu et voir vos collègues. courez avec lui dans de nouvelles directions passionnantes », a déclaré Cohen.
La source:
DOE / Laboratoire national Lawrence Berkeley
Référence du journal:
Lee, C., et coll. (2021) Réponses optiques non linéaires géantes à partir de nanoparticules à avalanche de photons. La nature. doi.org/10.1038/s41586-020-03092-9.