형광 바이오이미징은 생물학적 현상을 시각화하기 위해 널리 사용되는 기술입니다. 형광 단백질과 양자점은 이러한 목적을 위해 일반적으로 사용되는 형광단이며, 가시광선이 여기 소스인 경우가 많습니다. 그러나 파장이 짧은 높은 에너지의 빛(예: 가시광선)은 파장이 더 긴 근적외선(NIR) 빛과 비교할 때 다음과 같은 바람직하지 않은 결과를 초래합니다.
- 과도한 광표백 현상
- 생물학적 샘플에 대한 높은 광독성
- 높은 수준의 산란으로 인해 제한된 침투 깊이
상향변환 이미징은 근적외선(NIR) 광 여기를 통해 가시광선 형광을 획득하는 관찰 기술입니다. 앞서 언급한 형광 이미징 문제를 극복할 수 있는 방법을
제시해 최근 주목받고 있습니다.
상향변환이란?
상향변환(Upconversion)은 근적외선 등의 장파장에 의해 여기되고 여기광보다 짧은 파장의 빛(가시광선 또는 자외선)이 방출되는 현상입니다.
상향변환 나노입자(UCNP)를 사용한 이미징은 근적외선을 조사하여 여기 및 다단계 여기를 위한 연속파(CW) 다이오드 레이저를 사용하여 단파장, 고에너지 가시광선을 방출합니다.
그림 1. 광자 상향변환의 개념도
상향변환 이미징의 장점
UCNP를 사용한 형광 이미징은 여기를 위해 NIR 파장 레이저(808nm, 980nm 등)를 사용하므로, 조직 및 유기체에 대해 산란이 더 적은 깊이 있는 이미지를 얻을 수 있습니다. 또한 빛의 파장이 길수록 에너지가 낮기 때문에 높은 에너지의 가시광선에 비해 유기체에 입히는 손상 정도가 적습니다. UCNP는 매우 안정적이고 쉽게 광표백되지 않으므로 세포와 살아있는 유기체를 모두 이미징하는 데 매우 적합합니다.
또한 상향변환을 위한 여기는 고출력 펄스 레이저 대신 CW 다이오드 레이저를 사용하여 달성할 수 있습니다. 따라서 연구자들은 더 복잡하고 값비싼 다광자 현미경 시스템이 아닌 보다 단순한 컨포컬 현미경 시스템으로 최적의 NIR 생물학적 광학 창* 내에서 실험을 수행할 수 있습니다.
그림 2. 상향변환을 위한 레이저 도입 장치를 갖춘 FLUOVIEW™ 시리즈 컨포컬 현미경의 예
상향변환을 사용할 수 있는 분야의 예는 다음과 같습니다.
- 케이지 화합물의 언케이징
- 이온 채널 활성화
- 신경 자극
- 발광 공명 에너지 전달(LRET)
그림 3. 수정 후 5일이 경과한 제프라피시 배아
U87 신경교종 세포를 5ug/ml 콜로민산 코팅 UCNP와 함께 12시간 동안 배양하여 수정 후 5일이 경과한 제브라피시 배아에 주입하고 제브라피시에서 나노입자
분포를 확인했습니다.
그린 채널: 형질전환 제브라피시에서 내피세포에 의해 발현되는 GFP
레드 채널(UCNP): DSPE-PEG로 코팅된 70nm 코어-쉘 NaYbF4:Tm@NaYF4 나노입자, 기타 라벨링 없음
이미지 제공: Dr. Yiqing Lu, 맥쿼리 대학교(Macquarie University) 공학부.
Evident의 상향변환 솔루션
Evident는 상향변환 이미징이 가능한 컨포컬 레이저 스캐닝 현미경 시스템을 제공합니다. 레이저의 종류와 갯수 등 고객의 실험에 맞는 맞춤형 솔루션을
제안합니다.
질문이 있거나 견적을 요청하려면 현지 대리점에 문의하시기 바랍니다.
* 생물학적 광학 창: 빛이 살아있는 유기체에 쉽게 침투하는 근적외선 파장 범위(650nm~1000nm)를 나타냅니다.
참고 문헌
▸Na Ren, Na Liang, Xin Yu, Aizhu Wang, Juan Xie, Chunhui Sun. Ligand-free upconversion nanoparticles for cell labeling and their effects on stem cell differentiation. Nanotechnology. 2020 Apr 3, 31(14):145101.
▸Yanxiao Ao, Kanghua Zeng, Bin Yu, Yu Miao, Wesley Hung, Zhongzheng Yu, Yanhong Xue, Timothy Thatt Yang Tan, Tao Xu, Mei Zhen, Xiangliang Yang*, Yan Zhang, and Shangbang Gao. An Upconversion Nanoparticle Enables Near Infrared-Optogenetic Manipulation of the Caenorhabditis elegans Motor Circuit. ACS Nano 2019, 13, 3, 3373–3386.
▸Yong-Xiang Wu, Xiao-Bing Zhang, Dai-Liang Zhang, Cui-Cui Zhang, Jun-Bin Li, Yuan Wu, Zhi-Ling Song, Ru-Qin Yu, Weihong Tan. Quench-Shield Ratiometric Upconversion Luminescence Nanoplatform for Biosensing. Analytical Chemistry 2016, 88, 3, 1639–1646.
