TU/e、光学顕微鏡でナノ粒子の詳細な探求が可能

July, 18, 2023, Eindhoven--光は実際、ナノメートルスケールの小さな粒子をイメージングするには「粗すぎる」。ハンマーでレコートをスキャンしようとしているように聞こえる。
とは言え、EU助成”SuperCol”-プロジェクトで研究者は、正にそれを達成することを考えている、つまり光でナノ粒子を探求することだ。超解像度顕微鏡と電子顕微鏡の組合せを使い、:研究者はナノ粒子表面の分子の位置を非常に正確に確定できる。将来、これは新しいバイオメディカルアプリケーション、バイオセンシングなどを可能にできる。SuperCol”-プロジェクトの最初の成果は、European Materials Research Society で紹介された。

理想的には、これらナノ粒子の表面には分子パズル・ピースがあり、それによって体内の標的生体分子、細胞にだけドッキングさせられる。これらパズル・ピースは、機能サイトと言われている。

ナノ粒子は、幅広い範囲の研究領域を形成する。アプリケーションの一つはバイオセンシング、パンデミックで過去数年に非常に重要になった技術。SuperColコンソーシアムのコーディネータ、Peter Zijlstraによると、「COVID迅速テストで利用したバイオセンサは、微小なナノ粒子を使い、テストが陽性であることを示すためにセンサ面のピンクのストライプを生成する」。同氏は、TU/eのMolecular Plasmonics 研究グループリーダー。

Zijlstraは､COVID迅速テストなどで利用されるバイオセンサで用いられる粒子の理解向上のために超分解能顕微鏡を適用している。新しいバイオセンサは、使いやすく、広範な病気のために緊急に必要とされている。

分解能向上
しかし、そのような粒子、その表面小の分子を調べることは難しい。通常の光学顕微鏡でそのような粒子をイメージングするには光は、根本的に“粗”過ぎる。「音楽を再生するためにレコード上で針を動かす代わりに、ハンマーを使うことを考えて、音が出ない理由を不思議がっているようなものだ」(Zijlstra)。

UVから赤外までの可視光は、せいぜい200nmサイズの粒子を分解できるだけである。たとえば、表面に存在する分子パズル・ピースが大きすぎてどこにあるかを確定できない、ましてやその数を判断することはできない。

したがって研究チームは、2014年ノーベル化学賞を受賞した方法を使った。”超分解能顕微鏡”では、フルオロフォアという小さな蛍光粒子が使われ、ナノ粒子の場合、その表面の分子に付着している。

これらフルオロフォアは、顕微鏡の中で統計的に点滅するという特徴がある。この点滅信号の位置は、従来の光学顕微鏡で検出するよりも遙かに正確に検出できる。

コンピュータパワーを使って真実にたどり着く
とは言え、この方法で得たナノ粒子の画像は、半ば真実であるに過ぎない。ナノ粒子は、この画像を歪めるという特徴を持つ。これは共鳴という現象。ナノ粒子の一部も発光する、フルオロフォアだけではない。

この歪を理解するために研究者は、従来の光を使う光学顕微鏡に近接させた電子顕微鏡を使ってナノ粒子をイメージングした。電子顕微鏡は、ドッキングした分子の「真の」位置を示す一方、光学顕微鏡における物理的効果が変化につながる。電子顕微鏡と光学顕微鏡の画像を関連付けた後、研究者はこれらの変化(シフト)を詳細に理解した。

この理解により、これらの変化を補正して、電子顕微鏡を完全にバイパスできる。Zijlstraは、「SuperColは、光だけで機能する超分解能顕微鏡法を開発した。とは言え、分解能は、電子顕微鏡に近い。これによりナノ粒子は、将来的には、より正確に包括的に理解できるようになり、新しいバイオメディカルアプリケーション、改善されたバイオセンサにつながる」と結論づけている。