Cómo las nanopartículas de grafeno mejoran la resolución de los microscopios

Pequeñas partículas, grandes efectos

22.11.2019 - Alemania

Los microscopios de luz convencionales no pueden distinguir estructuras cuando están separadas por una distancia menor que, aproximadamente, la longitud de onda de la luz. La microscopía de superresolución, desarrollada desde la década de los ochenta, elimina esta limitación, utilizando variedades fluorescentes. Científicos del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros han descubierto que las nanomoléculas de grafeno pueden ser utilizadas para mejorar esta técnica de microscopía. Estas nanomoléculas de grafeno ofrecen una serie de ventajas sustanciales sobre los materiales utilizados anteriormente, lo que hace que la microscopía de superresolución sea aún más versátil.

La microscopía es un método de investigación importante en física, biología, medicina y muchas otras ciencias. Sin embargo, tiene una desventaja: su resolución está limitada por principios físicos. Las estructuras sólo se pueden visualizar si están separadas por una distancia superior a la mitad de la longitud de onda de la luz. Con luz azul, esto corresponde a una distancia de aproximadamente 200 nanómetros, es decir, 200 millonésimas de milímetro.

Este límite se puede eludir utilizando microscopía de superresolución. Hoy en día hay una serie de enfoques diferentes. En el tipo de microscopía de superresolución que se aplica aquí, las partículas fluorescentes son excitadas por la luz y vuelven a emitir luz a una longitud de onda ligeramente diferente, es decir, a un color ligeramente diferente. La posición de estas partículas fluorescentes puede determinarse con mayor precisión que la dada por la longitud de onda de la luz: Si parpadean al azar, dos partículas vecinas normalmente no se iluminan simultáneamente, lo que significa que sus señales no se superponen y, por lo tanto, las posiciones de cada una de las partículas pueden determinarse independientemente unas de otras, de modo que incluso a distancias muy pequeñas, las partículas pueden ser visualizadas por separado, es decir, "resueltas". Los investigadores del MPI-P han demostrado que las nanopartículas del grafeno, los llamados nanografenos, que consisten en una capa de carbono de un solo átomo de espesor, tienen propiedades ideales para esta técnica especial de microscopía.

En el pasado, se han utilizado varios materiales fluorescentes para este tipo de microscopía, incluyendo colorantes, los llamados puntos cuánticos y proteínas fluorescentes. Los nanografenos son tan buenos como los mejores de estos materiales en cuanto a sus propiedades ópticas. Además de sus excelentes propiedades ópticas, los nanografenos no son tóxicos, son muy pequeños y, lo más notable y diferente de todos los demás materiales, su frecuencia de destello es robusta e independiente de su entorno. Esto significa que el nanografeno puede utilizarse en el aire, en soluciones acuosas y en otros disolventes, lo que lo convierte en un fluoróforo muy versátil. Los nanografenos pueden modificarse fácilmente para que sólo se adhieran a ciertos lugares interesantes de una muestra, por ejemplo, un organito específico de una célula.

"Hemos comparado la nanografía con el patrón oro de esta técnica de microscopía: el colorante orgánico Alexa 647", dice la profesora Mischa Bonn, directora del MPI-P. "Encontramos que el nanografo es tan eficiente como este tinte, es decir, puede convertir la mayor parte de la luz incidente en un color diferente, pero no requiere un ambiente específicamente adaptado que Alexa requiere."

Para probar el nanografo producido en el Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros, los científicos colaboraron con el grupo del Prof. Christoph Cremer en el Instituto de Biología Molecular (IMB) en Mainz. Los investigadores prepararon una superficie de vidrio con fisuras del tamaño de un nanómetro. Aquí se aplicaron partículas de nanografeno, que se depositaron principalmente en los huecos. En comparación con la microscopía convencional, pudieron demostrar que la resolución podía aumentarse en un factor de 10 utilizando nanopartículas de grafeno.

Los científicos ven el desarrollo de su material como un paso importante en la microscopía de superresolución.

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