Одной из основных характеристик любого микроскопа является его разрешающая способность. Характерной чертой флуоресцентной микроскопии с многофотонным возбуждением является зависимость разрешения микроскопа не только от его конструкции, но также и от фотофизических свойств фотолюминесцентных материалов, используемых в эксперименте.

Достаточно хорошо известны четыре основных элементарных процесса, возникающие при взаимодействии света с атомом: это фотоионизация и фотовозбуждение атома, рэлеевское и рамановское (комбинационное) рассеяние света атомом. При небольшой интенсивности света все эти процессы носят однофотонный характер, они происходят в результате поглощения в элементарном акте одного фотона. Именно эти элементарные микроскопические процессы лежат в основе тех макроскопических закономерностей, которые определяют взаимодействие света небольшой интенсивности с веществом. В качестве примеров можно указать на "красную границу" при фотоионизации, на линейчатые спектры поглощения, на закон Бера, определяющий линейное поглощение света веществом, и т.д.

В том случае, когда интенсивность света велика, помимо указанных выше однофотонных процессов, существенную роль начинают играть и многофотонные процессы. Многофотонными аналогами основных однофотонных процессов являются многофотонная ионизация и многофотонное возбуждение атома, многофотонное рэлеевское рассеяние света (возбуждение высших оптических гармоник падающего излучения) и многофотонное рамановское рассеяние света (гиперрамановское рассеяние).

Схема фотопроцессов в молекуле красителя при наносекундом двухфотонном возбуждении

Все эти процессы происходят в результате поглощения в элементарном акте нескольких фотонов. В каждом конкретном случае число поглощаемых фотонов определяется исходя из закона сохранения энергии при переходе между начальным и конечным состояниями и энергии фотона (частоты излучения). Так как в каждом элементарном акте поглощается несколько фотонов, то могут происходить и более сложные многофотонные процессы, в которых закон сохранения энергии выполняется в результате ряда последовательных процессов поглощения и испускания фотонов, в том числе и фотонов различной энергии.

Исследователи Корнельского университета в журнале Science от 30 мая, 2003 г. опубликовали статью о применении квантовых точек для 3D визуализации биологических структур с помощью многофотонной флуоресцентной микроскопии.

Многофотонная флуоресцентная микроскопия используется при диагностики объемных микроструктур с субмикронным пространственным разрешением на основе многофотонной флуоресценции. Основные области применения: считывание информации с трехмерного носителя, мониторинг объемной лазерной модификации материалов и диагностика биотканей с субклеточным разрешением.

Упрощенно квантовые точки можно представить как маленькие, нанометрового размера, "ящики", в которых локализованы электроны; энергетический спектр таких объектов определяется используемыми для их изготовления материалами и их размерами (подробнее смотри про квантовые точки в нашей новости ). Используемые учеными Корнельского университета квантовые точки представляют собой металлические комплексы селенида кадмия и сульфида цинка. Введенные в организм, например, мыши, через хвостовую вену, и попадая в кровоток они позволяют рассматривать капилляры с очень высоким разрешением, а также получать трехмерные изображения клеток таких как, например, раковых и мозга.

Применение квантовых точек в флуоресцентной интроскопии организма имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами,

Микрофотография однофотонной флуоресценции клеток карциномы. В качестве красителя использовался фталоцианин. Фотография получена с помощью CCD камеры (Astromed, Cambridge, UK).

во - первых, они в отличие от традиционных химических красителей не подвержены фотобличингу. (Фотобличинг – уменьшение интенсивности флуоресцентной эмиссии при облучении молекулы красителя источником света, в данном случае источником когерентного излучения - лазером) Во - вторых, интенсивность свечения квантовых точек примерно в 3000 раз сильнее, чем у обычных красителей. И, наверно, самое привлекательное качество точек, это то, что цвет флуоресценции зависит от их размера, т.е. у ученых есть возможность получать цветные изображения.

Несомненно, использование квантовых точек при интроскопии биологических структур и организмов очень перспективно, но, справедливости ради нужно заметить, что ученые пока не готовы к их применению в медицине, так как есть проблема токсичности этих образований. Напомним, что в состав квантовых точек входит ядовитый для человеческого организма – кадмий. Правда, по заявлению одного из ученых, мыши, используемые в экспериментах, остались живыми и выглядели вполне здоровыми спустя месяц, после инъекции в их организм квантовых точек.

Источник новости: NewScientist.com и Bio.com

Пересказал В. Цыганков